O modelo foi concebido com auxilio do software CAD SolidWorks, que é um software de CAD tridimensional. O SolidWorks baseia-se em computação paramétrica, criando formas tridimensionais a partir de formas geométricas elementares. No ambiente do programa, a criação de um sólido ou superfície tipicamente começa com a definição de topologia em um esboço 2D ou 3D. A topologia define a conectividade e certos relacionamentos geométricos entre vértices e curvas, no esboço e externos ao esboço.
As dimensões do modelo foram definidas em escala reduzida, com base neste projeto ilustrado na Figura 14 e disponível num site destinado a construção amadora de barcos.
Figura 14 - Projeto de barco para pesca.
Fonte - http://estaleiroamador.blogspot.com.br/
A escolha por este modelo ocorreu pelo fato de contemplar uma superfície de usinagem complexa, sendo esta a base para o estudo e também por proporcionar ângulos de extração favoráveis à aplicação em fibra de vidro.
Calculando o fator de redução da escala, o modelo foi gerado e adaptado às condições de matéria-prima disponíveis para a construção. Na Figura 15 fica ilustrada na forma tridimensional a inserção do modelo 3D no blank de material que serviu de base para a usinagem.
Figura 15 - Vista isométrica do modelo inserido na matéria-prima.
As dimensões finais do modelo foram limitadas pelas medidas do lingote de alumínio que foi empregado para a fabricação.
3.3 MÁQUINA CNC
Para fabricação dos modelos de estudo e elaboração dos testes, foram utilizados equipamentos cedidos pela instituição de ensino UNIJUÍ, pertencentes ao Laboratório de Fabricação Assistida do Campus Panambi (ver Figura 16).
Os modelos foram confeccionados no centro de usinagem vertical marca DYNA modelo DM2016. Esta maquina utiliza a linguagem de programação no padrão EIA-ISO. Ela possui a capacidade de deslocamento de 510 mm em relação ao eixo X, 406 mm no eixo Y e 508 mm no eixo Z, atendendo assim as necessidades da peça e ser produzida. Possui também um magazine com capacidade para 16 ferramentas, um motor de 10 HP que desenvolvem uma rotação máxima de 6000 RPM, conforme é possível verificar na Tabela 4 contendo as especificações técnicas do equipamento.
Tabela 4 - Especificações técnicas Dyna DM2016.
Figura 16- Centro de usinagem DYNA DM2016.
Fonte- Próprio autor
3.4 FERRAMENTAS DE CORTE
Para confeccionar os modelos foram determinadas três etapas de usinagem. Um desbaste grosseiro primando por altas taxas de remoção de material, uma regularização da superfície garantindo um sobre-material de espessura e textura constantes denominada de pré- acabamento, para favorecer a última etapa denominada de acabamento. Também convencionou-se os ensaios como modelo 1 e modelo 2.
3.4.1 OPERAÇÃO DE DESBASTE
No desbaste foram utilizadas ferramentas diferentes em ambos os modelos. No primeiro modelo foi utilizada uma fresa de topo toroidal, com insertos redondos de metal duro intercambiáveis, essa fresa possui um corpo em aço, o diâmetro de corte Dc é de 25 mm e o raio de canto formado pelos insertos é de 4 mm. Na Figura 17a é apresentada a ferramenta e na 17b o inserto aplicados na operação de desbaste do modelo 1.
Figura 17 - Ferramenta aplicada no desbaste do modelo 1.
(a) (b) Fonte- http://www2.coromant.sandvik.com/
Esta ferramenta cadastrada no software de CAM com o código 2090, inscrevendo os parâmetros descritos na Figura 18.
Figura 18 - - Dados da ferramenta 2090.
Fonte - - http://www2.coromant.sandvik.com/
Para o desbaste do segundo modelo foi utilizada uma fresa de faceamento de alto- avanço, essa fresa possui como característica a possibilidade de usinagens com baixas profundidades de corte (ap), porém com elevadas taxas de avanço ( fz ) que podem variar entre 0,8 e 2,0 mm/rot/faca. Na Figura 19a é apresentada a ferramenta e na 19b o inserto aplicados no desbaste do modelo 2.
Figura 19- Ferramenta aplicada no desbaste do modelo 2.
