Processos De Usinagem

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1 FACULDADE DE ENGENHARIA DE SOROCABA ENGENHARIA MECÂNICA ELIAS FERREIRA MACHADO RA 131078 BRUNO LEANDRO DE ALMEIDA RA 130570 PROCESSO DE USINAGEM COM REMOÇÃO DE CAVACO Sorocaba/SP 2013 2 FACULDADE DE ENGENHARIA DE SOROCABA ENGENHARIA MECÂNICA ELIAS FERREIRA MACHADO RA 131078 BRUNO LEANDRO DE ALMEIDA RA 130570 PROCESSO DE USINAGEM COM REMOÇÃO DE CAVACO Msc. Eng. Ronaldo J. Santos Sorocaba/SP 2013 3 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Ferro Gusa ................................................................................................ 14 Figura 2 - Alto Forno.................................................................................................. 16 Figura 3 - Máquina convencional .............................................................................. 29 Figura 4 - Controle Numérico .................................................................................... 30 Figura 5 - Sistema ..................................................................................................... 30 Figura 6 - Servo-motores........................................................................................... 31 Figura 7 - Diagrama do procedimento correto para se chegar a etapa de fabricação. .................................................................................................................................. 34 Figura 8 - Classificação dos processos de fabricação............................................... 35 Figura 9 - Torneamento cilíndrico externo. ................................................................ 39 Figura 10 - Torneamento cilíndrico externo ............................................................... 40 Figura 13 - Torneamento de faceamento. ................................................................. 41 Figura 11 - Torneamento cônico interno.................................................................... 40 Figura 12 - Torneamento cônico externo................................................................... 40 Figura 14 - Sangramento radial ................................................................................. 41 Figura 15 - Sangramento axial .................................................................................. 41 Figura 16 - Perfilamento radial .................................................................................. 41 Figura 17 - Perfilamento axial .................................................................................... 41 Figura 19- Tipos de aplainamentos ........................................................................... 42 Figura 18 - Torneamento curvilíneo .......................................................................... 42 Figura 20 - Tipos de furação ..................................................................................... 44 Figura 21 - Tipos de Alargamento ............................................................................. 45 Figura 22 - Tipos de rebaixamento ............................................................................ 46 4 Figura 23 - Tipos de mandrilamento .......................................................................... 48 Figura 24 - Fresamento ............................................................................................. 49 Figura 25 - Serramento ............................................................................................. 50 Figura 26 - Brochamento interno e externo ............................................................... 51 Figura 27 - Roscamento ............................................................................................ 52 Figura 28 - Limagem ................................................................................................. 53 Figura 29 - Rasqueteamento ..................................................................................... 53 Figura 30 - Tamboreamento ...................................................................................... 53 Figura 31 - Retificação .............................................................................................. 55 Figura 33 - Polimento ................................................................................................ 58 Figura 32 - Brunimento .............................................................................................. 58 Figura 34 - Superacabamento ................................................................................... 59 Figura 35 - Lapidação................................................................................................ 59 Figura 36 - Lixamento................................................................................................ 60 Figura 37 - Jateamento ............................................................................................. 60 Figura 38 - Afiação .................................................................................................... 61 Figura 39 - Usinagem por ultrassom ......................................................................... 62 Figura 40 - Usinagem por jato d'gua ......................................................................... 63 Figura 41 - Usinagem eletroquímica ......................................................................... 64 Figura 42 - Eletroerosão por penetração e a fio ........................................................ 65 Figura 43 - Usinagem por feixes de elétrons ............................................................. 65 Figura 44 - Usinagem por arco de plasma ................................................................ 66 Figura 45 - Possíveis geometrias de peças fabricadas por torneamento. ................. 74 Figura 46 – Possíveis geometrias de peças fabricadas por fresamento. .................. 74 Figura 47 - Nanousinagem e macrousinagem........................................................... 75 5 Figura 48 - Relação tenacidade x dureza .................................................................. 76 Figura 49 - Algumas aplicações de aços rápidos ...................................................... 78 Figura 50 - Fabricação do MD ................................................................................... 80 Figura 51 - Cerâmica branca ..................................................................................... 83 Figura 52 – CERMET ................................................................................................ 83 Figura 53 – PCD........................................................................................................ 84 Figura 54 – CBN........................................................................................................ 84 Figura 55 - Dureza e resistência as desgaste e aumento de tenacidade dos matérias de ferramentas .......................................................................................................... 87 Figura 57 - Direção dos movimentos de corte, de avanço e efetivo na furação. ....... 89 Figura 58 - Direção dos movimentos de corte, de avanço e efetivo no fresamento discordante. ............................................................................................................... 89 Figura 56 - Direção dos movimentos de corte, de avanço e efetivo, no torneamento .................................................................................................................................. 89 Figura 59 - Princípio da cunha cortante..................................................................... 91 Figura 60 - Variação do ângulo da cunha, em função da dureza do material. .......... 91 Figura 61 - Ângulo de folga (α) e de saída (γ) para uma ferramenta de corte de plaina. ........................................................................................................................ 92 Figura 62 - Cunha cortante e as direções de corte e avanço definindo o plano de trabalho (Pf)............................................................................................................... 93 Figura 63 - Arestas de corte e superfícies da parte de corte de uma ferramenta torno. .................................................................................................................................. 93 Figura 64 - Arestas de corte e superfícies das pontas de uma broca helicoidal. ....... 94 Figura 65 - Planos do Sistema de Referência da Ferramenta ................................... 95 Figura 66 - Ângulo de saída (γ ) para uma ferramenta de torno. ............................... 96 Figura 67 - Ângulos de folga (α), de cunha (β) e de saída (γ). .................................. 97 Figura 68 - Ângulo de inclinação “λ”. ......................................................................... 98 Figura 69 - Formas de cavacos produzidos na usinagem dos metais. .................... 102 6 Figura 70 - - Influência do f e do ap na forma dos cavacos. .................................... 103 Figura 71 - Tipos mais comuns de quebra-cavacos. ............................................... 103 Figura 72 - Força e potência de corte...................................................................... 104 Figura 73 - Forças de corte no fresamento. ............................................................ 104 Figura 74 - Avanço. ................................................................................................. 106 Figura 75 - Profundidade de corte. .......................................................................... 106 Figura 76 - Área de corte......................................................................................... 106 Figura 77 - Diagrama de obtensão pressão específica de corte (Ks) ...................... 109 Figura 78 - Força de corte ....................................................................................... 110 Figura 79 - Torneamento longitudinal ...................................................................... 117 7 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Divisão dos processos não-convencionais de usinagem ........................... 67 Tabela 2 - Aplicação dos métodos avançados de usinagem. ...................................... 68 Tabela 3 - Quadro comparativo dos processos de usinagem (convencionais e nãoconvencionais)................................................................................................................... 70 Tabela 4 - Principais características dos aços-rápidos e suas relações com os elementos de liga .............................................................................................................. 79 Tabela 5 - Classificação dos metais duros segundo a norma ISSO 513 (2004). ....... 83 Tabela 6 - Principais revestimentos na atualidade e forma de deposição (Santos, 2002). ............................................................................................................................... 100 Tabela 7 - Tipos de cavacos na usinagem dos metais. .............................................. 102 Tabela 8 - Parâmetros de corte. .................................................................................... 105 Tabela 9 - Tensão de ruptura. ....................................................................................... 107 Tabela 10 - Tabela de velocidade de corte para diferentes materiais em metros para cada minuto. .................................................................................................................... 112 Tabela 11 - Solução ........................................................................................................ 118 8 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS CNC Computer Numeric Control (Controle Numérico Computadorizado) EUA Estados Unidos da América. CAD Computer Aided Designer. (Software) CAM Computer Aided Manufacturing. (Software) PLC Programmable Logical Computer MD Metal Duro CVD Chemical Vapor Deposition (Deposição Química por Vapor) PVD Physical Vapor Deposition (Deposição Física por Vapor) HRC Dureza Rockwell (Computador Lógico Programável) ISO International Organization for Standardization (Norma Internacional para Padronização. PCD Polycrystalline Diamond MCD Monocrystalline Diamonds CBN Cubic Boron Nitride A Avanço P Profundidade de Corte S Área de Corte Tr Tensão de Ruptura Ks Pressão Específica de Corte Fc Força de Corte Vc Velocidade de Corte Pc Potência de corte SAE Society of Automotive Engineers. 9 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 13 2 FABRICAÇÃO DO FERRO GUSA .................................................................... 14 3 FABRICAÇÃO DO AÇO .................................................................................... 16 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 CONVERSOR BESSEMER ............................................................................... 17 CONVERSOR THOMAS .................................................................................... 17 CONVERSOR LD (LINZ DONAWITZ) ............................................................... 18 VANTAGENS DOS CONVERSORES ................................................................ 18 DESVANGENS DOS CONVERSORES ............................................................. 19 4 FORNOS ELÉTRICOS ...................................................................................... 19 4.1 FORNO A ARCO ELÉTRICO ............................................................................. 19 4.2 FORNO DE INDUÇÃO ....................................................................................... 20 4.3 VANTAGENS DA PRODUÇÃO DO AÇO NOS FORNOS ELÉTRICOS ............ 20 5 FERRO FUNDIDO ............................................................................................. 21 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 FABRICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO ............................................................... 21 TIPOS DE FERRO FUNDIDO ........................................................................... 22 FERRO FUNDIDO CINZENTO .......................................................................... 23 FERRO FUNDIDO BRANCO ............................................................................. 23 FERRO FUNDIDO MALEÁVEL.......................................................................... 23 FERRO FUNDIDO NODULAR ........................................................................... 24 6 USINAGEM ........................................................................................................ 25 7 MÁQUINAS OPERATRIZES ............................................................................. 25 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 CONTROLE NUMÉRICO ................................................................................... 25 TÉCNICAS CNC ................................................................................................ 26 PROGRAMA CNC.............................................................................................. 26 MODOS E TAREFAS ......................................................................................... 26 MÁQUINAS CNC OU MÁQUINAS CONVENCIONAIS? .................................... 27 7.5.1 Constituição básica da máquina CNC. ......................................................... 29 7.6 PARA GRANDES E PEQUENAS SÉRIES ........................................................ 32 8 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO .................................... 32 9 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO PROCESSO DE REMOÇÃO DE CAVACO .. 36 10 CLASSIFICAÇÃO QUANTO A GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE 36 10 11 CLASSIFICAÇÃO QUANTO A FINALIDADE DA OPERAÇÃO DE CORTE .. 36 12 PLANEJAMENTO DE PROCESSOS ................................................................ 37 12.1 12.2 12.3 12.4 MÁQUINAS FERRAMENTA ............................................................................. 37 FERRAMENTAS DE CORTE ........................................................................... 38 TECNOLOGIA .................................................................................................. 38 USUÁRIO / OPERADOR .................................................................................. 38 13 CLASSIFICAÇÃO E NOMENCLATURA DE PROCESSOS CONVENCIONAIS DE USINAGEM. ........................................................................................................ 39 13.1 TORNEAMENTO.............................................................................................. 39 13.2 TORNEAMENTO RETILÍNEO .......................................................................... 39 13.3 TORNEAMENTO CURVILÍNEO ....................................................................... 42 13.4 APLAINAMENTO .............................................................................................. 42 13.5 FURAÇÃO ........................................................................................................ 43 13.6 ALARGAMENTO .............................................................................................. 45 13.7 REBAIXAMENTO ............................................................................................. 46 13.8 MANDRILAMENTO .......................................................................................... 47 13.9 FRESAMENTO ................................................................................................. 48 13.10 SERRAMENTO .............................................................................................. 50 13.11 BROCHAMENTO ........................................................................................... 51 13.12 ROSCAMENTO.............................................................................................. 52 13.13 LIMAGEM ....................................................................................................... 