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Prof. Dr. André João de Souza
PARTE 1
FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS
1 CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE F ABRICAÇÃO POR U SINAGEM
Fabricar é transformar matérias-primas em produtos acabados, por uma variedade de processos. A idéia de fabricar teve início a milhares de anos, quando o homem pré-histórico percebeu que, para sobreviver, precisava de algo mais que pernas e braços para se defender e caçar.
Sua inteligência logo o ensinou que se ele tivesse uma pedra nas mãos, seu golpe seria mais forte, e se a pedra tivesse um cabo esse golpe seria mais forte ainda. Se essa pedra fosse afiada poderia cortar a caça e ajudar a raspar a peles dos animais. Foi a partir da necessidade de se fabricar um machado que o homem desenvolveu as operações de desbastar, cortar e furar. Durante centenas de anos a pedra foi a matéria-prima, mas por volta de 4000 A.C. ele começou a trabalhar com metais, começando com o cobre, depois com o bronze e finalmente com o ferro para a fabricação de armas e ferramentas.
Para se ter uma idéia do número de fatores que devem ser considerados num processo de fabri- cação veja, por exemplo, a produção de um simples artigo: o clipe. Primeiro ele deve ser projetado para atender o requisito funcional que é segurar folhas de papéis juntas. Para tanto, ele deve exercer uma força suficiente para evitar o deslizamento de uma folha sobre a outra. Eles são, geralmente, feitos de arame de aço, embora hoje se encontre no mercado clipe de plástico. O comprimento do arame reque- rido para sua fabricação é cortado e então dobrado várias vezes, para dar a forma final própria. Por sua vez, o arame é feito por um processo de trefilação a frio. Neste processo a seção transversal de uma haste longa é reduzida, ao passar por uma matriz de fieira, que também confere algumas propriedades mecânicas ao material, como resistência e dureza. A haste por sua vez, é obtida por processos como a trefilação e a extrusão de um lingote. Para evitar delongas, nenhuma informação quanto ao processo de obtenção deste lingote será abordada. A fabricação de um simples clipe envolve projeto, seleção de um material adequado e de um método de fabricação para atender os requisitos de serviço do artigo. As seleções são feitas não somente com base em requisitos técnicos, mas também com base nas conside- rações econômicas, minimizando os custos para que o produto possa ser competitivo no mercado.
O projetista de produtos ou engenheiro projetista especifica as formas, dimensões, aparência, e o material a ser usado no produto. Primeiro são feitos os protótipos do produto. Neste estágio, é possível fazer modificações, tanto no projeto original como no material selecionado, se análises técnicas e/ou econômicas assim indicarem. Um método apropriado é então escolhido pelo engenheiro de fabricação.
A Figura 1.1 mostra um procedimento correto para se chegar à etapa de fabricação.
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Figura 1.1 - Diagrama mostrando o procedimento requerido para o projeto de um produto, que são etapas que antecedem a fabricação Os processos de transformação de metais e ligas metálicas em peças para a utilização em conjun- tos mecânicos são inúmeros e variados: pode-se fundir; soldar; utilizar a metalurgia em pó; ou usinar o metal a fim de obter a peça desejada. Evidentemente, vários fatores devem ser considerados quando se escolhe um processo de fabricação. Como por exemplo:
- forma e dimensão da peça;
- material a ser empregado e suas propriedades;
- quantidade de peças a serem produzidas;
- tolerâncias e acabamento superficial requerido;
- custo total do processamento.
A Fundição é um processo de fabricação sempre inicial, pois precedem importantes processos de fabricação como usinagem, soldagem e conformação mecânica. Esses utilizam produtos semiacabados (barras, chapas, perfis, tubos, etc.) como matéria prima que advém do processo de fundição.
Podemos dividir os processos de fabricação de metais e ligas metálicas em: os com remoção de cavaco , e os sem remoção de cavaco. A Figura 1.2 mostra a classificação dos processos de fabricação, destacando as principais operações de usinagem.
Processos de usinagem envolvem operações de corte que permitem remover excessos de um ma- terial bruto com auxílio de uma ferramenta até que este resulte em uma peça pronta que, posterior- mente, irá compor algum engenho mecânico que, por sua vez, farão parte de bens duráveis. Nestas operações de corte são geradas aparas que se costumam chamar de cavacos. Assim, processos de usi- nagem, invariavelmente, implicam na geração de cavacos.
