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Depto Mecânica – Área 1
TECNOLOGIA NA MANUFATURA – PARTE 2
Máquinas Ferramentas I – O Processo de Produção com Remoção de Cavaco
Eng° Luiz Carlos Rosa – Prof. Dr.
USINAGEM
dos
MATERIAIS
"PRODUTIVIDADE é a SOMATÓRIA de BOAS IDÉIAS mais CORAGEM de AGIR"
MATERIAIS PARA FERRAMENTAS
Para selecionar o material ideal para uma ferramenta de usinagem deve-se
levar em consideração com relação a:
Material a ser usinado: atenção à dureza e o tipo de cavacos na
escolha do material da ferramenta e sua geometria.
Processo de usinagem: é necessário observar o tipo de processo de
usinagem, pois, podemos encontrar processos que exigem ferramentas de
pequena dimensão (torneamento interno com pequeno diâmetro) ou
fabricadas com materiais de menor capacidade para usinagem (por
exemplo, aço rápido);
Condição da máquina operatriz: devemos considerar as limitações do
equipamento como folgas, potência, variações de velocidades, estado de
conservação, entre outros;
Forma e dimensão da ferramenta: Devemos utilizar ferramentas
padronizadas;
Custo do material da ferramenta: levando em conta o custo/ beneficio,
devemos enquadrar o material ao menor custo e máximo aproveitamento
possível;
Condição de usinagem: um processo de acabamento necessita de uma
ferramenta mais resistente ao desgaste, por outro lado, no processo de
desbaste a ferramenta deve ter maior tenacidade;
Condição da operação: se o corte for do tipo interrompido, e o sistema
for pouco rígido, a ferramenta deve ser mais tenaz.
Características do material da ferramenta:
Resistência ao desgaste: o material deve suportar abrasão ou atrito a
altas temperaturas(~1000(C) e manter sua propriedade de dureza.
Tenacidade: a ferramenta deve Ter mobilidade para resistir aos choques
mecânicos do processo.
Estabilidade química: é necessária para evitar desgaste por difusão.
A Fig 1 apresenta a comparação dos diversos materiais para fabricação de
ferramentas.
Materiais para ferramentas:
1. Ferramentas de aço carbono:
Na antiguidade foram famosos como Aços de Damasco, fabricados por fusão
datam de 300 a.c.
Na idade média era usado o ferro carbonetado endurecido por resfriamento em
água para a fabricação de armas.
No século XVIII a madeira era o material predominante e os metais eram
limitados.
Até o século XIX, trabalhar os metais era um serviço difícil e artesanal,
até que se disponibilizou a máquina a vapor e a eletricidade, o que trouxe
o desenvolvimento das máquinas operatrizes.
Em 11/03/1776, entrou em operação a 1º máquina a vapor, em Bloomfield
Collierge, Inglaterra. Em 1800 já operavam próximo de 100 delas, com
predominância no campo da metalurgia, minas de carvão e cobre e fundições.
Na América do Norte, os fabricantes de armas desenvolveram a produção em
massa de componentes e por conseqüência as máquinas operatrizes. A
velocidade de corte nessa época era de aproximadamente 5m/min. A
temperatura da ferramenta chegava a próximo de 250ºC.
Em 1868, Robert Mushet descobriu que a adição de Mn (manganês) podia tornar
o aço mais duro. Acidentalmente descobriu que a presença de W (tungstênio)
permitia o endurecimento do aço com resfriamento normal, ao ar. As
velocidades de corte chegavam a 10m/min. Podiam atingir 65 RC de dureza.
Continham carbono de 0,50% até 1,40% e elementos de liga: Si < 0,50%: Mn <
0,70%: S+P < 0,03%: V < 0,50%: Cr < 0,40%
Hoje em dia, como ferramenta de usinagem é pouco utilizada, mas ainda são
os mais usados na fabricação de ferramentas de estampagem, corte e repuxo e
as fermentas manuais como chaves de boca, fenda, alicates etc.
2. Aços rápidos - (HSS):
Material formado por alta liga de tungstênio, molibdênio, nióbio, cromo,
vanádio e cobalto.
Têm como principais características:
Material Tenaz;
Elevada resistência ao desgaste;
Elevada dureza a quente( Em relação ao aço carbono), utilizável até
aproximadamente 600(C.
Estrutura básica: Martensítica com carbetos incrustados (grande
resistência ao desgaste).
Elementos de liga do aço rápido:
Carbono: aumenta a dureza do material, também contribui para a
formação de carbetos;
Tungstênio e molibdênio: confere resistência ao desgaste e dureza a
quente;
Vanádio e nióbio: melhora a resistência ao desgaste;
Cromo: responsável pela alta temperabilidade;
Cobalto: aumenta a dureza a quente elevando a eficiência do corte;
Nitreto de titânio: produz corte com menor esforço, devido ao baixo
coeficiente de atrito.