52 13.14 RASQUETEAMENTO .................................................................................... 53 13.15 TAMBOREAMENTO ...................................................................................... 53 13.16 RETIFICAÇÃO ............................................................................................... 54 13.17 RETIFICAÇÃO TANGENCIAL ....................................................................... 54 13.18 RETIFICAÇÃO FRONTAL ............................................................................. 55 13.19 BRUNIMENTO ............................................................................................... 58 13.20 POLIMENTO .................................................................................................. 58 13.21 SUPERACABAMENTO .................................................................................. 59 13.22 LAPIDAÇÃO ................................................................................................... 59 13.23 LIXAMENTO .................................................................................................. 60 13.24 JATEAMENTO ............................................................................................... 60 13.25 AFIAÇÃO ....................................................................................................... 61 14 PROCESSOS NÃO-CONVENCIONAIS DE USINAGEM .................................. 61 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 USINAGEM POR ULTRASSOM ...................................................................... 61 USINAGEM POR JATO D’ÁGUA ..................................................................... 62 USINAGEM ELETROQUÍMICA ........................................................................ 63 USINAGEM ELETROEROSÃO ........................................................................ 64 USINAGEM POR FEIXES DE ELÉTRONS ...................................................... 65 USINAGEM POR ARCO DE PLASMA ............................................................. 66 15 COMPARAÇÃO DE DIFERENTES PROCESSOS DE USINAGEM ................. 66 11 16 FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS........................................ 69 16.1 PROCESSO DE TORNEAMENTO .................................................................. 71 16.1.1 16.1.2 Variáveis de entrada ................................................................................. 71 Variáveis de saída..................................................................................... 71 16.2 MATERIAL DA PEÇA ....................................................................................... 71 16.3 GEOMETRIA DA PEÇA.................................................................................... 72 16.4 PEÇAS SIMILARES A SÓLIDOS DE REVOLUÇÃO ........................................ 73 16.5 PEÇAS NÃO SIMILARES A SÓLIDOS DE REVOLUÇÃO ............................... 74 16.6 PEÇAS ESPECIAIS .......................................................................................... 75 16.7 MATERIAL DA FERRAMENTA ........................................................................ 75 16.8 AÇO RÁPIDO ................................................................................................... 77 16.9 METAL DURO (MD) ......................................................................................... 80 16.10 MATERIAIS AVANÇADOS ............................................................................. 82 16.11 CERÂMICA ..................................................................................................... 84 16.12 DIAMANTE ..................................................................................................... 85 16.13 CBN ................................................................................................................ 86 17 GRANDEZAS FÍSICAS NO PROCESSO DE CORTE ...................................... 88 17.1 MOVIMENTOS NO PROCESSO DE USINAGEM ............................................ 88 17.2 DIREÇÃO DOS MOVIMENTOS E VELOCIDADES ......................................... 88 17.3 VELOCIDADE DE CORTE ............................................................................... 90 18 GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE .................................................. 91 18.1 INTRODUÇÃO .................................................................................................. 91 18.2 DEFINIÇÕES ................................................................................................... 92 19 FUNÇÕES E INFLUÊNCIA DOS ÂNGULOS DA CUNHA DE CORTE ............. 94 19.1 PLANOS EM UMA FERRAMENTA DE CORTE ............................................... 94 20 ÂNGULOS MEDIDOS NO PLANO ORTOGONAL............................................ 96 21 DICAS TÉCNOLOGICAS. ................................................................................. 96 22 ÂNGULO MEDIDO NO PLANO DE CORTE. .................................................... 98 23 REVESTIMENTO PARA FERRAMENTA DE CORTE ...................................... 99 24 ESTUDOS DOS CAVACOS ............................................................................ 100 25 FORÇA E POTÊNCIA DE CORTE .................................................................. 104 25.1 PRINCIPAIS PARÂMETROS DE CORTE PARA O PROCESSO DE TORNEAMENTO. ................................................................................................... 105 12 25.2 AVANÇO (A) ................................................................................................... 105 25.3 PROFUNDIDADE DE CORTE (P). ................................................................. 106 25.4 ÁREA DE CORTE (S). .................................................................................... 106 25.5 TABELA DE TENSÃO DE RUPTURA (Tr) ..................................................... 107 25.6 PRESSÃO ESPECÍFICA DE CORTE (Ks) ..................................................... 108 25.7 FORÇA DE CORTE (Fc) ................................................................................ 110 25.8 VELOCIDADE DE CORTE (Fc) ...................................................................... 111 25.9 POTÊNCIA DE CORTE (Pc) .......................................................................... 113 25.10 TEMPO DE FABRICAÇÃO ........................................................................... 115 25.11 TEMPO DE CORTE (Tc) .............................................................................. 115 26 MEIO LUBRIRREFRIGERANTE ..................................................................... 118 27 DISSIPAÇÃO DE ENERGIA ............................................................................ 119 28 INOVAÇÃO ...................................................................................................... 120 29 META DE LONGO PRAZO: O FIM DAS EMULSÕES .................................... 121 30 ENSAIO: ESTRUTURA E EXECUÇÃO ........................................................... 122 31 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................. 123 32 BIBLIOGRAFIA ............................................................................................... 124 13 1 INTRODUÇÃO Fabricar é transformar matérias-primas em produtos acabados, por uma variedade de processos. A ideia 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 ensinou que se ele tivesse pedra nas mãos, seu golpe seria mais forte, e se a pedra tivesse um cabo, esse golpe seria ainda mais forte. Se essa pedra fosse afiada poderia cortar a caça e ajudar a raspar a pele 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, mais por volta de 4.000 A.C ele começou a trabalhar com metais, começando com o cobre, depois com o bronze e finalmente com o ferro para fabricação de armas e ferramentas. De todos os materiais à disposição na indústria, certamente o ferro fundido e o aço são os mais utilizados. E não é só na indústria mecânica, eles estão também na construção civil, em edifícios, viadutos e pontes, ajudando a manter unidas as estruturas de concreto; e na indústria elétrica, na fabricação de motores que auxiliam a movimentar máquinas e equipamentos industriais. Neste trabalho especificamente iremos falar sobre o processo de usinagem. Qual a definição para este processo? É uma operação que ao conferir à peça a forma, as dimensões, o acabamento, ou ainda a combinação qualquer destes itens, produzem cavacos. E por cavaco entende-se: Porção de material da peça, retirada pela ferramenta, caracterizando-se por apresentar uma forma geométrica irregular. Mais adiante veremos também as máquinas operatrizes, a classificação dos processos de usinagem quanto à remoção do cavaco e outros dados quanto a fabricação do produto, processos convencionais e não-convencionais de usinagem e também alguns parâmetros de corte. 14 2 FABRICAÇÃO DO FERRO GUSA Para poder fabricar o ferro fundido e o aço, você precisa do ferro-gusa. É um material duro e quebradiço, formado por uma liga de ferro e carbono, com alto teor, ou seja, uma grande quantidade de carbono e um pouco de silício, manganês, fósforo e enxofre. Figura 1 - Ferro Gusa O ferro-gusa é produzido em um equipamento chamado de alto-forno por meio de reações químicas diversas. O alto-forno pode ter até 35 metros de altura. Fica dentro de um complexo industrial chamado usina siderúrgica e é o principal equipamento utilizado na metalurgia do ferro. O alto-forno é construído de tijolos e envolvido por uma carcaça protetora de aço. Todas as suas partes internas, sujeitas a altas temperaturas, são revestidas com tijolos chamados “refratários” porque suportam essas temperaturas sem derreter. Três zonas fundamentais caracterizam o alto-forno: o fundo chamado cadinho, a segunda seção chamada rampa e a seção superior chamada cuba. 15 O cadinho é o lugar onde o gusa líquido é depositado. A escória (conjunto de impurezas que devem ser separadas do gusa), que se forma durante o processo, flutua sobre o ferro que é mais pesado. No cadinho há dois furos: o furo de corrida, aberto de tempos em tempos para que o ferro líquido escoe, e o furo para escoamento da escória. Como a escória flutua, o furo para seu escoamento fica acima do furo de corrida. Assim, sobra espaço para que uma quantidade razoável de ferro seja acumulada entre as corridas. Na rampa acontece a combustão e a fusão. Para facilitar esses processos, entre o cadinho e a rampa ficam as ventaneiras, que são furos distribuídos uniformemente por onde o ar pré-aquecido é soprado sob pressão. A cuba ocupa mais ou menos dois terços da altura total do alto-forno. É nela que é colocada, alternadamente e em camadas sucessivas, a carga, composta de minério de ferro, carvão e os fundentes (cal, calcário). A escória é uma espécie de massa vítrea formada pela reação dos fundentes com algumas impurezas existentes no minério. Ela pode ser aproveitada para a fabricação de fertilizantes ou de cimentos para isolantes térmicos. Conforme o coque vai se queimando, a carga vai descendo para ocupar os espaços vazios. Esse movimento de descida vai se espalhando lateralmente pela carga, até atingir toda a largura da cuba. As reações de redução, carbonetação e fusão que nós descrevemos anteriormente geram dois produtos líquidos: a escória e o ferro-gusa, que são empurrados para os lados, pelos gases que estão subindo e escorrem para o cadinho, de onde saem pelo furo de corrida (gusa) e pelo furo da escória. Ao sair do alto-forno, o gusa (com teor de carbono entre 3,0 e 4,5%) pode seguir um, entre dois caminhos: pode ir para a fundição, para ser usado na fabricação de peças de ferro fundido, ou ir para a aciaria, onde pode ser misturado com sucata de aço ou, eventualmente, com outros metais, para se transformar em aço, ou seja, uma liga ferrosa com um teor de menos de 2,0%. 16 Figura 2 - Alto Forno 3 FABRICAÇÃO DO AÇO Para transformar o gusa em aço, é necessário que ele passe por um processo de oxidação - combinação do ferro e das impurezas com o oxigênio - até que a concentração de carbono e das impurezas se reduza a valores desejados.Os fornos a injeção de ar ou oxigênio diretamente no gusa líquido, são chamados “conversores” e são de vários tipos. Os mais conhecidos são:  Conversor Bessemer  Conversor Thomas  Conversor LD (Linz Donawitz) 17 3.1 CONVERSOR BESSEMER É um forno basculante em que no fundo se encontram orifícios através dos quais passa ar sob pressão, que borbulha violentamente através da carga que é sempre líquida. É constituído por uma carcaça de chapas de aço, soldadas e rebitadas. Essa carcaça é revestida, internamente, com uma grossa camada de material refratário, isto é, aquele que resiste a altas temperaturas. A grande sacada desse forno é seu formato que permite seu basculamento. Quer dizer, ele é montado sobre eixos que permitem colocá-lo na posição horizontal, para a carga do gusa e descarga do aço, e na posição vertical para a produção do aço. Este forno não precisa de combustível. A alta temperatura é alcançada e mantida, devido às reações químicas que acontecem quando o oxigênio do ar injetado entra em contato com o carbono do gusa líquido. Nesse processo, há a combinação do oxigênio com o ferro, formando o óxido de ferro (FeO) que, por sua vez, se combina com o silício (Si), o manganês (Mn) e o carbono (C), eliminando as impurezas sob a forma de escória e gás carbônico. Esse ciclo dura, em média, 20 minutos e o aço resultante desse processo tem a seguinte composição: 0,10% (ou menos) de carbono, 0,005% de silício, 0,50% de manganês, 0,08% de fósforo e 0,25% de enxofre. A produção comercial de aço nos EUA encerrou a manufatura de aço pelo processo de Bessemer em 1968, substituído pelo processo de Linz-Donawitz, que oferece um controle melhor na química final do aço. 3.2 CONVERSOR THOMAS Este é bastante semelhante ao Bessemer: ele também é basculante, também processa gusa líquido e também usa ar nesse processo. A diferença está no revestimento refratário desse conversor, que é feito com um material chamado dolomita, que resiste ao ataque da escória à base de cal e, por isso, esse material permite trabalhar com um gusa com alto teor de fósforo. As reações químicas que acontecem dentro desse conversor são as mesmas que acontecem no conversor Bessemer, ou seja, oxidação das impurezas, combustão do carbono e oxidação do 18 ferro. Esse processo, porém, tem duas desvantagens: não elimina o enxofre do gusa e o revestimento interno do forno é atacado pelo silício. Assim, o gusa deve ter baixo teor de silício. Entretanto possui alta capacidade de produção (Em torno de 50t) e permite usar gusa com alto teor de fósforo. 3.3 CONVERSOR LD (LINZ DONAWITZ) Tem como princípio da injeção do oxigênio puro, que é soprado sob pressão na superfície do gusa líquido. Essa injeção é feita pela parte de cima do conversor. Esse tipo de conversor é constituído de uma carcaça cilíndrica de aço resistente ao calor, revestido internamente por materiais refratários de dolomita ou magnesita. A injeção do oxigênio é feita por meio de uma lança metálica composta de vários tubos de aço. O jato de oxigênio é dirigido para a superfície do gusa líquido e essa região de contato é chamada de zona de impacto. Na zona de impacto, a reação de oxidação é muito intensa e a temperatura chega a atingir entre 2.500 e 3.000ºC. Isso provoca uma grande agitação do banho, o que acelera as reações de oxidação no gusa líquido. Nesse conversor, a contaminação do aço por nitrogênio é muito pequena porque se usa oxigênio puro. Isso é um fator importante para os aços que passarão por processo de soldagem, por exemplo, pois esse tipo de contaminação causa defeitos na solda. 3.4 VANTAGENS DOS CONVERSORES Alta capacidade de produção, dimensões relativamente pequenas, simplicidade de operação e o fato de as altas temperaturas não serem geradas pela queima de combustível, mas pelo calor que se desprende no processo de oxidação dos elementos que constituem a carga de gusa líquido. 19 3.5 DESVANGENS DOS CONVERSORES Impossibilidade de trabalhar com sucata, perda de metal por queima, dificuldade de controlar o processo com respeito à quantidade de carbono, presença de considerável quantidade de óxido de ferro e de gases, que devem ser removidos durante o vazamento. Dos conversores, saem aços usados na fabricação de chapas, tubos soldados, perfis laminados, arames. 4 FORNOS ELÉTRICOS É nos fornos elétricos que se transforma sucata em aço. Por esse processo, transforma-se energia elétrica em energia térmica, por meio da qual ocorre a fusão do gusa e da sucata, sob condições controladas de temperatura e de oxidação do metal líquido. É um processo que permite, também, a adição de elementos de liga que melhoram as propriedades do aço e lhe dão características excepcionais. Por causa disso, esse é o melhor processo para a produção de aços de qualidade. Os fornos elétricos são basicamente de dois tipos: A arco elétrico e de indução. 4.1 FORNO A ARCO ELÉTRICO É constituído de uma carcaça de aço feita de chapas grossas soldadas ou rebitadas, de modo a formar um recipiente cilíndrico com fundo abaulado. Essa carcaça é revestida na parte inferior (chamada soleira) por materiais refratários, de natureza básica (dolomita ou magnesita) ou ácida (sílica), dependendo da carga que o forno vai processar. O restante do forno é revestido com tijolos refratários silicosos. Os eletrodos responsáveis, juntamente com a carga metálica, pela formação do arco elétrico estão colocados na abóbada (parte superior) do forno. A carga deste forno é constituída, basicamente, de sucata e fundente (cal). Nos fornos de revestimento ácido, a carga deve ter mínimas quantidades de fósforo 20 e enxofre. Nos fornos de revestimento básico, a carga deve ter quantidades bem pequenas de silício. Durante o processo, algumas reações químicas acontecem: a oxidação, na qual se oxidam as impurezas e o carbono, a desoxidação, ou retirada dos óxidos com a ajuda de agentes desoxidantes, e a dessulfuração, quando o enxofre é retirado. É um processo que permite o controle preciso das quantidades de carbono presentes no aço. 4.2 FORNO DE INDUÇÃO Também processa sucata. O conjunto que compõe esse forno é formado de um gerador com motor de acionamento, uma bateria de condensadores e uma câmara de aquecimento. Essa câmara é basculante e tem, na parte externa, a bobina de indução. O cadinho é feito de massa refratária socada dentro dessa câmara, onde a sucata se funde por meio de calor produzido dentro da própria carga. Para a produção do aço, liga-se o forno, e os pedaços de sucata que devem ser de boa qualidade vão sendo colocados dentro do forno, à medida que a carga vai sendo fundida. Depois que a fusão se completa e que a temperatura desejada é atingida, adiciona-se cálcio, silício ou alumínio, que são elementos desoxidantes e têm a função de retirar os óxidos do metal. 