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Processos de usinagem Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima Stoeterau

Processos de Usinagem Fabricação por Remoção de Material

Prof. Dr. Eng. Rolf Bertrand Schroeter (versão original) Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima Stoeterau (versão atual) Prof. Dr.-Ing. Walter Lindolfo Weingaertner

Processos de usinagem Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima Stoeterau Sumário

•Introdução à disciplina •Definição de usinagem

•Usinagem dentro dos processos de fabricação

•Evolução histórica

•Importância da usinagem na industria metal mecânica

•Limites dos processos de fabricação

•Classificação dos processos de usinagem

•Cinemática geral dos processos

•Grandezas do processo

•Geometria da cunha de corte

•Cavacos: mecânismo de formação, tipos, relação entre propriedades mecânicas dos materiais e formação do cavaco, etc. •Solicitações na cunha de corte: mecânicas e térmicas

•Influências da Geometria da Ferramenta

•Materias de ferramentas: requisitos, evolução, tipos, características, emprego, custos, etc.

•Revestimento de Ferramentas

•Desgaste em ferramentas de usinagem: mecânismos de desgaste, formas, medição, desgaste como critério de fim de vida, conseqüências do desgaste, etc. •Conceito de vida da ferramenta

•Equação de Kisley

•Conceito de usinabilidade : definições, critérios de usinabilidade

•Qualidade Superficial: conceito, formação da superfície, formas de avaliação

•Fluidos de corte: função, requisitos, emprego, cuidados, etc.

•Aspectos econômicos na usinagem

•Fundamentos da usinagem com ferramentas de geometria definida

•Classificação dos processos

•Torneamento: Generalidades do processo, onde e quando usar, máquinas, limitantes, etc.

•Fresamento: Generalidades do processo, onde e quando usar, máquinas, limitantes, etc.

•Mandrilamento: Generalidades e limitantes do processo, máquinas, etc.

•Plainamento: Generalidades do processo, onde e quando usar, máquinas, limitantes, etc.

Processos de usinagem Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima Stoeterau

•Furação: Generalidades do processo, onde e quando usar, máquinas, limitantes, etc. •Alargamento: Generalidades do processo, onde e quando usar, máquinas, limitantes, etc.

•Rosqueamento: Generalidades do processo, onde e quando usar, máquinas, limitantes,etc.

•Fundamentos da usinagem com ferramentas de geometria não definida

•Classificação dos processos

•Retificação: Generalidades dos processos, onde e quando usar, máquinas, limitantes, etc.

•Brunimento: Generalidades dos processos, onde e quando usar, máquinas, limitantes, etc.

•Lapidação: Generalidades dos processos, onde e quando usar, máquinas, limitantes, etc.

•Polimento: Generalidades dos processos, onde e quando usar, máquinas, limitantes, etc.

•Outros de usinagem de geometria não definida

•Fundamentos dos processos de usinagem não Convencionais

•Classificação dos processos

•Generalidades do processo, onde e quando usar, máquinas, limitantes, etc.

•Remoção térmica

•Remoção química

• Remoção eletroquímica

•Outros processos não convencionais: jato d'água, outros

•Planejamento do processo de fabricação por usinagem

•Introdução ao Comando Numérico

•Integração CAD/CAM

•Noções gerais de projeto para usinagem

Bibliografia:

Stemmer, C. E. Ferramentas de corte I. Ed. da UFSC, 1998 Stemmer, C. E. Ferramentas de corte I. Ed. da UFSC, 1998 Ferraresi, D. Fundamentos da Usinagem dos Metais. Edgar Blucher, 1977 Koenig, W. Tornear, Fresar e Furar, VDI – Verlag 2000 Koenig, W. Processos de usinagem com ferramenta de geometria não definida, Koenig, W. Processos de usinagem não convencionais Weck, M. Handbook of machine tools, vol.2 Weck, M. Handbook of machine tools, vol.5

Processos de usinagem Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima Stoeterau Definição de usinagem

➔A DEFINIÇÃO de usinagem, segundo a DIN 8580, aplica-se a todos os processos de fabricação onde ocorre a remoção de material sob a forma de cavaco.

➔CAVACO – porção de material da peça retirada pela ferramenta, caracterizando-se por apresentar forma irregular.

➔O estudo da usinagem é baseado na mecânica (Atrito, Deformação), na Termodinâmica (Calor) e nas Caracatrísticas dos materiais.

