Apostila Usinagem , Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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UNIVERSIDADE DA AMAZÔNIA

CCET

ENGENHARIA MECÂNICA

DISCIPLINA

USINAGEM

Professor: MSc. Everton Ruggeri

Belém-PA

1 INTRODUÇÃO

A usinagem é um dos processos de fabricação mais importantes existentes. Com ela se fabrica materiais através da remoção deste sob a forma de cavaco, com o intuito de moldá-lo. O cavaco é a porção de material retirado da peça por uma ferramenta de corte, como mostrado na figura 1. Figura 1 – Processo de usinagem Na maioria das aplicações industriais, a usinagem é usada para converter blocos (tarugos) metálicos fundidos, forjados ou pré-moldados em perfis desejados, com tamanhos e acabamentos específicos, de acordo com as necessidades do projeto. Quase todos os produtos manufaturados possuem componentes que precisam ser usinados, portanto, a justificativa de se usinar um determinado material é grande. A usinagem é reconhecidamente o processo de fabricação mais popular do mundo, transformando em cavacos cerca de 10% de toda a demanda de metais, desta forma muitos objetos e produtos são obtidos por este processo (figura 2) Figura 2 – Componentes obtidos pelo processo de usinagem

Figura 4 – Operações de desbaste e acabamento na usinagem

2PRINCIPAIS PROCESSOS DE USINAGEM

Os principais processos de usinagem aplicados na indústria de manufatura são os convencionais com geometria definida a seguir será mostrado estes diferentes processos de usinagem. 2.1 TORNEAMENTO O torneamento é o processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies de revolução através da remoção de cavaco pela ação de uma ferramenta monocortante, isto é, quando a ferramenta de corte possuir apenas uma aresta cortante de onde sairá a superfície de saída do material (cavaco). Ele pode ser dividido em torneamento retilíneo ou curvilíneo. (figura 5). Figura 5 – Torneamentos retilíneos e curvilíneos

No Torneamento retilíneo a ferramenta se desloca segundo uma trajetória retilínea. O torneamento retilíneo pode ser: cilíndrico (externo, interno, sangramento axial), cônico (externo, interno), radial (faceamento, sangramento radial) ou de perfil (radial ou axial). Figura 6 – Tipos de torneamento retilíneo No outro tipo de operação de torneamento a ferramenta se desloca através uma trajetória curvilínea. São exemplos desse torneamento o perfilamento e o torneamento curvilíneo. (ver figura 7)

O fresamento do tipo tangencial é aquele que a superfície da peça está avançando de maneira paralela à ferramenta (figura 9 .a) já no frontal a superfície da peça está avançando de maneira perpendicular à ferramenta. (figura 9 .b) Figura 9 – Tipos de fresamento Ainda sobre os tipos de fresamento, ele pode ser concordante quando o sentido do avanço da peça for o mesmo da rotação da ferramenta (figura 10 .a) e discordante se o sentido do avanço da peça for diferente da rotação da ferramenta (figura 10.b). Figura 10 – Fresamento concordante e discordante Em uma operação concordante, os sentidos das velocidades de corte e de avanço são, em média, os mesmos. A espessura do cavaco decresce durante a sua formação. O fresamento concordante tem menor desgaste e, como consequência,

