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PONTIFICIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS Processos de fabricação Tecnologia da USINAGEM Belo Horizonte Temperatura no Processo de Usinagem ▪ A potência consumida na usinagem, em grande parte, é consumida em calor próximo à aresta de corte da ferramenta e muitos problemas técnicos e econômicos tem origem devido ao aquecimento. ▪ O conhecimento de quais fatores influenciam a geração de calor, bem como, qual é o fluxo de calor entre a peça, cavaco e ferramenta é de grande importância. ▪ Grande parte do calor gerado é dissipada pelo cavaco, uma pequena porcentagem é dissipada pela peça e uma outra para o meio ambiente. O restante vai para a ferramenta de corte. Temperatura no Processo de Usinagem ▪ A maior parte da potência / energia consumida no processo de usinagem dos metais é convertida em calor na interface cavaco- ferramenta. ▪ O calor é gerado nas zonas de cisalhamento e conduzido para a peça, para o cavaco e para a ferramenta. Temperatura no Processo de Usinagem ▪ As consequências da elevação da temperatura no processo podem ser positivas ou negativas. ▪ A avaliação positiva refere-se quando a elevação da temperatura atua na redução da tensão de cisalhamento do material e dessa forma facilita o corte do mesmo. ▪ Quanto aos pontos negativos podemos citar: ✓ Redução da vida útil da ferramenta devido ao desgaste prematuro; ✓ Parada de máquina para substituição de ferramenta; ✓ Influências metalúrgicas na peça e ferramenta; ✓ Redução de parâmetros de corte; Temperatura no Processo de Usinagem ▪ Apesar de a parcela do calor que é transmitida à ferramenta representar apenas 8 a 10% do total, ela é responsável pela elevação da temperatura, que pode chegar a 1100° C, o que compromete fortemente a resistência da ferramenta. Temperatura no Processo de Usinagem ▪ Pode-se modelar o balanceamento de energia com a seguinte relação: Qz + Qa1 + Qa2 = Qc + Qp + Qma + Qf ✓ Qz = calor gerado na zona de cisalhamento primário. ✓ Qa1 = calor gerado na zona de cisalhamento secundário. ✓ Qa2 = calor gerado na zona de interface peça-superfície de folga da ferramenta. ✓ Qc = calor dissipado pelo cavaco. ✓ Qp = calor dissipado pela peça. ✓ Qma = calor dissipado pelo meio ambiente. ✓ Qf = calor dissipado pela ferramenta de corte. Temperatura no Processo de Usinagem ▪ Pode-se constatar experimentalmente que mais de 90% de todo o trabalho mecânico se converte em calor. ▪ Logo temos a seguinte relação: 𝑄 = 𝐹𝑐∗𝑉𝑐 60 [W] Onde: Q = quantidade de calor gerada [W]; Fc = Componente principal da Força de Corte [N]; Vc = Velocidade de Corte [m/min]; Temperatura no Processo de Usinagem Calor Gerado na Zona de Cisalhamento Primária: ▪ A maior parte do calor gerado na zona de cisalhamento primário é dissipada pelo cavaco, mas uma pequena fração, é transmitida para a peça por condução, o que aumenta a sua temperatura, podendo às vezes causar problemas de precisão dimensional. Temperatura no Processo de Usinagem Calor Gerado na Zona de Cisalhamento Secundária: ▪ Essa é a fonte de calor que mais influencia as temperaturas de corte. ▪ A temperatura da ferramenta na usinagem de materiais macios e de baixo ponto de fusão, como o alumínio e o magnésio não representam grande problema para o processo em si. ▪ Em se tratando de materiais duros e de alto ponto de fusão a temperatura da ferramenta se torna o fator controlador da taxa de remoção de material, materiais tais como ferros fundidos, aços, ligas de níquel e ligas de titânio. Temperatura no Processo de Usinagem Calor Gerado na Zona de Cisalhamento Secundária: ▪ As temperaturas podem chegar a mais de 1100° C e as ferramentas devem suportar essa condição. Temperatura no Processo de Usinagem Calor Gerado na Zona de Cisalhamento Terciária: ▪ Se a usinagem ocorrer com ângulos de folga pequenos (𝛼𝑜< 1°) ou se o desgaste de flanco (VB, medido na superfície de folga da ferramenta) atingir proporções consideráveis, a interface peça-superfície de folga da ferramenta se torna a terceira fonte importante de geração de calor. Temperatura no Processo de Usinagem Medições da