Usinagem dentro dos processos de fabricação

Relação entre processo de fabricação e qualidade superficial

5025 12,5 6,3 3,2 1,6 0,8 0,4 0,2 0,1 0,05 0,025 0,0125

VALORES DE RUGOSIDADE ( m R)

50 25 12,5 6,3 3,2 1,6 0,8 0,4 0,2 0,1 0,05 0,025 0,0125

Processos de usinagem Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima Stoeterau

Divisão da usinagem segundo a precisão atingível

USINAGEM PRECISÃO ATINGÍVEL ANO 1.980 2000

NORMAL5 um1 um DE PRECISÃO0,5 um0,1 um DE ULTRAPRECISÃO0,05 um0,01 um

Relação entre precisão e mecanismo de usinagem

10 umELETROEROSÃO POR FAÍSCA USINAGEM QUÍMICA CORTE COM FIOS ABRASIVOS

1 umELETROEROSÃO DE PRECISÃO POLIMENTO ELETROLÍTICO USINAGEM FINA OU RETIFICAÇÃO FOTOLITOGRAFIA (LUZ VISÍVEL)

0,1 umRETIFICAÇÃO DE SUPERFÍCIES ESPELHADAS LAPIDAÇÃO DE PRECISÃO

0,01 umUSINAGEM POR ULTRA-SOM LAPIDAÇÃO MECÂNICO-QUÍMICA LAPIDAÇÃO REATIVA USINAGEM A LASER EXPOSIÇÃO A FEIXE DE ELÉTRONS EXPOSIÇÃO A RADIAÇÃO

0,001 um (1 nm)LAPIDAÇÃO SEM CONTATO USINAGEM IÔNICA USINAGEM QUÍMICA

SUBNANÔMETRO (> 1 nm)FEIXES ATÔMICOS OU MOLECULARES

Importância da usinagem na industria metal mecânica

Figura 1 – Exemplo de peças usianadas

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A maior parte de todos os produtos industrializados em alguma de suas etapas de produção, direta ou indiretamente sofre algum processo de usinagem

Exemplos da importância da usinagem:

➔80% dos furos são realizados por usinagem ➔~100% dos processos de melhoria da qualidade superficial são feitos por usinagem

➔o comércio de máquinas-ferramentas representa uma das grandes fatias da riqueza mundial

➔~70% das engrenagem para transmissão de portência

➔~90% dos componentes da industria aeroespacial

➔~100% dos pinos médico-odontológicos

➔~70% das lentes de contatos

➔Lentes para CD player ou suas matrizes

Figura 2 – Exemplo de componentes de grande porte usinados

Processos de usinagem Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima Stoeterau Limites dos processos de fabricação

Figura 3 – Principais limitantes dos processos de usinagem

PEÇAV ,f

- Material - Estabilidade dinâmica

- Material - Geometria

Processos de usinagem Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima Stoeterau Classificação dos processos de usinagem

➔Os processos de usinagem são classificados da seguinte forma:

- Usinagem com Ferramenta de Geometria Definida • Tornear

• Fresar

• Furar

• Rosquar

• Alargar

• Brochar

• Serrar

• Plainar, outros

- Usinagem com Ferramentas de Geometria não Definida • Retificar

• Brunir

• Lapidar

• Lixar

• Polir

• Jatear

• Tamborear, outros

- Usinagem por Processos Não Convencionais • Remoção térmica

• Remoção Química

• Remoção Eletroquímica

• Remoção por ultra-som

• Remoção por jato d'água, outros

Processos de usinagem Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima Stoeterau A evolução histórica dos processos de usinagem

Figura 4 – Plaina Neolítica de 6000 A.C. (Spur, 1997)

Figura 5 – Ferramentas de pedras (Spur, 1997)

Figura 6 – Furadeira a arco egípicia – 1500 A. C

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1.0 A.C. - Surgem os primeiros tornos

Idade do Bronze – metais predominantes Cu, Zn, Sn 700 A.C. - processamento do ferro SÉC. XIV - Desenvolvimento das primeiras armas de fogo na Europa SÉC. XVI - Torneamento ornamental - Jaccques Benson

Figura 7 – Torno a arco – 1565 (Spur, 1997)

➔ SÉC. XVII – Melhoria nos processos de fabricação de ferro e aço

➔ SÉC. XVIII - Primeiras obras conhecidas sobre torneamento – Jacques Plumier - L’ART DE TORNEURS.

