AULA 27
PROCESSO DE FRESAMENTO:
GENERALIDADES
27. PROCESSO DE FRESAMENTO:
GENERALIDADES
27.1. Introdução
A operação de fresamento é uma das mais importantes dentre os processos de usinagem com remoção do cavaco por cisalhamento (energia mecânica). A operação de corte consiste na retirada do excesso de material ou sobrematerial da superfície de uma peça (remover cavaco) com a finalidade de construir superfícies planas retilíneas ou com uma determinada forma e acabamento desejados. No fresamento, a remoção do sobrematerial da peça é feita pela combinação de dois movimentos, efetuados ao mesmo tempo. Um dos movimentos é o de rotação da ferramenta ao redor do seu eixo. O outro é o movimento da mesa da máquina, onde é fixada a peça a ser usinada. É o movimento da mesa da máquina-ferramenta ou movimento de avanço que leva a peça até a máquina-ferramenta de corte e torna possível a operação de usinagem. A ferramenta, chamada fresa, é provida de arestas cortantes dispostas simetricamente em torno de um eixo. A Figura 27.1 ilustra algumas das fresas utilizadas em usinagem por fresamento.
Figura 27.1 – Ferramentas para fresamento WALTER: (a) fresa octogonal; (b) fresa abacaxi; (c) fresa inteiriça de metal-duro; (d) fresa a 90° três cortes; (e) fresa de facear; (f) fresa a 90° seis cortes; (g) fresa de copiar para
acabamento; (h) fresa de alta performance; (i) fresa com inserto redondo.
O fato de a ferramenta (fresa) poder se apresentar em diferentes formas confere a este processo de usinagem um caráter de versatilidade em termos de geometrias possíveis de serem geradas em peças e/ou componentes mecânicos, já que boa parte das superfícies não planas e de não revolução somente pode ser gerada por fresamento. As superfícies planas de não revolução podem ser executadas por vários processos além do fresamento, dentre eles o aplainamento, o brochamento externo e a retificação. A Tabela 27.1 apresenta dados comparativos entre esses processos.
Tabela 7.1 - Comparação entre o fresamento e outros processos de usinagem no corte
de superfícies planas de não revolução.
FRESAMENTO APLAINAMENTO
Operação mais barata. Máquina e manutenção mais barata e menor tempo de afiação da ferramenta.
FRESAMENTO BROCHAMENTO EXTERNO
A operação de brochamento é impossível quando a superfície a ser usinada faz uma intersecção com qualquer outra superfície existente.
Operação mais barata a partir de um determinado número de peças no lote.
FRESAMENTO RETIFICAÇÃO
Maior capacidade de remoção de cavaco.
Melhor acabamento da superfície usinada e obtenção de tolerâncias mais apertadas. Muitas vezes, operação de retificação vem depois da operação de fresamento.
Recordando:
Aplainamento é o 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 vertical. Quanto à finalidade, as operações de aplainamento podem ser classificadas ainda em aplainamento de desbaste a aplainamento de acabamento.
Brochamento é um processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies quaisquer com auxílio de ferramentas multicortantes. Para tanto, a brocha ou a peça se deslocam segundo uma trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao eixo da ferramenta. O brochamento pode ser interno (executado num furo passante) ou externo (executado numa superfície externa da peça). Retificação é um processo mecânico de usinagem por abrasão1 destinado à obtenção de superfícies com auxílio de ferramentas abrasivas de revolução. Para tanto, o rebolo gira e a peça ou o rebolo se desloca segundo uma trajetória determinada, podendo a peça girar ou não. A retificação pode ser tangencial ou frontal.
1
Denomina-se usinagem por abrasão o processo mecânico de usinagem no qual são empregados abrasivos ligados ou soltos. Segundo a Norma ABNT PB-26, uma ferramenta abrasiva é aquela constituída de grãos abrasivos ligados por aglutinante, com formas a dimensões definidas. A ferramenta abrasiva com a forma de superfície de revolução adaptável a um eixo é denominada rebolo abrasivo. Não são considerados rebolos abrasivos rodas ou discos de metal, madeira, tecido, papel, tendo uma ou várias camadas de abrasivos na superfície.
27.2. Movimentos e Grandezas
Em usinagem, todos os movimentos são importantes. A todos eles estão associados direções, sentidos, velocidades e percursos.