4.3 VANTAGENS DA PRODUÇÃO DO AÇO NOS FORNOS ELÉTRICOS Maior flexibilidade de operação; temperaturas mais altas; controle mais rigoroso da composição química do aço; melhor aproveitamento térmico; ausência de problemas de combustão, por não existir chama oxidante; e processamento de sucata. 21 5 FERRO FUNDIDO O ferro fundido, “irmão” do aço, apresenta diferenças em sua composição, que determinam diferentes propriedades e diferentes aplicações desse metal ferroso. Esse material é “filho” do gusa, funde a temperaturas bem mais baixas que o aço e apresenta características que o tornam um material único, indicado para aplicações bem específicas. 5.1 FABRICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO Os ferros fundidos são ligas de ferro e carbono com teores elevados de silício e são fabricados a partir do ferro-gusa. Só que nesse material, o carbono está presente com teores entre 2,11% e 6,67%. Possuindo mais carbono, ficam mais duros do que o aço. Além disso, por causa do silício, forma-se grafite em sua estrutura. Por isso eles são mais frágeis! Portanto, não é possível forjá-los, estirálos, laminá-los ou vergá-los em qualquer temperatura. A transformação do gusa em ferro fundido acontece em dois tipos de fornos: o forno cubilô e o forno elétrico. No forno elétrico, o processo é semelhante ao de produção do aço. O forno cubilô geralmente é usado na produção de ferro fundido comum, ele trabalha com ferro-gusa, sucata de aço e de ferro fundido, calcário (para separar as impurezas), ferro-silício, ferro-manganês e coque, como combustível. A figura ao lado contém uma representação esquemática do forno cubilô, nota-se que a carga é feita por uma abertura lateral na parte superior. Ele funciona sob o princípio da contracorrente (como o alto-forno), ou seja, a carga metálica e o coque descem e os gases sobem, O metal fundido deposita-se no fundo, onde é escoado pela bica (Uma calha de vazamento). Para começar, se limpa o forno, que é uma carcaça cilíndrica, vertical de aço, revestida internamente com tijolos refratários. Em seguida, coloca-se um pouco de madeira e o coque no fundo e ateia-se fogo. 22 Quando o fogo atravessa toda a camada de coque e madeira, liga-se o sopro de ar. Nesse momento, é iniciada a carga: em camadas, são colocadas quantidades pré-determinadas de ferro-gusa, sucata, coque e fundente (calcário). Esse carregamento continua, até atingir o nível da porta de carga e assim deve ser mantido durante toda a operação. Essa operação pode ser intermitente ou contínua. Se ela for intermitente, a corrida metálica, ou seja, a retirada do ferro fundido do forno é feita periodicamente, sempre que necessário. No segundo caso, o material fundido é despejado continuamente na calha de vazamento. Nessa calha, há uma bacia que separa a escória do metal. Esta, por apresentar menor densidade, flutua e escorre lateralmente. O ferro corre para a panela de fundição. O forno cubilô não permite que se faça um controle rigoroso da composição química do metal. Por isso, ele é empregado para a produção de ferro fundido que será usado na fabricação de peças que não sofrerão grandes esforços. Para a produção de ferros fundidos de alta qualidade, são usados fornos elétricos ou fornos cubilô em conjunto com os fornos elétricos. 5.2 TIPOS DE FERRO FUNDIDO O ferro fundido é o que chamamos de uma liga ternária. Isso quer dizer que ele é composto de três elementos: ferro, carbono (2 a 4,5%) e silício (1 a 3%). Existe ainda o ferro fundido ligado, aos quais outros elementos de liga são acrescentados para dar alguma propriedade especial à liga básica. Dependendo da quantidade de cada elemento e da maneira como o material é resfriado ou tratado termicamente, o ferro fundido será cinzento, branco, maleável ou nodular. O que determina a classificação em cinzento ou branco é a aparência da fratura do material depois que ele resfriou. E essa aparência, por sua vez, é determinada pela forma como o carbono se apresenta depois que a massa metálica solidifica. E ele se apresenta sob duas formas: como cementita (Fe3C) ou como grafita, um mineral de carbono usado, por exemplo, na fabricação do lápis. 23 5.3 FERRO FUNDIDO CINZENTO Nesse material o carbono se apresenta sob a forma de grafita, em flocos ou lâminas, que dá a cor acinzentada ao material. Como o silício favorece a decomposição da cementita em ferro e grafita, esse tipo de liga ferrosa apresenta um teor maior de silício (até 2,8%). Outro fator que auxilia na formação da grafita é o resfriamento lento. Os ferros fundidos cinzentos apresentam boa usinabilidade e grande capacidade de amortecer vibrações. Por causa dessas características, são empregados nas indústrias automobilísticos, de equipamentos agrícolas e de máquinas e, na mecânica pesada, na fabricação de blocos e cabeçotes de motor, carcaças e platôs de embreagem, suportes, barras e barramentos para máquinas industriais. 5.4 FERRO FUNDIDO BRANCO É formado no processo de solidificação, quando não ocorre a formação da grafita e todo o carbono fica na forma de carboneto de ferro (ou cementita). Daí, sua cor clara. Para que isso aconteça, tanto os teores de carbono quanto os de silício devem ser baixos e a velocidade de resfriamento deve ser maior. Nos ferros fundidos brancos ligados, elementos como o cromo, o molibdênio e o vanádio funcionam como estabilizadores dos carbonetos, aumentando a dureza. Por causa da elevada dureza, os ferros fundidos brancos são frágeis, embora tenham uma grande resistência à compressão, ao desgaste e à abrasão. Essa resistência e dureza se mantêm mesmo em temperaturas elevadas. Por isso, esse tipo de material ferroso é empregado em equipamentos de manuseio de terra, mineração e moagem, rodas de vagões e revestimentos de moinhos. 5.5 FERRO FUNDIDO MALEÁVEL É um material que reúne as vantagens do aço e as do ferro fundido cinzento. Assim, ele tem, ao mesmo tempo, alta resistência mecânica e alta fluidez no estado líquido, o que permite a produção de peças complexas e finas. 24 O ferro fundido maleável é produzido a partir de um ferro fundido branco submetido a um tratamento térmico, por várias horas, que torna as peças fabricadas com esses materiais mais resistentes ao choque e às deformações. Dependendo das condições do tratamento térmico, o ferro pode apresentar o núcleo preto ou branco. O ferro fundido maleável de núcleo preto (ou americano) passa por um tratamento térmico em atmosfera neutra, em que a cementita se decompõe em ferro e carbono e, no qual, o carbono forma uma grafita compacta, diferente da forma laminada dos ferros fundidos cinzentos. Ele é usado para a fabricação de suportes de molas, caixas de direção, cubos de rodas, bielas, conexões para tubulações hidráulicas e industriais. O ferro fundido maleável de núcleo branco passa por um tratamento térmico, em atmosfera oxidante, no qual o carbono é removido por descarbonetação, não havendo formação de grafita. Por causa disso, ele adquire características semelhantes às de um aço de baixo carbono e pode ser soldado. É um material indicado para a fabricação de barras de torção, corpos de mancais, flanges para tubos de escapamento. 5.6 FERRO FUNDIDO NODULAR Sua estrutura apresenta partículas arredondadas de grafita. Isso é obtido com a adição de elementos, como o magnésio, na massa metálica ainda líquida. Com o auxílio de tratamentos térmicos adequados, esse material pode apresentar propriedades mecânicas, como a ductilidade, a tenacidade, a usinabilidade e as resistências mecânicas e à corrosão, melhores do que as de alguns aços-carbono. Por causa disso e do menor custo de processamento, está substituindo alguns tipos de aços e os ferros fundidos maleáveis na maioria de suas aplicações. Mancais, virabrequins, cubos de roda, caixas de diferencial, peças de sistema de transmissão de automóveis, caminhões e tratores são produtos fabricados com o ferro fundido nodular. 25 6 USINAGEM A usinagem é o processo de fabricação que consiste em remover o sobremetal de uma peça ou de um bloco de aço para a obtenção de um ou vários produtos. Assim, removendo o sobremetal, a peça adquire a forma, as dimensões e o acabamento que estão especificados no desenho de execução ou desenho da peça. O sobremetal removido da peça ou material bruto é transformado em cavaco. E cavaco é o excedente do ferro fundido, do aço, do alumínio, do bronze e de outros materiais retirados de uma peça durante o processo de usinagem. Portanto, os cavacos são constituídos por lascas, pedaços ou fragmentos extraídos do material usado na fabricação de uma peça qualquer. 7 MÁQUINAS OPERATRIZES O conjunto mecânico responsável pelos movimentos destinados à remoção do sobremetal recebe a denominação de máquina operatriz ou máquina ferramenta. Existe na indústria, uma variedade de máquinas operatrizes: tornos, fresadoras, mandriladoras, plainas, furadeiras, retificadoras cilíndricas ou planas, máquinas copiadoras e máquinas eletroerosão. A escolha de uma ou outra máquina depende das especificações técnicas exigidas para a peça, tais como formato do produto, acabamento superficial e exatidão dimensional. Portanto, com o auxílio das máquinas operatrizes, é possível obter superfícies com formatos diversos, isto é, planas, curvas, cilíndricas, cônicas e outras. 7.1 CONTROLE NUMÉRICO A descoberta do controle numérico em máquina-ferramenta começou aproximadamente nos anos 50. Como princípio básico para esta técnica de comando, serve-nos a ideia de uma máquina comandada através da introdução de 26 números para o comando. O vocábulo número significa numérico, aproximando-se das numerações igual números contínuos. Uma máquina-ferramenta de controle numérico, poderíamos abreviar como máquinas-NC, caracterizado de NC (De numerically controlled) ou seu comando como controle numérico. 7.2 TÉCNICAS CNC No decorrer do desenvolvimento de máquinas-ferramenta de controle numérico, um tipo de máquina cristalizou-se, a qual designou com a ideia de máquina CNC. Após uma longa insegurança da parte da fabricação e emprego, esse tipo de máquina apresenta agora um comando que corresponde às exigências do usuário. Assim, temos o campo de máquinas CNC como parte da existência fixa de muitas indústrias. A abreviação CNC significa Computer Numerical Control. Uma máquina CNC pode ser programada pessoalmente, diretamente na mesma, de modo que são possíveis modificações. Por exemplo, é suficiente a introdução de poucos dados, com a chamada de um ciclo auxiliar de trabalho calculado ou modificado. 7.3 PROGRAMA CNC O acionamento de uma máquina CNC sucede-se com motores elétricos reguláveis. O comando é levado através de trajetos de comando, de modo que além do faceamento e torneamento do comprimento, também poderão ser torneados quaisquer cones e contornos esféricos. O princípio básico de um programa de torno CNC é o desenho da peça. Mas, ele deve ser dimensionado para o CNC. 7.4 MODOS E TAREFAS Para a escolha da máquina-ferramenta, leva-se em consideração a peça e certamente a quantidade da mesma, que denominamos na produção como “quantidade por minuto”. Em geral, podemos dizer: quanto maior a quantidade por minuto, mais distante podemos ter uma racionalização acelerada. 27 7.5 MÁQUINAS CNC OU MÁQUINAS CONVENCIONAIS? Usar uma máquina CNC não significa substituir o operador por um computador, você pode fazer qualquer coisa que se faça em uma máquina CNC em máquinas convencionais. As únicas diferenças em questão de produtibilidade são o tempo de produção e a repetibilidade das peças, sendo que em alguns casos a diferença de tempos pode ser considerada infinita, pois a complexidade das peças pode exigir um emprenho sobre-humano do operador. Falando desta maneira podese até entender que o ganho do CNC sobre o convencional não é tão grande, porém isso é um grande equivoco, pois a partir do advento do CNC foi possível criar peças com geometrias de extrema complexidade em tempo recorde, peças, cuja fabricação era possível apenas nas mãos experientes de um exímio mestre modelador. Podemos perceber isto nas linhas aerodinâmicas dos automóveis modernos com formas complexas e bonitas que se alteraram com muita rapidez. No inicio da fabricação dos automóveis em série, os modelos T de Henry Ford, por exemplo, todos os carros eram iguais e da mesma cor, o consumidor era obrigado a optar entre comprar aquele carro que todos tinham ou ficar sem. Hoje a colocação de um novo modelo é tão rápida, que o consumidor se sente às vezes até incapaz de se decidir qual escolher. Neste sentido, eu me atrevo a dizer que hoje em dia, possuir máquinas convencionais ou CNC, esta diretamente relacionada entre ter perspectivas ou não para o futuro. Outro ponto importante é o fato que as máquinas CNC estão tendo seus preços reduzidos pelo próprio aumento da demanda. É importante planejar muito bem quando se deseja implantar máquinas CNC em um parque pré-existente de máquinas convencionais, ou mesmo, montar um parque de máquinas CNC a partir do zero. O lucro é certo, se toda estratégia for bem estipulada. Tal planejamento exige estudos de:  Pesquisa do tipo de máquina que o mercado ou a própria empresa anseia; Empresas que fornecem exclusivamente serviço de usinagem precisam estar atentas aos anseios de seus consumidores, tais como complexidade geométrica, precisão, tamanho e tempo de resposta das peças, exigidos por eles assim como volume de produção dos mesmos. Analisando estes itens saberemos 28 determinar o tipo de máquinas que iremos precisar. Por outro lado, se o setor de usinagem for um membro da empresa, e os serviços de usinagem fizerem parte da concepção do produto desta empresa, o estudo pode se definir mais facilmente, pois podemos encontrar na própria empresa as perspectivas necessárias para a definição do tipo de máquina ideal.  Análise de custo x benefício das máquinas elegíveis; Neste momento conhecemos o tipo de máquina que estamos querendo. Precisamos então estudar o que o mercado nos oferece a esse respeito, as máquinas disponíveis ou até adaptáveis as nossas necessidades, analisar enfim os custos e benefícios de cada item do mercado que se encaixem em nossas necessidades. Assistência apropriada à importação desta tecnologia. Talvez este item seja o mais importante e deveria constar como coadjuvante dos outros itens, pois quando uma empresa pretende ampliar seus horizontes munindo-se de tecnologias avançadas, é importante que pessoas experientes no ramo sejam consultadas, pois isto pode, sem dúvida, ser a diferença entre diferença entre o lucro e o prejuízo. Temos o conhecimento de empresas que tentaram resolver este problema de forma "caseira", ou até mesmo acreditando em vendedores de máquinas. Em pouco tempo tiveram seus negócios prejudicados e, em alguns casos, chegaram à falência. Esta assessoria torna-se imprescindível para instalação da máquina e suporte à produção nos primeiros meses de implantação. Conhecendo o nível de investimento e aplicação dos recursos pode-se planejar a melhor maneira de se integrar aos sistemas fabris o novo meio produtivo. Em poucas palavras, para um sistema completo, do projeto à peça pronta em máquina CNC, torna-se necessária a aquisição e implantação de alguns sistemas que se integrem e facilitem a flexibilização do sistema como um todo, são eles: - Sistema de programação CNC – CAD/CAM - Sistema de simulação – Manufatura digital - Pós-processador - Sistema DNC - gerenciamento e transferência de programas (rede) para a máquina. Todos estes sistemas, hardware e software, precisam ser compatíveis.Outro item imprescindível é a adequação da nova máquina ao layout da fabrica, que precisa ser estudado já na época da aquisição, pois neste instante se 29 tem uma dimensão do novo equipamento e um bom layout leva tempo para ser planejado e implantado. Além dos recursos físicos e eletrônicos descritos no sistema macro acima, é muito importante a preparação dos recursos humanos, visto que esta tecnologia exige pessoal especializado, no projeto, programação, operação e serviços de suporte (porém o item de serviços de suporte pode ser terceirizado com maior facilidade). 