Um subgrupo da norma DIN 8580 sob o termo separar , compreende os processos de fabricação com remoção de cavaco com ferramenta de geometria definida, que se caracteriza pela aplicação de ferramentas com características geometricamente definidas. Já há aproximadamente 12 a 50 mil anos o
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ferro, e a partir do séc. XVII foram descobertas constantes melhorias no processo de fabricação do ferro e na siderurgia do aço, que colocaram o aço em posição vantajosa em relação aos metais até então co- nhecidos. No entanto, estudos sistemáticos sobre a tecnologia de usinagem só iniciaram no início do século XIX e levaram entre outros a descoberta de novos materiais de corte. No início de 1900, com a descoberta do aço-rápido, o americano Frederick Winslow T AYLOR (1856-1915) determinou um passo marcante no desenvolvimento tecnológico da usinagem.
Os metais-duros sinterizados e os materiais de ferramentas baseados em materiais oxicerâmicos são outros resultados de uma pesquisa intensiva na área de materiais para ferramentas que até hoje ainda não está concluída e sim está submetida a uma melhora constante; isto referido à fabricação e utilização de materiais para ferramentas, como p.ex. os materiais nitreto de boro cúbico (CBN – cubic boron nitride ) e diamante (PCD – polycrystalline diamond ).
Para poder satisfazer as exigências crescentes feitas à qualidade das peças e a viabilidade econô- mica do processo de fabricação, as ferramentas de corte devem ser usadas de forma econômica, para que as variáveis envolvidas na usinagem (geometria da ferramenta, condições de corte, material da peça etc.) sejam consideradas quanto à sua influência e o seu efeito sobre o resultado do trabalho.
No estudo das operações dos metais, distinguem-se duas grandes classes de trabalho: as opera- ções de usinagem e as operações de conformação.
Uma simples definição de operação de usinagem pode ser tirada da Figura 1.2 como sendo pro- cesso de fabricação com remoção de material em forma de cavaco. Consultando, porém, uma bibliogra- fia especializada pode-se definir usinagem de forma mais abrangente, como sendo o processo de remo- ção de material que ao conferir à peça a forma, as dimensões, o acabamento, ou ainda a combinação qualquer destes itens, produz cavaco. E por cavaco entende-se a “porção de material da peça de forma geométrica irregular retirada pela ferramenta de corte. Além desta característica, estão envolvidos no mecanismo da formação do cavaco alguns fenômenos particulares, tais como o recalque, a aresta posti- ça de corte, a craterização na superfície de saída da ferramenta e a formação periódica do cavaco (dentro de determinado campo de variação da velocidade de corte).
Como operação de conformação entende-se aquela que visa conferir à peça a forma ou as di- mensões, ou o acabamento específico, ou ainda qualquer combinação destes três bens, através da de- formação plástica do metal. Devido ao fato da operação de corte em chapas estar ligada aos processos de estampagem profunda, dobra e curvatura de chapas, essa operação é comumente estudada no gru- po de operações de conformação dos metais.
Na maioria das aplicações industriais, a usinagem é usada para converter blocos (tarugos) metáli- cos fundidos, forjados ou pré-moldados em perfis desejados, com tamanho e acabamento específicos, de acordo com as necessidades do projeto. Quase todos os produtos manufaturados possuem compo- nentes que precisam ser usinados, muitas vezes com grande precisão. Logo, este conjunto de processos é um dos mais importantes do sistema de manufatura, pois agrega valor ao produto final.
A usinagem é reconhecidamente o processo de fabricação mais popular do mundo, transforman- do em cavacos algo em torno de 10% de toda a produção de metais, e empregando dezenas de milhões de pessoas em todo o mundo.
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1.1 Classificação dos Processos de Usinagem
1.1.1 Classificação quanto ao processo de remoção de material
O processo de remoção por usinagem pode ser dividido em duas grandes categorias:
- Processos convencionais, em que as operações de corte empregam energia mecânica na remoção do material, principalmente por cisalhamento, no contato físico da ferramenta com a peça – ex: torne- amento, furação e retificação.