Fonte - http://www2.coromant.sandvik.com/
Esta ferramenta foi identificada no cadastro do software de CAM com o código 2093, e com as características conforme indicadas na Figura 20.
Figura 20 – Dados da ferramenta 2093.
3.4.2 OPERAÇÃO DE PRÉ-ACABAMENTO
A operação de pré-acabamento foi efetuada em ambos os modelos 1 e 2, utilizando a mesma ferramenta de corte, sendo esta uma fresa esférica de inserto de metal duro intercambiável, com diâmetro 32 mm e duas arestas de corte efetivas, este tipo de ferramenta também é conhecido como fresa ball nose. Na Figura 21 está representada a ferramenta aplicada na operação de pré-acabamento dos dois modelos.
Figura 21- Fresa ball nose aplicada na operação de pré-acabamento
Fonte - http://www2.coromant.sandvik.com/
Esta ferramenta foi cadastrada no software de CAM com o código 2091, para a usinagem do modelo 1, e com o código 2094 para a usinagem do modelo 2. Essa necessidade ocorreu pelo fato da aplicação de estratégias diferentes e pré-acabamento para os dois modelos testados. As características técnicas dessa ferramenta estão dispostas na Figura 22.
Figura 22 - Dados da ferramenta 2091 e 2094.
3.4.3 OPERAÇÃO DE ACABAMENTO
Na operação de acabamento dos modelos 1 e 2 também foi utilizada uma mesma fresa ball nose. Esta fresa possui as mesmas características descritas no item anterior, porém seu diâmetro é de 20 mm. Por motivo de serem aplicadas estratégias diferentes para o modelo 1 e 2, esta ferramenta foi cadastrada no software de CAM sob os códigos 2092 para o modelo 1 2095 para o modelo 2. Na Figura 23 estão dispostos os parâmetros de cadastro aplicados.
Figura 23 - Dados ferramenta 2092 e 2095.
Fonte - http://www2.coromant.sandvik.com/
3.5 ESTRATÉGIAS DE USINAGEM
Buscando um comparativo de tempo e qualidade superficial, foram aplicadas diferentes estratégias de usinagem aos dois modelos testados, as quais serão detalhadas a seguir.
3.5.1 MODELO 1
Para a operação de desbaste no modelo 1, foi utilizada a ferramenta descrita no item 4.4.1 e como estratégia de desbaste utilizou-se a varredura tipo espiral, iniciando o corte no centro da peça e indo em direção das extremidades, aprofundando a ferramenta de forma descendente em relação à parte mais alta do modelo..
Nesta programação ficou definido que seriam utilizados 5093 RPM para a ferramenta e esta em trabalho se deslocaria com avanço de mesa (Vf) de 2750 mm/min. no sentido lateral e em mergulho com 1200 mm/min.
Na Figura 24 podemos visualizar a tela de trabalho do Software CAM que foi utilizado para criação do código NC. Nesta tela podemos definir o sobre metal mínimo que ficara após a execução deste passe que será de 1,5 mm no sentido vertical e também nas laterais sendo que a ferramenta ira se deslocar com 70% da sua largura nominal por conseqüência este valor de sobre metal não será constante.
Figura 24 - Tela programação A
A cada passe a ferramenta terá um incremento no eixo vertical de 2,5 mm (Cut Increment), tendo um deslocamento final de 63 mm (Depth) pré estabelecido no programa como pode ser visto na Figura 25.
Figura 25 - Tela de programaçãoB
Fonte – Próprio autor
A tabela 5 traz um resumo das informações e dos parâmetros utilizados na primeira operação.
Tabela 5 - Dados desbaste1
OPERAÇÃO PROGRAMA FERRAMENTA INSERTO ESTRATÉGIA
DESBASTE 2090 R300 025A20 08M R300 0828M MM2030 ESPIRAL
Vc [m/min] RPM [min-₁] Fz [mm/rot] Vf [mm/min] Ap [mm]
400 5093 0,18 2750 2,5
Para o pré-acabamento será utilizada a estratégia de Laço paralelo 90 Graus esta estratégia consiste em fazer uma varredura da superfície de uma extremidade lateral ate a outra. Nesta operação ficou definido que seriam utilizados 4976 RPM para a ferramenta e esta em trabalho se deslocaria com uma velocidade de avanço de 2488 mm/min. no sentido lateral e em mergulho 1000 mm/min. Quanto ao acréscimo lateral da ferramenta tratando-se de um pré-acabamento, será de apenas 10% da sua largura sendo que o sobre metal mínimo nesta etapa devera ser de 0,3 mm. como pode ser visto na Figura 26.
