6.2 USINABILIDADE DE ALTA VEL

(1)

(2)

USINAGEM

Usinagem é um processo onde a peça é obtida

através da retirada de cavacos (aparas de metal)

de uma peça bruta, através de ferramentas

adequadas.

A usinagem confere à peça uma precisão

dimensional e um acabamento superficial que

não podem ser obtidos por nenhum outro

processo de fabricação.

É por este motivo que a maioria das peças, mesmo

quando obtidas através de outros processos,

recebe seu formato final através de usinagem.

2 Prof. Fernando Penteado.

(3)

A USINAGEM NO

CONTEXTO DOS

PROCESSOS DE

FABRICAÇÃO

(4)



Na obtenção de peças pela retirada de cavacos

verificamos que cada material tem um comportamento

diferente.



Enquanto uns podem ser trabalhados facilmente,

outros apresentam problemas tais como:

Empastamento, desgaste rápido da ferramenta, mau

acabamento, necessidade de grande potência para o

corte, etc. Isto varia de acordo com a usinabilidade do

material



Podemos definir usinabilidade como sendo o grau de

dificuldade que determinado material apresenta para

ser usinado.

Usinabilidade dos Materiais

(5)



A usinabilidade não depende apenas das

características do material, mas também, de outros

parâmetros da usinagem, tais como: refrigeração,

rigidez do sistema máquina-ferramenta, das

características da ferramenta, tipo de operação, etc



Assim, dependendo das condições de usinagem um

mesmo material poderá ter variações em sua

usinabilidade.

(6)



A usinabilidade normalmente é determinada por

comparação e para determinada característica, tal

como a vida da ferramenta.



Neste caso pode-se determinar um índice de

usinabilidade através da comparação com o

desempenho previamente conhecido de um material

padrão.

Critérios para a Determinação da

Usinabilidade dos Materiais

(7)



Os principais critérios, que são passíveis de serem

expressos em valores numéricos, são:



· Vida da ferramenta



· Força de corte



· Potência consumida

Determinação da Usinabilidade dos

Materiais

(8)



Esses parâmetros servem, também, para definir o

custo do trabalho de usinagem.



Assim, a vida da ferramenta entre duas afiações

sucessivas tem grande influência no custo de

operação.



A força e a potência limitam as dimensões máximas de

corte e, portanto, o volume de material removido por

hora-máquina.



Além disso, a exigência de um acabamento de alta

qualidade poderá influir, também, no custo de

usinagem.

Determinação da Usinabilidade dos

Materiais

(9)



Baseadas principalmente nestes critérios é que são

estabelecidas as tabelas e os gráficos que indicam o

comportamento de cada material na usinagem.

Embora seja impossível determinar-se com precisão

um índice de usinabilidade para cada material, estas

tabelas são de grande valor para estabelecer

parâmetros iniciais de partida que, de acordo com as

condições específicas de cada trabalho, poderão ser

trazidos para valores mais adequados, através de

Determinação da Usinabilidade dos

(10)



Dureza e resistência mecânica: Valores baixos

geralmente favorecem a usinabilidade



Ductibilidade: Valores baixos geralmente

favorecem a usinabilidade



Condutividade térmica: Valores elevados

geralmente favorecem a usinabilidade



Taxa de encruamento: Valores baixos

geralmente favorecem a usinabilidade

Propriedade dos Materiais que podem

influenciar na Usinabilidade

(11)

Mecanismo de formação do cavaco

A formação do cavaco influencia diversos fatores

ligados a usinagem, tais como:

• Desgaste da ferramenta

• Esforços de corte

• Calor gerado na usinagem

(12)

Mecanismo de formação do cavaco

Assim estão envolvidos com o processo de formação

de cavaco os seguintes aspectos:

• Econômicos

• Qualidade da peca

• Segurança do Operador

• Utilização adequada da máquina, etc

(13)

Etapas da formação do cavaco

1) recalque (deformação elástica)

2) deformação plástica

3) ruptura (cisalhamento)

(14)

Mecanismo de formação do cavaco

O corte dos metais envolve o cisalhamento concentrado

ao longo de um plano chamado plano de cisalhamento.

O ângulo entre o plano de cisalhamento e a direção de

de corte é chamado de ângulo de cisalhamento (Ø).

Quanto maior a deformação do cavaco sendo formado,

menor será Ø e maior será o esforço de corte.