- Processos especiais (não-convencionais), em que as operações se utilizam de outros tipos de energia de usinagem (p.ex. termelétrica), não geram marcas-padrão na superfície da peça e a taxa volumétri- ca de remoção de material é muito menor que a dos processos convencionais – ex: laser (radiação), eletroerosão (elétrons) e plasma (gases quentes).
1.1.2 Classificação quanto à geometria da ferramenta de corte
Os processos convencionais de usinagem ainda podem ser subdivididos em duas classes:
- Operações de corte com ferramentas de geometria definida (arestas cortantes com formato e tama- nho conhecidos) – p.ex. torneamento, furação, fresamento.
- Operações de corte com ferramentas de geometria não-definida (partículas abrasivas com formatos aleatórios e compostas por arestas minúsculas de corte) – p.ex. retificação, brunimento, lapidação.
1.1.3 Classificação quanto à finalidade da operação de corte
Quanto à finalidade, as operações de usinagem podem ser classificadas em:
- Operações de desbaste, em que a usinagem, anterior a de acabamento, visa obter na peça a forma e dimensões próximas das finais.
- Operações de acabamento, em que a usinagem é destinada a obter na peça as dimensões finais, ou um acabamento especificado, ou ambos.
1.2 Planejamento de Processos
O planejamento de processos é um procedimento de tomada de decisões com o objetivo de obter um plano de processo econômico.
- Os parâmetros a serem considerados são: geometria da peça; matéria prima; acabamento superfici- al; tolerâncias dimensionais; tolerâncias geométricas; tratamentos térmicos e superficiais; tamanho do lote (quantidade).
- As restrições devem ser tecnológicas e independentes da sequência escolhida de processos de usina- gem, máquinas-ferramentas e operações de corte. Depende da disponibilidade de: − Peça Restrições relativas ao material, à geometria, às dimensões etc. Deve-se considerar a rugosidade e as tolerâncias dimensionais e geométricas relacionadas ao processo e aos máximos valores de a-
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2 DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS PROCESSOS DE U SINAGEM
2.1 Processos de Usinagem com Ferramentas de Geometria Definida
2.1.1 Torneamento
Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies de revolução com auxílio de uma ou mais ferramentas monocortantes 1. Para tanto, a peça gira em torno do eixo principal de rotação da máquina e a ferramenta se desloca simultaneamente segundo uma trajetória coplanar com o referi- do eixo. Quanto à forma da trajetória, o torneamento pode ser retilíneo ou curvilíneo (Fig. 2.1).
(a) (b) (c)
(d) (e) (f) Figura 2.1 – Alguns processos de torneamento: (a) cilíndrico externo; (b) cônico externo; (c) curvilíneo; (d) cilíndrico interno; (e) cônico interno; (f) sangramento radial
- Torneamento retilíneo. Processo de torneamento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória retilínea. O torneamento retilíneo pode ser: cilíndrico (externo, interno, sangramento axi- al), cônico (externo, interno), radial (faceamento, sangramento radial) ou de perfil (radial ou axial).
- Torneamento curvilíneo. Processo de torneamento, no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória curvilínea.
2.1.2 Aplainamento
Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies regradas, geradas por um movimento retilíneo alternativo da peça ou da ferramenta. O aplainamento pode ser horizontal ou ver- tical. Quanto à finalidade, as operações de aplainamento podem ser classificadas ainda em aplainamen- to de desbaste a aplainamento de acabamento (Fig. 2.2).
(^1) Denomina-se ferramenta de usinagem mecânica a ferramenta destinada à remoção de cavaco. No caso de possuir uma única superfície de saída, a ferramenta é chamada ferramenta monocortante; quando possuir mais de uma superfície de saída, é chamada ferramenta multicortante.