Figura 26 - Tela programação C
Fonte – Próprio autor
A tabela 6 traz um resumo das informações e dos parâmetros utilizados na primeira operação.
Tabela 6 - Dados pré-acabamento 1
OPERAÇÃO PROGRAMA FERRAMENTA INSERTO ESTRATÉGIA
PRÉ ACAB. 2091 R216F 32A32S 160 R216F 32 70 EL 1010 LAÇO PARALELO 90GRAUS
Vc [m/min] RPM [min-₁] Fz [mm/rot] Vf [mm/min] Ap [mm]
500 4976 0,25 2488 1,2
Para o acabamento a estratégia escolhida foi de Contorno Descendente a qual realiza uma varredura da superfície do centro para as extremidades. Nesta programação ficou definido que seriam utilizados 5700 RPM para a ferramenta e esta em trabalho se deslocaria com uma velocidade de avanço 2360 mm/min. no sentido lateral e em mergulho 1000 mm/min. Conforme Figura 27.
Figura 27 - Tela programação D
Fonte – Próprio autor
Tabela 7 - Dados acabamento 1
OPERAÇÃO PROGRAMA FERRAMENTA INSERTO ESTRATÉGIA
ACAB. 2092 R216F 20A20S 075 R216F 20 50 EL 1010 CONTORNO DESCENDENTE
Vc [m/min] RPM [min-₁] Fz [mm/rot] Vf [mm/min] Ap [mm]
370 5900 0,2 2360 0,3
3.5.2 MODELO 2
No segundo molde foi utilizada uma estratégia diferente da primeira definida como Espiral/Plunge. Plunge, que traduzindo significa mergulho, consiste num movimento vertical de trabalho onde em movimento livre a ferramenta se desloca 25% do seu diâmetro sobre a peça e mergulha sobre ela removendo o material.
Para esta operação foi utilizada a ferramenta descrita na Figura 19. Na programação ficou definido que seriam empregados 5700 RPM para a ferramenta e esta em trabalho se deslocaria com uma velocidade de avanço de 7980 mm/min. no sentido lateral e em mergulho 1710 mm/min. como pode ser observado na Figura 28.
Figura 28 - Tela programação E
Fonte – Próprio autor Tabela 8 - Dados desbaste 2
OPERAÇÃO PROGRAMA FERRAMENTA INSERTO ESTRATÉGIA
DESBASTE 2093 R210 025A20 09M R210 09T314E PM1030 ESPIRAL / PLUNGE
Vc [m/min] RPM [min-₁] Fz [mm/rot] Vf [mm/min] Ap [mm]
450 5700 0,7 7980 0,9
Na operação de pré acabamento do segundo modelo, foi utilizada a estratégia de Laço Paralelo 30 graus onde a ferramenta varre a superfície do modelo com um ângulo de 30 graus. Nesta programação ficou definido que seriam utilizados 4976 RPM para a ferramenta e esta em trabalho se deslocaria com uma velocidade de avanço de 2488 mm/min. no sentido lateral e em mergulho 1400 mm/min. Conforme Figura 29
Figura 29 - Tela programação F
Fonte – próprio autor
Tabela 9 - Dados pré acabamento 2
OPERAÇÃO PROGRAMA FERRAMENTA INSERTO ESTRATÉGIA
PRÉ ACAB. 2094 R216F 32A32S 160 R216F 32 70 EL 1010 LAÇO PARALELO
30GRAUS
Vc [m/min] RPM [min-₁] Fz [mm/rot] Vf [mm/min] Ap [mm]
500 4976 0,25 2488 1,2
Fonte – Próprio autor
Na ultima operação de acabamento foi definida a estratégia de Laço Paralelo 90 Graus. Nesta programação ficou definido que seriam utilizados 5900 RPM para a ferramenta e esta
em trabalho se deslocaria com uma velocidade de avanço de 2360 mm/min. no sentido lateral e em mergulho 1200 mm/min. Como podemos observar na Figura 30.
