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PROCESSOS DE USINAGEM TORNEAMENTO • Normas que tratam da geometria da cunha de corte de ferramentas de usinagem NBR 6163, DIN 6581, ISO 13399. As dimensões, o material e a necessidade de qualidade na peça a ser usinada influenciam no tipo de operação de corte (desbaste ou acabamento, usinagem externa ou interna, tamanho do lote, percurso da ferramenta etc.). Na definição do processo de fabricação por usinagem: Algumas características dimensionais devem ser avaliadas: Peça estável e grande; peça delgada e longa, de parede fina e pequena; necessidade de raio de canto; necessidade de fixação especial. Algumas particularidades do material devem ser analisadas: cavaco gerado, dureza, tenacidade. Algumas necessidades de qualidade devem ser consideradas: tolerância, rugosidade, integridade. CARACTERÍSTICAS E MATERIAL DA PEÇA CARACTERIZAÇÃO DOS PARÂMETROS DE ENTRADA E SAÍDA Dentre as variáveis envolvidas no processo de fabricação com formação de cavaco, existem aquelas nas quais se podem intervir (variáveis independentes de entrada) e aquelas nas quais não se podem (variáveis dependentes de saída), já que sofrem influência da mudança nos parâmetros de entrada. As relações de entrada/saída associadas com o processo de torneamento. Uma maneira de controlar o processo de usinagem é atuar diretamente nas variáveis de entrada (independentes) e mensurar seu efeito através da medida de variáveis dependentes de saída. As condições ideais para um determinado processo de usinagem podem ser determinadas com um melhor aproveitamento da ferramenta de corte e uma melhor taxa de remoção de material. O profissional responsável pelo controle da produção trabalha na supervisão destas variáveis, usualmente indiretas. Variáveis Independentes de Entrada As variáveis independentes de entrada são: ▪ Geometria da ferramenta, ▪ Material da ferramenta, ▪ Material da peça, ▪ Parâmetros de corte e ▪ Máquina-ferramenta. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: MATERIAL E GEOMETRIA DA PEÇA. ➢ PARÂMETROS DE USINAGEM: Os parâmetros que descrevem o movimento da ferramenta e/ou peça são: Frequência de rotação [Rpm], velocidade de corte (vc) (m/min] , velocidade de avanço(Vf)[mm/min] e profundidade de corte (ap)[mm]. Figura2: Parâmetros de usinagem Fonte: Sandvix PARÂMETROS DE CORTE: PARÂMETROS DE CORTE: ▪ Movimento principal ou de corte – É o movimento que permite cortar o material ( movimento rotativo realizado pela peça), sempre automático. ▪ Movimento secundário ou de avanço – movimento que desloca a ferramenta ao longo da superfície da peça.(automático ou não). 1 Rotação da peça – CORTE 2 Translação da ferramenta – AVANÇO 3 Transversal da ferramenta – PROFUNDIDADE DE CORTE Figura 2: Parâmetros de usinagem Fonte: Sandvix MOVIMENTOS NA USINAGEM 7 Prof. Fernando Penteado. ➢ Movimento de corte: É o movimento entre a ferramenta e a peça que provoca remoção de cavaco durante uma única rotação ou um curso da ferramenta. Geralmente este movimento ocorre através da rotação da peça (torneamento) ou da ferramenta (fresamento). Figura 3: Movimento de corte Fonte: Sandvix Vc = .d.N 1000 CÁLCULO DA VELOCIDADE DE CORTE: Onde: Vc = velocidade de corte (m/min) d = diâmetro da peça (mm) N= rotação da peça (rpm) 1000= conversão mm para m n1 n2 n3 d V c CÁLCULO DA VELOCIDADE DE CORTE: ➢ Movimento de avanço ( f ): É o movimento entre a ferramenta e a peça que, juntamente com o movimento de corte, possibilita uma remoção contínua do cavaco ao longo da peça. MOVIMENTOS NA USINAGEM 10Prof. Fernando Penteado. Figura 4: Movimento de avanço Fonte: Sandvix CÁLCULO DA VELOCIDADE DE AVANÇO 11Prof. Fernando Penteado. V𝒇 = velocidade de avanço [mm/min] 𝒇 = avanço que a ferramenta faz em cada rotação da peça [mm/rot] Vc = velocidade de corte [m/min] d = Diâmetro da peça ou (ferramenta) [mm] N = rotação [Rpm] Velocidade de avanço (v) é a velocidade instantânea do ponto de referência da aresta cortante da ferramenta, segundo a direção e o sentido de avanço. É dada pela Equação: 𝑉𝑓 = 𝑓 ∗ 𝑉𝐶∗1000 𝜋∗𝐷 𝑉𝑓 = 𝑓 ∗ 𝑁 CÁLCULO DO TEMPO DE CORTE (TEMPOS ATIVOS) 12Prof. Fernando Penteado. Onde: tc = tempo de corte [min] Np= número de passes 𝑙𝑓 = percurso