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(a) (b) (c) Figura 2.2 – Alguns processos de aplainamento: (a) de superfícies; (b) de perfis; (c) de rasgos de chaveta
2.1.3 Furação
Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de um furo geralmente cilíndrico numa peça, com auxílio de uma ferramenta geralmente multicortante. Para tanto, a ferramenta ou a peça giram e simultaneamente a ferramenta ou a peça se deslocam segundo uma trajetória retilínea, coinci- dente ou paralela ao eixo principal da máquina. A furação subdivide-se nas operações (Fig. 2.3):
(a) (b) (c) (d) Figura 2.3 – Alguns processos de furação: (a) em cheio; (b) escareamento; (c) escalonada; (d) de centro
- Furação em cheio. Processo destinado à abertura de um furo cilíndrico numa peça, removendo todo o material compreendido no volume do furo final, na forma de cavaco. No caso de furos de grande profundidade há necessidade de ferramenta especial.
- Escareamento. Processo destinado à abertura de um furo cilíndrico numa peça pré-furada.
- Furação escalonada. Processo destinado à obtenção de um furo com dois ou mais diâmetros, simul- taneamente.
- Furação de centros. Processo destinado à obtenção de furos de centro, visando uma operação pos- terior na peça.
- Trepanação. Processo de furação em que apenas uma parte de material compreendido no volume do furo final é reduzida a cavaco, permanecendo um núcleo maciço.
2.1.4 Alargamento
Processo mecânico de usinagem destinado ao desbaste ou ao acabamento de furos cilíndricos ou cônicos, com auxílio de ferramenta geralmente multicortante. Para tanto, a ferramenta ou a peça giram e a ferramenta ou a peça se deslocam segundo uma trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao eixo de rotação da ferramenta. O alargamento pode ser de desbaste (cilíndrico, cônico) ou acabamento (ci- líndrico, cônico) (Fig. 2.4).
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(a) (b) (c)
(d) (e) (f) Figura 2.7 – Alguns processos de fresamento: (a) cilíndrico tangencial; (b) cilíndrico tangencial concordante; (c) cilíndrico tangencial discordante; (d) frontal; (e) frontal de canal com fresa de topo; (f) composto
- Fresamento cilíndrico tangencial. Processo de fresamento destinado à obtenção de superfície plana paralela ao eixo de rotação da ferramenta. Quando a superfície obtida não for plana ou o eixo de ro- tação da ferramenta for inclinado em relação à superfície originada na peça, será considerado um processo especial de fresamento tangencial.
- Fresamento frontal. Processo de fresamento destinado à obtenção de superfície plana perpendicular ao eixo de rotação da ferramenta.
2.1.8 Serramento
Processo mecânico de usinagem destinado ao secionamento ou recorte com auxílio, de ferramen- tas multicortantes de pequena espessura. Para tanto, a ferramenta gira ou se desloca, ou executa am- bos os movimentos e a peça se desloca ou se mantém parada. O serramento pode ser retilíneo (alterna- tivo, contínuo) e circular (Fig. 2.8).
(a) (b) (c) Figura 2.8 – Alguns processos de serramento: (a) alternativo; (b) contínuo; (c) circular
- Serramento retilíneo. Processo de serramento no qual a ferramenta se desloca segundo uma traje- tória retilínea com movimento alternativo ou não (contínuo).
- Serramento circular. Processo de serramento no qual a ferramenta gira ao redor de seu eixo e a peça ou ferramenta se desloca.
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2.1.9 Brochamento
Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies quaisquer com auxílio de ferramentas multicortantes. Para tanto, a ferramenta ou a peça se deslocam em trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao eixo da ferramenta. O brochamento pode ser interno ou externo (Fig. 2.9).
(a) (b) Figura 2.9 – Processos de brochamento: (a) interno; (b) externo
2.1.10 Roscamento
Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de filetes, por meio da abertura de um ou vários sulcos helicoidais de passo uniforme, em superfícies cilíndricas ou cônicas de revolução. Para tan- to, a peça ou a ferramenta gira e uma delas se desloca simultaneamente segundo uma trajetória retilí- nea paralela ou inclinada ao eixo de rotação. O roscamento pode ser interno ou externo (Fig. 2.10).