Figura 30 - Tela programação G
Fonte – Próprio autor
Tabela 10 - Dados acabamento 2
OPERAÇÃO PROGRAMA FERRAMENTA INSERTO ESTRATÉGIA
ACAB. 2095 R216F 20A20S 075 R216F 20 50 EL 1010 LAÇO PARALELO
90GRAUS
Vc [m/min] RPM [min-₁] Fz [mm/rot] Vf [mm/min] Ap [mm]
370 5900 0,2 2360 0,3
Fonte – Próprio autor
3.6 SIMULAÇÂO
Com auxilio do software de CAM foram realizadas simulações de cada uma das programações permitindo assim uma estimativa dos tempos que levariam cada processo. Este
software baseia-se no código NC para obtenção destes tempos podendo ter algumas variações de máquina para máquina, em função das rampas de aceleração e frenagem dos eixos e motores, tempos de troca de ferramenta e velocidade de processamento do código.
Além dos tempos este software nos permite uma pré-visualização de qual será a trajetória percorrida pela ferramenta de acordo com a programação fornecida, sendo de grande valia, pois permite identificar algum possível erro de programação ou até mesmo identificar uma estratégia mais viável para cada usinagem.
Na simulação da ferramenta 2090 referente ao primeiro desbaste os resultados obtidos estão conforme Figura 31.
Figura 31- Simulação 2090
Fonte - Próprio autor
A Figura 32 apresenta a trajetória que a ferramenta ira percorrer durante a operação de desbaste sobre o modelo e onde as linhas em amarelo determinam os deslocamentos em G0 e as linhas em branco caracteriza os movimentos em trabalho.
Figura 32 - Trajetória 2090
Fonte - Próprio autor
A Figura 33 mostra a simulação dos tempos de pré-acabamento do primeiro modelo.
Figura 33 - Simulação 2091
A Figura 34 mostra a trajetória da ferramenta durante a operação de pré-acabamento apresentando bem a estratégia de laço paralelo.
Figura 34 - Trajetória 2091
Fonte - Próprio autor
A simulação dos tempos de operação durante o acabamento é apresentada na Figura 35.
Figura 35 - Simulação 2092
Na Figura 4.23 é apresentada a estratégia de contorno descendente utilizada na operação de acabamento do primeiro modelo.
Figura 36 - Trajetória 2092
Fonte - Próprio autor
A Figura 37 mostra a simulação do tempo de desbaste do segundo modelo. Figura 37 - Simulação 2093
A Figura 38 mostra a trajetória da ferramenta durante a operação de desbaste utilizando a estratégia espiral/plunge.
Figura 38 - Trajetória 2093
Fonte - Próprio autor
A Figura 39 mostra a simulação feita para o pré-acabamento do segundo modelo. Figura 39 - Simulação 2094
A trajetória de pré-acabamento usando a estratégia de laço paralelo 30 graus é demonstrada na Figura 40.
Figura 40 - Trajetória 2094
Fonte - Próprio autor
A Figura 41 apresenta a simulação dos tempos de acabamento do segundo modelo. Figura 41 - Simulação 2095
Figura 42 mostra a trajetória da ferramenta durante o processo de acabamento usando a estratégia de laço paralelo 90 graus.
Figura 42 - Trajetória 2095
4 RESULTADOS
4.1 USINAGEM MODELO 1
Com a usinagem do primeiro modelo concluída obtemos alguns valores que são base deste estudo. Em todas as situações de usinagem os tempos realizados sobressaíram- se ao simulados. Os dados obtidos são os seguintes.
Na estratégia de usinagem em espiral foi obtida uma taxa de remoção de material de 120,31 cm³/min. nesta operação. O tempo previsto nesta etapa era de 22,65 minutos porem o realizado chegou há 27,12 minutos onde o tempo efetivo de corte foi de 20,9 minutos.
No pré-acabamento do primeiro modelo o tempo real também teve acréscimo sobre o simulado passando de 9,57min. na simulação para 12,07min. no realizado, onde a taxa de remoção de material teve um índice de 13,53 cm³/min. Nesta estratégia o tempo efetivo de corte foi de 9,22 min.
No acabamento em contorno descendente o tempo obtido na simulação foi de 60min e o tempo real de operação alcançou 78,1min. tendo um tempo efetivo de corte de 59,8min., tendo como taxa de remoção de material 0,35cm³/min.