7.5.1. CONSTITUIÇÃO BÁSICA DE UMA MÁQUINA CNC. A máquina em si. É a parte mecânica, o que antes era a máquina convencional, ou ainda conhecida por alguns como a cinemática do CNC. Figura 3 - Máquina convencional · O Comando ou Controle Numérico. É o equipamento responsável pela interpretação do programa CNC e tradução em comandos que são enviados ao PLC* aos microswitches* para acionamento dos eixos. É ainda responsável pelo gerenciamento da interface da máquina com o operador - display, botões, acionadores, etc. 30 Figura 4 - Controle Numérico · Os PLCs auxiliam os controles nos cálculos matemáticos, controlador lógico programável, também chamado CLP ou controlador programável, é um dispositivo de computador que controla equipamentos em oficinas industriais. As quantidades de equipamentos que os PLCs podem controlar são tão variados quanto as instalações industriais deles. Sistemas de transportador, linhas de máquinas de processamento de alimentos, máquinas CN e até mesmo um sistema de elevadores prediais, provavelmente haverá um PLC para controlar estas coisas. Em um sistema de controle industrial tradicional, todos os dispositivos de controle são enviados eletrônica e diretamente de um para outro de acordo com como é suposto que o sistema opera. Figura 5 - Sistema 31 · Os servos-motores gira na velocidade e tempo necessários para que cada eixo atinja os valores de posição e velocidades, estipulados em cada bloco do programa CNC. Figura 6 - Servos-motores Todos estes sistemas funcionando sincronizados formam a máquina CNC. Usamos aqui uma linguagem muito simples para que o maior número de pessoas possa entender com facilidade este mecanismo que não tem nada de simples, citamos os componentes básicos, porém muitos outros componentes formam esta pérola da tecnologia. O comando numérico nasceu e sua aplicação é maior em máquinas de usinagem, porém vem se ampliado de tal forma que praticamente não existe campo nos meios fabris que não tenham sido atingidos por esta tecnologia. Empresas, principalmente as de transformação de metais, que pensam no futuro não podem deixar de planejar suas atividades sem considerar a tecnologia CNC, pois isso pode significar a diferença entre a continuidade e a extinção. Como a implantação de qualquer nova tecnologia exige conhecimento, é importante que estes investimentos sejam feitos consultando-se quem já convive com estes meios há tempos. As tecnologias emergentes relacionadas à informática vêm se popularizando de tal forma que algumas coisas acontecem tão rápido que nós não damos conta que isto às vezes já ocorreu. Por exemplo, quem diria a seis ou sete anos que poderíamos ter na casa de pessoas comuns um aparelho de gravar CDs ou uma impressora com qualidade fotográfica, uma verdadeira gráfica domiciliar? Outro exemplo é a internet, a maior biblioteca do mundo e todos nós podemos tê-la. Se em casa temos estes avanços, quem diria nas indústrias. Sem dúvida temos que 32 nos munir de muita tecnologia se quisermos continuar no mercado. Ter máquinas avançadas tecnologicamente não é "luxo" mas sim necessidade para sobrevivência. 7.6 PARA GRANDES E PEQUENAS SÉRIES Mais que 5000 peças / mês: tem-se comprovadamente um campo automático e uma transfer. Estes são usados, por exemplo, em trabalhos de blocos de motores. Praticamente seria semelhante para tarefas de fabricação de uma máquina simples, que poderia ser o máximo da racionalização. Menos que 100 peças / mês: é propriamente conhecida a máquina universal. Para emprego de determinadas máquinas, devemos ter grandes partes com tempo ocioso, porque ela é essencialmente comandada manualmente. Com a ajuda de um comando numérico, a máquina-ferramenta pode alcançar economicamente determinada tarefa de fabricação complicada. 8 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO Fabricar é transformar matérias-primas em produtos acabados, por uma variedade de processos. A ideia 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 ideia do número de fatores que devem ser considerados num processo de fabricação vejamos, por exemplo, a produção de um simples artigo: o clipe. Primeiro ele deve ser projetado para atender o requisito funcional que é 33 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 requerido 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 longas, 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 considerações 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 de fabricação apropriado é então escolhido pelo engenheiro de fabricação. A figura abaixo mostra um diagrama do procedimento correto para se chegar à etapa de fabricação. 34 Figura 7 - Diagrama do procedimento correto para se chegar a etapa de fabricação. Os processos de transformação de metais e ligas metálicas em peças para a utilização em conjuntos mecânicos são inúmeros e variados: você pode fundir, soldar, utilizar a metalurgia em pó ou usinar o metal afim 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. 35 Figura 8 - Classificação dos processos de fabricação. Uma simples definição de usinagem pode ser tirada da Figura 1.2 como sendo processo de fabricação com remoção de cavaco. Consultando, porém, uma bibliografia especializada pode-se definir usinagem de forma mais abrangente, como sendo: “Operação que ao conferir à peça a forma, as dimensões, o acabamento, ou ainda a combinação qualquer destes itens, produzem cavacos”. E por cavaco entende-se: “Porção de material da peça, retirada pela ferramenta, caracterizando-se por apresentar uma forma geométrica irregular”. A usinagem é reconhecidamente o processo de fabricação mais popular do mundo, transformando em cavacos algo em torno de 10% de toda a produção de metais, e empregando dezenas de milhões de pessoas em todo o mundo. 36 9 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO PROCESSO DE REMOÇÃO DE CAVACO O processo de remoção por usinagem pode ser dividido em duas grandes categorias: Processos convencionais: As operações de corte empregam energia mecânica na remoção de material (principalmente por cisalhamento) e no contato físico da ferramenta com a peça (ex.: torneamento, furação e retificação). Processos especiais (não convencionais): As operações se utilizam de outros tipos de energia de usinagem (ex.: termelétrica). Esses processos não geram marcas padrão na superfície da peça e a taxa volumétrica de remoção de matéria é muito menor que os processos convencionais (ex.: laser (radiação), eletroerosão (elétrons) e plasma (gases quentes)). 10 CLASSIFICAÇÃO QUANTO A GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE Operações convencionais de usinagem ainda podem ser subdivididas em duas classes: Operações de corte com ferramentas de geometria definida: As arestas cortantes com formato e tamanhos conhecidos (Ex.: torneamento, furação e fresamento). Operações de corte com ferramentas de geometria não definida: Partículas abrasivas com formatos aleatórios e compostas por arestas minúsculas de corte (Ex.: retificação , brunimento e lapidação) 11 CLASSIFICAÇÃO QUANTO A FINALIDADE DA OPERAÇÃO DE CORTE Quanto à finalidade, as operações de usinagem podem ser classificadas em: 37 Operações de desbaste: Nesta operação a usinagem, anterior ao acabamento, visa obter na peça a forma e dimensões próximas das finais. Operações de acabamento: Nesta operação a usinagem é destinada a obter na peça as dimensões finais, ou um acabamento especificado, ou ambos. 12 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 superficial tolerâncias dimensionais, tolerâncias geométricas, tratamento térmico e superficial e tamanho do lote (quantidade). As restrições devem ser tecnológicas e independentes da sequência escolhida de processos de usinagem. Máquinas ferramentas e operações de corte, dependem da disponibilidade de peça. Restrições relativas ao material, à geometria, às dimensões e outros aspectos deve-se considerar a rugosidade e as tolerâncias dimensionais e geométricas relacionadas ao processo e aos máximos valores de avanço e profundidade de corte. Alguns pesquisadores consideram os valores máximos de velocidade e profundidade de corte dependentes do material. 12.1 MÁQUINAS FERRAMENTA O processo de usinagem gera esforços dinâmicos que excitam a estrutura da máquina e da peça usinada. Como resultado em algumas situações a superfície pode ficar ondulada ou com marcas. 38 12.2 FERRAMENTAS DE CORTE Velocidade de corte acima de um determinado limite altera o mecanismo de desgaste da ferramenta. O avanço e a geometria da ferramenta influem na rugosidade gerada na superfície usinada e as dimensões da ferramenta limitam a profundidade de corte. 12.3 TECNOLOGIA Com base na teoria de usinagem pode-se dizer que existem limites mínimos e máximos para os valores de profundidade de corte, avanço e velocidades de corte. Valores baixos de avanço e profundidade: Retorno elástico ou abrasivo. Valores altos: desbaste de cratera. Velocidade de corte alta: desbaste por difusão. Velocidade de corte baixa: Aresta postiça de corte. Os limites podem ser estimados com base no material a ser usinado na ferramenta. 12.4 USUÁRIO / OPERADOR O operador pode limitar por prática os valores de avanço, profundidade e velocidades de corte. Os critérios de otimização devem ser econômicos, visando sempre maximizar a taxa de retorno com máxima produção, um custo mínimo e máxima produtividade. As decisões a tomar envolvem a escolha do processo de usinagem, o detalhamento das operações de corte e a seleção de diferentes parâmetros do processo, tais como: Máquina ferramenta, tipo de fixação e localização, ferramenta de corte, trajetória das ferramentas e condições de corte. 39 13 CLASSIFICAÇÃO E NOMENCLATURA DE PROCESSOS CONVENCIONAIS DE USINAGEM. 13.1 TORNEAMENTO O torneamento é um processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies de revolução com o auxílio de uma ou mais ferramentas monocortantes. 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 eixo referido. Quanto à forma da trajetória, o torneamento pode ser retilíneo ou curvilíneo. 13.2 TORNEAMENTO RETILÍNEO O torneamento retilíneo é um processo de torneamento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória retilínea. Ele pode ser:  Torneamento cilíndrico: Processo de torneamento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória paralela ao eixo principal de rotação da máquina. Pode ser externo ou interno. Quando o torneamento cilíndrico visa obter na peça um entalhe circular, na face perpendicular ao eixo principal de rotação da máquina, o torneamento é denominado sangramento axial. Figura 9 - Torneamento cilíndrico externo. 40 Figura 10 - Torneamento cilíndrico externo  Torneamento cônico: Processo de torneamento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória retilínea, inclinada em relação ao eixo principal de rotação da máquina. Ele pode ser: externo ou interno Figura 11 - Torneamento cônico interno Figura 12 - Torneamento cônico externo  Torneamento radial: Processo de torneamento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória retilínea, perpendicular ao eixo principal de rotação da máquina. Quando o torneamento radial visa à obtenção de uma superfície plana, o torneamento é denominado torneamento de faceamento. Quando o torneamento radial visa à obtenção de um entalhe circular, o torneamento é denominado sangramento radial. 41 Figura 13 - Torneamento de faceamento. Figura 14 - Sangramento radial Figura 15 - Sangramento axial  Perfilamento: Processo de torneamento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória retilínea radial ou axial, visando à obtenção de uma forma definida, determinada pelo perfil da ferramenta. l Figura 16 - Perfilamento radial Figura 17 - Perfilamento axial 42 13.3 TORNEAMENTO CURVILÍNEO O torneamento curvilíneo é um processo onde a ferramenta se desloca segundo uma trajetória curvilínea. Quanto à finalidade, as operações de torneamento podem ser classificadas ainda em torneamento de desbaste e torneamento de acabamento. Entende-se por acabamento, a operação de usinagem destinada a obter na peça as dimensões finais, o acabamento superficial especificado, ou ambos. O desbaste é a operação de usinagem, que precede o acabamento, visando obter na peça a forma e dimensões próximas das finais. Figura 18 - Torneamento curvilíneo 13.4 APLAINAMENTO O aplainamento é um processo 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 vertical. Quanto à finalidade, as operações de aplainamento podem ser classificadas ainda em aplainamento de desbaste e aplainamento de acabamento. Figura 19- Tipos de aplainamentos Aplainamento de superfícies cilíndricas de revolução Aplainamento de superfícies cilíndricas 43 Aplainamento de guias Aplainamento de superfícies Aplainamento de perfis Aplainamento de rasgo de chaveta Aplainamento de rasgos Aplainamento de rasgos T 13.5 FURAÇÃO A furação é um processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de um furo geralmente cilíndrico numa peça, com auxílio de uma ferramenta multicortante. Para tanto a ferramenta ou a peça se desloca segundo uma trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao eixo principal da máquina. A furação subdivide-se nas operações: 44  Furação em cheio: Processo de furação destinado à abertura de um furo cilíndrico numa peça, removendo todo o material compreendido no volume do furo final, na forma de cavaco. Caso seja necessário fazer furos de grandes profundidades, há a necessidade de ferramenta especial.  Furação escalonada: Processo de furação destinado à obtenção de um furo com dois ou mais diâmetros, simultaneamente.  Escareamento: Processo de furação destinado à abertura de um furo cilíndrico numa peça pré-furada.  Furação de centros: Processo de furação destinado à obtenção de furos de centro, visando uma operação posterior 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. Figura 20 - Tipos de furação Furação em cheio Furação com pré-furação Furação escalonada Furação de centros 45 Furação profunda em cheio 13.6 Trepanação ALARGAMENTO O alargamento é um processo mecânico destinado ao desbaste ou ao acabamento de furos cilíndricos ou cônicos, com auxílio de ferramenta normalmente multicortante. Para tanto, a ferramenta ou a peça gira e se desloca segundo uma trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao eixo de rotação da ferramenta. O alargamento pode ser:  Alargamento de desbaste: Processo de alargamento destinado ao desbaste da parede de um furo cilíndrico ou cônico.  Alargamento de acabamento: Processo de alargamento destinado ao acabamento da parede de um furo cilíndrico ou cônico. Figura 21 - Tipos de Alargamento ALARGAMENTO CILÍNDRICO Alargamento cilíndrico de desbaste Alargamento cilíndrico de acabamento 46 ALARGAMENTO CÔNICO Alargamento cônico de desbaste Alargamento cônico de acabamento 13.7 REBAIXAMENTO O rebaixamento é um processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de uma forma qualquer na extremidade de um furo. Neste processo, geralmente, a ferramenta gira e desloca-se simultaneamente segundo uma trajetória retilínea, coincidente com o eixo de rotação da ferramenta. Figura 22 - Tipos de rebaixamento Rebaixamento Guiado Rebaixamento 47 Rebaixamento Guiado 13.8 Rebaixamento Guiado MANDRILAMENTO O mandrilamento é um processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies de revolução com auxílio de uma ou várias ferramentas de barra. Para tanto a ferramenta gira e se desloca segundo uma trajetória determinada.  Mandrilamento cilíndrico: Processo de mandrilamento no qual a superfície usinada é cônica de revolução, cujo eixo coincide com o eixo em torno do qual a ferramenta gira.  Mandrilamento cônico: Processo de mandrilamento no qual a superfície usinada é cônica de revolução, cujo eixo coincide com o eixo no qual gira a ferramenta.  Mandrilamento radial: Processo de mandrilamento no qual a ferramenta é plana e perpendicular ao eixo em torno do qual gira a ferramenta  Mandrilamento de superfícies especiais: Processo de mandrilamento no qual a superfície usinada é uma superfície de revolução, diferente das anteriores, cujo eixo coincide com eixo em torno do qual gira a ferramenta. Exemplos: mandrilamento esférico mandrilamento de sangramento, etc. Quanto à finalidade, as operações de mandrilamento podem ser classificadas ainda em mandrilamento de desbaste e mandrilamento de acabamento. 48 Figura 23 - Tipos de mandrilamento Mandrilamento cilíndrico Mandrilamento radial Mandrilamento cônico Mandrilamento esférico 13.9 FRESAMENTO O fresamento é um processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies quaisquer com o auxílio de ferramentas geralmente multicortantes. Para tanto, a ferramenta gira e a peça ou a ferramenta se desloca segundo uma trajetória qualquer. Distinguem-se dois tipos básicos de fresamento:  Fresamento cilíndrico tangencial: Processo de fresamento destinado à obtenção de superfícies planas paralelas ao eixo de rotação da ferramenta. Quando a superfície obtida não for plana ou o eixo de rotação da ferramenta for inclinado em relação à superfície originada na peça, será considerada um processo especial de fresamento tangencial.  Fresamento frontal: Processo de fresamento no qual destinado à obtenção de superfícies planas perpendiculares ao eixo de rotação da ferramenta. Há casos em que os dois tipos básicos de fresamento comparecem simultaneamente, podendo haver ou não predominância de um sobre outro. 49 Figura 24 - Fresamento Fresamento Frontal Fresamento cilíndrico tangencial Fresamento de duas superfícies Fresamento tangencial de encaixes ortogonais “rabo de andorinha” Fresamento frontal de canaletas com fresa Fresamento frontal (caso especial) de topo. 50 Fresamento tangencial de perfil 13.10 Fresamento composto SERRAMENTO O serramento é um processo mecânico de usinagem destinado ao seccionamento ou recorte com auxílio de ferramentas multicortantes de pequena espessura. Para tanto, a ferramenta gira, se desloca ou se mantém parada. O serramento pode ser:  Serramento retilíneo: Processo de serramento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória retilínea, com movimento alternativo ou não. Quando alternativo, classifica-se o serramento como retilíneo alternativo. Caso a contrário o serramento é retilíneo contínuo.  Serramento circular: Processo de serramento no qual a ferramenta gira ao redor do seu próprio eixo e a peça ou a ferramenta se desloca. Figura 25 - Serramento 51 13.11 BROCHAMENTO O brochamento é um processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies quaisquer com o auxílio de ferramentas multicortantes. Para tanto, a ferramenta ou a peça se desloca segundo uma trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao eixo da ferramenta. O brochamento pode ser: Brochamento interno: Processo de brochamento executado num furo passante da peça.  Brochamento externo: Processo de brochamento executado numa superfície externa da peça. Figura 26 - Brochamento interno e externo 52 13.12 ROSCAMENTO O roscamento é um 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 tanto, a peça ou a ferramenta gira e uma delas se desloca simultaneamente segundo uma trajetória retilínea paralela ou inclinada ao eixo de rotação. O roscamento pode ser interno ou externo.  