Fator de Recalque,  = h₂/h₁ =s₂/s₁

 = f(pressão específica do cavaco sobre a ferramenta, volume do cavaco

(15)

Mecanismo de formação do cavaco

Ø

Plano de cisalhamento Ângulo de cisalhamento Cizalha Fratura

(16)

Tipos de cavaco

De ruptura

De cisalhamento

_Contínuo

O fenômeno de formação do cavaco é periódico

Aço

Ferro

fundido

Aço

(17)

FERRAMENTA

Zona primária

Zona secundária

(cisalhamento/atrito)

Fontes de Calor

Zona terciária

(atrito)

(18)

Distribuição de Calor

(19)

Controle da Forma do Cavaco

Problemas relacionados à forma do cavaco:



Segurança do Operador



Possíveis danos à ferramenta e à peça



Dificuldades de manuseio e armazenagem

do cavaco



Forças de corte, temperatura e vida da

ferramenta

(20)

Ângulos de saída positivos e negativos

(21)

Contínuo: O ângulo de saída deve ser grande

De ruptura: O ângulo de saída deve ser baixo, nulo

ou negativo.

(22)

Formas assumidas pelos cavacos

• Em fita

• Helic oidal • Em pedaços 22

(23)

A melhor maneira de se promover a curvatura

vertical do cavaco, para causar a sua ruptura é a

colocação de um obstáculo no caminho do fluxo do

cavaco, chamado de quebra-cavaco

A diminuição do ângulo de saída e/ou inclinação da

ferramenta e o aumento do atrito

cavaco-ferramenta, também promovem a curvatura vertical

(24)

Pastilha

Quebra-cavaco

Mecanismo de ruptura do cavaco

Os quebra-cavacos podem ser moldados na superfície de saída

da ferramenta ou postiços ₂₄

(25)

Influência da velocidade de

corte na quebra do cavaco

• _{Em baixas velocidades de corte os cavacos}

geralmente apresentam boa curvatura,

quebrando com facilidade.

• _{Quando as velocidades aumentam, no caso}

de materiais dúcteis, pode haver maior

dificuldade para a quebra.

(26)

Influência da profundidade de

usinagem na quebra do cavaco

• _{Grandes profundidades de usinagem facilitam a}

quebra do cavaco.

• _{A relação entre o raio da ponta da ferramenta e a}

profundidade de usinagem influencia na quebra do

cavaco:

a

p

/r pequeno = dificuldade na quebra

a

p

/r grande = facilidade na quebra

r

(27)

Forças de Usinagem

Ff Fp Fc=Fap Ft FU=força de usinagem Ft=força ativa. Fp=força passiva

(28)

Potências de Usinagem

Potência de Corte

Fc [N] e Vc [m/min]

]

kW

[

.

V

.

F

_c

3

10

60 

c

P

(29)

Potências de Usinagem

Potência de Avanço

]

kW

[

.

V

.

F

_f

6

10

60 

f

P

(30)

Potências de Usinagem

Como Pf<<<Pc costuma-se dimensionar o motor da

máquina operatriz apenas pela Pc

Potência fornecida pelo motor

60% a 80% para máquinas convencionais e 90% para máquinas CNC





P

c

P

_m





(31)

Potências de Usinagem

A força de corte pode ser expressa pela relação:

Ks = Pressão específica de corte

A

.

K

F

_c



_s

(32)

Cálculo da pressão específica de corte - Ks

Segundo Kienzle Ks é função da espessura de corte h

z

h

.





K

_s1

Ks

b

.

h

.

K

b

.

h

.

K

F



_s



_s



z



1

1 c

(33)

Cálculo da pressão específica de corte - Ks

Material σt [N/mm²] 1-z Ks1 Aço 1030 520 0,74 1990 1040 620 0,83 2110 1050 720 0,70 2260 1045 670 0,86 2220 1060 770 0,82 2130 8620 770 0,74 2100 4320 630 0,70 2260 4140 730 0,74 2500 4137 600 0,79 2240

(34)

Exercício

Determinar a potência do motor de um torno

universal que deve fazer um torneamento

cilíndrico em uma barra de aço 8620 com

diâmetro 50 mm.

Parâmetros de corte: Vc = 110 m/min, ap = 1,4

mm e f = 0,4 mm/rot.

Ferramenta: Metal duro s/fluido de corte.

Rendimento mecânico da transmissão do

motor à árvore principal: 70%.

(35)

Usinagem em Altíssimas

Velocidades (HSM/HSC)

(36)

Aspecto Histórico

 A tecnologia de usinagem em altíssimas velocidades HSM/HSC foi desenvolvida há mais de 70 anos, pelo pesquisador C. Salomon. O método criado foi patenteado em 27 de abril de 1931 na Alemanha e a patente concedida a Friderich Krupp AG;

 O resultado mais importante descrito no trabalho de C. Salomon foi o fato de que, acima de uma determinada velocidade de corte, as temperaturas de corte começavam a cair;

 De acordo com o conhecimento da época, o aumento da

velocidade de corte correspondia um aumento da temperatura.

 O que Salomon pôde observar é que a partir de um determinado ponto as temperaturas caiam. Ou seja, aumentando-se a velocidade, a temperatura caía e as forças de corte também. Ele comprovou experimentalmente um dado novo, contrário às teorias e experimentos até então realizados.

(37)

Aspecto Histórico

 Apresentam-se na figuras as curvas de temperatura versus a velocidade de corte, obtidas por Salomon e por McGee outro autor que realizou pesquisa semelhante mas afirmando que a temperatura sempre tendia a subir com o aumento da velocidade de corte.

(38)

Aspecto Histórico

 As pesquisas na área de alta velocidade foram retomadas após a Segunda Guerra. Primeiro por Kustnetsov, na Suíça, e depois por Vaughn e Kronenberg, já no final da década de 50 e início dos 60;

 Depois de décadas relegada ao esquecimento, a tecnologia ressurgiu nos anos 80 a partir de estudos realizados em vários países, especialmente na Alemanha, pelo professor Herbert Schulz, da Darmstadt University of Technology, dando início a novas pesquisas visando o desenvolvimento da tecnologia com fins industriais;

 Nos anos 90, chegou ao ambiente industrial. Hoje, pode-se dizer que a HSM/HSC já garantiu seu espaço na manufatura, especialmente nos segmentos de peças aeronáuticas, automobilísticas e de moldes e matrizes, com grande potencial ainda para ocupar outros nichos;

 Comprovaram-se as teorias de Salomon, em especial a de que o processo possibilita melhor qualidade superficial.

(39)

Definição de Usinagem HSM/HSC/HST

 Não existe um consenso da literatura em relação à definição de

HSC (High Speed Cutting)/HSM (High Speed Machining)/HST (High Speed Tapping);

 A definição do que é altíssima velocidade de corte está intimamente associado ao tipo de material usinado, tipo de operação de corte e tipo de ferramenta, entre outros itens;

 Na literatura é comum definir HSC/HSM como a usinagem de materiais com velocidades de corte e taxas de avanço que utilizam fatores de 5 até 8 vezes as velocidades de corte e avanços tradicionais;

 Alguns especialistas consideram que "alta velocidade" é aquela que atinge a faixa de 7 a 10 vezes superior à velocidade de corte v_c ,

(40)

Definição de Usinagem HSM/HSC/HST

 _{Assim, o conceito HSC/HSM é dinâmico. Ele acompanha o desenvolvimento}

tecnológico em termos de máquinas-ferramenta, ferramentas e recobrimento de pastilhas. Conforme avançam as possibilidades convencionais de velocidade, avançam também os requisitos da HSC;

 _{O rosqueamento com macho cortante, por exemplo, é um processo}

complexo, onde as velocidades de corte normalmente são muito baixas, de forma que sua classificação não está contemplada nesta configuração. Mas é possível rosquear com HST (High Speed Tapping), utilizando ferramentas de

corte com macho máquina;

 _{Muitos usuários buscam definir a HSM considerando apenas a rpm que uma}

máquina proporciona, porém nem a velocidade, nem a aceleração, nem a ferramenta, isoladamente, são suficientes para ter sucesso na aplicação da tecnologia. No máximo, podemos dizer que o número de rpm é um dos meios para se atingir os objetivos ou, ainda, um ponto de partida.

(41)

(42)

Definição de Usinagem HSM/HSC/HST

Variação da temperatura com a velocidade de corte.

(43)

Definição de Usinagem HSM/HSC/HST

 _{A HSM não significa simplesmente usinar com altas velocidades. Ela deve}

ser vista como um processo em que as operações são realizadas por meio de métodos muito específicos e em equipamentos de produção de alta precisão;

 _{A HSM não é necessariamente a usinagem com altas velocidades do fuso.}

Muitas aplicações em HSM são realizadas com velocidades moderadas do fuso e fresas de tamanho grande;

 _{A HSM é realizada no acabamento de aços endurecidos com velocidades e}

avanços elevados, freqüentemente 4-6 vezes os dados de corte convencionais.

 _{A HSM significa Usinagem de Alta Produtividade de peças de tamanho}

pequeno no desbaste e acabamento e no acabamento e acabamento fino de peças de todos os tamanhos.

 _{A HSM crescerá em importância quanto mais próximo do formato final a peça}

(44)

Processos de Usinagem com HSM

Fresamento

 O fresamento é a área clássica de aplicação para HSM. A produção de peças com grandes remoções de metal, como peças integrais da indústria aeroespacial, ou fabricação de moldes e matrizes são as aplicações típicas;

 O fresamento de peças de paredes fina, relativamente instáveis, é possível com o alto nível de precisão dimensional, graças às forças de corte significativamente reduzidas;

 As peças fresadas em HSM são caracterizadas pela precisão dimensional e qualidade superficial;

 Assim como na furação, os parâmetros de corte ainda são na maioria das vezes limitados pela velocidade máxima do fuso das máquinas-ferramenta, bem como pelos seus deslocamentos.

(45)

Processos de Usinagem com HSM

Torneamento



Usinagem com HSM é empregada no torneamento de ferros

fundidos, alumínio ou não-ferrosos, superligas resistentes ao

calor e, em especial, em metais endurecidos acima de 54 HRc;



Este processo é utilizado principalmente para a produção de

componentes automotivos e componentes das indústrias de

engenharia em geral;



Tem como vantagem principal a alta produtividade e, em

algumas aplicações, o acabamento superficial é um fator

extremamente positivo, como no caso do torneamento de

(46)

Processos de Usinagem com HSM

Rosqueamento (HST – High Speed Tapping)

 A idéia do rosqueamento a com macho a altas velocidades não é nova, embora só nos últimos 10 anos – com os avanços nas máquinas, ferramentas e cabeçotes de rosquear – é que foi possível a sua implementação na indústria;

 _{O rosqueamento com macho é, na maioria dos casos, uma das últimas}

operações. Dessa forma, o processo tem que ser bom o suficiente para minimizar refugos. As operações anteriores (furação e algumas vezes alargamento) realizam importante papel nos resultados das operações de rosqueamento;

 Apresenta dificuldades, devido ao sobremetal , a remoção de cavacos e problemas com a necessidade de reversão na rotação.

(47)

Processos de Usinagem com HSM

Furação

 Na prática, a furação HSM é principalmente usada na usinagem de alumínio;

 As ferramentas rotativas sólidas, principalmente as brocas, apenas recentemente tem superado ao atraso em relação aos outros processos com HSM;

 Essa defasagem deve-se a vários fatores, como material e geometria da broca inadequados, furos com grandes profundidades e desinformação, entre outros;

 Devido ao desenvolvimento de máquinas mais estáveis, o uso de brocas inteiriças de metal duro com canais otimizados para um melhor escoamento dos cavacos e tolerâncias mais precisas é crescente com a

(48)

Máquinas para HSC/HSM

 A tecnologia HSM ou HSC está sendo cada vez mais difundida devido às vantagens que proporciona, tais como a redução no tempo de produção e a precisão. Porém os fabricantes de equipamentos ainda não chegaram ao consenso sobre os parâmetros que definem o que é uma máquina de usinagem de alta velocidade;

 _{As solicitações cinemáticas e dinâmicas, que são submetidas às}

máquinas e ferramentas durante o processo de usinagem a altíssimas velocidades de corte exigem uma nova maneira de construção da máquina-ferramenta, no que se refere ao projeto e características construtivas;

 _{Entre as novas concepções empregadas nestas máquinas, os novos}

eixos-árvore possibilitam avanços com acelerações significativamente maiores do que as máquinas convencionais. Isso requer das máquinas condições extremas de lubrificação e rigidez;

(49)

Máquinas para HSC/HSM

 _{Outra grande modificação empregada nestas máquinas é a utilização}

de motores lineares, que possibilitam o alcance de deslocamento rápido dos carros de translação sem perdas de potência. Tais motores constituem o elemento chave de diferenciação de uma máquina HSM e estão intimamente relacionados ao emprego de um novo conceito de projeto de máquinas, onde eixos não cartesianos possibilitam uma grande flexibilidade associada aos recursos da usinagem HSC;

 _{Deve-se ainda ressaltar que o emprego destas máquinas impulsionou}

o desenvolvimento de comandos CNC, especificamente adaptados à usinagem HSC, com alterações conceituais nos algoritmos de software e com alterações profundas de hardware;

 _{Principais fabricantes/fornecedores do mercado: B. Grob, Berhold}

(50)

Máquinas para HSC/HSM

Características construtivas genéricas

 O conceito que embasa a escolha de uma máquina HSM, deve estar sedimentado no tipo de aplicação em que ela será utilizada e quais serão os requisitos mínimos desta aplicação.

 _{A figura, mostra uma máquina HSC, fornecedor Mazak com as seguintes}

características:

 Modelo Mazak FF-510;

 Aceleração do fuso (0-15.000 rpm) 1,3 s;

 Rotação máxima do fuso 15.000 rpm;

 Deslocamento rápido (eixos X,Y,Z) 60 m/min;

 Tempo de troca de ferramentas 0,45 s;

(51)

Máquinas para HSC/HSM

Características construtivas genéricas

_{Pode-se afirmar que não existem máquinas HSM para aplicações universais. Para}

cada caso particular de usinagem deverão ocorrer modificações nos componentes da máquina, a fim de adequar o equipamento às novas exigências do processo. Um exemplo está representado pela figura a seguir, como máquina utilizada para fabricação de peças aeroespaciais e aeronáuticas;

_{Para a obtenção de um bom desempenho dinâmico, em geral a base da máquina}

deverá ser fabricado em concreto polimérico, o que garantirá um componente de absorção em altas solicitações bastante favorável.

Modelo: HYPERSONIC 1400L

 Mesa: 4000 X 1250 mm

 Percurso X/Y/Z axis: 4200 X 1400 X 585 mm

 Avanço: 120 m/min

(52)

Máquinas para HSC/HSM

Eixos-árvore, carros de translação, guias e fusos

 Como regra geral, o projeto do eixo-árvore deve considerar um motor integrado, devido á

divisão da freqüência do motor pelos rolamentos. Desta maneira, o uso de construções compactas e rígidas permite o alcance de freqüências críticas elevadas, em comparação às máquinas normais;

 Buscando a maximização do torque, o diâmetro da montagem será limitado principalmente pela velocidade periférica (força centrífuga) e pelas características do material utilizado. Operações contínuas e de grande duração poderão atingir velocidades da ordem de 7.500 m/min, enquanto operações de ciclos curtos poderão utilizar velocidades de 9.000 m/min;

 A utilização de construções leves permite aumentos significativos da aceleração, especialmente com a utilização de motores lineares. Visando esta condição, todos os componentes da máquina devem ser produzidos mantendo-se uma relação de peso bastante reduzida, possibilitado por novos materiais como o alumínio, o titânio e plásticos reforçados;

 Além do material, outros fatores que podem ser utilizados para este fim são as otimizações da geometria dimensional, as melhorias conceituais do projeto e a busca por melhores sistemas de fixação;

(53)

Máquinas para HSC/HSM

Eixos-árvore, carros de translação, guias e fusos

 Praticamente todos os componentes móveis das máquinas HSM possuem guias lineares (figura abaixo), porque elas apresentam redução do coeficiente de atrito e garantias de melhor precisão, em virtude da utilização de rolos e esferas;

 Pode-se afirmar que a opção de fusos de esferas recirculantes ocasiona a redução de folgas e do próprio momento de inércia, aumentando o avanço por rotação em até três vezes. Nestes casos, pode se atingir até 100 m/min.

Detalhe de guias lineares de uma máquina HSC Fonte Albano, A. (2007).

(54)

Máquinas para HSC/HSM

Cinemática paralela

 A configuração mais comum para máquinas ferramenta de cinemática paralela inclui seis tirantes de comprimentos variáveis e duas plataformas, uma externa que é definida como a plataforma móvel e que tem seis graus de liberdade relativos à outra plataforma que é a base fixa. Com seis graus de liberdade a plataforma móvel é singularmente capaz de mudança em três direções lineares e três direções angulares ou em qualquer combinação;

 Nas máquinas de Cinemática paralela, são habilitados todos os seis graus de liberdade com um arranjo paralelo unificado de atuadores (braços);

Estrutura hexapode da 6X Hexa

(55)

Máquinas para HSC/HSM

Cinemática paralela

 _{Máquinas convencionais necessitam de mecanismos lineares ou}

rotativos para executar cada grau de liberdade, isto não é necessário para as máquinas de cinemática paralela, como conseqüência, temos redução em tempo de “setup” por causa da forma inteligente de alcançar a peça de trabalho;

 _{Uma máquina de multieixos convencional tem uma série de}

acoplamentos móveis conectados e cada um contribui com um pouco de folga, em uma máquina de cinco eixos haverá um mínimo de seis acoplamentos. Nestas máquinas as ligações agem em paralelo e não consecutivamente eliminando acúmulo

(56)

Máquinas para HSC/HSM

Cinemática paralela

 Estas máquinas operatrizes podem aparecer tanto na configuração clássica da Plataforma de Stewart, (Figura 1) como na configuração invertida, (Figura 2) sendo a configuração invertida a mais comum para máquinas operatrizes.

Figura 1 - Plataforma de Stewart Clássica

Fonte Albano, A. (2007).

Figura 2 - Plataforma de Stewart Invertida Vertical- Cosmo Center PM 600

(57)

Ferramentas para HSM/HSC

 Para usinar uma peça a alta velocidade não basta uma máquina ferramenta que permita velocidades de rotação elevadas, grandes avanços e altas acelerações e desacelerações, são necessárias também ferramentas de corte adequadas;

 Conforme o gráfico abaixo, a baixa vida útil da ferramenta de corte é um fator importante a ser considerado nos processos devido aos custos.

(58)

Ferramentas para HSM/HSC

 _{A tecnologia mais importante que tornou o HSM possível na área de}

ferramentas foi o desenvolvimento de coberturas/revestimentos para ferramentas e pastilhas de metal duro;

 As ferramentas HSC típicas são aquelas que geralmente apresentam as arestas de corte de diamante policristalino (PCD), ou nitreto cúbico de boro (CBN), firmemente soldadas (fixadas) ao corpo básico, mas podem apresentar também outras configurações;

 Elas apresentam resultados muito bons no mandrilamento de furos de precisão e em operações de fresamento circular, entre outras (em diâmetros internos maiores o fresamento circular de interpolação pode ser uma alternativa ao mandrilamento de precisão).

Inserto de PCD ou CBN

(59)

Ferramentas para HSM/HSC

 _{As ferramentas PCD são ideais para a usinagem de materiais não}

ferrosos (alumínio), atingindo-se a vida da ferramenta de dez mil até cem mil peças com níveis muito elevados de qualidade superficial e precisão;

 _{As ferramentas CBN são ideais para a usinagem de materiais}

ferrosos (aço e ferro cinzento);

 _{Os alargadores (figura), para corte a alta velocidade, definida como}

ferramentas de alta precisão, com almofadas guias, representam uma área especial de uso, permitindo a usinagem de furos nas faixas de tolerância mais apertadas também em centros de usinagem.

(60)

Ferramentas para HSM/HSC

No corte de peças de alumínio com ferramentas de diamante de alta precisão com guias, são usadas velocidades de corte de até 2.500 m/mm enquanto, velocidades de corte de até 1.000 m/min já estão sendo utilizadas com sucesso na usinagem de ferro fundido cinzento; Estas altas velocidades de corte são possíveis devido às guias de diamante e às arestas de corte de diamante ou de CBN, são atingidas qualidades superficiais Ra de 0,2 μm em alumínio, 0,3 μm em aço e 0,8 μm em ferro fundido cinzento;

Normalmente, o refrigerante tem cerca de 8% de óleo de corte e é suprido através da ferramenta de alta precisão para as guias e para as arestas de corte, a uma pressão entre 20 e 30 bars. Atualmente ferramentas assim já estão sendo usadas com lubrificação mínima, em desenvolvimento também estão os processos de alargamento HSC com remoção de microcavacos a velocidades de corte e avanços elevados.

(61)

Ferramentas para HSM/HSC

Uma ferramenta HSC consiste não só de aresta de corte e corpo, mas também de interface, ou seja, da conexão entre a ferramenta e a máquina e pode ser muito complexa como, por exemplo, ser equipada com guias deslizantes

integradas e ou características similares. Enquanto no torneamento a alta

velocidade, que é feito com ferramental fixo, não existe tensões mais elevadas na ferramenta (exceto na aresta e corte);

São exigidos requisitos mais apertados das ferramentas HSC rotativas, como as fresas, devido às altas velocidades de rotação e forças centrífugas. As operações de fresamento compõem a grande maioria das aplicações HSC;

O calor gerado durante o arranque de cavacos é principalmente eliminado junto com eles, resultando em um alto volume de cavacos que é produzido, e deve ser removido, de maneira que a ferramenta deva ter canais de cavacos adequados;

(62)

Ferramentas para HSM/HSC

 Os acessórios, e as fixações das ferramentas de corte, constituem outro elemento chave no desenvolvimento da usinagem HSC, tanto em relação aos materiais das ferramentas e da peça quanto ao projeto deve-se dar atenção especial aos sistemas de fixação da ferramenta nas máquinas, devido aos altos esforços a que elas são submetidas;

 Muitas vezes, estas ferramentas atingem velocidades de corte acima de 8.000 m/min que exige delas características como alta rigidez na fixação, tenacidade no corte e tolerância a altas temperaturas geradas durante a usinagem;

 As ferramentas de corte a serem utilizadas em processos de usinagem HSC, devem ter aspectos de projeto e confecção visando atuar em quatro aspectos: material da ferramenta, geometria de corte, sistema ferramenta-máquina e design da ferramenta.

(63)

Ferramentas para HSM/HSC

O balanceamento das ferramentas HSC é fundamental

para a utilização da tecnologia da alta velocidade;

Quanto mais balanceada estiver a ferramenta, mais suave

é o acabamento superficial produzido.

(64)

Fluidos de corte para HSM/HSC

Na abordagem HSC, dois fatores são importantes:

 _{Primeiro é importante saber que, com a aceleração do processo, a} distribuição de calor entre peça, cavaco, ferramenta e meio ambiente é alterada e, em conseqüência, a função de refrigeração sofre modificações importantes. Quanto maior a velocidade de corte, maiores são os percentuais de calor que vão para o cavaco e para o meio ambiente e menores são os percentuais que vão para a peça e para a ferramenta. Isso porque na aceleração do processo, maior é a convecção com o meio ambiente e o tempo para a transferência de calor gerado no cisalhamento do material é diminuído, com o cavaco carregando, assim, a maior porcentagem do calor gerado.

(65)

Fluidos de corte para HSM/HSC

Segundo, é importante saber que, com essa aceleração, a

penetração do fluido de corte na interface

cavaco-ferramenta é cada vez mais difícil, pois o fluido precisa

vencer o fluxo contrário de cavaco cada vez maior, que se

apresenta como um empecilho a essa penetração. A

consequência disto é que o fluido de corte tem maior

dificuldade de exercer suas principais funções (refrigerar e

lubrificar) em usinagem HSC.

(66)

Fluidos de corte para HSM/HSC

 Os fluídos de corte vem encontrando nos últimos anos restrições com relação ao seu uso nos principais processos de usinagem. Os fatores que justificam esta rejeição ao emprego dos fluidos de corte estão relacionados com os altos custos operacionais, às questões ecológicas, às exigências legais para preservação do meio ambiente e da saúde do ser humano;

 Em HSC estes fatores estão ainda mais evidentes, uma vez que as rotações envolvidas nos processos são elevadas, o que faz aumentar os respingos e a suspensão de partículas no ambiente;

 Desta forma iniciou-se, nos últimos anos, uma busca por novas técnicas que permitissem a redução da quantidade de fluido de corte ou até mesmo a extinção de seu emprego nos processos de

(67)

Fluidos de corte para HSM/HSC

 _{Entre estas novas técnicas, se destaca a usinagem com MQL (Mínima Quantidade de}

Lubrificante), que vem sendo cada vez mais utilizada em função do surgimento de novas tecnologias como: máquinas operatrizes com maior potência, rigidez e rotações mais elevadas e, principalmente, pelo grande desenvolvimento dos materiais, revestimentos e geometrias que aumentam a resistência das ferramentas de corte ao desgaste e que permitem que estas trabalhem em temperaturas elevadas, compensando a redução ou ausência dos meios lubri-refrigerantes no processo;

 As limitações das operações a seco podem ser reduzidas através da técnica de MQL que age com base no princípio de utilização de pequenas quantidades de óleo de corte sem resíduos. Nesta tecnologia a função de lubrificação é assegurada pelo óleo e a de refrigeração, mesmo que pequena, pelo ar comprimido. Esta pequena quantidade de fluido é suficiente para reduzir o atrito no corte, diminuindo a tendência à aderência em materiais com tais características;

 _{O uso de MQL só é viável quando o tempo de usinagem, o tempo de vida da ferramenta}

e a qualidade superficial da peça forem pelo menos semelhantes às conseguidas com a usinagem usando-se os métodos tradicionais de aplicação do fluido de corte. Do ponto

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CAD/CAM na tecnologia HSM

Todos os benefícios da tecnologia HSM/HSC somente serão alcançados quando houver plena integração entre as fases da cadeia de desenvolvimento do produto em busca deste novo processo de usinagem, ou seja, desde a concepção e modelamento do produto até o processo de usinagem, envolvendo sistemas CAD/CAM, máquinas-ferramenta, comando numérico, estratégias de usinagem, parâmetros e ferramentas de cortes;

Dentro deste contexto, a programação NC e a transmissão de dados tornam-se elementos fundamentais desta integração, pois são responsáveis pela interface entre os sistemas CAD/CAM e o comando numérico;

O CNC (Computer Numerical Control) introduzido nas máquinas-ferramenta possibilita ao comando numérico a edição e o armazenamento local do programa NC e principalmente a utilização de uma linguagem de programação para comandar a máquina-ferramenta;

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CAD/CAM na tecnologia HSM



_{O programa NC é o responsável por informar, por meio de}

uma linguagem própria de programação e de coordenadas

do plano cartesiano, a trajetória da ferramenta e os

parâmetros de corte para que a máquina possa executar a

usinagem;



_{No entanto, esta linguagem não abrange os recursos}

próprios de programação de cada CNC, tais como: ciclos

automáticos

personalizados,

sub-rotinas

e

funções

especiais, fazendo com que a programação destes recursos

exija programas NC específicos para cada CNC;

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CAD/CAM na tecnologia HSM

 Na programação , o programador fornece ao sistema CAM o modelo geométrico da peça a ser usinada, gerado pelo sistema CAD durante a concepção do produto, assim como a dimensão da matéria-prima, estratégias de usinagem e parâmetros tecnológicos. Com estes dados, o sistema CAM calcula a trajetória da ferramenta e gera primeiramente um arquivo neutro, conhecido com CLDATA (cutter location data file) que contém apenas o percurso da ferramenta representado por coordenadas no plano cartesiano;

 _{Esse arquivo neutro pode ser reconhecido apenas pelo sistema CAM, não}

tendo função para a máquina CNC, por não possuir linguagem de programação, ou seja comando de movimento;

 _{Um módulo adicional, na maioria dos casos integrado ao sistema CAM,}

conhecido como pós-processador, é o reponsável por transformar o arquivo neutro em programa NC, contendo a linguagem apropriada para o CNC em questão.

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CAD/CAM na tecnologia HSM

Características para aplicação em HSM

 _{Os CNCs utilizados no processo HSM possuem funções especiais}

que os diferenciam dos comandos numéricos tradicionais. Devido à alta velocidade atingida pelas máquinas de alta performance são necessárias funções de auxílio ao processamento das informações e ao controle da estabilidade dinâmica do processo, dentre as quais destacam-se:

Modificação da velocidade de avanço: essa função tem o objetivo de minimizar os efeitos de erro de contorno através da diminuição da velocidade de avanço em partes da peça onde há a mudança brusca no sentido da trajetória (exemplo: ângulos retos). Este conceito é aplicado com as funções look ahead e contour

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CAD/CAM na tecnologia HSM

Características para aplicação em HSM

 A função look ahead pré-processa uma nova trajetória da ferramenta com as velocidades de avanço modificadas e as armazena em um buffer, essa função

não permite a especificação da tolerância de contorno e como ela não é

executada em tempo real, não são possíveis alterações online na velocidade. A função contour optimization é executada em tempo real, permitindo ajustes

online da velocidade e especificação de uma tolerância de contorno;

 _{Alteração do ganho: essa funcionalidade visa a obtenção de acelerações e}

velocidades ótimas da máquina de alta performance de acordo com limites de desvio da trajetória especificados para determinado tipo de operação, como em operações de desbaste, onde a taxa de remoção dematerial é mais importante do que a precisão do contorno final. O CNC permite a seleção do valor do ganho que explore essa condição e resulte em menores tempos de usinagem;

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CAD/CAM na tecnologia HSM

Características para aplicação em HSM

NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline): a interpolação NURBS descreve a trajetória de superfícies complexas com menos instruções em comparação a interpolação linear. Dessa forma o processamento do programa no CNC é otimizado, eliminando alguns fatores que são fonte limitadoras da velocidade no processo de usinagem de alta performance;

A Tecnologia NURBS foi criada principalmente para suprir as seguintes necessidades dos CNCs antigos: falta de memória para armazenamento de programas, baixa velocidade na transmissão de dados e baixa capacidade de processamento para conversão de pequenos segmentos de reta para o movimento dos motores. A tecnologia NURBS e a interpolacão spline são

atualmente tema de diversos trabalhos que visam o desenvolvimento de um

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CAD/CAM na tecnologia HSM

Cadeia CAD/CAM/CNC para a usinagem de curvas

Fonte Del Conte (2008)

Execute vídeo de CAM

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Piet Hein – Pequenas Frases (grooks)

* Poeta dinamarquês (1905-1996)