A Tabela 11 apresenta o resultado dos tempos de usinagem dos três processos, onde ts representa o tempo simulado em minutos, tr representa o tempo realizado, e te representa o tempo efetivo de operação onde a ferramenta estava de fato em operação. o Q representa a taxa de remoção de matéria do modelo em cm³ por minuto.
Tabela 11 - Tempos modelo 1
ESTRATÉGIA ts [min] tr [min] te [min] Q [cm³/min]
ESPIRAL 22,65 27,12 20,9 120,31
LAÇO PARALELO 90GRAUS 9,57 12,07 9,22 13,53
CONTORNO DESCENDENTE 60 78,1 59,8 0,35
TOTAIS 92,22 117,29 89,92
Fonte: Próprio autor
A Figura 43 traz um gráfico comparativo dos tempos simulados e dos tempos realizados durante a usinagem do primeiro modelo.
Figura 43 - Comparativo de tempos modelo 1
Fonte – Próprio autor
4.2 USINAGEM MODELO 2
Na estratégia espiral/plunge foram enfrentados alguns problemas devido ao excesso de esforço exercido pela ferramenta sobre a peça sendo que o sistema de fixação empregado não
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
DESBASTE PRÉ-ACABAMENTO ACABAMENTO
te m p o [m in ]
ts
vs
tr
- Ensaio 1
ts trera capaz de suportar a carga dinâmica. Por conseqüência, foi necessário reduzir a velocidade de avanço de trabalho, atuando com apena 70% do avanço programado resultando em uma modificação significativa nos resultados finais.
O tempo gasto com essa operação foi de 39,84min. sendo 94,62% maior que os 20,47min. obtidos no programa de simulação. A taxa de remoção de material nesta estratégia ficou em 154,91cm³/min. sendo que o tempo efetivo de corte ficou em 13,15min.
Na operação de pré-acabamento utilizando a estratégia de laço paralelo 30graus, o tempo realizado foi de 7,05min. ante 6,35min. da simulação, sendo que, desses 6,033min são de tempo efetivo de corte tendo retirado 12,74cm³/min.
Para o acabamento foram gastos 61,2min. sendo que dados da simulação apontavam 54,45min., tendo como tempo efetivo de corte 54,17min. , retirando 0,47cm³/min.
A Tabela 12 apresenta o resultado dos tempos de usinagem dos três processos.
Tabela 12 - Tempos modelo 2
ESTRATÉGIA ts [min] tr [min] te [min] Q [cm³/min]
ESPIRAL / PLUNGE 20,47 39,84 13,15 154,91
LAÇO PARALELO 30GRAUS 6,35 7,05 6,033 12,74
LAÇO PARALELO 90GRAUS 54,45 61,2 54,17 0,47
TOTAIS 81,27 108,09 73,353
Fonte – Próprio autor
A Figura 44 traz um gráfico comparativo dos tempos simulados e dos tempos realizados durante a usinagem do primeiro modelo.
Figura 44 - Comparativo de tempos modelo 2
Fonte – Próprio autor
4.3 COMPARATIVO ENSAIO 1 E 2
Realizando um comparativo entre a usinagem dos modelos podemos verificar que nos resultados obtidos na simulação, as estratégias adotadas para o segundo barco tiveram uma eficiência maior que na primeira situação como podemos evidenciar na Figura 45.
Figura 45 - Comparativos tempos simulação
Fonte – Próprio autor 0 10 20 30 40 50 60 70
DESBASTE PRÉ-ACABAMENTO ACABAMENTO
te m p o [m in ]
ts
vs
tr
- Ensaio 2
ts tr 0 10 20 30 40 50 60 70DESBASTE PRÉ-ACABAMENTO ACABAMENTO
te m po [m in]
Ensaio 1 vs
Ensaio 2 -
ts
Ensaio 1 Ensaio 2Porem se analisarmos o gráfico da Figura 46 podemos perceber que o tempo empregado no desbaste acabou sendo maior que no primeiro processo contrariando a simulação, fenômeno esse que foi explicado no item 4.2.
