D E T E R M I N A Ç Ã O DE U M M O D EL O DE FORÇA DE USINA GE M P AR A A FURAÇÃO, A P A RT I R DO M O DELO DE F O RÇ A DE
U S I N A G EM DO TORNEAMENTO
D I S S E R T A Ç Ã O S UB ME TI D A Ã U NIVERSIDADE F EDERAL DE S A N T A C A TA R IN A PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE M ES TR E EM E N G E N H A R I A
A N TÓ N IO SALVADOR DA ROCHA
U SI N AG EM DO T OR N EA M E N TO
A N TÔNIO S AL VA DO R DA R O CH A
E S T A D I S S E R T A ÇÃ O FOI J U L G A DA A D E Q U A D A P A RA O B TE N t
ÇÃÍT.DO í TÍTULO : iDE MESTRE E M E N G E N H A R I A
E A P R O V A D A E M SUA F O R M A FINAL PELO P R O G R A M A DE POS-GRADUAÇÃO
P r o f . F a l t e r L í n d o l / f o W é i n g a e ^ é n e r , D r . I n g . / O r i e n t a d o r
■ / ■ ■...(í ...- ..._ ...
Prof. C l o v i V R á i m u p d o Maliska, Ph.D.
Coordenador jia P o s - G r ad u aç ã o em Eng. Mecânica
B A N C A EXAMINADOI
Prof. W a l t e r -^Lindo 1 fo W e i n g a e r t n e r , Dr. Ing,
--- - ... ... . ■' - — --- --- --- --- —
Prof. Ãureo Campos Ferreira, Ph.D.
A G R A D E C I M E N T O S
À U n i v e r s i d a d e _ d e Fo-rtaleza, E s c o l a T é c n i c a F e d e r al do C e ar á /e ME Ç / C A P E S / P I C D , p e i o ijncentivo e apoio f in a nc e i r o que pos^ s i b i l i t a r á m a,..Tealiz-ação dè$te T r a b a l h o .
/ 1 Ãs E m pr esas: " •
A ç os Finos Piratini S.A.;
M a n n e s m a n n S.A.; 1
-E l é t r o m e t â l Aços Finos S . A . ;
.. F a b r i c a P au li s ta de Brocas e F er ra me nt as de Corte; I n d u s t r i a e Comércio Twill S.A.,
pe l as d o aç õe s de m a t e r i a i s e f er ra me nt as de corte.
X -. •/
Aos c o m p an h ei ro s de p o s - g r a d u a ç ã o e p r o f e s s o r e s do d £ p a r t a m e n t o de E n g e n h a r i a Mecânica.
A o P r o f . D r . Ing. W al te x W e i n g a e r t n e r , p e l a o r i e n t a ç ão d e st e traba lh o.
Aos t éc ni co s e b ol sistas do L a b o r a t o r i o M á q u i n a s e-fer r a m e n t a ( M O P S ) , G R U C O N e L A B M E T R O , p e l a p a r t i c i p a ç ã o n e s t e traba lho.
Em e s p e c i a l , ao graduando em E n g e n h a r i a M e c ân i c a , Lu ciano J o sé T. M o r e i r a , pelo auxílio no d e s e n v o l v i m e n t o de "SOFTWARE” p a r a o experi m en to .
I N D I C E
SIMBOLOGIA ... . ... ... . vii
« (
RESUMO ... .... ...
y.J
.... ...
xii
ABSTRACT ... V.‘... . /--- ... xiii
1 ' .. * ' 1 / . '1 - INTRODUÇÃO ... ... ... ... ... . . .
01
2 - RESUMO T E Õ R I C O ... ... ... •••• 03 2.1 - Modelos de Forças de U s i n a g e m ... . . 03 2.2, - M ed i çã o das Forças de U s i n a g e m no i T or ne a mento e n a Furação ... .. ... . .. 14 2.2.1 - Conceitos Básicos ...•••• 14 2:2.2 - Fatores de Influência sobre a Força E s pé cffica de U s i n a g e m ... . 17 2.2.3 - M ed iç ão da Força de U s i n a g e m ... . 26
3 - P L AN E J A M E N T O DO E X P E R I M E N T O . . . . ... ... 30 3.1 - S e m el ha nç a entre as Componentes da ^'Força
de U s i n ag e m do T orneamento e da Furação... 31 3.2 - Plane ja me nt o dos E n s a i o s ... ... . 34
í
3.3 - Equipa m en to s para Analise:.Experimental... . ' 38
3.3.1 _ Maquinas O p e r a t r i z e s ... 38 3.3.2 - M edição e Controle da R o t a ç ã o ,,,, 42 3*3.3 - Sistemas de M e d i ç ã o . . . . , . , . . . , . . 4 3
3 .3.4 - Ferramentas de c o r t e ...46 3.3.5 - Condições de c o r t e ... ... 48 3.3.6 - M a t e r i a l e n s a i a d o ... ... 50 3 .3.7 - A q u i s i ç ã o A u to má ti ca dos D a d o s ... 51 3.3.8 - Equipamentos Diversos...'....,....'. 52 / . ; 3 .4 .. - P ro gramas p a ra A qu is i ç ã o é P r o c es s am en ^ b ■ ■ to de dados ... . 53 3.5 r - P r o c ed i me nt o dos E n s a i o s ... 59 4 :--DOCUMENTAÇAO E P R O C ES S AM EN TO DE D A D O S ___ . . . ____ , 63 4.1 - Cálculos ... ... . 63 4.2 - T a b e l a de Dados B r u t o s . . ... ... 69 4.3 - T a b e l a de Dados P r oc e ss ad os 72 4.4 - Gráficos ... . 73 4.5 - A p r es e nt a ç ã o dos R e s u l t a d o s ... 101 5 - A NÃLISE DOS R E S UL T A D OS ... ... ' ~ ... . . ' 104 6 - C O NC LU S OE S ... ... ... ... 108 7 - C O NS ID E RA Ç O E S F INAIS .... ... ... 110
7*1 ~ Proposi çã o de Novos Trabalhos ... 110'
S I M B O L O G I A
Profundidade de corte
Seção aparente de contato
Força axial
seção de corte
Profundidade de corte
Profundidade axial de 'corte na fresagem Largura -de us i nagem
Largura de corte n a f r es a ge m
X .
Cunha do cavaco
Constantes do m o d e l o
Diâmetro externo
Comprimento do gume transversal
D iâ metro interno Cdiâmetro inicial do furo)
Erro sistemático ~ Erro aleatorio
Componente da f orça p as s iv a na furação
Componente da f o rç a p a ss i va na furação força axial
força de corte
força de avanço
Fator do processo
Fator do processo p a ra a furação 1 j
N F or ça ativa *: ‘
i ./
N F o rç a de apoio
N F or ça axial (na furação) Co n stante h i pe rb ól ic a kg Força p ri nc ip al de corte m m E s pe s s u ra de corte D u r e z a Brinnel N ' I n ce rteza de resultado C on s tante h ip er bó li c a O ^
N /m m F o rç a específica de corte na f uração N / m m F o r ç a específica de corte no t orneamento
o
N / m m F or ça específica d^e corte na f r e s a g e m .
N/mm Força específica de corte no a pl ai na me nt o O
N /m m F o rç a específica de corte no b r oc h am e nt o o
N / mm F o rç a específica de corte
2 ~
N/mm Força específica de corte
Fator de deformação do cavaco
2
K c 1.1 N/nun^ Força específica de corte (para uma seção b . h = 1 m m . 1 mm)
K f 1.1 N/ m m^ Força específica de avanço
Kp 1.1 N / m m ^ Força passiva e sp ec íf ic a
Kv -.mm Es p essura da alma
ir
ver Fator de correção p a ra o desgaste
K sch fator de correção p a ra o m at e r ia l da peça
k y . , Fator de correção p a ra o ângulo ;de .saída-.