O HSS surgiu em 1898, através de experiências de Taylor e White
(americanos) que desenvolveram um aço com 1,85C+3,80Cr+8%W
Em 1900, na Paris Exposition, foram demonstradas usinagens com cavaco de
cor azulada onde a ferramenta mesmo com aponta rubra continuava cortando a
uma Vc = 40 m/min; a = 1.6 mm/ver e p = 4,8 mm. A temperatura na ponta da
ferramenta chegava a 600ºC.
Em 1903, criou-se outro aço, com 0,70C% e 14%W, considerado o protótipo dos
aços rápidos.
Em 1906, foi implantada a fabricação de aço em forno elétrico, que
contribuiu para o desenvolvimento de aços finos com a redução de impurezas
em suas composições. Esses aços podem atingir 65 RC; com carbono de 0,70% a
1,60%; 1,60 0 e para ( < 0 ?
2) Para um torneamento cilíndrico externo são dados: material GS45;
ferramenta MD; χ = 45º; a = 0,25 mm / rev; p = 2,5 mm; n = 400 rpm; ( = 80
mm.
a) Achar a vida da ferramenta.
3) Qual será a rotação para que a ferramenta do exercício (2) tenha uma
vida de 20 minutos ? Rotações disponíveis na placa = 120 / 240 / 460 / 920
rpm.
4) No exercício (3), qual a rotação para T= 20 min, usando-se a ferramenta
de HSS ?
Dadas as seguintes rotações disponíveis: 15 / 30 / 60 / 120 / 240 / 460.
5) Dados: Ferramenta de aço rápido HSS; material SAE 1045; (=150 mm; LC=110
mm; a= 0,18 mm/rev; p=1,8 mm; X=90º; n=240rpm (>0
Pede-se: VC; T; tC ; FC
Exercícios - Potência de Corte
1) Calcular a potência de corte e a vida para usinar uma peça com φ=80 mm,
sabendo-se que o operador está usinando com uma rotação de 800 rpm.
Dados: peça = SAE 1030; ferramenta = MD; χ=60º; a = 0,5 mm/rev; p = 3 mm;
γ> 0
2) No exercício anterior qual será a vida da ferramenta se a área do cavaco
for dobrada e a Força de corte?
3) No primeiro exercício, qual seria o avanço da ferramenta considerando-se
T = 15 min ?
4) Se alterar o ângulo de saída da ferramenta, de positivo para negativo, o
que acontecerá com a potência da máquina ?
7 Torque:
Sabemos que o torque efetivo no eixo da máquina será:
Mt = Fc* φ / 2 ( kgf* mm )
Fc = Força de Corte ( kgf )
φ = Diâmetro da Peça ( mm )
O torque (Mt) é limitado para cada máquina ferramenta em função de sua
constituição mecânica.
Sabemos então que o avanço e a profundidade de corte deverão ter um limite
o qual não ultrapasse a uma força de corte limite, para não danificar os
componentes da máquina ferramenta.
Geralmente o fabricante da máquina especifica o valor limite ( máx ) Mt da
máquina ferramenta.
Portanto: Mt máx= Fc* φ / 2 ou Mtmáx = Ks1* b*h(1-Z) * φ / 2
8 Escolha da Solução:
Ao se resolver um problema devemos definir se a resolução será por
potência ou por torque.
Para tanto determina-se a rotação crítica.
Valores para rotações da máquina abaixo da rotação crítica põem
em risco o eixo árvore ( torque máximo).
Valores para rotações da máquina acima da rotação crítica ultrapassa
a potência do motor.
Mt = 716.200 x N / n [kgf.mm]
Mt = Momento de Torção [kgf . mm]
N = Potência Nominal do Motor [cv]
n = Rotação da Máquina [rpm]
Então:
n = 716200 * N / Mt
N = Nc
Mt = Mtmáx
n = ncrítico
ncrítico = 716.200 x Nc / Mtmáx
Exercícios de escolha de avanço e das melhores condições:
1) Para um torneamento externo cilíndrico são dados:
Material = Latão FC; ferramenta MD; (>0; X = 60º; Potência de usinagem NC =
5 cv; p = 3mm; Índice de esbeltez 30; potência do motor = 10 cv;
rendimento ( = 75%; Mt máx = 30 kgf.m;
Rotações: 140 - 180 - 224 - 280 - 355 - 500 - 750 - 900 - 1000 rpm
Avanços: 0,1 - 0,15 - 0,16 - 0,18 - 0,2 - 0,25 - 0,3 - 0,4 - 0,5 - 0,6 -
0,8 - 1,1 - 1,2 mm/rev
Pede-se: o avanço para o melhor aproveitamento da máquina.