Em fresamento, a velocidade de corte vc [m/min] (Eq. 27.1) é a velocidade tangencial instantânea
resultante da velocidade de rotação n [rpm] da fresa com diâmetro D [mm] em um ponto de contato com a peça, onde os movimentos de corte e de avanço ocorrem simultaneamente:
c D n v 1000 (27.1)
Sabe-se que f [mm/volta] é a distância percorrida pelo centro da fresa em cada volta da ferramenta. Assim, fz [mm/dente] é o percurso de avanço por dente e por volta da ferramenta medido na direção de
avanço (z = número de arestas ou dentes da fresa). O avanço por dente corresponde à distância entre duas superfícies em usinagem consecutivas, considerada na direção de avanço (Eq. 27.2).
z
f f z (27.2)
O ângulo de contato do dente () é o ângulo entre uma linha radial da fresa que passa pelo ponto de contato aresta de corte/peça e outra linha radial que passa pelo ponto onde a espessura de corte (h) é zero.
O avanço de corte fc [mm] é a distância entre duas superfícies consecutivas em usinagem, medida
no plano de trabalho da ferramenta e perpendicular à direção de corte (Eq. 27.3). O seu valor corresponde aproximadamente à espessura máxima do cavaco (hmax).
c z
f f sen (27.3)
A velocidade de avanço vf [mm/min] é o produto do avanço pela rotação da ferramenta (Eq. 27.4).
f z
v f n f z n (27.4) A Figura 27.2 mostra o avanço por dente (fz) e as direções das velocidades associados aos
movimentos no fresamento. Na figura, é o ângulo entre as direções das velocidades de avanço (vf) e de
corte (vc); e é o ângulo entre as direções das velocidades efetiva (ve) e de corte (vc).
(a) (b)
Figura 27.2 – Grandezas de avanço no fresamento (a) discordante (para cima); (b) concordante (para baixo). As grandezas de penetração são aquelas que descrevem geometricamente a relação de penetração entre a ferramenta e a peça.
No fresamento, ap corresponde à profundidade axial de corte (largura de penetração da ferramenta
em relação à peça, medida perpendicularmente ao plano de trabalho) e ae corresponde à profundidade
radial de corte (largura de penetração da ferramenta em relação à peça medida no plano de trabalho perpendicularmente à direção de avanço).
No fresamento tangencial (Fig. 27.3a) ap também é denominado largura de corte; no frontal (Fig.
27.3b), ap recebe a denominação de profundidade de corte. Nos dois casos (tangencial e frontal), ae é
chamado de penetração de trabalho. Completando, tem-se também a penetração de avanço (af) que
representa a penetração da ferramenta medida no plano de trabalho na direção de avanço.
(a) (b)
Figura 27.3 – Grandezas de penetração no fresamento: (a) tangencial ou periférico; (b) frontal.
O tempo de corte tc [min] (Eq. 27.5) resume a totalidade dos tempos ativos, pois ele representa o
tempo em que os movimentos de corte e/ou avanço estão efetivamente ocorrendo:
f f f c c f z z c L L d L t t v f z n 1000 f z v (27.5)
onde Lf é o percurso de avanço [mm].
Em fresamento, a dificuldade em se obter o tempo de corte tc está em justamente determinar o
percurso de avanço Lf. Maiores detalhes na Aula 30.
A taxa de remoção de material Q (Eq. 27.6) representa o volume de cavaco removido [cm3] por unidade de tempo [min]. Este parâmetro é frequentemente utilizado para determinar a eficiência de uma operação de usinagem. Em fresamento, ela é calculada pelo produto de três parâmetros: profundidade ou largura de corte, penetração de trabalho e velocidade de avanço da ferramenta:
p e f a a v Q 1000 [cm3/min] (27.6)
27.3. Máquinas Ferramentas (Fresadoras)
As peças a serem usinadas podem ter as mais variadas formas. Este poderia ser um fator de complicação do processo de usinagem. Porém, graças à fresadora (ou máquina de fresar) e às suas ferramentas e dispositivos especiais, é possível usinar praticamente qualquer peça com superfícies de todos os tipos e formatos. A operação de usinagem feita por meio da fresadora é chamada de fresamento.