de avanço [mm] 𝑣𝑓 = velocidade de avanço [mm/min] Tempo total de corte (tc) = 𝑁𝑝 ∗ 𝑙 𝑓 𝑣 𝑓 MOVIMENTOS NA USINAGEM 13Prof. Fernando Penteado. ➢ Movimento de ajuste ou penetração (ap ): É o movimento entre a ferramenta e a peça, no qual é predeterminada a espessura da camada de material a ser removida. MOVIMENTO DE AJUSTE p Figura 5: Profundidade de corte Fonte: Sandvix MOVIMENTOS NA USINAGEM 14 Prof. Fernando Penteado. ➢ Movimento efetivo de corte: É o movimento entre a ferramenta e a peça, a partir do qual resulta o processo de usinagem. Quando o movimento de avanço é continuo, o movimento efetivo é a resultante da composição dos movimentos de corte e de avanço. MOVIMENTO EFETIVO Figura 6: Movimento efetivo de corte Fonte: Sandvix VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE - FERRAMENTAS DE CORTE PARA USINAGEM, CONSULTE A ABNT TB-388:1990 Para cada par material de ferramenta / material de peça têm uma geometria de corte apropriada ou ótima. A geometria da ferramenta influência na: ➢ Formação do cavaco ➢ Saída do cavaco ➢ Forças de corte ➢ Desgaste da ferramenta ➢ Qualidade do Acabamento VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE - FERRAMENTAS DE CORTE PARA USINAGEM, CONSULTE A ABNT TB- 388:1990 Uma ferramenta de corte possui uma o mais arestas cortantes afiadas e é composta por material mais resistente do que o material a ser usinado. A aresta de corte serve para separar o cavaco do material de origem. ❑ Duas superfícies da ferramenta estão conectadas à aresta de corte: ✓ A superfície de saída e o flanco. Figura 7: Ferramenta monocortante (a) e uma multicortante (b) . 1. A superfície de saída, que direciona o fluxo do cavaco recém formado, é orientada em certo ângulo denominado ângulo de saída. 2. O flanco da ferramenta fornece uma folga entre a ferramenta e a superfície de trabalho recém gerada, protegendo, dessa forma, a superfície usinada contra a abrasão. A superfície do flanco é orientada em um ângulo denominado ângulo de folga VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE - FERRAMENTAS DE CORTE PARA USINAGEM, CONSULTE A ABNT TB- 388:1990 Figura 8: ferramentas de corte inteiriça (a), inserto soldado (b) inserto fixado mecanicamente (c). VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE - FERRAMENTAS DE CORTE PARA USINAGEM, CONSULTE A ABNT TB- 388:1990 A ferramenta de corte é geralmente designada para realizar uma operação específica de usinagem, e a geometria (ângulos) desta ferramenta deve ser devidamente escolhida para poder executá-la com precisão. Ela apresenta as seguintes partes construtivas : Cunha de corte: cunha formada pela intersecção das superfícies de saída e de folga da ferramenta de corte. Figura 9: Cunha de corte da ferramenta de torneamento. Fonte: Diniz Superfície de saída (A): superfície da cunha de corte sobre a qual o cavaco é formado e sobre a qual o cavaco escoa durante sua saída da região do trabalho de usinagem. Superfície principal de folga (A): superfície da cunha de corte da ferramenta que contém sua aresta principal de corte e que defronta com a superfície em usinagem principal. Aresta principal de corte (S): aresta da cunha de corte formada pela intersecção das superfícies de saída e de folga principal. ✓ Os ângulos da ferramenta servem para determinar a posição e a forma da cunha de corte. Para a designação dos termos da cunha, foi empregada a geometria de uma ferramenta de torneamento, já que nesta é mais simples de exemplificar os diversos aspectos. As definições aqui representadas, em principio, valem para todas as ferramentas de corte de geometria definida.VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE MATERIAL E GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE O tipo de operação afeta a escolha da ferramenta. O formato da pastilha deve ser selecionado com relação à acessibilidade do ângulo de posição, comumente chamado de ângulo de rendimento (r) necessário para a ferramenta. O maior ângulo de ponta (r) possível deve ser aplicado para proporcionar resistência e confiabilidade à pastilha. Mas isso tem que ser balanceado em relação à variação de cortes necessários. - O ângulo de ponta grande é robusto, mas demanda mais potência da máquina e