K r Fator de deformação do cavaco
K 1.1 N valor da força e s pe c íf i c a
!-a m m Comprimento da a r es ta transv e rs al
M 1 ^ Kg m Mo m en to torsor
Md N m M o m e n t o torsor
M z N m Mo m en to torsor
1 - m Expoente Cgeral)
1 - m c Expoente p a ra a f o rç a de corte (em dependen cia da espessura da corte h)
1 - m £ Expoente para a força de avanço
1 - m p Expoente para a força p a ss iv a
n rpm Rotação
N Numero de medidas
PH 1J kg Força principal de corte
kg/mm^- kg *"• imn m m anm/rot s
Fator r e p r e se n ta t i v o da influência do corte t r ansversal s o b r e ’os expoentes
t Fator r ep re s en t a t iv o áa influência do corte
I
t r ansverèal sobrê os valores das forças espe cíficas
Força .específica :.de corte parcial Força de torsão
Fator r e p r es e nt at iv o da influência do atrito do cavaco e aresta transversal sobre os ex poentes
Fator repres e nt at iv o da influência do atrito do cavaco e aresta transversal sobre as for ças específicas
A t r it o da ferramenta, na furação At r i t o da ferramenta, no torneamento A l a v a n c a da força de corte na furação
Raio da ponta
Re s ul ta do da medição A vanço
Desvio padrão Tempo de m e dição
Coefic i en te de confiança de Student
V 5
V 1 ) D m / m i n V e l o c i d a d e de corte no torneamento M e d i a das m edidas X i a / ax e t-Y B D 'x M e d i d a * * ~ ’ / iGrau  ngulo de folga
Grau Ângulo: lateral de folga Grau aij  ngulo de cunha:.
Grau Ângulo de saída corrigido ao longo do comprji m e nt o de corte b
Grau Ângulo de saída na furação
Grau Ângulo de saída no torneamento Grau  ng ul o de saída lateral
Grau  n gu lo da h él ic e
Grau Ângulo da p o nt a
Grau Ângulo de inclinação Fator de defor m aç ão
C oeficiente de atrito Grau Ângulo da p o nt a
2
N / m m Tensão de r up t ur a 7 N/mm Tensão de c i salhamento * XGrau Ângulo da aresta transversal
Grau . Ângulo de p o s i ç ã o
AM " M ã x i m o desvio em r e l a ç ão ao v a l o r medio.
m a x . x
R E S U M O
Neste trabalho, as componentes da força de u s i n a g e m do
1 I
torneamento e furação f or a m m edidas e x perimentalmente com d i n a m o m £ tros p i e z e l ê t r i c o s V 'sendo' seus váíorès armazenados e p r oc ès s ad os
/ / . • '
-a utom-atic-amente por u m m i c r o comput-ador.
Para os ensaios de torneamento foi utili za do u m torno com r eg ul a g e m c o nt ín u a da r o t a ç ã o , .enquanto :que. para os de ct fura ção ,?■;foi ■.utilizado aam centro de usinagemeGNGv-i
Os ensaios f o r am p l a n e j a d o s “de m o do que os d i ve rs os fa tores de i n fl u ê n ci a sobre a força de usinagem, comum aos dois prõ cessos, p e r m a n e c e s s e m constantes, e aprese-nt-ass em identidade, en quanto os fatores de i n f lu ê n c ia específicos do p ro ce ss o de fura ção, fossem v is í v ei s e p u d e s s e m ser determinados.
Apos o p r o c e s s a m e n t o dos d a d o s , foram d e te r m i na d os fa tores de u s i n a g e m p a r a a furação, r epresentativos dos fatores: a resta transversal e atrito da aresta lateral, existentes na fura ção em cheio e furação c om p r é - f u r o . v
A c r e s c e n t a n d o - s e estes fatores na equação de- Kienzle, foi possível a d e te r mi n a ç ão das forças específicas de corte e de avanço p ar a a furação, a p a rt i r dos valores das forças especí f i ca s do torneamento, com b o a p r e c i s ã o de fácil manuseio, na u t i l i z a ç ã o prática.
In this work, the components of the power in the vTvill for turning and b or i ng were d e t e rm i ne d e x pe rimentally using p i e z o £ lectric d yn amometers and their values stored and p r oc e s s ed »automa- t
c a ll y by micro- co mp ut er . (
For the turning essays was u se d a continuos adjust m en t o f- r o t at i o n lathe,..while a center of m i l l i n g CNG w a s - u s e d for -.the ones of boring. .
The essays w e r e p l a n n e d in a w a y that the differentitonds of influence on the tooling p o w er kept constant in b o th projfctSs and p r es en t e d identity, w h il e the specific factors of influence ihv the p rocess of b o r in g could p e r c ei v ab le and determined.
After the data p rocess were determ i na te d facttors of tooling for boring, r e pr e se n t a ti v e of these other factors: tranjs verse edge and a t tr it i on of the lateral edge in the b o ri n g of once and in the p r o gr e ss i v e boring.
Adding these factors to Kienzle's e q uation the determi n at i o n of specific p o we r of cutting and advance for b o r i n g was p o £
sible based in the v al ue s of the specific power of turning with pre c ision of easy h an di ng in the p ra ctical utilization.
C A P I T U L O 1
I N T R O D U Ç Ã O
O advento das m a qu i na s controladas n u mericamente (CNC) e os constantes d e s e nv o lv im en to s no campo da construção de mãqui
nas f e r r a m e n t a s , técnicas de comando e p ro ce ss am en to eletrônico de d a d o s , tem exigido redobrados esforços para a obtenção de mai or número de dadós e m el ho re s c on hecimentos sobre as condições de us i na ge m para os diversos m a t e r ia i s e processos de usinagem, fato res decisivos na p ro du t iv i d a de destas maquinas.
Os parâmetros que d et e r m in a m as condições õtimas de usinagem, atualmente no Brasil, exigem um reestudo, uma vez que não se dispõe de dados atualizados para os mater ia is nacionais e a formação de u m Banco de Dados de U s i n a ge m Nacional, somente ago ra, ê iniciado.
A d e te rm in a çã o destes parâmetros r eq u e r . um grande número de ensaios, implicando em grandes quantidades de materiais, ferramentas e tempo de ensaio, tornando proib it iv o o estudo de to dos os processos de usinagem, necess á ri os â formação de um Banco de Dados de Usinagem.
Dentre os diversos parâmetros, d e s t a c a m - s e as forças de usinagem, indispensáveis p ar a o cálculo da p o tê nc ia de usinagem eç- conseqüentemente, a d et e rm i n a çã o do r e nd im e nt o da m á q u i n a pa ra diferentes cargas de trabalho. Encontra aplicações no cálculo de e st r utura e dos m e ca ni s mo s de acionamentos das m á q u i n a s - f e r r a mentas , podendo- ainda ser usado como variável c on tr ol a da nos ACC
zation) .
A m a i o r i a das pesquisas efetuadas no B ra s. i l, 'na ãrea de u si nagem, r ef er em -s e ao torneamento e embora a furação seja um dos p r o c e ss o s mais usados na fabricação mecânica, poucos trabalhos r e f e re m- se a ela.
"TY E st e trabalho tem por objetivo m e di r e comparar ■ as forças e s p e c í f ic a s de corte e de avanço no t orneamento e na ^fura ç ã o , d e t e r m i n a n d o u m fator de u s i n a ge m para a furação em relação ao tornea m en to , u sando a equação de Kienzle, v a li d o p ar a determi nadas c o nd iç õ e s p r é - e s t a b e l e c i d a s . Serã o ponto de p ar ti da para trabalhos p o s t e r i or e s que o c om pl ementarão e p o ss i bi l i t ar ã o a de t ermin aç ão da força de u s i n a g e m para a furação a p ar ti r da força de u s i n a g e m do torneamento, c o nsiderando os fatores de influência e specí fi co s da furação.
C A P Í T U L O 2
R E S U M O T E Ó R I C O
2.1 Modelos' de Força de U s in ag em
A força de usinagem, que repres e nt a a resist ên ci a ofe_ r ecida p e l o m at er i al da p e ça de trabalho à p e ne t ra çã o do gume da ferramenta, ê i n fl u en c i a da por diversos fatores, tais como: mate rial da peça, m at er i al da ferramenta, condições de corte, g eome tria do corte e o p r õ p r i o p r oc es so de usinagem.
A p e s a r dos esforços dos pesquisadores, não foi possí vel, atê o m o mento, c on st ru ir um m o de lo de força de u s i n a g e m que englobe todos os fatores de influencia sobre as forças de usina gem, jã que n e n h u m deles pode ser subord in ad o a u m a lei única.
No entanto, p od e- se construir leis para m od el os abran gentes, através da m e d i ç ã o das componentes da força de u si n a ge m e i n tr od uç ão de fatores de correção, sendo o processo de tornea mento p r e f e r i d o aos demais.
N es t e sentido, vãrios trabalhos foram realizados por diversos p e sq u i sa d or e s , dos quais destacamos aqueles que f izeram alguma m a n i p u l a ç ã o com as forças de t orneamento e de furação.
Estes trabalhos p o de m ser divididos em 3 categorias: I - tentativas para aprese nt aç ã o de m o de lo s genera
lizados de força de usinagem;
II - leis de força de corte referente a um proces^ so, com aplicações de c a ra cterísticas específi cas distintas para cada caso;
III - leis de força de corte referentes a um proces so com aplicações de c a ra cterísticas específi cas do p r oc es so de t orneamento e fatores de cor reção especiais.
: C a t e g o r i a I
O fato de que na u s i n a g e m se trata de u m a separáção m ecânica, levou uma serie de p e sq ui sa d or es a estudarem a inter- relação entre a força de u s i n a g e m e as características mecânicas dos m a te r ia i s m et ál ic os .
Assim, em 1945, B r an de n be r g e r ( 1 j desenv ol ve u a se_ guinte f ormula p ar a a força de corte:
Ks = ar .; A ( 1 )
que d e t e r m i n a a força na =seção de corte em função da tensão de r u p t u r a do m a t e r i a l a r e do fator de deformação A, que c or r e sp o nd e ao r e ca lq ue do cavaco.
A v a n t a g e m da u t i l i z a ç ã o d esta formula, segundo ele, e s tá na r e l a t i v a me n t e simples d is po si çã o t é cn ic o -e xp er im e nt al dos valores a r e A . A tensão de r up tu ra nos m etais ê u m a constante ge n uí n a do m at e ri a l, tendo seu v a lo r d e te rm in ad o s ep aradamente da usinagem. 0 fator de d ef or ma ç ã o A, que deve ser considerado como fator i nt eg ra do r de todas as condições de corte, é determ in ad o através de simples m e di da s do cavaco arrancado,
A p o u c a exatidão e a não v al id a de para a usinagen) do ferro fundido f i ze ra m com que o m od e lo seja pouco aproveitável.
E m 1951, H ucks ( 2 ) interveio no chamado plano de M e r c h a n t ( 3 ), 1945, e conduziu, com o auxílio da m e c ân i ca piás
tica, a u ma f ó r m u la p ar a a força de corte, v alida u ni ve rs al me n te ,so b re o f u n d am e n t o de que"... todas as tensões no cavaco dependem u n ic a m e n t e das c o ns ta n te s do m at erial x Q , a 0 e do coeficiente de atrito y ."
H = t 0 . b . h . K x (Kx = f C -u, y , h)) ( 2 )
E m b o r a a d e te r m i na ç ão da tensão de c i salhamento x Q e o v a l o r do c o e f i c i e n t e K.. sejam razoavelmente simples, esta equa
A
ção não leva em c o ns i d e r a ç ã o a influência do atrito entre a super fície de i n c i d ê n c i a da f er ra me n ta e a peça, não p od en do ser apli cada para p e qu en o s avanços, pois o erro torna-se mais significati v o.
K r o n e n b e r g em 1954 ( 4 ) colocou a força específica de cor te sob a i n f l u ê n c i a da d ur ez a Brinell HB, do ângulo de cunha g e da seção do c a va co F, através da equação:
2 ,2 /---K = 25,9 . |/h B .
5 0 7
/---Esta relação pressupõe condições geométricas iguais, com uma p r o p o r c i o n a l i d a d e direta entre a força de corte e a dure za do materi al, fato que pode levar a erros consideráveis.
Em 1958, Klein L 5 ) tentou, teoricamente, chegar a uma lei ú n ic a de força de corte. Ele achava que Kg poderia ser descri ta como função h i pe rb ól ic a de h, da seguinte forma:
1 , 6 8
/---V 3 / 5 0 ( 3 )
de m o d o que, por exemplo, para o monjento torsor na fu ração o r e s u l t a d o fosse:
2
M = D . g + j . _s [ 5 )
4 sen a/2 2
Conclui,, p o r e m , que os v alores de g e j p a ra a força de corte,; v a li d o s para o torneamento, não são validos para outras formas de u s in ag e m.
E m 1965, Keil ( >6 ) e m pe nh ou -s e não por uma lei ge r a l , mas em d e t e r m i n a r u m a lei de força de corte, v al id a somente para o t o r n e a m e n t o e a furação.
Suas sondagens b as e ar a m - se n u ma c o n s id e ra çã o da força es p ec íf i c a de corte no e le mento de corte.
P a ra tal, d e f en d eu que a força e s p e c í fi c a de corte parcial q s ê o bt id a em função do m o m e n t o torsor e que a força de -corte d ep en de do raio do gume, e da r e lação entre o d i âmetro da
b roca e o d i â m e t r o do furo inicial.
Os m o d e l os r esultantes d es ta análise p a r a o torneamen to e furação, d evido a sua d if ic ul da d e nos cálculos para a deter m in a ç ã o da f o r ç a e sp ec íf i c a de corte q g , não c o n s e g u ir a m se im por, e ainda d e s p r e z a v a m a d i fi cu ld a de de saída do cavaco na fura ç ã o , não c o ns i d e r a n d o a influência da v a ri a ç ã o do p ro ce s so de formação do cavaco.
C a t e g o r i a I I :
A d e te r m i n a ç ã o de leis de força de corte para proces sos especí f ic os envolve, atualmente, a maior parte das p ublicações sempre r e la c i o na d as â lei de Kienzle e formam o e m ba s a me nt o para
o calculo da força de corte e p o t ê n c i a de corte para a usinagem. Em 1927, Kurrein ( 7 ) p u b l i c o u uma equação com o ob j etivo de d et e rm i n a r a força e s p e c í f i c a de corte no torneamento e na furação, p e r mi t in d o a d e t e r m in a ç ã o do m o mento torsor na fura ção ;
M = K s • •, C O 2 - D q
)
C 6 )8
Seu p rõximo passo foi u m a s ep aração do par de forças coloca n do -a s no centro da b ro c a. No entanto, dois anos mais tarde, K r o n e n be r g C 8 ) v e ri f ic o u que as forças específicas na furação são superi o re s âs forças do torneamento.
K ro n en b er g d es lo co u o p o nt o de apoio da força para a p e r i f e r i a da broca, atê que as forças se igualassem âs do torneamento.
M = Ps . 0,73 D C 7 )
Em 1932, S c hl e si ng er C 9 ) obteve m a iores forças na fu r aç ão comparadas ao torneamento, u s a n d o brocas com o ângulo de sa í da c on st an te ao longo da a r e st a p r in c i pa l da broca, o que ho je jã não ê mais exigido na d e t e r m i n a ç ã o dos valores específicos.
E m 1951, S ch al l br oc h ( 10 ) d et er mi no u o m om e nt o tor sor n a furação, u sando o raio como a l av an c a da força dé torção, sendo P-^ a p r e s s ão e s pe cí fi ca de corte.
M d = P 1 . _ s _ . _ D _ . 2 . ^ ( 8 )
2 2
p on t o de apoio usando peças especialmente projetadas p a r a este fim.
Em b or a t e n ha usado r = 0,51 . D/2 como a la va nc a na fu ração com p ré -f u r o como v a lo r específico e r = 0,38 . D/2 na fura ção em cheio, fazendo u m a b o a base para a c o mp ar aç ão entre a for ça de t o r n e a m en t o e furação, u t i l i zo u também o raio como alavan ca, jã que p a r a ele eram mais importantes as v a ri ações das somas ab solutas do que p r o p r i a m e n t e elas.
A d e s v a n t a g e m das leis de força de u s i n a g e m referen tes aos p r o ce s s o fica clara no seguinte resumo de fórmulas de for ças de corte p r op os ta s por Hi^rschfeld (12) no ano 1961.
A p l a i n a m e n t o PH = a . s . KsH C 9) B ro c ha r P H Z a • b e . h . K S R (1 0 ) To rnear PK * a . s . 2 KsD (1 1 ) Furar = D . S 6 • KsB (1 2 ) Fresar P ? ii ap • bp ‘ KsF (13)
Se esta s e q uê n ci a de equações for u t i l i z a d a para um processo diferente, s e rá n ec es sá ri o u m número de ensaios extrema m en t e alto e de d í ficil obtenção para d e te r m in ar -s e experimenta], m en t e os v a lo re s da força e sp ec íf i c a de corte. Este fato justifi. ca o empenho de alguns p es qu i s a do r es em u ti li z a r os valores bãsi. cos do p ro c es s o de t or ne am e nt o e determ in ar os demais fatores, a través de fatores de correção específicos para os demais proces^ sos, m e sm o s a b e nd o -s e que h a v e r á erros r a zo a ve lm en te grandes, que não p o de m ser evitados.
P o s t e r i o r m e n t e , apresentaremos alguns trabalhos que enfo cam este tema, antes, porém, fornecemos 1 algumas leis mais recen tes de força de usinagem.
Em 1976, K l ic pe r a (.13) p u blicou a formula modelo:
^ 1 _ = P + g . h + _j3_ . e c *h (14)
b c
i mp l ic an do que a força de corte devido ao atrito na s u pe rf íc ie de f o lg a para uma e sp es su ra de corte h = 0: m m - é m a i o r do que zero. O b s e r v a ç ã o esta, também feita por R i chter (14) em 1953.
No entanto, para a d e terminação da força de corte do t o rn ea me nt o sem c o n s i d e r ar outras influencias, tallem da espessura de corte e c o mp r i m e n t o de corte, é necessário um numero dobrado de c onstantes em r e lação às que eram utiliz a da s até então.
A l é m do aumento do cálculo m a t e má t i c o necessário, de v e- s e q u e s t i o n ar a sua r e le v ân c ia prática.
O m e s m o serve p ar a o ampliamento desta lei, feita por E n g el h a r d (15), que estudou a influencia do ângulo de saída com ajuda de duas outras constantes:
^1 = P + g . h + q . ec ’ k + K (_ e m y - ^ Y ^ ) Cl 5)
b c
Em 1979, A marego (16) formulou possíveis leis p a r a o m om e n t o t or so r e f or ça axial para a furação com b rocas h e licoi dais :
F = c 8 . 1 0 3 . f ° 9 . D C l °. Cln/D )C l 1 - oC l 2 - Y X 1 3 . il>Cll> C17)
z * W
Sua p u ra s ig ni fi ca ç ão a c ad ê m i c a esta p r in ci pa lm en te no fato de que as c onstantes d e t e rm i na da s sempre tenham v al idade pa ra as condições secundárias, já que elas, na grande maioria, ..foram d e t e rm in ad as sem v a r i a ç ã o especial do parâmetro.
C a t e g o ri a U I :
V i s a n d o u m a lei geral de f o rç a de corte p a ra a usinas, gem, que a c o m pa n h a ss e a constante e vo lu ç ã o da tecno lo gi a e que t a m b é m fosse apropriada, Kienzle e V i c t o r ( 17 ), 1957, compara r a m as forças e sp e c í fi c as de corte do torneamento, do aplainamen to e da furação, b a s e a n d o - s e na p r õ p r i a u s i n a g e m para obter u m fator de u s i n a g e m que p o ss a ser u s a do em u ma lei única de força de corte p a r a os três processos.
P = f . b . h 1 " z . K , . ( 18 )
S S X • X
Para o p r o c e s so de f u r aç ão eles e n c o n t ra r a m u m fátor de p ro ce s so f = 1 , em relação ao p r o c e s s o de torneamento, pois V i c t o r d e c l a r a e x pl ic i t a me n t e que "... os diversos fatores de in fluência se a n u l a m mutuam e nt e. .. de modo que t ambém o ^ p r oc es so de furação pode ser c on s id e r a do r e g u l a r q uanto às f o r ç a s " .Quadro 1 No m e sm o ano, Degner, Lutze e Smejkal ( 19 ) deternú n a r a m q uatro fatores de c o rreção p a r a os valores do torneamento,
que d e s c r e v e m a i n f lu ên ci a do a ng u l o de saída (Ky) , da v e l o ci d a de de corte C.K ) , do m a te r ia l da f e r r am e n t a e do desgaste(Kyer)
Para a furação, eles a c e i t a r a m o fator p r o c e s s u a l f =1, p ub l ic a do p o r Victor, c o m p l e m e n t a n d o - o com u m fator para a f ur aç ão co m p r é - f u r o (f =-0,95). D e s p r e z a n d o K e o b t i v e r a m a se guinte fórmula:
Plz - JL- --sz ■ Ks ■ fB • Kver
^
2 '
(fB = 1,0 ; Kv e r = 1 , 4 p a r a o aço)
No entanto, de a co r do c om os c o n h e c im e n t os atiiâis, «a força de corte n a furação, c o m f er r am e n t as afiadas, é até 80 % su p er i or ã do t o r n e am e n t o e a i n f l u ê n c i a das f e r r am en ta s com desga.s.: te sobre a força e s t á s t i c a é peque na , p o d e n d o ser desprezada.
Torneamento Furação' V a r i a ç ã o da f or ça de corte em r e l a ção ao t o r n e a m e nt o V el o c i da d e de Corte; V D > + 1,05 - 1,07 Atrito da .Ferramenta: r d * * ~r b + 1,08 - 1,10 Atrito de Cavaco: - ■ i n e x i st e nt e + 1,03 - 1,05 A ng u lo de Saída: y d y B - 1,18
QUADRO 1 - I nfluências s o br e as forças do t o r n e a m e n t o e f u r a ç ã o
p a r a a furação, u s a n d o a equação de K i e n z le c o m fatores de corre ção que c o n s i d e r a m a influê n ci a dos f a to r es d e pe n d e nt e s e ihdepen dentes do p r o c e s s o de furação.
V e r i f i c o u que a i n f lu ê n c ia a a v e l o c i d a d e de corte com . ■< V^' '
f er r a me n ta s de aço rapido, em geral, n ão n e c e s s i t a ser levada em c on sideração.
P a r a v e r i f i c a r a i nf l uê n ci a do a n g ul o de saída na fu ração, ele c o n s i d e r o u o ângulo y ~ 29° para a a fi a çã o normal como base, s endo a f o r ç a de corte e a de avanço, p a r a outros ângulos- de
saída.,, d e t e r m i n a d a s p elas equações:
F = b . h 1 m c . k c c
1.1
1 - CO , 015 . Ay) | C21) - 29 Ff = b . h (1 " _ 29o ’ ]1^CQ,Q2,Ay)J yx.c 1 .K, -1.1 jl-(0,05.Ay)|t22) y-x - 2 9 O a u m e n to (diminuição) de u m g r a u no â n gulo l a te ra l de saída na b r o c a h e l i c o i d a l caúsa u m a b a i x a (eleva ç ão ) dfe 1 ,5 I na*
força e s p e c í f i c a de corte e^ 5% na f or ça e s p e c í f i c a de avanço "pa. ra a a fiação normal.
V e r i f i c o u que a i n fl uê nc i a do â n gu l o da p o n t a e con s e q u e n t e m e n t e , do ângulo de p o s i ç ã o n a f o r ç a de corte na fu ração é p eq ue na , p o d e n d o ser d e t e r m i na d a p e l a e q u a ç ã o de Kienzle:
h 1 - k '1.1
(23)
. K f
1. 1
. 11+ C O .01 .Ao) I (24)
a = 118°
D e t e rm i no u ainda a influência dos fatores específicos da f u r a ç ã o , tais como:
- Relação f u ro/prê-furo - ângulo de saída corrigido - corte transversal
- angulo da hélice - afiação da p on ta - r e fr ig er aç ão
a.grupando-os em uma formula geral para a força de cor
Ki i = valor e specífico da força (1 -m) = v a lo r do expoente
R^ = _ fator que ;descrevé a influência.,doIatrito ;do .^cavaco e . do gume transversal sobre o valor do expoente
R 2 = fator que descreve a i n fl uê nc ia do atrito do cavaco te e de avanço:
(25)
onde :
= fator que descreve a influência do corte transversal sobre o v a lo r do expoente
e do gume transversal sobre o v a lo r específico da força
Q 2 = fator que descreve a influê n ci a do corte transversal sobre o valor específico da força.
2.2 M e di çã o das Forças de U s i n a g e m no T o rn e am en to e na Furação
2 . 2 . 1 C o n c e i t o s Bãsicos(.31) Força de U s i n a g e m F
É a força total que atua sobre u ma cunha cortante du rante a usinagem. (Fig. 1).
C ompon en te s da Força de U s i n a g e m
A c om po ne nt e da força de usinagem.,' n um p lano ou numa direção qualquer, ê o bt id a pela projeção da força de u s in a ge m F sobre este p lano ou direção.
Praticamente j assumem i mportância especial aquelas com ponentes contidas no p l a n o de trabalho e no plano efetivo de refe r encia (.2 2 ) .
C ompon en te s da Força de U s i n a g e m no Plano de trabalho Força A t i v a - F a
£ a projeção da força de us ina ge m F sobre o plano
de trabalho. (Fig. 1).
Força de Corte F
£ a projeção da força de us in ag em F sobre a direção
de corte (ciada pelo v e t o r da velocidade de corte) . T a m b é m denomi nada força p ri ncipal de corte. CFig» 1 )•
Força de A v an ço F£
Projeção da força de u s in a ge m F sobre a direção de avanço, (Fig. 1).
T o r n e a m e n t o Furação
♦ w <.
F I G U R A 1 - F o rç a de u s i n a g e m e suas componentes, no tor n e a m e n t o e furação. •
F o r ç a de A p o i o F ap
É a p r o j e ç ã o da f o r ç a de u s i n a g e m F sobre a d i r e ç ão p e r p e n d i c u l a r à d ir e ç ão de avanço, s i t u a d a no plano de trabalho.
•Oig- 1 )
T od a s estas c o m p on en te s c o n t r i b u e m para a p o t ê n c i a de. u s in ag em .
E n t r e a f or ça a t iv a F a , a f o r ç a de apoio F &.p e a for ça de a v a nç o F£, valem as s eg uintes relações:
2 2 2
F a “ F ap + F f C26:i
2 2 2
No torneamento, a força de apoio F &p confunde-se com a força de corte F , v a l e n d o então as relações:
2 2 2
F a * F c * F f (28)
C 2 - B 2 E 2 t29)
F c - F a - F f
C o mp on en te s da Força de U si na ge m no Plano E fe tivo de R e f e r ê n c ia
Força P a s s i va F P
H a p r o j e ç ã o da força de u s in a ge m F sobre u m a p er pe n d i cular ao p l a no de trabalho, t a mb ém conhecida por força de recuo e força de p r o f un d id ad e. (Fig. 1) 2 2 2 F p = F - F a C.30) Para o torneamento: 2 2 . 2 2 _ P F- » F - CFc + F f ) (31)
As compon e nt es situadas no plano efetivo de r ef er ên cia não c o n t r i b u e m p a r a a p ot ên ci a de corte.
Força E s p e c í fi c a de Corte e de Avanço
É a força de corte ou de avanço referente a u m a se ção de corte q u al qu e r (dada pelo produto da p r of u nd id a de de corte ap e do avanço f ou pelo p r od ut o do comprimento de corte b com a e s pe ssura de corte h) (Fig. 2) simbolizadas por K c e , res p e c t i v a m e n t e .
F I G U R A 2 - Seção de >corte para o torneamento.
A f o r ç a referente a uma secção de corte b.h = lmm. lmm, t ambém é d e n o m i n a d a de força e s pe c íf ic a de corte ou de avan ço, p orém são s i m b ol i za da s por K c ^ i e ^f 1 1 ’ respectivamen t e .
Os v a lo re s de K c ^ ^ e i i p o de m ser determi nados de d i ve r sa s manei ra s , porém, .atualmente, os seus cálculos, a través da e qu aç ã o p ot encial de Kienzle , •••sã©t:í-oslÇTãad;'StS'ii-íai’fundidos» <1 mundialmente.
A . = K c l a . h 1 -” c K c l a = F c /b (32) ' b' "
F f = K £ i a . h 1 ~inf K f 1 1 = F f/ b . h 1_inf C33) b
2.2.2 F atores 4 e Influência sobre a Força E sp e cí f i c a de Usi n a g e m
A força e sp ec íf i c a de u s i n ag e m depende de uma sêrie de fatores, alguns comuns para os diversos processos de u si na g em e outros e s pe cí f ic os de d e terminados processos.
0 estudo p or me n or i z a do foi feito por vários p e s quisa dores, a na l i s an d o a i nf lu ên ci a destes fatores sobre as componen tes da f o rç a de u s i n a g e m p ar a o p r ocesso de torneamento e de fura ção.
Podemos pois, dividi-los em dois grupos: fatores de i n f lu ê n c ia sobre as forças de u s i n a g e m que indepe nd em do processo de u s i n a g e m e fatores de influê nc ia dependentes do processo de u sinagem.
Fatores de I n fl uê nc ia Independentes do Processo
- M at er i a l da Peça compo s iç ão
t ratam en to térmico estru t ur a - Condições de Corte avanço p r o f u n di d ad e de corte v e l o c id a de de corte - F e r r am e nt a m a te r ia l de corte ângulo de saída ângulo de posição ângulo de inclinação ràio da ponta.
Fatores de Influência D ep en de nt es do Processo de Furação
- A tr it o p r ov ocado pela saída do cavaco e atrito da aresta lateral
- Corte transversal
- Â ngulo de saída (corrigido) - Â ngulo da p onta
- A f i a ç ã o da ferramenta - R e f r ig e ra çã o
Na l i te ra t ur a hã referências às seguintes influências sobre as forças específicas:
a) M a t e r i al da Peça
Para os a ç o s , o aumento da p o r c en ta ge m de carbono au menta o v alor da força e sp ec íf ic a de corte, en quanto o aumento da p o r c e n t a g e m de fõsforo acar reta u m a diminuição de K c
As forças específicas de u s i n a g e m sofrem influên cias da composição química, do tratamento térmi. co e da estrutura da m a t é r i a b r u t a a ser usinada.
b) Condições de Corte
0 avanço f e a p ro fu n di da de de corte a^ são v a ri a veis da equação de Kienzle, através da e sp es su ra de corte h e do comprimento de corte b, de modo que, através dela, pode-se observar suas influên cias sobre a força espec íf ic a de corte e de avanço. Quanto a influência da v e l o c i d a de de corte, esta foi e s tu d ad a por vãrios pesqui s ad or es que obtive
rara r e s u l t a d os análogos.
E m 1949, D i nn e b i e r (.23) e n c o n t r o u uma p e q u e na in f l u ê n c i a da v e l o c i d a d e de corte sobre a força de c o r t e n a furação, d e n t r o da faixa de v e lo c id ad es r e c o m e n d a d as .
P a r a v e l o c i d a d e s de corte m ui to altas ou muito bai^ xas e p a r a p eq uenos d i â me t r o s de b r o c a s , e n c on t ro u q ue o c o m p o r t a m e n t o da c u r v a do m om e n t o t o rs or se a p r o x i m a do da força axial.
E m 1960, Spur (11) v e r i f i c o u p a r a crescentes v e l £ ci d ad es de corte, i n i c i a l m e n t e uma inclin a çã o d £ c r e s c e n t e n a curva do m o m e n t o t orsor e da força de a v anço, p a r a na faixa u s ua l de v e lo c id a d e s (20 - 30 m/min) p e r m a n e c e r e m a p r o x i m a d a m e n t e constantes, -a.' presentando um valor mínimo, voltando a crescer para • vèloèi_ dades maiores, aproximando-se dos valores iniciais. Fig.(3). E m 1973, D o r r e n b e r g (.24) e st ud o u a f a i x a de v e l oc i d a de de c or t e de 18 atê 51 m /m in , em b rocas com fu ro i n t e r n o p a ra r e f r i g e r a ç ã o , e n co n t ra nd o o m e s m o c o m p o r t a m e n t o .
G e o m e t r i a da F e r r a m e n t a
- Â n g u l o de Saída
Q u a n t o m a i o r O v al or do ângulo de saída, m e n o r ê o valor- da força e s p e c í f i c a de u si nagem.
E m/ 1 9 59 , V i e r e g g e (25) d e t e r m i n o u a i nf l uê n c i a do /
â n g u l o de s aída e do â ngulo de p o s i çã o nas compo n e n t e s da força de u s i n a g e m p ar a o torneamento.
B a . j* XI 2 'LZ LO £ 0 8 o 0 6 2 0 4 S ‘ E
i
02 O «ifU.7 rr\m__ «sO.ll ">»■ 180250355 500 710 ÍOOO Rotopao n (l/m in) 1400 5 3 7,8 11,1 157 223 31A 44 3 180250355 500 710 ÍOOO 1400 i .. .. . ...____ . RotapJb n (L/m in)___ ____ 0 5,77,8 lU 157 22,3 31A . 44Velocidade de cort* v (m/min)
F I G U R A 3 - M o m e n t o t or s or e força de avanço na f uração em função da velocidade de corte segundo Spur (11).
3 5 0 2 3 0 0 T 2 5 0 « ! g1 2 0 0 1 H & io4 o 5 0 o - ; £ q» - 5 0 x=30 > . v " * / , x=60 > / FP / ' Fn / / , x=9C° * V / f .... FP u --- --- - ---+20° 0 o -2CP »20° 0 o -20? «20° 0 o -20° Angulo de safdp -j " • í !
FIGURA 4 - Variação das componentes da força de usinagem rio tomearnen
7 .. • . , f .
A i n f l u ê n c i a do ângulo de s a íd a y n a furação é es^ p e c i a l m e n t e interessante, uma v e z que ele v a r i a em a m p l o s l imites durante a u si nagem.
S p u r (11) e s t u d o u a i nf l uê nc ia do â ng u l o de saída l a t e r a l ( = â n gu lo da h él i c e (26) ) sobre as forças1 e s p e c í f i c a s de corte e de a v a nç o na furação, encon t r a n d o o r e su l t a d o m os tr ad o n a F i g u r a 5. -V t ' 2600 e F 2400 à ??oo 2000 •i 1800. 1600 ■—* 1400 1200 ÍOOO 800 600 400 200 Ò C u>1 09 í -»»1 i < / ' ” lcC l l 0 >s' 0 ® s V . 5 j: ü *S. ^ f n b " V ií t •• J \S 1 1 , j • 4 -4 4-X ' >icr 20“ 30° 40* á ^ -CP10° 20° 30- 40“ A n gu lo de saída la te ra l F I G U R A 5 - D e p e n d ê n c i a das f orças e s p e c í f i c a s de u s i n a g e m na f u ra çã o e m f un ç ã o do ângulo de saída lateral y , s e g u n d o S p ur (11).
Segundo Witte (20), a diminuição Celevação) de 1» g r a u no â n g ul o de saída, na faixa de 1 0 9 a 3 9 9 , impljl ca no a u m e n to Cdiminuição) de a p r o xi m ad a m e nt e 1,5% n a força de corte e 51 na f o rç a de avanço.
- Â n gu l o de Folga
A i n f l u e n c i a do ângulo de f olga sobre as forças de u s i n a g e m . s e dã,' p r in c i pa lm en te , para valores m u i t o pequenos, quando h ã um aumento do atrito e n tr e a pe ça e a s u p e r f í c i e de i n ci dê n ci a de ferramenta, au m e n t a n d o a força de usinagem.
- Â ng u lo de Inclinação
é v e r i f i c a d a somente p ar a v a lo re s n eg at i vo s e l ev a dos. N e s t e caso, no torneamento, a força p a s s i v a Fp a u m e n ta considerav el me nt e, p o de nd o f letir a pe ç a ou d e s l o c a r t ra ns ve rs a l m en t e a ferramenta. A Fi. g u r a 6 a p r e s e n t a os resultados obtidos por Abendroth
§ M en z e l . C27) • . T 5 0 0 2 j 4 0 0 E ® o 3 0 0 C <0 200 9 *o S. !00 £ ; o -4 0 ° -2 0 ° CP 20° Ângulo de inclinação X *
FIGURA 6 - Influencia do ângulo de inclinação X sobre a for ça de usinagem, :no t o rn e a me nt o (27).
- Â n g u l o de P o s i ç ã o
A i n f l u ê n c i a do â ng ul o de p o s i ç ã o nas c o mp o ne nt es d a f o r ç a de u s i n a g e m no torneamento, pode ser vis
%
to na F ig u r a 4 e F i g u r a 7.
Angulo de posiçdo X
F I G U R A 7 - I n fl u ên c i a do a ng u io ae p o s i ç ã o na força de u s i n a g e m n o t o r n ea me n to , segundo Schlesinger (28).
P a r a a furação, W i tt e (^20) encontrou os resultados jnostra dos na F ig u r a 8 , u s a n d o * u m â ngulo de ponta, v a r i a n do entre 80? e 1 4 0 9 , o que c or r e s po n de a u m angu lo de p os iç ão de 4 0 9 - 7 0 9 .
£ "■S. z /— - —---kcn-í1 *fl.l r. : - : 80* 100® 120° 140150“ Ângulo da ponta LO 0 3 0 8 0,7 0 “ /■ lmc -l-mr ' _ 1r ... , -T r 'j 80® LOO° 120* 140° 150* Ângulo da ponta
FIGURA 8 - Influência do ângulo da ponta de uma broca sobre a força específica de usinagem (20)
- A f i a ç ã o da F e r r a m en t a
« w
-0 e s ta do de afiação d\a f e r r a m e n t a exerce g r an d e i n f l u ê n c i a sobre a força de u s i n ag e m . Assim, tanto o a c a b a m e n t o inicial como o p r o p r i o desgaste d u r a n te a u s i n a g e m a l teram, s e n s i v e l me n t e , as c o m p o n e n tes da f o rç a de usinagem. N a furaçâo, o tipo de a f i a ç ã o da b r o c a C29) t am b ém influi n a f o rç a de u si na g e m . - F l u i d o de Corte No t o r n ea m en to , somente p a r a b a i x a s v e l o ci d ad es de corte, os f luídos de corte c o n t r i b u e m p a ra o a ba ix a m e n t o da f o r ç a de u si na ge m. G e r a l m e n t e , a refrigjs r ação é u s a d a p a r a d i m i n u i r 6 d e s g a s t e da f e r r a m e n ta e p e r m i t i r m a íores v e l o c i d a d e s de corte.
Na furação, com b r o c a h e l i c o i d a l , os fluidos de c orte a j u d a m no t r a n sp or te do cavaco.
2.2.3 M e d i ç ã o da Força de U s in ag em
Para as p r in ci pa is aplicações da força de usinagem, ge ralmente,. ê s u f i c i e n t e a determinação, da força de corte m é d i a ( me dição estática), mas, para o estudo do m e ca n i s m o de formação do cavaco e p a r a estudos de e st a bi li da de d in âm ic a da m á q u i n a : fer ramenta, é necessária a d e te r m i na ç ão da v a r i a ç ã o da f orça de cor te (medição dinâmica) .
As c om po ne nt es da força de u s i n a g e m são m e di d as atra vês de s i stemas de m e d i ç ão que s at is fa ç a m os seguintes requisitos:
- b o a s e n s ib i l i da d e - b o a p re cisão
- rigidez
- e xa tidão de r e pr od u çã o de forças v ar iá v ei s com tempo - i n se n s i b i l i d a d e quanto â v ar ia ç ã o de t e mp e r at ur a e
ã u mi d ad e
- e l ev a da f r e q ü ê n c i a própria.
diretaí
P ri n cí pi os de M e d i d a
A m e d i ç ã o da f o rç a de u s in a ge m pode ser d i reta ou in
M e d id a da força de us inagem d i r e ta •< p i e zeletr i ci da de m a g n e t o e s t r i c ç ã o r mecanica pneumática hidráulica elétrica v ar i aç ão da i n du tâ nc ia va r ia ç ã o da c a p a c i t ân c i a v a r i aç ã o da r e s i s t ê n c i a e l ét ri c a
A m e d i d a indir e ta é r e al iz a da através da m edição do d es l o c am e nt o de m olas, u t i l i z an d o - se meios m e c â n i c o s , pneumáticos , h id r á ul i co s e elétricos.
Para a m e d i ç ã o direta, tem-se o método baseado na pie zeletricidade e o b a se a do na magaietoestricção.
A t u a l m e n t e o s istema de m ed iç ão mais utilizado para a m e d i ç ã o de forças de u s i n a g e m são aqueles que usam transdutores de
força com e l em en to s sensíveis feito de cristal de quartzo, com a p r o v e i t a me n t o do e f eito p i e z e l é t r i c o , pois estes p o ss i b il it am me dir p r e c is a m e n t e as três componentes de força e o m o me nt o torsor nos diversos p r o ce s s o s de fabricação.
0 e f ei t o p i e z e lé t ri c o é a propr ie d ad e existente em certos cristais de se t o rn ar e m eletri c am en te carregados quando sub m et idos a esfor ço s mecânicos, e inversamente, deformar-se elastica m e nt e quando s ub me ti do s a u ma p o la ri za çã o elétrica.
E s ta p o l a r i z a ç ã o consiste na libertação de cargas ele tricas iguais e c o nt rá r ia s no cristal. Os cristais mais sensíveis a esta p r o p r i e d a d e são o quartzo e a turmalina. Porém, certos sais, como o sal de Rochele, o tartarato de p o tássio e o titanato de ba rio, a p r e se n ta m p ro p ri e d a de s análogas.
Os transdutores piezel ét ri co s com elemento de quartzo o f e r e c e m : - a l ta r e s i s t ên c ia de isolamento - alta r e s i s t ên c ia m e c â n i c a - alto m o d u l o de Young - não a pr es en ta efeito p ir oe lé tr ic o - b a i x a h i s t er es e - l i n ea r i d ad e extrem am en te alta f - e x c el e nt e estabilidade. í
A l e m disto, s o me n t e o quartzo apresenta, em três dire ç5es o rtogonais, efeito l o ngitudinal, efeito transversal e efei^ to de c i s a l h a m e n t o , como m o s t r a a Figura 9. ... i F. • ~
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e f e i t o I o i t g i t u d i n o l Q + ♦ + + + + + +* + + + + r * ^ 1 I",tr
i— i 0 e f e i t o t r a n s v e r s a l F 0 \ l . « i ,\
i + + + t +< +■ + + 4 + + + o b + F * e f e i t o de císarl h of p e n t o F I GU RA 9 - Efeito p i ez el êt ri co no quartzo.0 eixo y r e f e r e - s e ao eixo c r is ta lo gr ãf ic o do quartzo, o eixo z ê c h amado de eixo ó p ti c o e o eixo x, de eixo elétrico.
Nos efeitos l o ng i tu d in a i s e de cisalhamento a carga e lêtrica ê d i re t a m e n t e p r o p o r c i o n a l â força total a p l i c a d a ,a pa recen do nas s u pe r fí ci e s m e c a n i c a m e n t e carregadas, independendo do ta m a n h o e f or ma dos elementos de quartzo.
No efeito t ranversal, a p ro po r c i on a li d a d e entre a for ça a p li ca da e a carga e l é t r i c a continua, porém, a carga aparece na face normal ao eixo x, e d ep e nd e da relação entre as dimensões y/x. Por isso, ê, p r i n ci pa lm en te , usado para transdutores de pres.são e t ra nsdutores de força de a lt a sensibilidade.
A s e n s i b il i da d e nominal para o efeito longitudinal ê 2,31 p C / N e p ar a o efeito de cisalhamento ê de 4,62 pC/N; j3ara’o efeito transversal,, p od e- se obter sensib il id ad e de até 500 pC/N.
C A P Í T U L O 3
P L A N E J A M E N T O DO E X P E R I M E N T O
A p ó s u ma analise dos trabalhos realizados sobre for ças de u s i n ag e m, c onstata-se que uma lei u ni ve rs al de força de u s in a g e m não p od e ser defenida. No entanto, a d et er mi na çã o de ca racteres d e pe n d e n t e s do processo de fabric a çã o é possível, e em relação a isto p od e -s e fazer uma analise c om pa ra ti va entre os di versos p r oc e s s o s de usinagem. Por outro lado, isto implica em um g rande n ú me r o de dados, exigindo-se uma p es qu i s a mais abrangente.
C o n s i d e r a ç õ es de novos valores de influencia sobre as forças de corte no torneamento são possíveis, b e m como a trans m i s s i b i l i d a d e dos valores específicos para outros p ro cessos de usinagem, p o r e m não poderão ser aceitos com a n e c e ss á r i a precisão.
O o bj et iv o deste e xperimento ê fazer uma comparação r e lativa entre os processos de tornea me nt o e f u r a ç ã o , medind o- se as c o mp on e nt es da força de u si na g e m nos dois p r o c e s s o s , determinan do-se um m o d e l o de força de u s i n a ge m b a s e a d a na equação de Kienzle, com um fator de u s i n a g e m r ep re se n ta ti vo dos diversos fatores de influência, de m o d o que na u t il iz aç ã o prãtica, apresente uma boa p r ec i sã o e fácil manuseio.
Como se pretende fazer u ma comparação entre os dois processos, p a r e c e útil, que as forças que atuam na b r o c a s ejam a nalisadas e separadas de acordo com as influências d e pe nd en t es e indep e nd en te s do processo, como m os t r a a Figura 10.
Modelos de força de u
ç i n.iopn---
---I
FIGURA 10 - Representação esquemática para a construção de modelos de força de usinagem para o torneamento e furação.
A m a n u t e n ç ã o constante dos fatores independentes do processo nos ensaios de torneamento e furação, e o estudo dos com ponentes p r o c e s s u a is dependentes do p r oc es so de furação, possibi litaffi a, determinação. dos d ad os-básicos da equação de Kienzle
(Kc j ^ ; l - m c i j l _ni£ ; Kp ^ ^ ; 1 -m ) no t orneamento e sua ligação com os valores específicos dos processos de furação em cheio e f u r aç ão com pré-furo.
3.1 - S e me lh a nç a entre as C omponentes da Força de Usi n a ge m do Torne am en to e da Furação
S c h a l l b ro c h (30) e Rohlke (31) demonstraram, há tem pos atrás, a s e m e lh a n ç a entre o corte de u m a f er ra me nt a de tornear e o de uma broca. Figura 1 1 .
FIGURA 11 - Semelhança entre o corte de uma_broca e_uma_ferramenta .de tornear, de acordo com Rõhlke (31).
P o d e - s e observar- que a b r oc a helicoidal, a p ri nc íp i o, ê c o n s t i t u í d a de duas f e r r am en ta s de corte, h a ve nd o pois, g rande s e m e l h a n ç a entre as duas ferramentas. Entretando, a b r o c a p o s s u i algumas p r o p r i e d a d e s s e m s im il ar es na ferram en ta de tornear. Sua p on t a de corte ê p a r c i a l m e n t e c o mp os ta de u m gume t r a n sv e rs al (22)
r» !
c^ue p r od uz u m ..angulo de saída altam e nt e n e ga ti v o (y = - 5 5 9), s e n d o a v e l o c i d a de de c or t e no centro da b ro ca iguâl a zero. F i gu r a 12.
FIGURA 12 - Angulo de saída y , ângulo de folga ct e a velocidade de corte V , em função do diâmetro da broca (20).
0 â n g ul o de folga, e p r i n c i p a l m e n t e o a n r
não ê c o n s t a n t e ao longo da a resta principal de corte, a u m e n t a n do do c e nt ro p a r a a p e r i f e r i a , onde atinge seu v a lo r máximo.
D u r a n t e a furação, h á atrito entre o gume t r a n sv e r sal e o fundo do furo e entre o gume lateral e as paredes do fu r o , h a v e n d o t a m b é m a trito durante a saída do cavaco, com o canal e a p a re d e do furo. F ig u r a 12. A F i g u r a 13 m o s t r a a d is po si çã o das componentes da f o r ç a de u s i n a g e m na f e r r a m e n t a de tornear e na broca. ^2/ V ríi
\
F = Forpa de usinagem f£= Forpa de corte Fj= Fo rp a de avan ço Fp- Forpa passiva D = Diâm etro d a broca r = Ponto de dplicaçao dafo rça na b r o c a .
F I G U R A 13 - R e l ações de forças na b r o ca helicoidal., e na f e rr am e nt a de tornear.
3.2 P la n e j am e nt o dos Ensaios
C o m o intuito de eliminar a influência do corte trans versai e da a resta lateral, planejou-se_ a experiência abaixo. Figu ra 14.
Fz / 2 ( F f )
FIGURA 14 - Experiência planejada para estudar a composição das compo nentes da força específica de usinagem, sob a eliminação das influências específicas do processo de furação.
E st a montagem, m o s t r a grande semelhança com o corte ortogonal, e assim serã denomi n ad o p os te r iormente, e p o ss ib i l it a g rande s i mi l a ri da de entre os processos de torneamento e furação, a exceção da não const ân ci a do ângulo de saída y da broca, ao lon go do c o mp ri me nt o de corte, que serã s ubstituído por um ângulo de saída m e d i a no y na ferra me nt a de tornear.
0 ângulo de f olga a , angulo de inclinação X, ângulo de p osição x. ângulo da p o n t a e, e a p r of u nd i da de de corte serão i guais para os dois processos, enquanto as demais variáveis deve rão ser m a nt id a s sob idênticas condições.
A p a rt ir destes resultados , p retende-se determ in ar a i n fl uê nc ia dos fatores atrito do cavaco e atrito da aresta late r a l , bem como a influência da "aresta transversal", comparando-os com os result ad os de outras experiências a seguir mencionadas.
to do cavaco e a trito do gume lateral, planej o u- se o p r ocesso de f uração c o m prê-furo, uma vez que, neste caso, apenas as já corih£ cidas forças do corte ortogonal: m omento torsor e força axiãl, t ê m i n fl uê n ci a sobre estes componentes. Figura 15.
FIGURA 15 - Experiência planejada para estudar a composição das compo nentes da força específica de usinagem, sob a eliminação da influência da aresta transversal.
A força de corte na furação ortogonal e furação com pr e ^f u r o e d e t e r m i n a d a com o auxílio do m o me n to torsor M d e sob a su p os iç ão de q u e a força de corte resultante l ocaliza-se no cen tro da l a rgura de corte , sendo calculada de acordo com as "se guintes equações (2 0 ) :
força de corte:
F c = 2__ ___ M d (34)
D + d
f orça de corte relativa: P c = 4 . M d . sen x --- — 2— ---- -2---b D - d Onde: b = D - d (3 5 ) 2 sen x