aumenta a vida útil da ferramenta, melhora a qualidade superficial, possui menor potência requerida para o corte e reduz os efeitos de vibração, já que a força resultante empurra a peça contra a mesa onde está fixada. Quando se trata da ação discordante, ocorre o contrário. Os sentidos das velocidades de corte e de avanço são, em média, opostos. A espessura do cavaco cresce durante a sua formação. Neste caso, a espessura do cavaco é mínima no início do corte e máxima no final, Consequentemente os esforços e a tendência a vibrações na ferramenta são maiores. Já no fresamento frontal, a superfície usinada é gerada pelo aresta secundária de corte e encontra-se normalmente perpendicular ao eixo da fresa. Também é plana, sem relação com o contorno dos dentes da fresa. A penetração de trabalho ( ae ) é consideravelmente maior que a profundidade de corte ( ap ). Nesta operação, ocorrem simultaneamente fresamento concordante e discordante. Tomando um dente em particular, primeiro ele se engaja em fresamento discordante. A espessura do cavaco que se forma cresce até um valor máximo na linha que passa pelo centro da fresa e com direção igual à do avanço. A partir deste ponto o corte passa a ser concordante. A espessura do cavaco decresce até o gume sair da peça. 2.4 FURAÇÃO A furação é o processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de furos cilíndricos em uma peça obtido pela atuação de uma ferramenta multicortante (broca) em um trajeto retilíneo. A furação pode ser em cheio, escareada, escalonada ou de centro como mostrado na figura 11. Figura 11 – tipos de furação (a) em cheio; (b) escareamento; (c) escalonada; (d) de centro. A furação é em cheio quando a ferramenta remove todo o material compreendido no volume final em que a broca percorre, ela é escareada (furação do tipo por escareamento) quando se abre um furo em uma peça que já possui um canal de abertura, é escalonada quando se deseja abrir um furo com dois canais ou mais com diâmetros diferentes, de maneira simultânea e de centro quando se fura a peça com ela deitada na horizontal.

3 MOVIMENTOS NO PROCESSO DE USINAGEM

Para que seja executada a operação de usinagem do material é preciso que a ferramenta e a peça se movimentem para concretização do processo, esses movimentos são classificados como ativos ou passivos; Os movimentos ativos são aqueles que atuam diretamente na formação do cavaco e os movimentos passivos aqueles que não atuam nesta formação de cavaco. 3 .1 MOVIMENTOS ATIVOS  Movimento de corte: movimento entre a ferramenta de corte e a peça que provoca a remoção de cavaco durante uma única rotação da máquina operatriz ou curso da ferramenta.  Movimento de avanço:movimento entre a ferramenta e a peça que proporciona que a remoção de corte seja feita de forma contínua durante várias rotações da máquina operatriz ou curso da ferramenta.  Movimento efetivo:É o movimento resultante da ação dos dois movimentos de corte e avanço no qual se resulta o processo de usinagem. A figura 14 ilustra os movimentos ativos em um processo de torneamento. Figura 14 – Movimentos ativos torneamento

3.2 MOVIMENTOS PASSIVOS

 Movimento de ajuste: movimento entre a ferramenta de corte e a peça onde se pré-estabelece a espessura da camada de material que será removida  Movimento de correção: é o movimento existente para compensar alterações de posicionamento devido a fatores como desgaste da ferramenta, deformações no material, variações térmicas, etc.  Movimento de aproximação: movimento existente antes do processo de usinagem que aproxima a ferramenta de corte na peça para posicionar a mesma no local onde será realizado o corte.  Movimento de recuo: movimento que ocorre ao final do processo de usinagem onde a ferramenta é afastada da peça. 3 .3 DIREÇÕES DOS MOVIMENTOS Associado aos movimentos que existem no processo de usinagem estão as direções destes movimentos, sentidos e velocidades. Tais direções são representadas no chamado plano de corte e mudam de acordo com o tipo de operação de usinagem. 3 .3.1 Direções dos movimentos no torneamento Figura 15 – Direções, sentidos e velocidades no torneamento onde: vc é a velocidade de corte do processo, vf a velocidade de avanço e ve a velocidade efetiva.

3 .4 ÂNGULOS FORMADOS DEVIDO AOS MOVIMENTOS E DIREÇÕES

Devido à movimentação entre a ferramenta de corte e a peça juntamente com suas direções e velocidades se formam ângulos de geometria no plano de trabalho. Os ângulos são o da direção de avanço (φ) e ângulo da direção efetiva (η) a figura 18 mostra estes ângulos no plano de trabalho nas operações de usinagem. 3 .4.1 Ângulos no torneamento devido aos movimentos entre ferramenta e peça Figura 18 – ângulo da direção de avanço (φ) e ângulo da direção efetiva (η) fonte: Diniz et. al. ( 2013 ) 3 .4.2 Ângulos no fresamento devido aos movimentos entre ferramenta e peça Figura 19 – ângulo da direção de avanço (φ) e ângulo da direção efetiva (η)