tem uma tendência maior para vibrar. - Um ângulo de ponta pequeno é mais fraco e tem uma aresta de corte pequena, o que a torna mais sensível aos efeitos térmicos. Figura 10: Ferramentas de corte Fonte: Sandvix VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Os ângulos da ferramenta são classificados em: de incidência /folga (), de cunha (), de saída (), de ponta (r), de posição principal (r), de posição secundário (’r) e de inclinação (). Figura 11: Ângulos da ferramenta de corte: (a) plano de medida e plano de referência; (b) ângulos no plano de medida; (c) faceamento de material dúctil com +. Fonte: Sandvix VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Figura 12: ângulos das ferramentas de corte Fonte: Sandvix 𝜒𝑟 𝑟 Ângulo de posição principal (r) - Formado pela projeção da aresta principal de corte sobre o plano de referência e pela direção do avanço medido no plano de referência. O ângulo (r) tem as seguintes funções: controlar o choque de entrada da ferramenta; distribuir as tensões de corte favoravelmente no início e no fim de corte; alterar a largura do cavaco (b), a espessura do cavaco (h) e o comprimento atuante da aresta de corte; modificar o ângulo de ponta (r); gerar uma força passiva (Fp) na ferramenta que ajuda a eliminar eventuais vibrações; influir na direção de saída do cavaco. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Em trabalhos de desbaste usuais 30º < r < 60º. Na ferramenta de sangrar e no bedame, r = 90º. Figura 13: Ângulo de posição principal Fonte: Sandvix Figura 14 : Influência do ângulo de posição na seção transversal de corte . Fonte:Sandvix Não se aconselha usar r > 90º para não acunhar a ponta da ferramenta no material. A Figura abaixo mostra a influência do ângulo de posição na formação do cavaco, a largura (b),espessura (h) e direção. Observa-se que quando r 90°, b ap, h f e o cavaco se quebra na colisão contra a ferramenta; quando r < 90º, b = ap/sen r, h = f * sen r e o cavaco se quebra na colisão contra a peça. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE ▪ Forcas direcionadas ao mandril. ▪ Menos tendência a vibrações. ▪ Capacidade para tornear os cantos a 90. ▪ Forcas de corte mais elevadas, principalmente na entrada e na saída do corte. ▪ Tendência para desgaste tipo entalhe em HRSA e pecas endurecidas. ▪ Carga reduzida na aresta de corte ▪ Produz um cavaco mais fino = faixa de avanço mais alta. ▪ Reduz o desgaste tipo entalhe. ▪ Não e possível tornear um canto a 90. ▪ As forcas estão direcionadas de modo axial e radial, o que pode resultar em vibrações. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Figura 15: variações do ângulo de posição (r) Fonte: Sandvix Ângulo χ < 45º Neste caso, a aresta de corte tem bastante contato com o material Por isso, o seu desgaste é menor, mas ocasiona grande esforço radial (Fp). VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Figura 16: Ângulo χr < 45º Ângulo χr > 45º - Pequena parte da aresta cortante tem contato com o material, resultando no seu rápido desgaste. Figura 17: Ângulo χr >45º Esse ângulo é usado no torneamento de peças compridas e de diâmetros pequenos, porque proporciona pouco esforço radial (Fp). Ângulo χr = 45º - A fixação ideal da ferramenta para cilindrar uma peça é posicionar o corpo da ferramenta a 90º em relação ao eixo de simetria da peça e com ângulo de rendimento χ = 45º, salvo em casos especiais. r Figura 18: Ângulo χr = 45º VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Ângulo de posição secundário - (’r) é formado entre a projeção da aresta lateral de corte sobre o plano de referência e a direção de avanço medido no plano de referência. O ângulo (’r) indica a posição da aresta secundária de corte. Sua principal função é controlar o acabamento, ou seja, permitir que apenas uma pequena parte da aresta secundária entre em contato com a superfície usinada, evitando assim vibrações. No entanto, deve-se lembrar de que o acabamento da superfície usinada depende também do raio de ponta da ferramenta (r). VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Figura 19 : Ferramenta de desbaste com ângulos medidos no plano de referência. Fonte:Sandvix Raio de ponta (r ) - O raio da curva de concordância medido no plano de referência da ferramenta que une a aresta principal e a secundária da ferramenta de corte, com o objetivo de reforçar a ponta e reduzir as forças atuantes na mesma. →Se o raio r é muito pequeno, apenas a parte final da espessura h é reduzida. Se r é muito grande, há uma redução gradual de h, diminuindo a pressão específica de corte (Ks) na ponta e reduzindo a quantidade de calor gerada na mesma; por outro lado, induz vibrações. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Figura 20: Raio de ponta no plano de referência. Fonte:Sandvix A escolha do raio de ponta mais apropriado depende principalmente da profundidade de corte (ap) e do avanço (f) requeridos na operação de corte. O grau de acabamento (quantificado pela rugosidade) obtido na superfície usinada depende em grande parte do raio de ponta (r) e do avanço (f). O raio de ponta (r) afeta também a quebra dos cavacos gerados na operação de corte e a resistência mecânica do inserto. Um raio pequeno é ideal para pequenos ap e reduz vibrações; porém, diminui a resistência da ponta. Um raio grande é recomendado para grandes ap e f, já que a aresta é mais robusta; porém, induz vibrações pelo aumento nas forças radiais. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Em geral, a quebra de cavacos melhora com um raio menor. Como regra geral, ap < 2/3 r e/ou f = 1/2 r . Figura 21: Influência do raio de ponta na formação do cavaco e nas forças radiais. Fonte: Sandvix VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Ângulo de ponta principal - (r) é formado pela projeção das arestas lateral e principal de corte sobre o plano de referência e medido no plano de referência. A principal função do ângulo r – assim como do ângulo – é aumentar a resistência mecânica da ferramenta, visto que materiais de difícil corte exercem maior pressão próxima à aresta de corte e por isso exigem uma ponta menos aguda. Por conseguinte, tais materiais provocam maior aquecimento na região mais próxima à quina da ferramenta (cunha e ponta). Portanto, quanto maior for r , maior a área de dissipação de calor e maior a resistência da ferramenta de corte. ▪ Ângulo formado pelas arestas cortantes. Conforme o avanço, temos: ▪ Avanço até 1mm/volta ângulo de ε = 90º - ▪ Avanço maior que 1mm/volta ângulo ε > 90º Ângulos da Ferramenta no Plano de Medida VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Ângulo de incidência/folga – () é formado entre a superfície de folga e o plano de corte medido no plano de medida da cunha cortante; influencia na diminuição do atrito entre a peça e a superfície principal de folga. A função de é evitar o atrito entre a superfície transitória da peça e a superfície de incidência (flanco)da ferramenta e permitir que a aresta de corte penetre no material e corte livremente. A grandeza de depende principalmente dos seguintes fatores: resistência do material da ferramenta de corte; resistência e dureza do material da peça a ser usinada. Figura 22: Ângulo de folga() Fonte: Sandvix ➢ Ângulo de incidência (), compreendido entre a peça e a ferramenta. Varia de 5 a 12º. Ângulo de cunha () - formado pelas superfícies de folga e de saída; é medido no plano de medida da cunha cortante. A principal função de é aumentar a resistência mecânica da ferramenta, visto que materiais de difícil corte exercem maior pressão próxima à aresta de corte e por isso exigem uma cunha menos aguda. Consequentemente, tais materiais provocam maior aquecimento na região mais próxima à ponta da ferramenta (cunha e quina). Portanto, quanto maior for , maior a área de dissipação de calor e maior a resistência da ferramenta de corte. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Figura 23: Ângulo de cunha() Fonte: Sandvix ➢ Ângulo de cunha (β) - formado pelas faces de incidência e de saída, deve ser determinado em função do material. Materiais moles β= 40 a 50º (alumínio) Materiais tenazes β = 55 a 75º (aço) Materiais duros β=75 a 85º VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Ângulo da saída - () é formado pela superfície de saída da ferramenta e pelo plano de referência medido no plano de medida; é determinado em função do material, uma vez que tem influência sobre a formação do cavaco e sobre a força de corte. O ângulo é um dos mais importantes da ferramenta, pois influi decisivamente na força e na potência necessária ao corte, no acabamento da superfície usinada e no calor gerado. A grandeza de depende principalmente dos seguintes fatores: resistência do material da ferramenta de corte; resistência e dureza do material da peça a ser usinada; quantidade de calor gerado pelo corte; aumento da velocidade de avanço. Figura 24 : Influência do ângulo de saída na deformação do cavaco. Fonte:Sandvix ➢ Materiais moles =15 a 40º ➢ Materiais tenazes =14º ➢ Materiais duros =0 a 8º Ângulo de inclinação () é o ângulo formado entre a aresta principal de corte e sua projeção sobre o plano de referência medido no plano de corte. Tem por finalidade controlar a direção do escoamento do cavaco, proteger a quina da ferramenta contra impactos, cortes interrompidos e atenuar vibrações. O ângulo pode variar de -10º a +10º. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Figura 25 :Ângulo de inclinação medido no plano de corte: (a) negativo; (b) positivo. Fonte: Diniz (2013) VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Figura 26: Representação dos ângulos na ferramenta em torneamento Fonte: Sandvix Quando se fala em ferramenta positiva ou negativa, tomam-se como referência o ângulo de saída () e, muitas vezes, também o ângulo de inclinação (). Uma ferramenta positiva é utilizada principalmente na usinagem de matérias de baixa dureza e dúcteis; já uma ferramenta negativa é aplicada principalmente no corte de materiais de alta dureza e frágeis – isto fortalece a cunha da ferramenta. A Figura 30 mostra os ângulos e da ferramenta em uma operação de torneamento longitudinal externo. Pela representação, ambos são negativos. - Os insertos negativos podem ter face dupla ou face única, a aresta possui resistência elevada, apresentam () folga zero e, em termos de produtividade, são a primeira escolha para torneamento externo, principalmente em condições de corte severas. - Os insertos positivos possuem face única, suportam baixas forças de corte ( pequeno), apresentam folga lateral e são a primeira escolha para o torneamento interno e/ou externo de peças mais delgadas. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Há muitos tipos de modelos de suportes existentes no mercado; também são vários os sistemas de fixação da pastilha no suporte. A escolha está vinculada à operação e aos ângulos de corte desejados, pois estes são resultantes da combinação entre os ângulos da pastilha e a inclinação de seu assento no suporte. Figura 27:pastilhas de corte Fonte: Diniz (2013) Figura 28: Definição de ângulos de corte Fonte: Diniz(2013) VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE O trabalho de dobramento do cavaco diminui com o aumento de e, por conseguinte, a temperatura gerada diminui. Mas em materiais de difícil usinagem, o aquecimento é mais próximo à quina, onde a dissipação de calor é mínima; neste caso, deve-se diminuir (isto é, aumentar o ângulo de cunha (). Além disso, quanto menor , maiores os esforços de corte, maior a temperatura gerada e menor a vida da ferramenta. Assim, a resistência e a dureza do material a usinar são pontos primordiais na escolha de . VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Kg/mm2 Kg/mm2 Kg/mm2 Continuação.... FERRARESI, Dino. Fundamentos da Usinagem dos Metais. Rio de Janeiro: Edgard Blücher, 2006. FITZPATRICK, Michael. Introdução aos processos de usinagem. Revisão de Sergio Luís Rabelo de Almeida, Carlos Oscar Corrêa de Almeida Filho. Porto Alegre: AMGH, 2013. KIMINAMI, Claudio Shyinti; CASTRO, Walman Benício de; OLIVEIRA, Marcelo Falcão de. Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blücher, 2013. MACHADO, Álisson Rocha et al. Teoria da usinagem dos materiais. 2.ed. rev. São Paulo: Blücher, c2011, reimpr. 2012. MACHADO, Álisson Rocha et al. Teoria da usinagem dos materiais. 2.ed. rev. São Paulo: Blücher, 2011. SANDVIX (2005) . Manual técnico de usinagem: torneamento, fresamento, furação, mandrilamento, sistemas de fixação. Sandviken: AB Sandvix Coromant 600p. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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