Roscamento interno: Processo de roscamento executado em superfícies internas cilíndricas ou cônicas de revolução.  Roscamento externo: Processo de roscamento executado em superfícies externas cilíndricas ou cônicas de revolução. Figura 27 - Roscamento Roscamento externo com fresa de perfil Roscamento externo com fresa de perfil múltiplo. único. 13.13 LIMAGEM A limagem é um processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies quaisquer com auxílio de ferramentas multicortantes (elaboradas por picagem) de movimento contínuo ou alternado. 53 Figura 28 - Limagem Limagem contínua 13.14 Limagem contínua RASQUETEAMENTO Processo manual de usinagem destinado à ajustagem de superfícies com auxílio de ferramenta multicortante. Figura 29 - Rasqueteamento 13.15 TAMBOREAMENTO Processo mecânico de usinagem no qual as peças são colocadas no interior de um tambor rotativo, junto ou não de materiais especiais, para serem rebarbados ou receberem um acabamento. Figura 30 - Tamboreamento 54 13.16 RETIFICAÇÃO A retificação é um processo de usinagem por abrasão destinado à obtenção de superfícies com auxílio de ferramenta abrasiva de revolução. Para tanto, a ferramenta gira e a peça ou a ferramenta desloca-se segundo uma trajetória determinada, podendo a peça girar ou não. A retificação pode ser tangencial ou frontal. 13.17 RETIFICAÇÃO TANGENCIAL Processo de retificação executado com a superfície de revolução da ferramenta. A retificação tangencial pode ser:  Retificação cilíndrica: Processo de retificação tangencial no qual a superfície a ser trabalhada é uma superfície cilíndrica. Esta superfície pode ser interna ou externa, de revolução ou não. Quanto ao avanço automático da ferramenta ou da peça, a retificação cilíndrica pode ser com avanço longitudinal da peça, com avanço radial do rebolo, ou com o avanço longitudinal do rebôlo.  Retificação cônica: Processo de retificação tangencial no qual a superfície usinada é uma superfície cônica. Esta superfície pode ser interna ou externa. Quanto ao avanço automático da ferramenta ou da peça, a retificação cônica pode ser com avanço longitudinal da peça, com avanço radial do rebôlo, com avanço circular do rebôlo ou com o avanço longitudinal do rebôlo.  Retificação de perfis: processo de retificação tangencial no qual a superfície a ser usinada é uma espécie qualquer gerada pelo perfil do rebôlo.  Retificação tangencial plana: Processo no qual a superfície usinada é plana � Retificação cilíndrica sem centros: Processo de retificação cilíndrica no qual a peça sem fixação axial é usinada por ferramentas abrasivas de revolução, com ou sem movimento longitudinal da peça. A retificação sem centros pode ser com avanço longitudinal da peça (retificação de passagem) ou com avanço radial do rebôlo (retificação em mergulho). 55 13.18 RETIFICAÇÃO FRONTAL Processo de retificação executado com a face do rebôlo. É geralmente executada na superfície plana da peça, perpendicularmente ao eixo do rebôlo. A retificação frontal pode ser com avanço retilíneo da peça, ou com avanço circular da peça. Figura 31 - Retificação Retificação cilíndrica sem centros com Retificação cilíndrica sem centros com avanço em “fileira de peças”. avanço radial 56 Retificação frontal com avanço retilíneo Retificação frontal com avanço circular da da peça. peça. Retificação cilíndrica externa com avanço longitudinal. Retificação cilíndrica avanço radial. Retificação cilíndrica interna com avanço longitudinal. externa com Retificação cilíndrica interna com avanço circular. 57 Retificação cônica externa com avanço Retificação de perfil com avanço radial. longitudinal. Retificação de perfil com avanço Retificação tangencial plana com longitudinal. movimento retilíneo da peça. Retificação cilíndrica sem centros. Retificação cilíndrica sem centros com avanço longitudinal continuo da peça. 58 13.19 BRUNIMENTO Processo mecânico de usinagem por abrasão, empregado no acabamento de furos cilíndricos de revolução no qual os grãos ativos da ferramenta abrasiva estão em constante contato com a superfície da peça e descrevem trajetórias helicoidais. Para tanto, a ferramenta ou a peça gira e se desloca axialmente com movimento alternativo. Figura 32 - Brunimento 13.20 POLIMENTO Processo mecânico de usinagem por abrasão no qual a ferramenta é constituída por um disco ou conglomerado de discos revestidos de substâncias abrasivas. Figura 33 - Polimento Com um disco. Conglomerado de discos. 59 13.21 SUPERACABAMENTO Processo mecânico de usinagem por abrasão empregada no acabamento de peças, no qual os grãos ativos da ferramenta abrasiva estão em constante contato com a superfície da peça. Nesse processo a peça gira lentamente enquanto a ferramenta se desloca com movimento alternativo de pequena amplitude e frequência relativamente grande. Figura 34 - Superacabamento Superacabamento cilíndrico. 13.22 Superacabamento plano. LAPIDAÇÃO Processo mecânico de usinagem por abrasão executado com um abrasivo aplicado por porta-ferramenta adequado, com o objetivo de se obter dimensões específicas das peças. Figura 35 - Lapidação 60 13.23 LIXAMENTO Processo mecânico de usinagem por abrasão executado por abrasivo aderido a uma tela que se movimenta com uma pressão contra a peça. Figura 36 - Lixamento Lixamento com folhas abrasivas. 13.24 Lixamento com fita abrasiva. 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. Figura 37 - Jateamento 61 13.25 AFIAÇÃO Processo mecânico de usinagem por abrasão no qual é dado o acabamento das superfícies da cunha cortante da ferramenta, com o fim de habilitá-la à fazer sua função. Desta forma, são obtidos os ângulos finais da ferramenta. Figura 38 - Afiação 14 PROCESSOS NÃO CONVENCIONAIS DE USINAGEM 14.1 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 frequências ultrassônicas na usinagem de materiais. Essa técnica tomou novo impulso a partir dos anos 80 devido ao seu desempenho 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 frequência. Este sinal elétrico deve ser de alta frequência, situado na faixa dos 20KHz. As vibrações produzidas por um transdutor têm sua amplitude amplificada por amplificador mecânico e transmitida a uma ferramenta de forma através do sonotrodo. 62 Figura 39 - Usinagem por ultrassom 14.2 USINAGEM POR JATO D’ÁGUA Este processo enquadra-se no grupo de remoção mecânica, onde a força de impacto exercida por um jato de água em alta pressão na superfície de contato do material supera a tensão de compressão entre moléculas, seccionando o mesmo com auxílio de grãos abrasivos. A configuração das instalações para corte com jato d´gua pode ser dividida em três blocos funcionais: Bomba de alta pressão; Instalação de corte; Estação de filtragem. 63 Figura 40 - Usinagem por jato d'água 14.3 USINAGEM ELETROQUÍMICA Este é um processo não convencional muito importante e relativamente novo (década de 90) no qual o principal objetivo é a remoção de material empregando um eletrólito e corrente elétrica contínua ionizar e remover porções metálicas da peça-obra. A remoção é realizada através do escoamento a alta velocidade do eletrólito entre uma ferramenta (cátodo) e uma peça (ânodo), segundo um perfil apresentado por uma ferramenta (eletrodo). Os esquemas da figura mostram a usinagem eletroquímica, na qual se pode observar a ferramenta e a peça mergulhadas em um eletrólito. 64 Figura 41 - Usinagem eletroquímica 14.4 USINAGEM 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 frequência. 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 fluído 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 de 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 processos básicos de eletroerosão: A fio e por penetração. Figura 42 - Eletroerosão por penetração e a fio 14.5 65 USINAGEM POR FEIXES DE ELÉTRONS Processo baseado na energia térmica 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 aolica à confecção de pequenos orifícios e cavidade. 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 43 - Usinagem por feixes de elétrons 66 14.6 USINAGEM POR ARCO DE 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 de peça-obra. Figura 44 - Usinagem por arco de plasma 15 COMPARAÇÃO DE DIFERENTES PROCESSOS DE USINAGEM Diante dos muitos processos de fabricação por usinagem disponíveis, dos inúmeros aparatos tecnológicos, dos recém-desenvolvidos em laboratório de pesquisa para aplicações nos diversos setores de produção, e da sedução exercida pelas novidades e pelos modismos, não são poucos os profissionais da área que encontram dificuldades para discernir qual a melhor solução para cada necessidade. Na verdade, não existe uma regra geral para se determinar qual a decisão é a mais ou menos correta. Em cada caso, é importante comparar os custos e as condições técnicas. Sobretudo, é preciso que se tenham conhecimento e informações sobre as opções disponíveis, para se poder avaliar criteriosamente o interesse industrial de cada método de trabalho. 67 Uma maneira interessante de formar uma visão de conjunto consiste em agrupar os diversos métodos em função dos atributos comuns que apresentam. Um fator importante na análise dos métodos de produção é a NATUREZA DA ENERGIA envolvida no processo. De acordo com esta natureza, podem-se agrupar os métodos avançados de usinagem em quatro categorias: Mecânica, química, eletroquímica e termelétrica. Tabela 1 - Divisão dos processos não-convencionais de usinagem Natureza energética Modo de remoção Processo Mecânica Erosão Jato D’agua Ultrassom Química Reações químicas Remoção química Eletroquímica Reações eletrolíticas Remoção eletrolítica Corte a lazer Termelétrica Fusão/vaporização Corte a plasma Feixe de elétrons Eletroerosão A tabela 1 põe em evidência o modo de remoção de material em cada um dos métodos avançados. Por outro lado, nos processos tradicionais de usinagem, o arranque de material se dá, em geral, por cisalhamento. Outro aspecto importante a considerar refere-se aos campos de aplicação desses novos processos de usinagem, destaque da tabela 2. Nota-se na tabela 2 a eletroerosão aplica-se somente a materiais condutores. Consequentemente, o processo de usinagem não se presta à usinagem de materiais maus condutores, como a madeira, as resinas etc...Das quais habitualmente são feitas as matrizes, protótipos e moldes para fundição. 68 Tabela 2 - Aplicação dos métodos avançados de usinagem. Processo Eletroerosão Remoção elétroquímica Aplicações Usinagens diversas em materiais condutores Corte a plasma Ultrassom Remoção química Corte a lazer Usinagens diversas em materiais maus condutores Usinagem de peças delicadas Microusinagens Feixe de elétrons Jato D’água A usinagem eletroquímica também só se aplica a corpos condutores. Óxidos isolantes ou materiais vitrificados são obstáculos ao uso desse método. O corte por plasma é outro método aplicável apenas a metais condutores, destacam-se o ultrassom e o ultrassom rotativo. Estes métodos são especialmente adequados para a usinagem de matérias frágeis, duros ou quebradiços, como o vidro, a cerâmica e o diamante. Quando o objetivo é a microusinagem, o campo de escolha do método pode recair sobre o feixe de elétrons, o jato d’água ou o lazer. Entretanto, uma análise mais acurada de qualquer desses métodos é necessária, antes da definição do procedimento a adotar. Por exemplo, o feixe de elétrons pode levar a alterações da estrutura cristalina, na região de corte, o que o tornaria contra-indicado para usinagem de aços com alto teor de carbono, onde um endurecimento da superfície não é desejável. Como se vê, certas condições impõem um procedimento particular: alguns materiais não podem ser atacados por abrasão, por eletroerosão ou por eletrólise. Uma fresa não pode usinar uma forma reentrante, que um eletrodo facilmente usinaria. Alguns materiais excluem a possibilidade de usinagem termelétrica. O feixe de elétrons produz grande exatidão, mas só se justifica sua aplicação para dimensões reduzidas. 69 Uma visão de conjunto das diferentes técnicas é sempre indispensáveis para julgar com conhecimento de causa, sem deixar de lado os procedimentos convencionais, facilmente ignorados, embora mais econômicos em algumas situações. 16 FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS Definição dos parâmetros de entrada de processo dentre as variáveis envolvidas no processo de fabricação com formação de cavaco, existem aquelas nas quais se podem intervir (variáveis independente de entrada) e aquela nas quais não se podem (variáveis dependentes de saída), já que sofrem influência da mudança nos parâmetros de entrada. Tabela 3 - Quadro comparativo dos processos de usinagem (convencionais e nãoconvencionais). 70 71 16.1 PROCESSO DE TORNEAMENTO 16.1.1.  Variáveis de entrada Peça ou componente: Material, geometria, cristalografia, pureza, tratamento térmico e dureza.  Ferramentas de corte: Geometria: ângulos, raio de quina, arredondamento do gume. Material: dureza, acabamento, revestimento.  Parâmetros de corte: Avanço, profundidade de corte, velocidade de corte, usinagem a seco com lubrificantes.  Planejamento experimental: Seleção dos níveis e do número de variáveis de entrada máquina-ferramenta. 16.1.2. Variáveis de saída Tipo de cavaco, força, potência, temperatura, vibração, falhas na ferramenta, acabamento da superfície, dimensões da peça. 16.2 MATERIAL DA PEÇA As propriedades físicas, químicas e mecânicas do material da peça bruta (dureza, resistência á tração, composição química, inclusões, afinidade química com o meio lubri-refrigerante ou com a ferramenta, microestrutura, encruamento etc.) podem ser especificadas ou previamente conhecidas. A usinabilidade de um material é definida como uma grandeza tecnológica que expressa, por meio de um valor numérico comparativo, um conjunto de propriedades (que influem sobre: a vida da ferramenta, os esforços de corte, o acabamento da superfície usinada, a temperatura de corte, a produtividade e as características do cavaco) em relação a outro material tomado como padrão. Em outras palavras, a usinabilidade expressa o grau de dificuldade de se usinar um determinado material. A usinabilidade é uma propriedade que depende da interação 72 entre o processo de fabricação e as características do material da peça. Algumas propriedades dos materiais podem influenciar na usinabilidade: dureza e resistência mecânica, ductilidade, condutividade térmica e taxa de encruamento. Normalmente, materiais com baixo valores de dureza permitem-se usinar com maiores parâmetros cinemáticos (velocidades de corte e avanço) e de profundidade, bem como obter longos tempos de vida da ferramenta e, consequentemente, altas taxas de remoção de cavacos a menores custos operacionais. Também se esperam baixas forças e potências de usinagem. Exceções são os materiais de baixa dureza e alta ductilidade, que tendem a formar cavacos longos, produzir rebarbas excessivas na peça usinada e gerar arestas postiças de corte nas ferramentas. Tais rebarbas exigem operações posteriores, aumentando assim os custos e o tempo de entrega. Materiais com baixa ductilidade e baixa dureza são geralmente, de fácil usinagem, como é o caso do ferro fundido: os cavacos tendem a ser altamente segmentados e a energia necessária para a sua remoção é baixa. Alta condutividade térmica significa que o calor produzido na região de formação de cavacos é rapidamente conduzido para as imediações, longe da região de corte. Altos valores desse parâmetro são, em geral, desejados. Infelizmente, a condutividade do material usinado nem sempre é uma escolha do engenheiro de fabricação, embora se possam projetar algumas ligas para melhorar o desempenho dos processos de usinagem. De maneira bem geral e simplificada, podem-se classificar as ligas metálicas para a usinagem na seguinte ordem: a) Ligas de alumínio, de cobre e de magnésio. b) Aços não ligados. c) Ferros fundidos. d) Aços ligados. e) Aços inoxidáveis. f) Ligas de alta resistência térmica e mecânica. 16.3 GEOMETRIA DA PEÇA A seleção dos processos de usinagem é feita com base na análise da capacidade do processo de executar o formato geométrico da peça com a exatidão e o acabamento superficiais requeridos. 73 Inicialmente selecionam-se os grupos de processos compatíveis como tamanho e a forma geométrica da peça a ser usinada (axissimétrica ou prismática) e com as possíveis características adicionais (furos, roscas, cavidades etc.). Uma seção transversal que, ao girar em torno de um eixo, origina um sólido de revolução que corresponde a uma peça aximétrica. Uma superfície prismática é aquela gerada por uma reta que se desloca paralelamente a si mesma acompanhando uma linha poligonal aberta ou fechada; prisma é o sólido limitado por uma superfície prismática fechada e por dois planos paralelos. Uma vez selecionada o grupo de processos de usinagem, a seleção final será feita com base no acabamento superficial e também nas tolerâncias dimensionais e geométricas requeridas. A geometria de uma peça (tamanho forma) pode ser gerada através de processos anteriores, ou pode ser selecionada a partir da matéria-prima padrão para usinagem. Geralmente estas variáveis influenciam diretamente no processo de usinagem ou nos parâmetros que são selecionados, como por exemplo, a profundidade de corte. 16.4 PEÇAS SIMILARES A SÓLIDOS DE REVOLUÇÃO Peças axissimétricas: Similares a sólidos de revolução (eixos, engrenagens, polias, tampas). São as que podem ser submetidas às operações de desbaste e acabamento em torneamento. Os fatores que devem ser considerados na escolha entre uma peça forjada ou de barra na confecção desses elementos de máquinas (sólidos de revolução) são: O cálculo dimensional; sobrematerial a ser removido; A disponibilidade da máquinaferramenta. Exemplos de peças axissimétricas com relação ao comprimento e diâmetro grande: Eixos, pinos e varões. Exemplos com comprimento e diâmetro pequeno: Engrenagens, polias, volantes e buchas. A figura a seguir mostra diferentes geometrias e superfícies de peças e componentes que podem ser obtidas através de operações de torneamento 74 Figura 45 - Possíveis geometrias de peças fabricadas por torneamento. 