Temperatura de Usinagem: Estimativas Experimentais Várias técnicas para avaliar o aumento da temperatura nas zonas de corte foram desenvolvidas e a maioria delas é empregada em medir a temperatura da ferramenta. Os métodos mais utilizados são: ▪ Método calorimétrico; ▪ Medição direta por inserção de termopares na ferramenta de corte; ▪ Medição da força termoelétrica entre a ferramenta e a peça (método termopar ferramenta-peça); ▪ Medição indireta por meio de vernizes térmicos; ▪ Medição por técnicas metalográficas ; ▪ Medição por radiação de calor na faixa do espectro infravermelho; ▪ Medição utilizando Pós de sais químicos; ▪ Deposição de filmes PVD; ▪ Medição por FEM; Temperatura no Processo de Usinagem Método Calorimétrico: ▪ Este método é utilizado para medir a temperatura média do cavaco utilizando-se um calorímetro de água. ▪ Para isto mede-se a massa e temperatura inicial da água, usina- se a peça e os cavacos caem no reservatório com temperatura conhecida. ▪ Mede-se a temperatura atingida pela água depois de determinado tempo, pesa-se o cavaco após secagem e através de equações calorimétricas determina-se a temperatura média do cavaco no instante em que atingiu a água. Temperatura no Processo de Usinagem Método por Técnicas Metalográficas: ▪ O método consiste em submeter as ferramentas a testes de usinagem e em seguida a uma análise metalográfica com o objetivo de relacionar alterações da microestrutura do material com a temperatura necessária para que ocorram as transformações observadas. Aplicável ao HSS Temperatura no Processo de Usinagem Método por Termopares inseridos na ferramenta: ▪ Por meio deste método pode-se realizar a medição da temperatura em qualquer ponto da ferramenta. O procedimento consiste na realização de pequenos furos na ferramenta com diâmetros de dimensões mínimas, de modo a não comprometer a resistência da ferramenta, através dos quais são inseridos termopares. Temperatura no Processo de Usinagem Método por Termopares ferramenta-peça: ▪ É a técnica de maior proximidade entre a real temperatura da interface, entretanto a sua calibração é um fator que o torna difícil. Temperatura no Processo de Usinagem Método por Radiação Térmica: ▪ Este método consiste em medir a radiação térmica emitida por uma pequena área do cavaco ou da ponta da ferramenta. Fazendo-se com que esta radiação, através de um sistema de lentes, seja focada em um sensor que possa identificar a qual temperatura deveria estar o corpo com aquela composição para irradiar tal energia. Temperatura no Processo de Usinagem Método por vernizes termosensíveis: ▪ Este método consiste na utilização de vernizes com capacidade de mudar de cor a determinadas temperaturas, ou em decorrências de reações químicas iniciadas pela temperatura. São aplicáveis apenas em superfícies expostas. Temperatura no Processo de Usinagem Método utilizando pós de sais químicos: Esta técnica permite visualizar a distribuição de temperaturas em uma seção da ferramenta de corte, por meio da deposição de sais com ponto de fusão conhecidos, como o NaCl, KCl, CdCl, PbCl2, AgCl e KNO3. A ferramenta de corte é dividida ao meio segundo um plano perpendicular ao plano de referência e à aresta principal de corte. Temperatura no Processo de Usinagem Método utilizando deposição de filmes PVD: ▪ Este método é possui muitas semelhanças com método que utiliza a deposição de sais, descrito na seção anterior. ▪ A diferença é que em vez de sais são depositados filmes de materiais puros pelo processo de deposição física (PVD). ▪ Esse procedimento torna a medição mais complexa, porém os filmes possuem topografia mais suave que os sais, o que faz com que a área real de contato entre as metades da ferramenta seja maior e, com isso, exercer menor influência na distribuição de temperatura. Temperatura noProcesso de Usinagem Método Numérico utilizando elementos finitos: ▪ Busca-se uma analogia entre os métodos experimentais e os simulados. ▪ O que se faz é buscar um maior refinamento das malhas nas regiões mais próximas da interface cavaco – ferramenta. 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