3) Dado um eixo com 250 mm de diâmetro, de Ferro Fundido GG26 para ser
usinado com uma ferramenta de M.D. com ângulo de saída γ>0 : ângulo de
posição χ = 60º e p = 3,2 mm, pede-se:
a) A rotação para melhor aproveitamento da máquina ( máx Nef )
b) A potência (Nef) de corte efetiva; o momento (Mtef) torçor efetivo; vida
(Tef) efetiva da ferramenta.
Sabe-se que os avanços e as rotações disponíveis são:
a: 0,063; 0,1; 0,2; 0,4; 0,63; 1,0; 1,6; 2,0 / n: 10; 20; 80; 100; 160;
315; 610; 1240.
São dados: 30;
χ = 45º ; comprimento LC = 50 mm; (ext = 154 mm;
NC = 5 cv; Mtmáx = 40 kgf.m;
rotações: 25 -40 -80 - 160 - 250 - 300 - 430 - 500 - 800
avanços: 0,01 - 0,1 - 0,2 - 0,4 - 0,6 - 0,8 - 1,0 - 1,2
TTF = 4 min; Tm= 2 min; TP = 0,5 min; K1 = $15/hora; K2 = $2,50 / troca
Pede-se a e n para (a) máxima produção e (b) para custo mínimo.
2) Para o torneamento cilíndrico de uma peça de (ext = 100 mm; (acabado =
95 mm; LC = 100 mm são dados:
a) Peça SAE 8620; b) Ferramenta MD; (>0; X=60º ; c) NC = 6 cv
Pede-se a; n; Nef e Tef para custo mínimo.
Dados:
Mtmax = 50.000 kgf.mm; TTF = 4 min; TM = 2 min; TP = 2 min; K1 = $5/min;
K2= $25/troca;
a: 0,05 - 0,07 - 0,1 - 0,2 - 0,4 - 0,6 - 1,0
n: 20 - 50 - 63 - 100 - 250 - 450 - 600 - 700 - 1000 - 1500
PROCESSO DE FURAÇÃO - BROCAS HELICOIDAIS
O processo de furação é um dos processos de usinagem mais utilizados na
industria manufatureira. Isto torna o estudo visando a otimização do
processo de furação muito importante.
Na furação, a ferramenta ainda mais utilizada é a broca helicoidal de aço
rápido. Alguns desenvolvimentos nesta área são:
Broca de aço rápido revestido com nitreto de titânio – possibilitou um
substancial aumento da velocidade de corte e da vida da ferramenta em
relação à broca de aço rápido sem revestimento;
Broca inteiriça de metal duro – quando o furo é pequeno (menor que 20 mm) e
a maquina possui rotação, rigidez e potência suficientes, esta broca é uma
boa alternativa.
Broca com pastilhas intercambiáveis de metal duro – para brocas de diâmetro
médios esta é uma boa opção;
Brocas especiais – quando o furo tem diâmetro muito grande e/ou um
comprimento muito grande em relação ao diâmetro.
Uma grande desvantagem da furação com brocas helicoidais é a sua
imprecisão.
Formas construtivas das brocas helicoidais
Haste = destina-se à fixação da broca na máquina.
Diâmetro = é medido entre as duas guias da broca.
Núcleo = serve para conferir a rigidez à broca.
Guias = têm a função de guiar a broca dentro do furo e de evitar que toda
parede externa da broca atrito com as paredes do furo.
Canais helicoidais = são as superfícies de saída da ferramenta.
Aresta de corte = a aresta ligando as duas arestas principais de corte é
chamada de aresta transversal de corte.
Afiação das brocas helicoidais
As brocas helicoidais de aço rápido e inteiriças de metal duro precisam ser
afiadas ao fim de sua vida. Para que o cavaco removido pela broca
helicoidal não seja esmagado pela superfície principal de folga e o corte
possa ocorrer, é necessário que o ângulo lateral efetivo de folga seja
tanto quanto positivo para qualquer diâmetro da broca.
Característica da formação do cavaco na furação
Um dos problemas do problema do processo de furação é a evacuação dos
cavacos de dentro do furo. Se o cavaco formado for em forma de fita, será
muito difícil extraí-lo do furo. Cavacos helicoidais ou em lascas são os
que mais facilmente podem ser removidos dos furos. A remoção pode ainda ser
auxiliada pela utilização de um ciclo de furação que retire freqüentemente
a broca de dentro do furo e/ou pelo insuflamento de fluido de corte sob
pressão diretamente no fundo do furo., através de canais especialmente
construídos na broca.