(a) (b) (c) Figura 2.10 – Alguns processos de roscamento: (a) externo com ferramenta de perfil único; (b) interno com ferramenta de perfil múltiplo; (c) interno com macho
2.2 Processos de Usinagem com Ferramentas de Geometria Não-Definida
2.2.1 Retificação
Processo de usinagem destinado à obtenção de superfícies com auxílio de ferramenta abrasiva de revolução^3
- Retificação tangencial. Processo de retificação executado com a superfície de revolução da ferra- menta. Pode ser: cilíndrica (externa ou interna, de revolução ou não, com diferentes avanços da fer- ramenta ou da peça); cônica (externa ou interna, com diferentes avanços da ferramenta ou da peça); de perfis ; plana ; sem centros (com avanço longitudinal da peça ou radial do rebolo). . Para tanto, a ferramenta gira e a peça ou a ferramenta se desloca segundo uma trajetória determinada, podendo a peça girar ou não. A retificação pode ser tangencial ou frontal (Fig. 2.11).
(^3) Denomina-se de usinagem por abrasão ao processo mecânico de usinagem no qual são empregados abrasivos ligados ou soltos. Segundo a Norma ABNT PB26, ferramenta abrasiva é aquela constituída de grãos abrasivos ligados por aglutinante, com formas a dimensões definidas. A ferramenta abrasiva com a forma de superfície de revolução adaptável a um eixo, E de- nominada rebolo abrasivo. Não são considerados rebolos abrasivos rodas ou discos de metal, madeira, tecido, papel, tendo uma ou várias camadas de abrasivos na superfície.
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(a) (b) (c) Figura 2.12 – Processos de usinagem por abrasão: (a) brunimento; (b) lapidação; (c) polimento
2.2.6 Lixamento
Processo mecânico de usinagem por abrasão executado por abrasivo aderido a uma tela e movi- mentado com pressão contra a peça (Fig. 2.13a).
2.2.7 Jateamento
Processo mecânico de usinagem por abrasão no qual as peças são submetidas a um jato abrasivo, para serem rebarbadas, asperizadas ou receberem um acabamento (Fig. 2.13b).
(a) (b) Figura 2.13 – Processos de usinagem por abrasão: (a) lixamento com fita abrasiva; (b) jateamento
2.2.8 Superacabamento
Processo mecânico de usinagem por abrasão, empregado no acabamento de peças, no qual os grãos ativos da ferramenta abrasiva estão em constante contato com a superfície da peça. Para tanto, a peça gira lentamente e, a ferramenta se desloca com movimento alternativo de pequena amplitude e freqüência relativamente grande. O processo pode ser cilíndrico (Fig. 2.14a) ou plano (Fig. 2.14b).
(a) (b) Figura 2.14 – Usinagem de superacabamento: (a) cilíndrico; (b) plano
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2.2.9 Afiação
Processo mecânico de usinagem por abrasão, no qual é dado o acabamento das superfícies da cu- nha cortante da ferramenta, com o fim de habilitá-la desempenhar sua função. Desta forma, são obtidos os ângulos finais da ferramenta. A Figura 2.15a mostra o processo de afiação de uma ferramenta ( bit ) de aço-rápido utilizando um esmeril (pedra abrasiva).
2.2.10 Limagem
Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies quaisquer com auxílio de ferramentas multicortantes (elaboradas por picagem) de movimento contínuo ou alternativo. O proces- so contínuo se dá por lima de segmentos em forma de fita (Fig. 2.15b) e o processo alternativo através de ferramenta manual.
2.2.11 Tamboreamento
Processo mecânico de usinagem no qual as peças são colocadas no interior de um tambor rotati- vo, juntamente ou não com materiais especiais, para serem rebarbadas ou receberem um acabamento. A Figura 2.15c esquematiza o processo.
(a) (b) (c) Figura 2.15 – Processos de usinagem por abrasão: (a) afiação; (b) limagem contínua; (c) tamboreamento
2.3 Processos Não-Convencionais de Usinagem
2.3.1 Usinagem por ultrassom
Processo de usinagem não convencional que utiliza energia mecânica na remoção de material em que a erosão é o mecanismo principal. A remoção consiste na utilização de freqüências ultrassônicas na usinagem de materiais. Essa técnica tomou novo impulso a partir dos anos 80 devido ao seu desempe- nho na usinagem de cerâmicas avançadas. Esses materiais, devido às propriedades mecânicas como elevada dureza e fragilidade, mostram-se muito difíceis de serem usinados por técnicas convencionais de usinagem. Em relação aos outros processos não tradicionais de usinagem a vantagem principal é a preservação da integridade superficial do material usinado. O princípio do processo de usinagem por ultrassom baseia-se na transformação de um sinal elétrico em vibrações mecânicas de mesma freqüên- cia. Este sinal elétrico deve ser de alta freqüência, situado na faixa dos 20 kHz. As vibrações produzidas por um transdutor têm sua amplitude amplificada por um amplificador mecânico e transmitida a uma ferramenta de forma através do sonotrodo (Fig. 2.16).