3 .4.3 Ângulos na furação devido aos movimentos entre ferramenta e peça Figura 20 – ângulo da direção de avanço (φ) e ângulo da direção efetiva (η) fonte: Diniz et. al. ( 2013 )

A velocidade de avanço em operações de usinagem é dada então pelo produto entre o avanço da ferramenta na peça ou da peça na ferramenta e a rotação utilizada. vf  f  n [mm/min] , (2) substituindo a rotação n de acordo com equação (1) tem-se: d vc vf f      1000

. (2.1) Onde: f representa o avanço [mm/rot] da ferramenta na peça durante a operação, e é escolhido pelo usuário de acordo com o material que se deseja usinar. A partir do avanço tem-se o avanço por dente ( fz ) e o avanço de corte ( fc ). Quando o processo de usinagem for com ferramenta multicortante (figura 21) é indicado se utilize o avanço por dente ( fz ). Figura 2 1 – Avanço por dente em um processo de fresamento. O avanço por dente ( fz ) então é o deslocamento que cada dente que realiza a usinagem percorre no material, sendo expressa pelo quociente entre o avanço ( f ) e o número de dentes da ferramenta (z). z f fz  (^). (3) Assim a velocidade de avanço em processos multicortantes de acordo com os dentes da ferramenta pode ser descrita segundo a equação 3.

vf ^  fz  n [mm/min] , (3.1) e o avanço de corte ( fc ) é aquele que ocorre perpendicular à direção de corte no plano de trabalho sendo representado pelo produto entre o avanço por dente ( fz ) e o seno do ângulo de direção de avanço (φ). fc  fz  sen (  )[mm/rot]. (4) Nas operações de torneamento e furação o ângulo da direção de avanço(φ) é constante, portanto vale φ=90˚ e em outras operações de usinagem ele é variável. Para saber o ângulo de direção efetiva(η) utiliza-se a seguinte relação:     cos  vf vc sen tg

. (5) De posse das relações matemáticas de velocidades e avanços existentes pode-se calcular o tempo de realização da usinagem ( tc ) mostrado na equação 6 para processos monocortantes. f f c v l t  [min] , (6) onde: tc é o tempo de corte da usinagem e lf o comprimento que a ferramenta ou peça percorre no movimento de avanço. Substituindo a velocidade de avanço expressa na equação 2.1 tem-se: c f f c f v d l f n l t        1000  . (6.1) Para casos de processos multicortantes o tempo total de usinagem ( tc ) ainda pode ser expresso em relação ao avanço por dente e pelo número de dentes da ferramenta conforme a equação 6.2. f n z l t z f C          '  . (6.2)

Q  ap  ae  vf [mm³/min]. (7) E expandida para processos multicortantes de acordo com a equação 7.1. Q '  ap  ae  vf '[mm³/min]. (7.1) Para analisar esta porção de material é preciso analisar a área da seção transversal do cavaco não mais no plano de trabalho e sim no plano de medida. Os planos do processo usinagem serão apresentados no capítulo 5. A figura 23 ilustra a área da seção transversal de uma parcela de material retirada do plano de medida. Figura 23 – Plano e área da seção transversal Desta maneira a área de seção transversal do cavaco pode ser analisada perpendicularmente à direção de corte e calculada através da seguinte relação: A  b  h [mm²], ( 8 ) onde: b é largura de corte ou comprimento de usinagem[mm] e h a espessura de corte [mm]. A figura 24 mostra a largura de corte b e a espessura de corte h.

Figura 24 – Largura e espessura de corte na área da seção transversal A largura de corte ( b ) é igual ao comprimento da aresta de corte e depende do ângulo de posição da ferramenta (χ r ), a equação 8 .1 denota esta grandeza. r p sen a b   , ( 8 .1) E a espessura de corte ( h ) nada mais é que a espessura do cavaco retirado, com a equação 8.2 mostrando ela em processos monocortantes e a equação 8.3 em processos multicortantes. r h  f  sen  , ( 8 .2) h '  fz  sen  r. (8.3) A figura 25 ilustra os parâmetros da equação 8.3 em um processo multicortante.