Forças e potências de corte na furação
Durante o processo de furação verificam-se as seguintes resistências à
penetração da broca:
Resistência devido ao corte do material nas duas arestas principais de
corte;
Resistência devido ao corte e esmagamento do material na aresta transversal
de corte;
Resistência devido ao atrito das guias com a parede do furo e entre a
superfície de saída da broca e o cavaco.
Esforços de corte na furação
Diversos são os fatores que influem nos esforços de corte na furação,
dentre eles o avanço, a profundidade de usinagem, a velocidade de corte, a
geometria da ferramenta, o material da peça e da ferramenta, etc...
Algumas Brocas especiais para furos longos são:
Brocas canhão com remoção externa de cavaco;
Brocas canhão com remoção interna de cavaco;
Brocas EJECTOR – patente da empresa SANDVIK;
Brocas ocas de trepanação.
Furação em cheio:
MT = C1 * D * f y [kgf.mm] = Momento torçor proporcionado pela operação =
[ eq. de Kronenberg ]
Pa = C4 * D x' * f y' [kgf] = Força de avanço proporcionada pela
operação = [ eq. de Hurst Daar ]
Furação com pré-furação:
MT = C0 x f (1-Zo) x D (2-Xo) x ( D xo - d Xo ) [kgf.mm] [ eq. de Hurst
Daar ]
Pa = B0 x f (1-Yo) x D (1-Wo) x ( D Wo - d Wo ) [kgf] [ eq. de Hurst Daar
]
Tensão devido a ação conjunta de um momento torçor e uma força de avanço:
[ kgf / cm2 ]
Pa [ kgf ]; D [ cm] ; MT [ kgf.cm]
Limite de tensão para brocas de aço rápido: ( ( 2.500 kgf / cm2
EXERCICIOS DE APLICAÇÃO DE FURAÇÃO:
Tendo em vista a usinagem da peça abaixo esboçada, pede-se determinar a
rotação, o avanço e o tempo de corte.
Dados:
Furadeira de coluna; Potência do motor NM = 2,5 cv; Rendimento ( = 60%;
Momento torçor máximo Mtmáx = 18 kgf.m; Força de avanço máxima Pa máx = 210
kgf.
Velocidade de corte: VC = 30 - 45 m/min
Rotações disponíveis: 90; 112; 140; 180; 224; 280; 355; 450; 560; 710; 900
[rpm]
Avanços disponíveis: 0,025; 0,035; 0,049; 0,068; 0,087; 0,125; 0,179;
0,209; 0,224 [mm/rev]
"Materia"C1 "X "
"l " " "
"0,025 "0,04 "0,063 "0,1 "0,16 "0,25 "0,4 "0,63 "1,0 " "1030 "52 "535 "475
"425 "375 "330 "295 "260 "230 "205 " "1035 "58 "405 "370 "340 "310 "280
"255 "235 "215 "195 " "1045 "67 "385 "360 "340 "320 "300 "280 "260 "245
"230 " "1060 "77 "425 "390 "360 "330 "305 "280 "260 "240 "220 " "8620 "77
"570 "510 "455 "400 "355 "315 "280 "250 "220 " "4140 "73 "675 "600 "535
"475 "420 "370 "330 "290 "260 " "4137 "60 "495 "455 "415 "375 "340 "310
"280 "255 "230 " "6150 "60 "600 "530 "475 "420 "370 "330 "290 "260 "230 "
"Fofo Duro "HRC=46 "420 "390 "355 "325 "300 "275 "250 "230 "210 " "Ff GG26
"HB=200 "270 "240 "215 "190 "170 "150 "135 "120 "105 " "
-----------------------
cð = 90º
sen cð = 1
b = p = 5
h = a
h = a . sen ( b = p / sen (
cð= ângulo de posição da ferramenta
a = avanço [mm]
p = profundidade [mm]
h = χ = 90º
sen χ = 1
b = p = 5
h = a
h = a . sen ( b = p / sen (
χ= ângulo de posição da ferramenta
a = avanço [mm]
p = profundidade [mm]
h = "espessura" do cavaco [mm]
b = "largura" do cavaco [mm]
A = área do cavaco = a . p = h . b [mm2]
G = índice de esbeltez = p / a
( = ângulo de saída do cavaco
RC = grau de recalque = h' / h
1 cv = 75 kgf . m / s
φ = diâmetro externo [mm]
n = rotação da peça [rpm]
MATERIAL
( < 0
( > 0
[kgf/mm2]
ruptura
AÇO RÁPIDO
METAL DURO
a
ISO "P" – Usin. geral
ISO "M" – usin. Cópia
ISO "S" – 1ª Op. Ferr./Posit.
ISO "C" – 2ª Op. Ferr./Posit