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(a) (b) Figura 2.18 – Usinagem eletroquímica, ferramenta e peça: (a) a ser usinada; (b) já usinada
2.3.4 Usinagem por eletroerosão
Processo de usinagem não convencional que utiliza energia termelétrica na remoção de material em que a fusão e a vaporização do material usinado formam os mecanismos principais. É um processo de usinagem por descargas elétricas para a geração de orifícios, ranhuras e cavidades, geralmente de pequenas dimensões. A remoção de material é ocasionada por faíscas elétricas incidentes a alta fre- quência. A descarga de faíscas é produzida por pulsação controlada de corrente contínua entre a peça- obra (eletrodo positivo) e a ferramenta (eletrodo negativo) imersas em um fluido dielétrico ionizado. A distância da ferramenta à peça varia entre 10 e 50 μm. O fluido dielétrico serve como condutor da faísca e como meio refrigerante. O perfil do eletrodo corresponde à contraforma do detalhe a ser obtido na peça. Este processo aplica-se bem a materiais de elevada dureza e baixa usinabilidade. Há dois proces- sos básicos de eletroerosão (Fig. 2.19): a fio e por penetração.
(a) (b) Figura 2.19 – Usinagem por eletroerosão: (a) a fio; (b) por imersão
2.3.5 Usinagem por feixe de elétrons
Processo baseado na energia termelétrica para remoção de material. Para tanto, utiliza um feixe de elétrons a alta velocidade, que atua no vácuo, provocando a vaporização do metal da peça-obra pelo choque dos elétrons contra a superfície da peça-obra. O processo se aplica à confecção de pequenos orifícios e cavidades. Os componentes básicos, presentes em todas as máquinas de feixe de elétrons, são: canhão emissor de elétrons, lentes de focalização e sistema de ajuste de foco. Estes componentes estão alojados numa câmara de vácuo, Figura 2.20.
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Figura 2.20 – Esquema de uma máquina para produção de feixes de elétrons
2.3.6 Usinagem a laser
Processo baseado na energia termelétrica para remoção de material em que o metal é fundido e vaporizado por feixe colimado de luz monocromática intensa chamada LASER (do inglês light amplifica- tion by stimulated emission of radiation ). O sistema produz um feixe de luz concentrado, obtido por excitação dos elétrons de determinados átomos, utilizando um veículo ativo que pode ser um sólido (rubi) ou um gás (CO 2 sob pressão). Este feixe de luz produz intensa energia na forma de calor (Fig. 2.21). Este processo também se aplica a chapas finas de metal, madeira, plástico, vidro e cerâmica, com um mínimo de desperdício e sem distorções. Ao utilizar o laser tem-se um corte de altíssimo nível de preci- são, o que permite realizar tarefas extremamente delicadas.
(a) (b) Figura 2.21 – Representação esquemática de uma máquina laser: (a) câmara; (b) sistema de amplificação da luz
2.3.7 Usinagem por arco plasma
Processo baseado na energia termelétrica para remoção de material, em que o plasma é gerado pela sujeição de um volume de gás aquecido por arco elétrico a uma temperatura suficientemente alta para iniciar a ionização ao bombeamento de elétrons em alta velocidade gerados por um arco elétrico. O plasma é utilizado como elemento de fusão e vaporização da peça-obra. A Figura 2.22 mostra o prin- cipio de remoção na usinagem por arco plasma.
2.4 Comparação dos Diferentes Processos de Fabricação por Usinagem
Diante dos muitos processos de fabricação por usinagem disponíveis, dos inúmeros aparatos tec- nológicos, dos recém desenvolvidos em laboratórios de pesquisa para aplicações nos diversos setores de