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Figura 8 – Furadeira de Willkinson – Acionada a roda d'água

➔SÉC. XIX – Revolução industrial ➢Desenvolvimento da máquina a vapor – James Watts

➢Primeiras Máquinas-Ferramentas projetadas segundo princípios modernos ➔Fabricação em série

➔Aço ferramenta é o principal material de ferramentas de usinagem

Figura 9 – Torno de Maudslay – 1848

➔ SÉC. X – Século da tecnologia ➢1900 – Taylor apresenta o Aço Rápido

➢1930 – Vanner Bush inventa o primeiro computador analógico ➢1935 – é desenvolvido o Metal Duro

➢1946 – é desenvolvido o primeiro computador eletrônico digital – o ENIAC

➢1947 – é desevolvido o primeiro transistor nos Laboratórios Bell

➢1950 – Primeira máquina-ferramenta numericament controlada, utilizando um computador eletrônico EDSAC nos MIT-EUA ➢1960 - Primeira LASER foi construído por Theodore Maiman, Laboratórios Hugues

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➢1968 Borroughs produz os primeiros computadores utilizando circuitos integrados ➢'70 - BRIAN – Primeiras Pesquisas sobre usinagem de ultraprecisão

➢ '70 – Primeiras ferramentas Cermets – Japão

➢ '80 – Primeiras pesquisas sobre usinagem de alta-velocidade

➢ '90 – Ferramentas cerâmicas

➢ '90 – Ferramentas CBN, Diamante

Figura 10 – Evolução da precisão na usinagem no século X ➔ SÉC. XXI – Tendências para este século

Figura 1 – Tendências para a usinagem no século XXI

Máquinas-Ferramentas (Instrumentos de Precisão)

Tornos e Fresadoras

Tornos de Precisão Retificadoras Lapidadoras Brunidoras

Geradoras de curvas Furadeiras de precisão Lapidadoras de Precisão Máquinas de super acabamento

1900 19201940 1960 19802000 ANO

Esterolitografia Equipamentos de Difração Retificadoras de precisão super alta Lapidadoras de precisão super alta Polidoras de precisão super alta

Reificadoras de precisão Lapidadoras de precisão (Retificadoras de lentes) Tornos de precisão (ferramentas de diamante)

Mascaras de alinhamento (Polidoras de Lentes) Retificadoras de Precisão (rebolos de diamantes) Tornos de ultraprecisão

Feixe de átomos ou elétrons Deposição atômica ou molecular

Sintetização de substâncias

Processos de usinagem Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima Stoeterau Cinemática geral dos processos de usinagem

Os processos de usinagem com ferramentas de geometria definida e não definida, necessitam de um movimento relativo entre peça e ferramenta.

Figura 12 – Visão Geral da cinemática dos processos

➔Nos processos não convencionais a cinemática não visa a iteração entre peça e ferramenta, necessária a formação do cavaco, mas sim gerar um movimento de guiagem da ferramenta.

Grandezas do processo

➔Peça – Tudo aquilo que irá sofrer uma operação de usinagem ➔Dispositivo de fixação – local onde será fixada a peça

➔Ferramenta – tudo o que realiza uma operação de usinagem

➔Porta-ferramenta - dispositivo destinado a fixar a ferramenta

➔Máquina-ferramenta – elemento que proporcionará os movimentos, velocidade, avanço e a força necessária ao processo de usinagem

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Figura 13 – Grandezas do processo

➔ Movimentos que causam diretamente a remoção de cavaco: • de corte

• de avanço

• efetivo de corte

➔ Movimentos que não causam diretamente a remoção de cavaco: • de aproximação e afastamento

• de ajuste

• de correção

Processos de usinagem Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima Stoeterau Velocidades do processo de usinagem

• Velocidade de Corte (Vc)

Vc = f (material peça/material ferramenta)

➔ Velocidade de Avanço (Vf) ➔ Velocidade efetiva de corte (Ve)