16.5 PEÇAS NÃO SIMILARES A SÓLIDOS DE REVOLUÇÃO Peças não-similares a sólidos de revolução são aquelas que, após a usinagem, apresentam superfícies prismáticas, ou seja, peças formadas por superfícies planas e/ou não axissimétricas. São exemplos de peças não-similares a sólidos de revolução: carcaças, tampas e garfos A figura abaixo mostra diferentes geometrias e superfícies de peças e componentes que podem ser obtidas através de operações de fresamento. Figura 46 – Possíveis geometrias de peças fabricadas por fresamento. 75 16.6 PEÇAS ESPECIAIS A usinagem de matérias na escala e nanométrica esta sendo considerada por muitos a chave para as futuras tecnologias. Além dos já conhecidos processos de litografia usados na fabricação de dispositivos eletrônicos, as tecnologias de micro e nanousinagem desempenham um papel importante na miniaturização das máquinas, com usos destacados em aplicações biológicas e médicas, sensores eletromecânicos, atuadores e microrreatores químicos, entre outros. Por outro lado, a usinagem de peças muito grandes exige máquinasferramentas de grande porte e toda rotina de trabalho diferenciada. Como parte desta rotina, pode-se citar as dificuldades de movimentação das peças em função da localização das faces e diâmetros a serem usinados com auxílio de operações com ponte rolante. Outro fator a ser considerado é que as peças são geralmente estruturas macano-soldadas, necessitando de montagem posterior. Figura 47 - Nanousinagem e macrousinagem 16.7 MATERIAL DA FERRAMENTA Sabe-se que o processo de usinagem baseia-se na remoção de material, utilizando na ferramenta um material mais duro e mecanicamente mais resistente que na peça. Além disso, as condições requeridas de processo dependem do material a ser usinado, dos parâmetros de corte e das características da máquinaferramenta. Por outro lado, a seleção do material da ferramenta que produza o 76 desempenho desejável em tais condições ainda é um desafio, pois nenhum material apresenta as propriedades a serem exigidas da ferramenta no seu mais alto grau. Partindo-se do princípio da dureza relativa, o surgimento de novos materiais e ligas estruturais com excelentes propriedades de resistência mecânica e elevada dureza contribuíram para o aparecimento de novos materiais para a concepção de ferramentas para as operações de usinagem. Porém, o corte de matérias frágeis ou as operações de corte interrompido requerem materiais com suficiente tenacidade para suportar os choques e impactos inerentes ao processo de usinagem. Como , em geral, dureza e tenacidade são duas propriedades antagônicas ( alta dureza se associa baixa tenacidade e vice-versa), o balanço destas propriedades nos materiais de ferramentas de corte se tornou um desafio para os fabricantes. Figura 48 - Relação tenacidade x dureza 77 As principais propriedades desejadas em um material para ferramenta de corte são: Alta dureza; suficiente tenacidade para evitar falha por fratura; Alta resistência ao desgaste abrasivo, compressão e ao cisalhamento; Boas propriedades térmicas e mecânicas em altas temperaturas; Alta resistência ao choque térmico; Alta resistência ao impacto; Ser quimicamente inerte. Estas não se reúnem em um só material, mas dependendo da aplicação, priorizam-se algumas delas que possam ser reunidas. Desde as primeiras aplicações surgiram diversos materiais aplicados a ferramenta de corte. Os dois tipos de materiais mais comuns usados em ferramentas de corte destinadas às operações tradicionais de usinagem são: O aço-rapido e o metal-duro, que juntos somam 90% das aplicações na indústria moderna. Matérias avançados como: Nitreto cúbico de boro (CBN – cubic boron nitride), cerâmica e diamantes , detém 10% das aplicações. 16.8 AÇO RÁPIDO O aço-rápido (AR) é usado em ferramentas de uso geral usinagem de peças forjadas, fundidas ou sinterizadas, em ferramentas de geometria complexa ou naquelas usadas em situações em que as velocidades de corte são mais modestas. Principais propriedades: dureza a quente, resistência ao desgaste e tenacidade. Desenvolvido por F.W. Taylor, no final do século XlX , o aço rápido foi o responsável pelo primeiro grande salto tecnológico na história da usinagem. Com o seu advento, foi possível aumentar as velocidades de corte antes obtidas com ferramentas de aço-carbono(3 a 5 m/min) em cerca de 10 vezes (30 a 35 m/min) – razão pela qual os aços rápidos possuem este nome ( em inglês HSS – high –speed steel). Hoje , comparando com os matérias das ferramentas atuais, esses valores são relativamente baixos. Apesar disso, esse grupo de materiais ainda resiste, pois mais de um século depois de descobertos, ainda são largamente empregados ( cerca de 40% das ferramentas aplicadas na indústria são de HSS). As principais aplicações de aços rápidos são em brocas, fresas inteiriças, cossinetes, brochas e até em ferramentas de barra para aplicações de torneamento de peças de diâmetros 78 reduzidos, cuja velocidade de corte conseguida é inferior à velocidade econômica de corte dos materiais mais resistentes. Figura 49 - Algumas aplicações de aços rápidos Com elevada tenacidade, resistência ao desgaste e dureza a quente quando comparados com os aços-carbono usados na fabricação de ferramentas, o aço-rápido é um aço alta liga com microestrutura martensítica com inclusões de carbonetos. As ferramentas de aço-rápido são divididas em dois grandes grupos: aços ao tungstênio (W) , identificados pela letra (T) , e aços ao molibdênio (Mo), identificados pela letra (M). assim ,os principais elementos de liga dos aços-rápidos são : tungstênio (W), molibdênio (Mo), cobalto (Co), vanádio (V) , cromo (Cr) e outros. Diferente do que acontece com os aços convencionais, que são temperados e revenidos, e cuja dureza exige uma queda contínua com o aumento de temperatura de revenimento, os aços-rápidos apresentam uma elevação de dureza quando revenidos em temperaturas entre 480°C e 565°C, dependendo da composição química. Quando da seleção de um aço-rápido, deve-se considerar as principais características necessárias ao desempenho da função. A tabela a seguir mostra algumas dessas características e suas relações com os elementos de liga presentes. 79 Tabela 4 - Principais características dos aços-rápidos e suas relações com os elementos de liga Caracteristicas Dureza a quente Elementos de liga Resistência ao desgaste abrasivo W, Mo, Co (com W ou Mo), V, Cr, Mn. V, W, Mo, Cr, Mn. Profundidade de endurecimento B, V, Mo, Cr, Mn, Si, Ni. Empenamento mínimo Mo (com Cr), Cr, Mn. Aumento de tenacidade pelo refinamento do grão V, W,Mo,Cr. Apesar da existência de matérias para ferramentas mais avançados que o aço-rápido, em diversos processos de usinagem, a aplicação destes materiais é restrita devido às formas ou geometrias das ferramentas, ou ainda às condições tanto de operações quanto da máquina operatriz. Um exemplo é a operação de fresamento com fresas de pequeno diâmetro. Neste caso, além da dificuldade de obtenção da forma da fresa, a grande maioria das máquinas operatrizes não atingem as velocidades de corte necessárias para o uso de fresas de metal-duro, sendo o aço-rápido ainda bastante usado. Porém, algumas propriedades, como resistência as desgaste e coeficiente de atrito do aço-rápido não condizem com a eficiência de corte almejada. Uma solução bastante usada por fabricantes de ferramentas de corte é aplicação de uma camada de cobertura de material com resistência ao desgaste (e outras propriedades, com inércia química, baixo coeficiente de atrito) mais elevada sobre a ferramenta de aço. Popularmente chamadas de ferramentas de aço-rápido sinterizado, este processo de fabricação apresenta como vantagens a possibilidade de uso de partículas de carbonetos muito menores, com melhor dispersão, além de um número maior de elementos de liga em comparação com AR fabricado pelo processo convencional. Lembrando que sinterização é apenas parte do processo da metalurgia do pó. 80 16.9 METAL DURO (MD) O metal-duro é usado em cerca de 50% das aplicações devido ao custo e à combinação da dureza à temperatura ambiente, dureza a quente, resistência ao desgaste e tenacidade, possível graças à variação de sua composição. A ferramenta de MD pode ser aplicada em altas velocidades de corte. A grande vantagem do metal-duro é manter o corte da ferramenta por muito mais tempo, mesmo quando submetido à velocidade de trabalho inúmeras vezes superior ao que suportaria o aço-rápido. O metal-duro aumentou significativamente a produtividade, por ter a propriedade de manter a dureza e assim o fio de corte, mesmo quando muito aquecido, pois quando mais rápido se executa uma usinagem , maior o calor gerado na interface ferramenta-peça. Desde o princípio, o metal-duro, por ser fruto da metalurgia do pó, foi desenvolvido em forma de pastilhas que, no começo, eram soldadas a hastes ou cabeçotes metálicos para, deste modo, formar a chamada ferramenta. Como as soldas não resistem às altas temperaturas geradas na usinagem e por isso soltariam as pastilhas durante o processo, causando acidentes, estas passaram a ser intercambiáveis e fixadas mecanicamente aos suportes, facilitando o processo de troca de uma ferramenta gasta por uma nova . A figura abaixo ilustra o processo de fabricação de ferramentas de MD. Figura 50 - Fabricação do MD 81 O metal-duro é um composto de carbonetos metálicos em forma de minúsculas partículas que são incrustadas em metal ligante. Os componentes mais importantes são o carboneto de tungstênio (WC) denominado fase A (determina a resistência ao desgaste) e o metal ligante cobalto (Co) denominado fase B (determina a tenacidade). Com o tempo, outros componentes foram adicionados a essa composição básica. A adição de carbonetos de titânio (TiC) (aumenta a resistência a caracterização), de tântalo (TaC) e de nióbio (Nbc) ( maior tenacidade ao MD) denominado fase G, melhoraram muito a performance das ferramentas de metal-duro quanto a prevenir desgaste que se originam nos processos de formação de cavacos particulares a cada tipo de material. Mais tarde, os pesquisadores descobriram a possibilidade de se revestir a superfície das pastilhas com finas camadas de fase G. Este revestimento pode ser obtido tanto pelo processo CVD (Chemical Vapor Deposition), quanto pelo processo PVD (Physical Vapor Deposition). Estas camadas, que medem de 3 a 5µm de espessura, proporcionam maior durabilidade à aresta de corte, pois a camada extrafina e extremamente dura sobre o núcleo tenaz permitiu que uma mesma pastilha suportasse tanto maiores esforços de corte (em operações de desbaste) quanto altas velocidades (em operações de acabamento). Apesar de no inicio os revestimentos serem simples, a tecnologia de revestimentos evoluiu até as pastilhas multirrevestidas, com camadas sobrepostas, onde cada delas exerce uma função especifica a fim de conter os diferentes processos de desgastes que se desenvolvem durante a usinagem. Comumente se tem um triplo revestimento: TiC/TiCN/TiN ou TiC/Al 2O3 /TiN. Entretanto, exigem registros de ferramentas com até doze camadas de diferentes revestimentos. Cada camada tem uma função específica e a sua associação permite oferecer um material com todas as vantagens possíveis de se obter com a técnica. Uma única pastilha em uma determinada classe pode ser aplicável tanto em acabamento quanto em desbaste em metais, que podem variar do aço ao ferro fundido. Normalmente, o TiN ou o TiCN são revestimentos utilizados como a 1º camada , pois garantem uma coesão muito boa com o substrato. Além disso, o TiC é um dos metais duros revestidos utilizados, o que garante resistência ao desgaste. O trioxido de dióxido de alumínio é um revestimento intermediário muito empregado pela sua inércia química, sua dureza (e, portanto, resistência ao 82 desgaste) e sua baixa condutividade térmica a altas temperaturas. O TiN se apresenta como a camada externa, pois proporciona baixos coeficientes de atrito entre a ferramenta e o cavaco e entre a ferramenta e a peça. O TiNAl tem se mostrado excelente na usinagem de ferro fundido e pode ser aplicado na usinagem de superfícies de Níquel. A norma ISO 513(2004) (classification and application of hard cutting materials for metal removal with defined edges – designation of main groups of application) apresenta a classificação de grupos de ferramentas. A letra de designação da classe é sempre acompanhada de um número que representa a tenacidade à resistência ao desgaste da ferramenta: quanto maior o número, maior a tenacidade e menor a resistência ao desgaste. A subdivisão dentro de cada classe de metal-duro (P,M,K) depende principalmente de: 1 - A composição química do material da ferramenta, incluindo qualidade e quantidade de carbonetos. Por exemplo, a presença de TiC garante maior resistência ao desgaste ,e uma maior quantidade de Co garante maior tenacidade. 2 - O tamanho dos grãos de carboneto quanto mais finos, maior a tenacidade da ferramenta, aliada a uma maior dureza média. Comumente pode-se encontrar nos catálogos de fornecedores referencias sobre o grau de dureza e tenacidade das distintas classes de metal-duro, incluindo informações sobre os seus materiais constituintes. Essas informações são úteis para a escolha e adequação da ferramenta ao processo de usinagem que se deseja executar 16.10 MATERIAIS AVANÇADOS Na busca por aumentar a produtividade, ferramentas avançadas trazem benefícios adicionados à usinagem em grande escala, que permitem tornear e fresar peças complexas de difícil usinagem com mais eficiência. Ferramentas de corte mais de alta tecnologia podem dobrar as taxas de usinagem, enquanto prolonga a vida útil da aresta, reduzindo as forças de corte na máquina e possibilitando também a economia de energia. 83 Tabela 5 - Classificação dos metais duros segundo a norma ISSO 513 (2004). As figuras a seguir mostram as ferramentas avançadas de geometria definida utilizadas em operações de corte de alto desempenho: Figura 51 - Cerâmica branca Figura 52 – CERMET 84 Figura 53 – PCD Figura 54 – CBN 16.11 CERÂMICA As cerâmicas são muito importantes nos últimos anos da usinagem em alta velocidade de aço e ferro fundido. Nestes casos, a velocidade de corte pode ser de 4 a 5, maior que as ferramentas de metal duro (menor tempo de usinagem). Durante muitos anos as cerâmicas não obtiveram sucesso comercial por exigirem máquinaferramenta com altas velocidades de corte, potencia elevada e extrema rigidez. A alta velocidade de corte implica num fluxo intenso de cavacos, tornando necessária sua eficiente remoção e proteção do operador. A possibilidade de se utilizar baixos avanços (na ordem de 0,1 mm/volta) e altas velocidades de corte (Na ordem de 1000m/min) permite excelente acabamento (semelhante à retificação). As cerâmicas de corte são classificadas segundo o seu teor de óxidos de alumínio em cerâmica branca e cerâmica mista (CERMETS). A cerâmica branca consiste de materiais com óxidos de alumínio superior a 90%, o que dá a cor branca. 85 A cerâmica mista (CERMET) possui teor de óxido de alumínio menor que 90%, com adição de óxidos e carbonetos metálicos, especialmente o TiC e o WC. Ela é obtida por prensagem a quente, produzindo uma estrutura mais fechada, geralmente de cor preta. A presença de TiC, WC e outros óxidos inibe o crescimento dos grãos, resultando em elevada dureza, maior tenacidade e resistência a impactos e aos desgastes do flanco e face. CERMETS são condutores elétricos, tem razoável condutividade térmica, são menos frágeis e menos sujeitos às trincas térmicas do que as brancas. É empregada no desbaste e no acabamento de ferro fundido duro, ferro fundido maleável, esferoidal e cinzento até dureza de 700 HB e de aços ( aços de cementação, beneficiados, aço rápido e aço de alta liga ) com dureza até HRC. 16.12 DIAMANTE É o material mais duro conhecido. Podem ser naturais (MCD) ou sintéticos (PCD). Os diamantes naturais (MCD) são monocristalinos e anisotrópicos (as propriedades mecânicas variam com a direção). A lapidação deve ser feita na direção de menor dureza e a montagem no porta-ferramenta deve ser feita na direção de máxima dureza. São indicadas na usinagem de materiais leves, latão, bronze,cobre, liga de estanho, borracha, vidros, plásticos e pedras. Aplicam-se para a usinagem fina (precisão e qualidade semelhante ao polimento). São classificados em: Negros: são aparentemente “amorfos”, perdem a dureza por aquecimento e são empregados em aplicações especiais, como ferramentas para afiar rebolo, pontas de brocas para minas , assim como para trabalhar fibras, borrachas e plásticos. Ballos: são diamantes claros, possuem crescimento irregular e são especialmente duros em função de sua estrutura. Por serem arredondados, não se aplicam à fabricação de ferramentas de corte. Borts (africanos): são aqueles cujo valor depende da dureza, da qualidade e do numero de bordas naturais de trabalho que oferece. As arestas podem ser lapidadas em ângulos apropriados. 86 Os diamantes sintéticos (PCD) são policristalinos produzidos pela sinterização de partículas de diamante com cobalto num processo de alta pressão (6000 a 70000 Mpa) e alta temperatura (1400 a 2000ºC). a camada é isotrópica e nunca atinge a dureza do diamante monocristalino na direção de máxima dureza. A matéria-prima das ferramentas de corte é formada por partículas muito finas de diamantes sintéticos, de granulação muito definida para se obtiver o máximo de homogeneidade e densidade. A camada de 0,5 mm de espessura, ou é aplicada diretamente sobre a pastilha de metal-duro sinterizado previamente, ou então é ligado ao metal-duro através de uma fina camada intermediária de um metal de baixo módulo de elasticidade. Os diamantes sintéticos são usados em operações de acabamento e desbaste na usinagem dos mesmos materiais usinados pelo MCD, com exceção de asbesto, fibras reforçadas de vidro de carbono, carvão grafite, metal duro pré-sintetizado. Especial aplicação na usinagem de ligas de alumíniosilício, que são de difícil usinagem. As usinagens de aço e ferro fundido não são possíveis com diamante em virtude da afinidade do ferro com o carbono: devido à alta temperatura na região de corte, o carbono se transforma em grafite e reage com o ferro, levando a aresta a um rápido desgaste. A velocidade de corte mínima é de 100 m/min, avanços entre 0,02 e 0,06 mm/volta, profundidade de corte entre 0,01 e 0,2 mm. De certa forma, a velocidade de corte não tem limite: vc-2000m/min foram experimentadas com sucesso. 