Força e Potência de Usinagem: Análise da Força de Corte e suas Variáveis, Notas de aula de Engenharia Civil

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Belo Horizonte 2018

Prof. Klaus Higor dos Santos Silva

Processo de USINAGEM

Força e potência de usinagem

O conhecimento da força de usinagem que age sobre a cunha cortante é de grande importância pois possibilita:

 Estimar a potência necessária para o corte;

 Estimar as forças atuantes nos elementos da máquina-ferramenta;

 Manter uma boa relação com o desgaste das ferramentas;

 Influenciar na viabilidade econômica do processo;

 Força de corte (Fc): Projeção da força de usinagem no

plano de trabalho na direção de corte.

 Força de Avanço (Ff): Projeção da força de usinagem no

plano de trabalho na direção de avanço.

 Força Passiva (Fp): Projeção da força de usinagem

perpendicular ao plano de trabalho.

 Força Ativa (Ft): Projeção da força de usinagem no plano de

trabalho.

 Força de Apoio (Fap): Projeção da força de usinagem no plano de

trabalho perpendicular a direção de avanço.

𝐹𝑢 = 𝐹𝑐^2 + 𝐹𝑓^2 + 𝐹𝑝^2

Tem-se que: 𝐹𝑐 ~ 4,5 ∗ 𝐹𝑓

A pressão específica de corte (Ks) é determinada medindo-se a força necessária para remover uma área de corte equivalente a 1mm².

Imaginava-se inicialmente que a pressão específica de corte era uma característica que variava apenas com o material da peça, entretanto após vários ensaios notou-se que a mesma varia segundo alguns fatores:

 Material da Peça;

 Material e Geometria da Ferramenta;

 Área da seção de corte;

 Velocidade de corte;

 Condições de Refrigeração e Lubrificação;

 Desgaste da Ferramenta;

Material da Peça

 Para aços carbono, à medida que ocorre aumento do percentual de carbono a pressão específica de corte (Ks) também aumenta.

 Entretanto um acréscimo de elementos de liga tais como P, Pb e Bi ocasiona uma diminuição de Ks.

 Tais elementos podem causar pontos de baixa resistência mecânica na deformação plástica, no momento da formação do cavaco.

 Além de agirem como elementos lubrificantes na interface cavaco/ferramenta.

 Em geral, o aumento da resistência mecânica aumenta o Ks.

 A propriedade mecânica que mais se aproxima de Ks seria a tensão de ruptura no cisalhamento.

Material e Geometria da Ferramenta

 A variação do material da ferramenta e o acabamento da superfície de saída pode variar o coeficiente de atrito (μ) e dessa forma variar o Ks.

 O ângulo de saída (ɣ) tende a diminuir a pressão específica de corte à medida que os mesmos aumentam. (ɣ>0)

 O ângulo de folga (α) tem por objetivo diminuir o atrito entre a peça e a ferramenta e por consequência diminui o Ks.

 O ângulo de posição (Xr), no torneamento, quando varia de 45° para 90° tende a diminuir o Ks.

Material e Geometria da Ferramenta

Área da seção de corte

Velocidade de corte

 Baixas velocidades de corte para materiais dúcteis pode gerar o fenômeno

da APC o que muda a geometria da ferramenta e consequentemente o valor de Ks.

 Para altos valores de Vc (usualmente utilizados para ferramentas de

metal duro) o valor de Ks tende a diminuir levemente em função do aumento da temperatura, que pode gerar uma diminuição do valor da resistência mecânica do material, bem como do coeficiente de atrito.

Desgaste da Ferramenta

 Mesmo quando trabalhamos nas condições ótimas do par ferramenta /

peça, sempre haverá desgaste na cunha cortante.

 Quando esse desgaste ocorre na superfície de folga da ferramenta

denomina-se “Desgaste de Flanco”. Para essa situação o valor de Ks aumenta à medida que o desgaste cresce, uma vez que o atrito aumenta.

 O desgaste quando acontece na superfície de saída denomina-se “desgaste

de cratera” e tem uma baixa influência no comportamento de Ks.

Material da Peça (de uma forma geral):

𝐷𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎 ↑; 𝐾𝑠 ↑; 𝐹𝑐 ↑;

Material e Geometria da Ferramenta:

𝛾 0 ↑ ; 𝐹𝑐 ↓; 𝛼 0 ↓; 𝐹𝑐 ↑;

Área da seção de corte:

𝐴 ↑ ; 𝐹𝑐 ↑; 𝑓 ↑ ; 𝐹𝑐 ↑; 𝑎𝑝 ↑; 𝐹𝑐 ↑;

Determinação Teórica da Pressão Específica de Corte no Torneamento

 Vários pesquisadores buscaram desenvolver equações analíticas para conseguir a relação entre Ks e algumas propriedades mecânicas.

 Entre os mais importantes pesquisadores, Kienzle, é o que mais tem se aproximado de valores experimentais para materiais metálicos.

 𝑘𝑠 = 𝑘 ℎ𝑠1𝑧 = 𝑘𝑠1 ∗ 𝑕−𝑧

 Como:

 𝐹𝑐 = 𝐾𝑠 ∗ 𝐴

 𝐴 = 𝑏 ∗ 𝑕

 Logo: 𝐹𝑐 = 𝑘𝑠1 ∗ 𝑕(1−𝑧)^ ∗ 𝑏

Potência de Usinagem

 A potência de usinagem ou potência efetiva se faz importante uma vez que a potência de corte é premissa para a especificação da máquina de corte que será utilizada para o trabalho de usinagem.

 𝑃𝑒𝑓 = 𝑃𝑐+𝑃𝑓 η ; [KW]

 𝑃𝑐 = (𝐹𝑐∗𝑉𝑐 )6𝑥10 4 ; [𝐾𝑊]

 𝑃𝑓 = (𝐹𝑓∗𝑉𝑓 )6𝑥10 7 ; [𝐾𝑊]

Vale lembrar a relação: 𝐹𝑐 ~ 4,5 ∗ 𝐹𝑓