Figura 14 – Movimentos nos processos de usinagem

Ve Vc

Vf Peça

Ferramenta

Mov. Efetivo

Mov.de Avanço Mov.de Corte

Peça Ferramenta

Ve Vc

Vf Mov. EfetivoMov.de Avanço

Mov.de Corte

Vc Mov.de Avanço

Mov.de Corte Ve

Mov. Efetivo Peça

Ferramenta

Ve Vc

Vf Mov.de Avanço

Mov.de CorteMov. Efetivo

Peça Ferramenta

Processos de usinagem Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima Stoeterau Grandezas de corte

• avanço (f)

• profundidade de corte (ap) • largura de corte (b)

• espessura de corte (h)

• ângulo de direção do gume (c)

Figura 15 – Grandezas do processo de usinagem Relações que envolvem a qualidade de uma peça usinada

Figura 16 – Relações que envolvem a qualidade de uma peça usinada

Erros do meio

Peça χr

Onde:

χr - ângulo de direção do gume ap - Profundidade de corte f - Avanço b - largura de usinagem h - Espessura de usiangem ap * f = seção de usinagem b * h = seção de usinagem

Ferramenta

Processos de usinagem Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima Stoeterau Geometria da Cunha de Corte

➔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 final do trabalho

Figura 17 – Denominações para as ferramentas de tornear

Cunha de corte

Face

Flanco

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Figura 18 – Geometria da ferramenta de tornear

Onde: a = ângulo de incidência b = ângulo de cunha g = ângulo de saída e = ângulo de quina c = ângulo de direção l = ângulo de inclinação re = raio de quina

Direção de corte

Haste

Direção de avanço

Face

Gume secundário

Gume principal

Chanfro na face do gume principalChanfro na flanco do gume secundário

Flanco principal Flanco secundário

Quina com raio de arredondamento

Chanfro na flanco do gume secundário

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Figura 19 – Planos no sistema da ferramenta na mão – Ferramentas de tornear Figura 20 – Tipos de quinas

Plano passivo da ferramenta – Pp

Plano de trabalho convencional – Pf

Plano de referência da ferramenta – Pr

Direção presumida do movimento de avanço

Direção presumida do movimento de corte

Ponto selecionado no gume

Interseção efetiva dos gumes Quina aredondadaQuina chanfrada

Plano do gume da ferramenta – Ps

Plano ortogonal da ferramenta – Po

Plano de referência da ferramenta – Pr

Direção presumida do movimento de avanço

Direção presumida do movimento de corte

Ponto selecionado no gume

Plano nprmal do gume – Pn

Processos de usinagem Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima Stoeterau Figura 21 – Denominações para as ferramenta de furar

Figura 2 – Denominações para as ferramentas de fresar

➔Fatores a serem considerados na escolha da geometria da ferramenta: - Material da ferramenta

- Material da peça

- Condições de corte

- Tipo de operação

- Geometria da peça

Direção de avanço Face

Gume secundário

1o Flanco principal

Flanco principal Flanco secundário

Gume principal 2o Flanco principal

Corpo da ferramenta

Quina Face Guia

Flanco

Gume principal

Canal

Gume Transversal

Direção de avanço

Direção de corte

Processos de usinagem Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima Stoeterau Influências da Geometria da Ferramenta

Figura 23 - Influência da geometria da cunha

Aumento da estabilidade do gume

Desgaste menor

Maiores forças passivas Aumento da estabilidade do gume

Redução da vibração Redução da Força de corte

= 6° até 12° Elevada estabilidade do gume

Redução da vibração Redução da força de corte

Fase da face Desgaste menor

Aumento da estabilidade do gume

Baixa espessura de usinagem

Melhor formação do cavaco Melhor superfície Redução da força de corte Desgaste menor

Aumento da qualidade superficial

Guia do fluxo do cavaco

Processos de usinagem Prof. Dr. Eng. Rodrigo Lima Stoeterau Cavacos

Figura 24 – Denominações para a formação dos cavacos

Figura 25 – Regiões da formação do cavaco

FlancoFace Peça hch

Onde: = ângulo de incidência β = ângulo de cunha γ = ângulo de saída h = espessura de usinagem (antes da retirada do cavaco) hch = espessura de corte (depois da retirada do cavaco)

Flanco Face

Estrutura da peça

Estrutura do cavaco

Plano de cisalhamento

Ferramenta

Superfície de corte

Onde: a) zona de cisalhamento b) região de separação do material para materias frágeis c) superfície do cavaco - deformações devidas a esforços d) superfície de corte - deformações devidas a esforços e) região de separação para materiais dúcteis

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