Figura 46 - Comparativos de tempos realizados
Fonte – próprio autor
A Figura 47 apresenta um gráfico comparativo entre as taxas de remoção de material dos desbastes, pré-acabamento e acabamento entre os modelos evidenciando a eficiência de cada procedimento 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
DESBASTE PRÉ-ACABAMENTO ACABAMENTO
te m po [m in]
Ensaio 1 vs
Ensaio 2 -
tr
Ensaio 1 Ensaio 2Figura 47 - Taxa de remoção
Fonte – próprio autor
Obtendo uma somatória dos tempos de cada ensaio podemos estruturar o gráfico apresentado na Figura 48 o qual apresenta de forma simplificada os resultados obtidos em cada modelo.
Figura 48 - Tempo Total
Fonte – Próprio autor
DESBASTE PRÉ-ACABAMENTO. ACABAMENTO
Ensaio 1 120,31 13,53 0,35 Ensaio 2 154,91 12,74 0,47 120,31 13,53 0,35 154,91 12,74 0,47
Q - Taxa de Remoção [cm³/min]
Ensaio 1 Ensaio 2 92,22 117,29 81,27 108,09 ts [min] tr [min]
Ensaio 1
vs
Ensaio 2 - Tempo Total
4.4 COMPARATIVO DE PROCESSOS
Nas estratégias, se avaliado e tempo efetivo de operação fica evidente que a segunda estratégia (espiral/plunge) é mais eficiente que a primeira (espiral), pois o resultado final foi influenciado pelo problema na fixação e também pelos parâmetros da máquina, que possui uma rampa de aceleração muito baixa, ou seja, se ao utilizar esta estratégia o modelo for contemplado com uma fixação eficaz e for adotada uma máquina com parâmetros mais aprimorados, esta estratégia se torna mais produtiva que a estratégia em espiral.
As operações de pré-acabamento não divergiram muito dos tempos de simulação e num comparativo entre elas, a segunda estratégia demonstrou ser mais eficiente.
No caso do acabamento, os tempos realizados sofreram um acréscimo ante os tempos simulados sendo justificado também pelos parâmetros da maquina.
Num comparativo de tempos a segunda estratégia adotada se mostrou mais eficiente porem num comparativo visual a primeira metodologia empregada obteve resultados melhores.
CONCLUSÃO
Os objetivos do estudo foram: avaliar a influencia das estratégias de usinagem tendo o tempo e o acabamento superficial como variáveis de saída, porem, o acabamento superficial não pode ser mensurado com o equipamento apropriado, pois não houve disponibilidade do mesmo, então foram avaliados apenas os tempos de operação e sobre eles pode-se concluir o seguinte:
No desbaste a estratégia utilizada no segundo modelo que foi espiral/plunge, se mostrou mais eficaz mesmo com as intempéries enfrentadas com a fixação. Obtendo uma maior taxa de remoção de material e um menor tempo gasto no processo.
No pré-acabamento a estratégia de laço paralelo 30graus utilizada no segundo modelo se mostrou mais eficaz, pois teve um menor tempo gasto com a aceleração e desaceleração da maquina.
A estratégia de usinagem empregada no primeiro modelo utilizou um tempo 27,6% maior que no segundo modelo.
A rampa de aceleração da maquina foi crucial para os resultados obtidos, sendo este fator o maior agravante para a divergência entre os resultados das simulações para os alcançados na pratica.
Fica evidente que o estudo sobre diferentes estratégias de usinagem permite ganhos significativos nos resultados alcançados na usinagem de modelos, onde as superfícies são complexas e existe a exigência de um fino acabamento da superfície.
REFERÊNCIAS
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ALTAN, T.; OH, S.I.; GEGEL, H.L. (1999). Conformação dos metais:
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ALTAN, T.; LILLY, B. (2001). Manufacturing of dies and molds. Annals of CIRP, Paris, v.50, n.2, p.405-423.
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<http://www.mmsonline.com/articles/029603.html>. Acesso em: 28 June 2004.
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Machine Tools & Manufacture, Amsterdam, v.44, n.1, p.101-107, Jan.
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CAMARGO, R. (2002). Rugosidade superficial nas operações de torneamento. Santa Bárbara D`Oeste: SENAI.
CAVALHEIRO, A.Z. (1998). Sistematização do planejamento da programação via CAM do fresamento de cavidades de moldes para peças injetadas. 212f. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis,