AULA 3
3. DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS PROCESSOS DE USINAGEM
3.1. Processos de Usinagem com Ferramentas de Geometria Definida
3.1.1.
Torneamento
Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies de revolução com auxílio de uma ou mais ferramentas monocortantes1. 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 referido eixo. Quanto à forma da trajetória, o torneamento pode ser retilíneo ou curvilíneo (Fig. 3.1).
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Figura 3.1 – Alguns processos de torneamento: (a) cilíndrico externo; (b) cônico externo; (c) curvilíneo;
(d) cilíndrico interno; (e) cônico interno; (f) sangramento radial.
Torneamento retilíneo. Processo de torneamento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória retilínea. O torneamento retilíneo pode ser: cilíndrico (externo, interno, sangramento axial),
cônico (externo, interno), radial (faceamento, sangramento radial) ou de perfil (radial ou axial).
Torneamento curvilíneo. Processo de torneamento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória curvilínea.
3.1.2.
Aplainamento
Processo mecânico 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
1
Denomina-se ferramenta de usinagem mecânica a ferramenta destinada à remoção de cavaco. No caso de possuir uma única superfície de saída, a ferramenta é chamada ferramenta monocortante; quando possuir mais de uma superfície de saída, é chamada ferramenta multicortante.
vertical. Quanto à finalidade, as operações de aplainamento podem ser classificadas ainda em
aplainamento de desbaste a aplainamento de acabamento (Fig. 3.2).
(a) (b) (c)
Figura 3.2 – Alguns processos de aplainamento: (a) de superfícies*; (b) de perfis; (c) de rasgos de chaveta.
3.1.3.
Furação
Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de um furo geralmente cilíndrico numa peça, com auxílio de uma ferramenta geralmente multicortante. Para tanto, a ferramenta ou a peça giram e simultaneamente a ferramenta ou a peça se deslocam segundo uma trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao eixo principal da máquina. A furação subdivide-se nas operações (Fig. 3.3):
(a) (b) (c) (d)
Figura 3.3 – Alguns processos de furação: (a) em cheio; (b) escareamento; (c) escalonada; (d) de centro.
Furação em cheio. Processo destinado à abertura de um furo cilíndrico numa peça, removendo todo o material compreendido no volume do furo final, na forma de cavaco. No caso de furos de grande profundidade há necessidade de ferramenta especial.
Escareamento. Processo destinado à abertura de um furo cilíndrico numa peça previamente furada. Furação escalonada. Processo destinado à obtenção de um furo com dois ou mais diâmetros,
simultaneamente.
Furação de centros. Processo destinado à obtenção de furos-guia na peça visando operação posterior. Trepanação. Processo em que apenas uma parte de material compreendido no volume do furo final é
reduzida a cavaco, permanecendo um núcleo maciço.
3.1.4.
Alargamento
Processo mecânico de usinagem destinado ao desbaste ou ao acabamento de furos cilíndricos ou cônicos, com auxílio de ferramenta geralmente multicortante. Para tanto, a ferramenta ou a peça giram e a ferramenta ou a peça se deslocam segundo uma trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao eixo de rotação da ferramenta. O alargamento pode ser de desbaste (cilíndrico, cônico) ou acabamento (cilíndrico, cônico) (Fig. 3.4).
(a) (b) (c) (d)
Figura 3.4 – Alguns processos de alargamento: (a) cilíndrico de desbaste*; (b) cilíndrico de acabamento; (c) cônico
de desbaste; (d) cônico de acabamento.
3.1.5.
Rebaixamento
Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de uma forma qualquer na extremidade de um furo. Para tanto, a ferramenta ou a peça giram e a ferramenta ou a peça se deslocam segundo uma trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao eixo de rotação da ferramenta (Fig. 3.5)2.
Figura 3.5 – Alguns processos de rebaixamento.
3.1.6.
Mandrilamento
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 a peça ou a ferramenta se deslocam simultaneamente segundo uma trajetória determinada. O mandrilamento pode ser cilíndrico, radial,
cônico e de superfícies especiais (p.ex. esférico, sangramento etc.). Quanto à finalidade, as operações de
mandrilamento podem ser classificadas ainda em desbaste e acabamento (Fig. 3.6).
(a) (b) (c)
Figura 3.6 – Alguns processos de mandrilamento: (a) cilíndrico*; (b) radial; (c) cônico.
3.1.7.
Fresamento
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 deslocam
segundo uma trajetória qualquer. Distinguem-se dois tipos básicos de fresamento: tangencial e frontal. Há casos que os dois tipos básicos de fresamento comparecem simultaneamente, podendo haver ou não predominância de um sobre outro (Fig. 3.7).
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Figura 3.7 – Alguns processos de fresamento: (a) cilíndrico tangencial; (b) cilíndrico tangencial concordante; (c)
cilíndrico tangencial discordante; (d) frontal; (e) frontal de canal com fresa de topo; (f) composto.
Fresamento cilíndrico tangencial. Processo de fresamento destinado à obtenção de superfície plana paralela 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 considerado um processo especial de fresamento tangencial.
Fresamento frontal. Processo de fresamento destinado à obtenção de superfície plana perpendicular ao eixo de rotação da ferramenta.
3.1.8.
Serramento
Processo mecânico de usinagem destinado ao secionamento ou recorte com auxílio, de ferramentas multicortantes de pequena espessura. Para tanto, a ferramenta gira ou se desloca, ou executa ambos os movimentos e a peça se desloca ou se mantém parada. O serramento pode ser retilíneo (alternativo, contínuo) e circular (Fig. 3.8).
(a) (b) (c)
Figura 3.8 – Alguns processos de serramento: (a) alternativo*; (b) contínuo; (c) circular.
Serramento retilíneo. Processo de serramento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória retilínea com movimento alternativo ou não (contínuo).
Serramento circular. Processo de serramento no qual a ferramenta gira ao redor de seu eixo e a peça ou ferramenta se desloca.
3.1.9.
Brochamento
Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies quaisquer com auxílio de ferramentas multicortantes. Para tanto, a ferramenta ou a peça se deslocam em trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao eixo da ferramenta. O brochamento pode ser interno ou externo (Fig. 3.9).
(a) (b)
Figura 3.9 – Processos de brochamento: (a) interno*; (b) externo.
3.1.10. Roscamento
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 (Fig. 3.10).
(a) (b) (c)
Figura 3.10 – Alguns processos de roscamento: (a) externo com ferramenta de perfil único; (b) interno com
ferramenta de perfil múltiplo; (c) interno com macho*.
3.2. Processos de Usinagem com Ferramentas de Geometria Não-Definida
3.2.1.
Retificação
Processo de usinagem destinado à obtenção de superfícies com auxílio de ferramenta abrasiva de revolução. Para tanto, a ferramenta gira e a peça ou a ferramenta se desloca segundo uma trajetória determinada, podendo a peça girar ou não. A retificação pode ser tangencial ou frontal (Fig. 3.11). Retificação tangencial. Processo de retificação executado com a superfície de revolução da
ferramenta. Pode ser: cilíndrica (externa ou interna, de revolução ou não, com diferentes avanços da ferramenta ou da peça); cônica (externa ou interna, com diferentes avanços da ferramenta ou da peça);
Retificação frontal. Processo de retificação executado com a face do rebolo. É geralmente executada
na superfície plana da peça, perpendicularmente ao eixo do rebolo. A retificação frontal pode ser com avanço retilíneo ou circular da peça.
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Figura 3.11 – Alguns processos de retificação: (a) cilíndrica externa com avanço longitudinal; (b) tangencial plana;
(c) frontal com avanço retilíneo da peça; (d) cônica externa com avanço longitudinal; (e) cilíndrica interna com avanço longitudinal; (f) cilíndrica sem centros com avanço longitudinal contínuo da peça.
3.2.2.
Brunimento
Processo mecânico de usinagem por abrasão, empregado no acabamento de furos cilíndricos de revolução, no qual todos 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 (Fig. 3.12).
Figura 3.12 – Processo de brunimento.
3.2.3.
Lapidação
Processo mecânico de usinagem por abrasão, executado com abrasivo aplicado por porta-ferramenta adequado, com objetivo de se obter dimensões especificadas da peça (Fig. 3.13).
3.2.4.
Polimento
Processo mecânico de usinagem por abrasão no qual a ferramenta é constituída por um disco ou conglomerado de discos revestidos de substâncias abrasivas (Fig. 3.14).
Figura 3.13 – Processo de lapidação. Figura 3.14 – Processo de polimento.
3.2.5.
Superacabamento
Processo mecânico de usinagem por abrasão, empregado no acabamento de peças, no qual os grãos ativos da ferramenta abrasiva estão em constante contato com a superfície da peça. Para tanto, a peça gira lentamente e, a ferramenta se desloca com movimento alternativo de pequena amplitude e frequência relativamente grande. O processo pode ser cilíndrico (Fig. 3.15a) ou plano (Fig. 3.15b).
(a) (b)
Figura 3.15 – Usinagem de superacabamento: (a) cilíndrico*; (b) plano.
3.2.6.
Espelhamento
Processo mecânico de usinagem por abrasão no qual é dado o acabamento final da peça por meio de abrasivos, associados a um dispositivo porta-ferramenta específico para cada tipo de operação, com o fim de se obter uma superfície especular (Fig. 3.16).
3.2.7.
Lixamento
Processo mecânico de usinagem por abrasão executado por abrasivo aderido a uma tela e movimentado com pressão contra a peça (Fig. 3.17).
3.2.8.
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 (Fig. 3.18).
Figura 3.17 – Processo de lixação com fita abrasiva. Figura 3.18 – Processo de jateamento.
3.2.9.
Limagem
Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies quaisquer com auxílio de ferramentas multicortantes (elaboradas por picagem) de movimento contínuo ou alternativo. O primeiro se dá por lima de segmentos em forma de fita (Fig. 3.19) e o segundo através de ferramenta manual*.
3.2.10. Tamboreamento
Processo mecânico de usinagem no qual as peças são colocadas no interior de um tambor rotativo, juntamente ou não com materiais especiais, para serem rebarbadas ou receberem um acabamento. A Figura 3.20 esquematiza o processo.
Figura 3.19 – Processo de limagem contínua. Figura 3.20 – Processo de tamboreamento.
3.2.11. 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 desempenhar sua função. Desta forma, são obtidos os
ângulos finais da ferramenta. A Figura 3.21 mostra o processo de afiação de uma ferramenta (bit) de aço-rápido utilizando um esmeril (pedra abrasiva).
Figura 3.21 – Processo de afiação
3.3. Processos Não-Convencionais de Usinagem
3.3.1.
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 20 kHz. As vibrações produzidas por um transdutor têm sua amplitude amplificada por um amplificador mecânico e transmitida a uma ferramenta de forma através do sonotrodo (Fig. 3.22).
Figura 3.22 – Esquema da usinagem por ultrassom.
3.3.2.
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
as moléculas, seccionando o mesmo com auxílio de grãos abrasivo. A configuração das instalações para corte com jato d’água (Fig. 3.23) pode ser subdividida em três blocos funcionais: bomba de alta pressão; instalação de corte; estação de filtragem.
Figura 3.23 – Esquema de uma instalação de corte por jato d’água.
3.3.3.
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 para 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 3.24 mostram a usinagem eletroquímica, na qual se pode observar a ferramenta e a peça mergulhadas em um eletrólito.
Figura 3.24 – Usinagem eletroquímica: peça antes e depois da usinagem.
3.3.4.
Usinagem por 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 fluido dielétrico ionizado. A distância da ferramenta à peça varia entre 10 e 50 m. O fluido dielétrico serve como condutor da faísca e como meio refrigerante. O perfil do eletrodo corresponde à contra forma 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 (Fig. 3.25): a fio e por penetração.
(a) (b)
Figura 3.25 – Usinagem por eletroerosão: (a) a fio; (b) por imersão.
3.3.5.
Usinagem por feixe de elétrons
Processo baseado na energia termelétrica 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 aplica à confecção de pequenos orifícios e cavidades. 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 3.26.
3.3.6.
Usinagem a laser
Processo baseado na energia termelétrica para remoção de material em que o metal é fundido e vaporizado por feixe colimado de luz monocromática intensa chamada LASER (do inglês Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation). O sistema de lentes focais produz um feixe de luz
concentrado, obtido por excitação dos elétrons de determinados átomos, utilizando um veículo ativo que pode ser um sólido (rubi) ou um gás de assistência (CO2 pressurizado). Este feixe de luz produz intensa
energia na forma de calor (Fig. 3.21). Este processo também se aplica a chapas finas de metal, madeira, plástico, vidro e cerâmica, com um mínimo de desperdício e sem distorções. Ao utilizar o laser tem-se um corte de altíssimo nível de precisão, o que permite realizar tarefas extremamente delicadas.
Figura 3.21 – Princípio de remoção pela usinagem por laser.
3.3.7.
Usinagem por arco 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 da peça-obra. A Figura 3.22 mostra o principio de remoção na usinagem por arco plasma.
3.4. Comparação dos Diferentes Processos de Fabricação por Usinagem
Diante dos muitos processos de fabricação por usinagem disponíveis, dos inúmeros aparatos tecnológicos, dos recém-desenvolvidos em laboratórios 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 a 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 conhecimentos e informações sobre as opções disponíveis, para que se possa avaliar criteriosamente o interesse industrial de cada método de trabalho.
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, como mostra a Tabela 3.1.
A Tabela 3.1 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 destes novos processos de usinagem, destaque da Tabela 3.2. Nota-se nesta última tabela que a eletroerosão aplica-se somente a materiais condutores. Consequentemente, o processo 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.
Tabela 3.1 – Divisão dos processos
não convencionais
Tabela 3.2 – Aplicações dos processos
não convencionais
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, como o aço inoxidável, o alumínio e outros metais não ferrosos, tendo surgido como uma alternativa ao oxicorte, que não era aplicável aos materiais acima por gerar reações químicas.
NATUREZA ENERGÉTICA
MODO DE REMOÇÃO
PROCESSO
Mecânica Erosão Jato D’água
Ultrassom Química Reações químicas Remoção química Eletroquímica Reações eletrolíticas Remoção eletroquímica Termelétrica Fusão/ vaporização Corte a laser Corte a plasma Feixe de elétrons Eletroerosão PROCESSO APLICAÇÕES Eletroerosão Remoção eletroquímica Corte a plasma
Usinagens diversas em materiais condutores
Ultrassom Usinagens diversas em materiais maus condutores Remoção
química Usinagem de peças delicadas Corte a laser
Feixe de elétrons Jato D’água
Em uma segunda categoria, a dos métodos aplicados a materiais maus condutores, destacam-se o ultrassom e o ultrassom rotativo. Estes métodos são especialmente adequados para a usinagem de materiais frágeis, duros ou quebradiços, como o vidro, a cerâmica e o diamante.
Quando o objetivo é a micro-usinagem, o campo de escolha do método pode recair sobre o feixe de elétrons, o jato d’água ou o laser (Fig. 3.23).
Figura 3.23 – Micro-usinagem laser 3D de uma borboleta ao lado de uma moeda.
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 contraindicado 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. Assim, uma visão de conjunto das diferentes técnicas é sempre indispensável para julgar com conhecimento de causa, sem deixar de lado os procedimentos convencionais, facilmente ignorados, embora mais econômicos em algumas situações.