16.13 CBN Depois do diamante, o nitreto de boro cúbico (CBN) é o material mais duro que se conhece. Ele é obtido sinteticamente pela transformação do nitreto de boro de estrutura hexagonal em estrutura cúbica sob pressões de 5000 a 9000 Mpa e temperaturas de 1500 a 1900ºC, na presença de um catalizador, geralmente lítio. As pastilhas de CBN são fabricadas da mesma forma que as de diamante policristalino. Uma camada de 0,5 mm de espessura, de partículas de CBN é sintetizada num processo de alta pressão e altas temperaturas, na presença de uma fase ligane, sobre uma base de metal-duro. O CBN é quimicamente mais estável 87 que o diamante, especialmente contra a oxidação. Além disso, sob pressão atmosférica, o CBN é estável até 2000ºc enquanto o diamante não ultrapassa 900ºC (grafitização). Outra vantagem é não afinidade química do CBN com aços e ferros fundidos. São empregadas na usinagem de aços duros (45 a 65 HRC), mesmo em condições difíceis, aço-rápido, ligas resistentes a altas temperaturas a base de Ni e Co, revestimentos duros com alta porcentagem de peças forjadas e fundidas e peças de ferro fundido coquilhado, para cortes interrompidos, desbaste e acabamento, usinagem fina, obtendo rugosidades inferiores a 1 µm –dispensando a etapa posterior de retificação. Podem ser aplicadas velocidades de corte entre 50 e 200m/min, avanços de 0,1 a 0,3 mm e profundidade de corte inferior a 2,5 mm. Figura 55 - Dureza e resistência a desgaste e aumento de tenacidade dos matérias de ferramentas 88 17 GRANDEZAS FÍSICAS NO PROCESSO DE CORTE 17.1 MOVIMENTOS NO PROCESSO DE USINAGEM A) Movimentos que causam diretamente a saída do cavaco: Movimento de corte: movimento entre a peça e a ferramenta, no qual sem o movimento de avanço, origina uma única retirada do cavaco. Movimento de avanço: movimento entre a peça e a ferramenta que juntamente com movimento de corte origina a retirada contínua de cavaco. Movimento efetivo: movimento resultante dos movimentos de corte e avanço realizado ao mesmo tempo. B) Movimentos que não tomam parte direta na formação do cavaco: Movimento de aproximação. Movimento de ajuste. Movimento de correção. Movimento de recuo. 17.2 DIREÇÃO DOS MOVIMENTOS E VELOCIDADES Direção de corte: Direção instantânea do movimento de corte: Direção de avanço: Direção instantânea do movimento de avanço; Direção efetiva do movimento de corte; Velocidade de corte (vc): Velocidade instantânea do ponto de referência da aresta cortante da ferramenta, segundo a direção e sentido de corte; Velocidade de avanço; Velocidade efetiva de corte. As Figuras 51, 52 e 53 mostram as direções dos movimentos de corte, de avanço e efetivo no torneamento, na furação e no fresamento. 89 Figura 56 - Direção dos movimentos de corte, de avanço e efetivo, no torneamento Figura 57 - Direção dos movimentos de corte, de avanço e efetivo na furação. Figura 58 - Direção dos movimentos de corte, de avanço e efetivo no fresamento discordante. 90 17.3 VELOCIDADE DE CORTE Para processos com movimento de rotação (torneamento, fresagem) a velocidade de corte é calculada pela equação: Tem-se que: d: diâmetro da peça ou ferramenta (mm); n: número de rotações por minuto (rpm) Para processos com movimento retilíneo (aplainamento), a velocidade de corte é calculada pela equação: Tem-se que: gpm: número de golpes por minuto; c: percurso da ferramenta. Os valores da velocidade de corte são encontradas em tabelas fornecidas pelos fabricantes de ferramentas de corte. Os valores de rpm e gpm são ajustados nas máquinas-ferramentas antes do início da usinagem. Em máquinas de usinagem CNC os valores da velocidade de corte são inseridos nos programas e são convertidos em rpm automaticamente pelo comando da máquina. A velocidade de corte é o parâmetro de corte mais influente na vida da ferramenta. Fatores que influenciam na velocidade de corte: 91 Tipo de material da ferramenta (Como o carbono, o metal duro, ferramentas cerâmicas, ferramentas diamantadas (PCD e PCB)); Tipo de material a ser usinado; Condições de refrigeração; Condições da máquina; Maior velocidade de corte= maior temperatura = menor vida útil Menor velocidade de corte= problemas de acabamento e de produtividade. 18 GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE 18.1 INTRODUÇÃO A geometria da ferramenta de corte exerce influência, juntamente com outros fatores, a usinagem dos metais. É necessário, portanto, definir a ferramenta através dos ângulos da “cunha” para cortar o material. A Figura 54 ilustra este princípio para diversas ferramentas. Figura 59 - Princípio da cunha cortante O ângulo de cunha é dimensionado de acordo com a resistência que o material usinado oferece ao corte. Essa resistência será tanto maior quando maior for a dureza e a tenacidade do material. A Figura 60 exemplifica a variação do ângulo de cunha de acordo com a dureza do material. Figura 60 - Variação do ângulo da cunha, em função da dureza do material. 92 Somente o ângulo de cunha não garante que o material seja cortado com sucesso, outros ângulos também assumem papel importante e estão relacionados com a posição da ferramenta em relação à peça. A Figura 56 ilustra uma ferramenta de corte (ferramenta de plaina) com os ângulos de folga (α), e de saída (γ). Figura 61 - Ângulo de folga (α) e de saída (γ) para uma ferramenta de corte de plaina. 18.2 DEFINIÇÕES As seguintes definições adotadas são necessárias para a determinação dos ângulos da cunha cortante de uma ferramenta de usinagem. As definições são mais bem compreendidas através das Figuras 57, 58 e 59. Cunha de corte: é a cunha formada pelas superfícies de saída e de folga da ferramenta. Através do movimento relativo entre peça e ferramenta, formam-se os cavacos sobre a cunha de corte. Superfície de Saída (Aγ): é a superfície da cunha de corte sobre o qual o cavaco desliza. Superfície de folga (Aα): é a superfície da cunha de corte, que determina a folga entre a ferramenta e a superfície de usinagem. Distinguem-se a superfície principal de folga Aα e a superfície secundária de folga Aα’. 93 Figura 62 - Cunha cortante e as direções de corte e avanço definindo o plano de trabalho (Pf). Arestas de corte: São as arestas da cunha de corte formadas pelas superfícies de saída e de folga. Deve-se distinguir a aresta principal de corte S e a aresta secundária de corte S’. Ponta de corte: parte da cunha de corte onde se encontram a aresta principal e a aresta secundária de corte. Ponto de corte escolhido: ponto destinado à determinação dos planos e ângulos da cunha de corte, ou seja, as definições se referem a um ponto da ferramenta, dito ponto de corte escolhido ou “Ponto de Referência”. Figura 63 - Arestas de corte e superfícies da parte de corte de uma ferramenta torno. 94 Figura 64 - Arestas de corte e superfícies das pontas de uma broca helicoidal. 19 FUNÇÕES E INFLUÊNCIA DOS ÂNGULOS DA CUNHA DE CORTE 19.1 PLANOS EM UMA FERRAMENTA DE CORTE São através destes planos que são definidos os ângulos da cunha cortante. Os principais planos são: Plano de Referência (Pr): passa pelo ponto de corte escolhido e é perpendicular à direção de corte. No torneamento este plano é paralelo ao plano de apoio da ferramenta; Plano de Trabalho (Pf): passa pelo ponto de corte contém as direções de avanço e de corte; Plano de Corte: Principal (Ps): passa pelo ponto de corte escolhido, é tangente à aresta principal de corte e perpendicular ao plano de referência da ferramenta. Secundário (Ps'): Plano que passando pelo ponto de corte escolhido, é tangente à aresta secundária de corte e perpendicular ao plano de referência da ferramenta. 95 Plano Ortogonal (ou Plano de Medida) (Po): Plano que passando pelo ponto de referência da aresta de corte é perpendicular aos planos de referência e ao plano de corte da ferramenta. Plano Dorsal (Pp): Plano que passando pelo ponto de corte escolhido, é perpendicular aos planos de referência da ferramenta e de trabalho; Plano Normal (Pn): Plano que passando pelo ponto de corte escolhido é perpendicular à aresta de corte. . Figura 65 - Planos do Sistema de Referência da Ferramenta 96 20 ÂNGULOS MEDIDOS NO PLANO ORTOGONAL. Ângulo de saída (γ): ângulo entre a superfície de saída e o plano de referência da ferramenta. O ângulo “γ” (ângulo de saída) possui as seguintes características: Influi decisivamente na força e na potência necessária ao corte, no acabamento superficial e no calor gerado; Quanto maior for o ângulo γ menor será o trabalho de dobramento do cavaco; O ângulo γ depende principalmente de: Resistência do material da ferramenta e da peça a usinar; Quantidade de calor gerado pelo corte; Velocidade de avanço. O ângulo γ negativo é muito usado para corte de materiais de difícil usinabilidade e em cortes interrompidos, com o inconveniente da necessidade de maior força de e potências de usinagem e maior calor gerado pela ferramenta, geralmente o ângulo γ está entre –10° e 30°. O ângulo de saída pode ser positivo, nulo ou negativo, conforme a figura abaixo: Figura 66 - Ângulo de saída (γ ) para uma ferramenta de torno. 21 DICAS TÉCNOLOGICAS. O ângulo γ deve ser: ⇒ Maior para materiais que oferecem pouca resistência ao corte. Se γ (ângulo de saída) aumenta, o β (ângulo de cunha da ferramenta) diminui; 97 ⇒ Menor (e às vezes até negativo) para materiais mais duros e com irregularidades na superfície. Se o ângulo γ diminui, o β (ângulo de cunha da ferramenta) aumenta; Angulo de cunha da ferramenta (β): ângulo entre a superfície da saída e a de folga. Ângulo de folga (α): ângulo entre a superfície de folga e o plano de corte (Ps plano que contém a aresta de corte e é perpendicular ao plano de referência, veja a Figura 3.8 ). O α (ângulo de folga) possui as seguintes funções e características: ⇒ Evitar o atrito entre a peça e a superfície de folga da ferramenta; ⇒ Se α é pequeno (o ângulo β aumenta): a cunha não penetra convenientemente no material, a ferramenta perde o corte rapidamente, há grande geração de calor que prejudica o acabamento superficial; ⇒ Se α é grande (o ângulo β diminui): a cunha da ferramenta perde resistência, podendo soltar pequenas lascas ou quebrar; ⇒ α depende principalmente da resistência do material da ferramenta e da peça a usinar. ⇒ Geralmente o ângulo α esta entre 2° e 14°. A Figura 67 ilustra de forma esquemática os ângulos α, β e γ. Figura 67 - Ângulos de folga (α), de cunha (β) e de saída (γ). 98 22 ÂNGULO MEDIDO NO PLANO DE CORTE. Ângulo de inclinação (λ): ângulo entre a aresta de corte e o plano de referência. Funções do ângulo “λ”: ⇒ controlar a direção de saída do cavaco; ⇒ proteger a quina da ferramenta contra impactos; ⇒ atenuar vibrações; ⇒ geralmente λ (ângulo de inclinação) tem um valor de –4° a 4°. Obs: Quando a ponta da ferramenta for: ⇒ Mais baixa em relação a aresta de corte ⇒ λ será positivo (usado nos trabalhos em desbaste nos cortes interrompidos nos materiais duros) ⇒mais alta em relação a aresta de corte ⇒ λ será negativo (usado na usinagem de materiais macios, de baixa dureza); ⇒ Da mesma altura da aresta de corte ⇒ λ será nulo (usado na usinagem de materiais duros, exige menor potência no corte). A Figura 68 ilustra o ângulo λ. Figura 68 - Ângulo de inclinação “λ”. 99 23 REVESTIMENTO PARA FERRAMENTA DE CORTE A deposição de revestimentos em ferramentas de corte tem como principal objetivo o aumento da vida das ferramentas. Outros efeitos positivos, tais como o aumento da velocidade de corte (o que resulta em uma maior produtividade), redução de forças de corte (menor potência consumida) e redução da tendência à adesão, também podem ser obtidos. As primeiras referências sobre o estudo dos revestimentos para ferramentas de corte datam da segunda metade da década de 1960. As principais ferramentas revestidas são compostas por um substrato relativamente tenaz de metal duro ou aço-rápido sobre o qual é aplicada uma fina camada de material resistente ao desgaste com granulométrica extra fina (carbonetos, nitretos, carbonitretos e óxidos). De forma geral, a utilização de revestimentos conferem certas características às ferramentas de corte como: ⇒Resistência ao calor e ao desgaste; ⇒Diminuição do choque térmico no substrato; ⇒Usinagem com velocidades e avanços mais altos; ⇒Possibilidade de corte a seco ou com mínima quantidade de fluido de corte; ⇒Melhor acabamento superficial da peça; ⇒ Redução do atrito; ⇒Redução e até mesmo ausência da aresta postiça de corte; ⇒Redução do desgaste de cratera e de flanco. A baixa condutividade térmica dos revestimentos funciona como uma barreira entre o material da peça e o substrato da ferramenta. Devido a esta barreira, a carga térmica no substrato, o atrito, a adesão, a difusão e a oxidação podem ser reduzidos e a resistência à abrasão aumentada. As ferramentas podem ser revestidas basicamente por dois processos: Processo de deposição química a vapor - CVD (Chemical Vapour Deposition): a deposição dos revestimentos ocorre por meio de reações químicas em uma faixa de temperatura entre 900 e 1100°C; Processo de deposição física a vapor - PVD (Physical Vapour Deposition): a deposição ocorre por meio de vapores gerados no interior de um forno a baixa 100 pressão, em temperaturas em torno de 500° C. O processo PVD traz benefícios como a possibilidade de revestir substratos de aço-rápido (devido à temperatura relativamente mais baixa), obtenção de revestimentos com granulométrica mais fina (possibilidade de revestir cantos vivos). Tabela 6 - Principais revestimentos na atualidade e forma de deposição (Santos, 2002). Uma evolução no processo de revestimento surgido na década de 80 foi o revestimento multicamada, formado por uma combinação de TiC, TiN, TiCN, Al2O3 e ocasionalmente HfN que resultam em um revestimento de espessura total próxima a 10 μm. O desenvolvimento dos revestimentos multicamadas possibilitou o aumento da vida e campo de aplicação das ferramentas. 24 ESTUDOS DOS CAVACOS Etapas de mecanismo de formação de cavaco: 1. Recalque, devido à penetração da ferramenta na peça. 2. O material recalcado sofre deformação plástica, que aumenta progressivamente, até que tensões cisalhantes se tornem suficientemente grandes para que o deslizamento comece. 3. Ruptura parcial ou completa, na região de cisalhamento, dando origem aos diversos tipos de cavacos. 4. Movimento sobre a superfície de saída da ferramenta. Tipos de cavacos: ⇒Cisalhado (segmentado); ⇒De ruptura (descontínuo); ⇒ Contínuo; ⇒ Cavaco contínuo com aresta postiça de corte (APC) 101 Quanto à forma, os cavacos são classificados como: ⇒Em fita; ⇒Helicoidal; ⇒Espiral; ⇒Em lasca ou pedaços. O material da peça é o principal fator que vai influenciar na classificação quanto à forma dos cavacos. Quanto às condições de corte: maior vc (velocidade de corte), f (avanço) e γ (ângulo de saída) tende a produzir cavacos em fitas (ou contínuos, quanto ao tipo). O “f” é o parâmetro mais influente e o ap é o que menos influencia na forma de cavacos. Os cavacos do tipo contínuos (em fita) trás sérios inconvenientes, entre eles destacam: ⇒Pode ocasionar acidentes, visto que eles se enrolam em torno da peça, da ferramenta ou dos componentes da máquina; ⇒Dificulta a refrigeração direcionada, desperdiçando o fluido de corte; ⇒Dificulta o transporte (manuseio); ⇒Ele prejudica o corte, no sentido de poder afetar, o acabamento, as forças de corte e a vida útil das ferramentas. Apesar das condições de corte poder ser escolhidas para evitar ou pelo menos reduzir a tendência de formação de cavacos longos em fita (contínuo ou cisalhado). Até o momento, o método mais efetivo e popular para produzir cavacos curtos é o uso de dispositivos que promovem a quebra mecânica deles, que são os quebra-cavacos. Os tipos mais comuns de quebra-cavacos e são: ⇒ Quebra-cavacos usinados diretamente na ferramenta. ⇒ Quebra-cavacos fixados mecanicamente. ⇒ Quebra-cavacos em pastilha sintetizada. Como vantagem do uso de quebra-cavacos podemos enumerar: 1. Redução de transferência de calor para a ferramenta por reduzir o contato entre o cavaco e ferramenta; 2. Maior facilidade de remoção dos cavacos; 3. Menores riscos de acidentes para o operador; 4. Obstrução menor ao direcionamento do fluido de corte sobre a aresta de corte da ferramenta. 102 Figura 69 - Formas de cavacos produzidos na usinagem dos metais. Tabela 7 - Tipos de cavacos na usinagem dos metais. 103 Figura 70 - - Influência do f e do ap na forma dos cavacos. Figura 71 - Tipos mais comuns de quebra-cavacos. a) Quebra-cavaco fixado mecanicamente; b) Quebra-cavaco usinado diretamente na ferramenta c) Quebra-cavaco em pastilha sintetizada. 104 25 FORÇA E POTÊNCIA DE CORTE Figura 72 - Força e potência de corte. Figura 73 - Forças de corte no fresamento. 105 25.1 PRINCIPAIS PARÂMETROS DE CORTE PARA O PROCESSO DE TORNEAMENTO. Parâmetros de corte são grandezas numéricas que definem, na usinagem, os diferentes esforços, velocidades, etc. a serem empregados. Eles nos auxiliam na obtenção de uma perfeita usinabilidade dos materiais, com a utilização racional dos recursos oferecidos por uma determinada máquina-ferramenta. Na tabela 7 estão os parâmetros de corte utilizados para as operações de torneamento. Tabela 8 - Parâmetros de corte. PARÂMETRO Avanço Profundidade de corte Área de corte Tensão de ruptura Pressão específica de corte Força de corte Velocidade de corte Potência de corte SÍMBOLO A P S Tr Ks Fc Vc Pc Vejamos, então, cada parâmetro de corte separadamente, e sua respectiva utilização nas operações de torneamento. 25.2 AVANÇO (A) O avanço, por definição, é a velocidade de deslocamento de uma ferramenta em cada volta de 360° de uma peça (avanço em mm/rotação), conforme a figura 74 (F1), ou por unidade de tempo (avanço em mm/minuto), conforme Figura 74 (F2). 106 Figura 74 - Avanço. F1 25.3 F2 PROFUNDIDADE DE CORTE (P). Trata-se da grandeza numérica que define a penetração da ferramenta para a realização de uma determinada operação, possibilitando a remoção de certa quantidade de cavaco. Figura 75 - Profundidade de corte. 25.4 ÁREA DE CORTE (S). Constitui a área calculada da secção do cavaco que será retirada, definida como o produto da profundidade de corte (P) com o avanço (A). Figura 76 - Área de corte. 107 P=mm A=mm/volta Concluímos que q área de corte (S) é a relação entre profundidade de corte (P) e o avanço (A). S=P.A 25.5 TABELA DE TENSÃO DE RUPTURA (Tr) É a máxima tensão (força) aplicada em um determinado material, antes do seu completo rompimento, tensão esta que é medida em laboratório, com aparelhos especiais. A unidade de tensão de ruptura é o kg/mm² Tabela 9 - Tensão de ruptura. 108 25.6 PRESSÃO ESPECÍFICA DE CORTE (Ks) É, por definição, a força de corte para a unidade de área da seção de corte (S). Também é uma variável medida em laboratório, obtida mediante várias experiências, onde se verificou que a pressão específica de corte depende dos seguintes fatores: ⇒ Material empregado (resistência) ⇒ Secção de corte ⇒ Geometria da ferramenta ⇒ Afiação da ferramenta ⇒ Velocidade de corte ⇒ Fluido de corte ⇒ Rigidez da ferramenta Na prática, utilizam-se tabelas e diagramas que simplificam o cálculo desse parâmetro de corte. Apresentamos, a seguir, uma tabela, na Figura 5, para a obtenção direta da pressão específica de corte (Ks), em função da resistência (tensão de ruptura) dos principais materiais e dos avanços empregados comumente nas operações de torneamento, bem como para ângulo de posição da ferramenta de 90°. Para diferentes ângulos de posição da ferramenta, não há necessidade de correção do valor de Ks, pois as diferenças não são significativas. 109 Figura 77 - Diagrama de obtensão pressão específica de corte (Ks) Exemplo: Usinar uma peça cujo material é aço SAE 1020, forjado, com um avanço de 0,2 mm/rot. Vamos até à tabela da tensão de ruptura e localizamos o material e sua respectiva Tr. Aço-carbono: SAE 1010 (laminado ou forjado) 40 SAE 1020 (laminado ou forjado) 46 SAE 1030 (laminado ou forjado) 53 SAE 1040 (laminado ou forjado) 60 SAE 1060 (laminado ou forjado) 74 SAE 1095 (laminado ou forjado) 102 110 Para aços SAE 1020, forjado Tr = 46 kg/mm² com o valor de Tr = 46 kg/mm² (resistência), vamos até a tabela de Ks e determinamos a reta do material empregado. Para isso, devemos verificar na legenda do quadro o número da reta indicada para o material com Tr = 46kg/mm2. Então, para aços até 50 kg/mm², temos a reta número 12. O avanço já foi dado =0,2mm/rot. A partir da abscissa (eixo denominado Avanço – mm/rotação) traçamos uma reta vertical até atingirmos a reta diagonal com número 12 (obtido anteriormente). Nesse ponto de intersecção, seguir com uma reta horizontal e paralela ao eixo das abscissas até tocar um ponto no eixo das coordenadas (Pressão específica de corte). A reta tocou no valor 250, o que significa que temos um Ks = 250 kg/mm². 25.7 FORÇA DE CORTE (Fc) A força de corte Fc (também conhecida por força principal de corte) é, por definição, a projeção da força de usinagem sobre a direção de corte, conforme a Figura 74. Figura 78 - Força de corte 111 Esse parâmetro resulta do produto da pressão especifica de corte (Ks) com a área de corte (S). A unidade é dada em kgf. Então: 25.8 VELOCIDADE DE CORTE (Fc) Por definição, a velocidade de corte (Vc) é a velocidade circunferencial ou de rotação da peça. Em cada rotação da peça a ser torneada, o seu perímetro passa uma vez pela aresta cortante da ferramenta. A velocidade de corte é importantíssima no estabelecimento de uma boa usinabilidade do material (quebra de cavaco, grau de rugosidade e vida útil da ferramenta) e varia conforme o tipo de material; classe do inserto; a ferramenta e a operação de usinagem. É uma grandeza numérica diretamente proporcional ao diâmetro da peça e à rotação do eixo-árvore, é dada pela fórmula que está no quadro Para calcular a velocidade de corte. 112 A maioria dos fabricantes de ferramenta informa, em tabela, a Vc em função do material e da classe do inserto utilizado. Nesse caso, calcula-se a rotação do eixo-árvore pela fórmula destacada abaixo. Exemplo: Utilizando-se uma Vc = 160m/min, qual é a rotação do eixo-árvore para a usinagem de uma peça de 60mm de diâmetro? Aplique a fórmula: Tabelas de velocidades de corte destinadas à usinagem seriada de grandes lotes são tabelas completas que levam em conta todos os fatores que permitem trabalhar com parâmetros muito perto dos valores ideais. Podemos contar também com tabelas que levam em conta apenas o fator mais representativo, ou o mais crítico, possibilitando a determinação dos valores de usinagem de maneira mais simples e rápida. Tabela 10 - Tabela de velocidade de corte para diferentes materiais em metros para cada minuto. 113 25.9 POTÊNCIA DE CORTE (Pc) Potência de corte é a grandeza despendida no eixo-árvore para a realização de uma determinada usinagem. É um parâmetro de corte que nos auxilia a estabelecer o quanto podemos exigir de uma máquina-ferramenta para um máximo rendimento, sem prejuízo dos componentes dessa máquina, obtendo-se assim uma perfeita usinabilidade. É diretamente proporcional à velocidade de corte (Vc) e à força de corte (Fc). Pc (potência de corte) é dada em CV (cavalo-vapor), utilizando-se corretamente os parâmetros em suas unidades mencionadas acima. Quando se deseja obter a potência de corte (Pc) em kW (quilowatt), basta transformar a unidade (da Pc que é CV) pela relação: Na prática, também é fornecida a potência do motor principal da máquinaferramenta. Então, no lugar de calcularmos a Pc (potência de corte) e compararmos o resultado com a potência do motor, aplicamos a fórmula para o cálculo da profundidade de corte (P) permitida de acordo com a potência fornecida pela máquina. 114 Visando consolidar o entendimento, vamos a um exemplo para cálculo da profundidade de corte (P). O rendimento (ƞ) geralmente, em máquinas novas, tem-se um rendimento entre 70% e 80% (0,7 a 0,8). Em máquinas usadas, um rendimento entre 50% e 60% (0,5 a 0,6). O rendimento é uma grandeza que leva em consideração as perdas de potência da máquina por atrito, transmissão, entre outras. O HP é também uma unidade de potência, e podemos considerar que: 1 HP = 1 CV Observe que não é dado o valor da potência de corte (Pc), mas já foi indicado que Pc pode ser dada em cavalo- vapor (CV) que, por sua vez, pode ser transformada em kw e vice-versa. Então, primeiramente, vamos obter Pc a partir de kw. Agora, aplicamos todos os valores à fórmula. 115 Logo, a máxima profundidade de corte (P) permitida nas condições acima, para uma potência do motor principal da máquina de 35 kw (47,55 CV), é de 13mm. 25.10 TEMPO DE FABRICAÇÃO O tempo de fabricação abarca desde o começo até a entrega do produto de uma tarefa que não tenha sofrido interrupção anormal em nenhuma de suas etapas. O tempo de fabricação engloba tempos de características diferentes, dentre os quais consta o tempo de usinagem propriamente dito, tecnicamente chamado tempo de corte (Tc). Senão, vejamos: Preparar e desmontar a máquina se faz uma única vez por tarefa; já o corte se repete tantas vezes quantas forem às peças. Fixar, medir, posicionar resulta em tempo de manobra, operações necessárias, mas sem dar progresso na conformação da peça. Também podemos ter desperdícios de tempo ocasionados por quebra de ferramentas, falta de energia etc. 25.11 TEMPO DE CORTE (Tc) Também chamado tempo principal, é aquele em que a peça se transforma tanto por conformação (tirar material) como por deformação. Nesta unidade só trataremos do cálculo do tempo de corte (Tc) em que a unidade usual e adequada é o segundo ou o minuto. Vamos então, ao estudo de uma variável importante para a determinação do tempo de fabricação: 116 Tempo de Corte (Tc). Cálculo do tempo de corte (Tc) Inicialmente, antes de vermos o tempo de corte propriamente dito, vamos recordar como se processa o cálculo do tempo em física. O tempo (t) necessário para que um objeto realize um movimento é o quociente de uma distância S (comprimento) por uma velocidade V. Se pensarmos no nosso trabalho, especificamente, o tempo para que a ferramenta execute um movimento está representando na equação: Exemplo: Um comprimento de 60 mm deve ser percorrido por uma ferramenta com a velocidade (avanço) de 20 mm/min. Qual o tempo necessário para percorrer essa distância? Solução: Vejamos agora, a fórmula do Tc, considerando tais relações entre comprimento e velocidade. O avanço (a) é caracterizado por milímetros de deslocamento por volta. Através da fórmula do tempo, vemos que velocidade de avanço (Va) pode ser determinada pelo produto do avanço (mm) e da rotação (rpm). Portanto, a fórmula para o cálculo do tempo de corte pode ser: 117 Conforme o desenho e a notação da Figura 9, e levando em conta o número de passes (i), podemos ter a fórmula completa: Torneamento longitudinal Figura 79 - Torneamento longitudinal Exemplo: Um eixo de comprimento L = 1.350 mm; Vc = 14m/min; diâmetro Ø = 95mm; avanço a = 2mm, deve ser torneado longitudinalmente com 3 passes. Rotações da máquina: 24 – 33,5 – 48 – 67 – 96 – 132/min 118 Calcule: a )rpm b )Tempo de corte Tc Tabela 11 - Solução 26 MEIO LUBRIRREFRIGERANTE Em se tratando de sistemas de fabricação, qualquer esforço para aumentar a produtividade e/ ou reduzir custos deve ser considerado. Na usinagem, o uso de meios lubrirrefrigerantes (também chamados fluídos de corte, óleo de corte, meios 119 de lubrificação e arrefecimento, líquidos refrigerantes etc.), quando escolhidos e aplicados e aplicados apropriadamente, traz benefícios. A lubrificação e a refrigeração têm por finalidade: - Aumentar a vida da ferramenta; - reduzir a força e, consequentemente, a potência de corte; - melhorar o acabamento da superfície usinada; - aumentar a eficiência da remoção do cavaco da região de corte; - reduzir o risco de distorção da peça; - proteger a máquina-ferramenta e a peça contra a oxidação. 27 DISSIPAÇÃO DE ENERGIA A maior parte do “calor gerado” é dissipada pelo cavaco, uma pequena porcentagem é dissipada pela peça e outra para o meio ambiente. A outra parte vai para ferramenta cortante, que é a utilizada para desbastar o material. Apesar de este último representar apenas pequenos percentuais (8 a 10%), o aumento da temperatura associado com este calor é significativo, podendo chegar, em certos casos, a 1100 ºC, o que compromete, fortemente, a resistência da ferramenta. Logo influenciará na vida útil da ferramenta segundo Machado e da Silva (2004). O calor gerado durante a execução de um determinado processo pode muitas vezes, trazer danos ou benefícios para o processo de usinagem. Sabe-se que a existência das altas temperaturas durante o processo de usinagem acelera os mecanismos de desgaste termicamente ativados e, também, promove a redução do limite de escoamento das ferramentas de corte. Por outro lado, o calor gerado nos planos de cisalhamento vai reduzir a resistência do material da peça favorecendo a formação do cavaco. Vários métodos, práticos e analíticos, vêm sendo desenvolvidos com o objetivo de determinar esta temperatura, mas, devido às dificuldades impostas pelo processo, nenhum deles é universalmente aceito (Machado e da Silva, 2004). O sistema do termopar ferramenta-peça é considerado um dos mais eficientes, pois monitora a temperatura da interface. Entretanto, a calibração correta de um sistema 120 de temperatura é de grande importância para a obtenção de resultados coerentes ao fenômeno de geração de calor em regiões de cisalhamento nos processos de usinagem. Para a medição da temperatura de corte na usinagem deve-se ter o conhecimento de todas as condições dinâmicas a que o processo estará submetido, o que poderá trazer dificuldades durante o momento da medição. Sabe-se que a interface cavaco-ferramenta é praticamente inacessível, e por isso os processos de medição de temperatura tornam-se um tanto imprecisos. Existem várias técnicas e métodos, práticos e analíticos, desenvolvidos com o intuito de determinar a temperatura ali, mas há uma grande dificuldade para se chegar àquela região, e, portanto, nenhum deles é universalmente aceito (Machado e da Silva, 2004). Entre os métodos práticos utilizados para se determinar a temperatura de usinagem, podem se destacar os seguintes: termopar ferramenta peça, irradiação térmica, termopares implantados, vernizes termossensíveis, técnicas metalográficas, pós-químicos, medição utilizando o filme PVD, que são bem descritos por Machado e da Silva (2004). O método do termopar ferramenta-peça, mede a temperatura média da interface cavaco-ferramenta por meio de um fenômeno físico conhecido como efeito “Seebeck” (Borchardt & Gomes, 1979). Segundo este efeito a presença de dois materiais diferentes conectados em um circuito, conforme representado na Figura 2, com suas e suas extremidades submetidas a temperaturas diferentes, gera-se no circuito uma força eletromotriz, cuja grandeza dependerá dos materiais e da diferença de temperatura entre as juntas (Borchardt & Gomes, 1979). 28 INOVAÇÃO Na usinagem de ligas leves, como as de titânio, o uso de gás carbônico como substituto dos sistemas convencionais de lubrificação e refrigeração pode contribuir para aumentar a vida útil das ferramentas de metal duro e para promover a proteção ao meio ambiente. As ligas de titânio destacam-se entre os novos materiais usados na substituição de alguns metais porque têm elevada resistência e excelentes propriedades mecânicas. Entretanto, a sua usinagem ainda é um desafio. A atual 121 tendência para superar este problema inclui o uso de processos criogênicos de refrigeração, com base em gases liquefeitos a exemplo do dióxido de carbono (CO2) e do nitrogênio (N2). Estes processos representam vantagens ecológicas e técnicas comparativamente com a refrigeração tradicional cara e poluente dos fluidos refrigerantes. Os testes comparam a influência da refrigeração por CO2 com a da refrigeração por emulsão na usinagem da liga de titânio TiA16V4. Foram utilizadas ferramentas de corte de metal duro com pastilhas de diamantes policristalino (PCD). Os métodos de refrigeração foram avaliados tanto ecologicamente quanto economicamente, tomando como base a determinação dos custos dos ciclos de vida útil e os efeitos sobre os custos de da manufatura dos processos alternativos de refrigeração. 29 META DE LONGO PRAZO: O FIM DAS EMULSÕES Dos pontos de vista ecológico e econômico, o uso de fluidos refrigerantes sintéticos ou à base de óleos minerais nem sempre deve ser considerado ótimo. Todos os anos são lançadas na natureza milhares de toneladas de emulsões e lamas poluentes que combinam óleo e água de difícil descarte. Existe ainda a parcela de materiais evaporados, de avaliação complexa, que chegam ao meio ambiente. A meta é a eliminação total dessas emulsões. A aplicação de gases liquefeitos para a refrigeração em processos de usinagem é uma alternativa inovadora. Métodos criogênicos de refrigeração, por exemplo neve de CO2, permitem usinar materiais ferrosos utilizando pastilhas de PCD e velocidades de corte mais altas ( em comparação com o uso do metal duro). Sem a correspondente refrigeração, após poucos segundos o PCD se desgasta, enquanto com a refrigeração sugerida o tempo de vida útil de todos os outros materiais de corte conhecidos pode ser pelo menos alcançado ou até ultrapassado. 122 30 ENSAIO: ESTRUTURA E EXECUÇÃO Os testes de usinagem foram realizados em um centro de torneamento Gildemeister modelo CTX beta 800. Os tempos de vida útil foram comparados no processo de torneamento longitudinal externo e o desgaste nas superfícies principal e secundária das pastilhas intercambiáveis de metal duro e de PCD foi documentado por um videomicrocópio digital Hitec. Como critério de falha, foi usado o desgaste máximo da superfície de folga VBmáx de 300 µm. O material de teste selecionado, a liga TiA16V4 (3.7167, Gr.5), possui resistência à tração Rm 968 N/mm² e limite de elasticidade Rp0,2 de 911 N/mm². Para selecionar os materiais de corte de PCD, foram usados os conhecimentos de testes anteriores. Os resultados indicaram que, no corte contínuo, o diamante policristalino de granulação mais grossa é preferível, devido à maior condutividade térmica em termos de vida útil T da ferramenta. Na execução do teste, foi prioritário determinar a influência da refrigeração do processo sobre o comportamento ao desgaste do material de corte. As séries de testes foram limitadas a variações de refrigeração por emulsão, foi usado um sistema apropriado para usinagem de titânio, com fluxo de 600L/h e pressão de 4,8 bar. A alimentação média de 17 kg/h de CO2 foi feita por meio de válvula solenoide de fluxo controlado. 123 31 CONSIDERAÇÕES FINAIS A usinagem é reconhecidamente o processo de fabricação mais popular do mundo, transformando em cavacos algo em torno de 10% de toda a produção de metais, e empregando dezenas de milhões de pessoas em todo o mundo. Obtendo uma visão geral os processos de transformação de metais e ligas metálicas em peças para utilização em conjuntos mecânicos são inúmeros e variados: Você pode fundir, soldar, utilizar a metalurgia em pó ou usinar o metal afim de obter a peça desejada. O importante é sempre no desenvolvimento do produto analisar a melhor forma, dimensões, processo, que trará o melhor custo x benefício. Quanto menor o custo maior será a lucratividade. 124 32 BIBLIOGRAFIA SOUZA, André João. Processos de Fabricação por usinagem. Escola de engenharia departamento de engenharia mecânica. SANTOS, Denis Junior. Processos de Usinagem. Centro federal de educação tecnológica de Minas Gerais; Curso Técnico em eletromecânica. Revista científica. ACTA Tecnológica. ISSN 1982-422x; volume6, número2; Jul-dez 2011