O levantamento histórico indica que a operação de fresamento surgiu em 1918. A fresadora é a máquina cuja ferramenta possui movimento de rotação e que permite movimentar a peça em um, dois, três ou mais eixos (lineares e/ou giratórios). Sendo assim, tem-se uma máquina elaborada para execução facilitada de peças prismáticas – ao contrário do torno que executa principalmente peças rotacionais (perfil de revolução).
Algumas exigências de projeto e construção de máquinas de fresar:
As fresadoras devem ser projetadas para altas solicitações estáticas e dinâmicas.
O posicionamento da árvore deve ser radial ou axial sem folgas.
O acionamento da árvore deve ser contínuo e sem folgas para evitar vibrações e permitir um tempo de vida alto para as fresas.
Fresamento sincronizado necessita de cuidados no acionamento e no avanço da mesa e dos carros.
Facilidade na operação: visor eletrônico de posicionamento; aplicação de comando numérico.
27.3.1. Tipos de fresadoras
Podem-se classificar as fresadoras de diversas formas, sendo que as principais levam em consideração o tipo de avanço, a estrutura, a posição do eixo-árvore em relação à mesa de trabalho e a sua aplicação (OBS. mesa de trabalho é o lugar da máquina onde se fixa a peça a ser usinada). Tem-se:
Quanto ao avanço:
Manual
Automático (hidráulico ou elétrico)
Quanto à estrutura:
De oficina, também chamada de ferramenteira (maior flexibilidade)
De produção (maior produtividade)
Quanto à posição do eixo-árvore:
Horizontal (eixo árvore paralelo à mesa de trabalho);
Vertical (eixo árvore perpendicular à mesa de trabalho);
Universal (pode ser configurada para vertical ou horizontal);
Omniversal (universal com a mesa que pode ser inclinada);
Duplex (dois eixos-árvore simultâneos);
Triplex;
Multiplex;
Especiais.
Quanto à aplicação:
Convencional;
Pantográfica (fresadora gravadora);
Chaveteira (específica para fazer chavetas internas e/ou externas);
Dentadora (específica para usinar engrenagens);
Copiadora (o apalpador toca um modelo e a ferramenta o reproduz na peça).
As fresadoras são geralmente classificadas de acordo com a posição do seu eixo-árvore em relação à mesa de trabalho. Por existirem diversos modelos, as partes principais de uma fresadora podem variar
de uma configuração para outra. Desta forma, serão detalhados os principais componentes de uma fresadora omniversal de produção e alguns modelos comumente aplicados em ambiente industrial.
27.3.1.1 Fresadora Omniversal
Principais componentes da fresadora omniversal (Fig. 27.4):
(a) (b) (c)
Figura 27.4 – Configurações de uma fresadora omniversal: horizontal (a) foto; (b) desenho; (c) desenho vertical.
Base: é o componente responsável por suportar toda a máquina e, muitas vezes, funciona também como reservatório de fluido refrigerante (Fig. 27.5a). Normalmente os apoios possuem ajustes para nivelamento da máquina no piso.
Coluna: é a estrutura principal da máquina (Fig. 27.5b). Costuma ser o alojamento do sistema de acionamento e também dos motores. Possui as guias (barramento) do movimento vertical.
Console: desliza pelas guias da coluna, realizando o movimento vertical da peça (Fig. 27.5c). Aloja os mecanismos de acionamento da sela e da mesa. Possui as guias do movimento horizontal transversal. Na fresadora ferramenteira, normalmente de configuração vertical, não costuma haver o console, pois o movimento vertical é realizado pelo próprio eixo árvore.
Sela: na omniversal, a sela divide-se em duas partes denominadas sela inferior e sela superior. A sela inferior (Fig. 27.5d) desliza pelas guias do console, realizando o movimento horizontal transversal. A sela superior (Fig. 27.5e) gira em um plano horizontal em relação à inferior, permitindo-se inclinar a peça. A superior possui as guias do movimento horizontal longitudinal.
Mesa: desliza pelas guias da sela superior realizando o movimento horizontal longitudinal (Fig. 27.5f). Possui rasgos em “T” para fixação das peças e acessórios e canalizar o fluxo de fluido lubrirrefrigerante de volta ao reservatório.
Torpedo: é a estrutura montada sobre a coluna (Fig. 27.5g). Sua finalidade é a de receber o suporte do mandril (Fig. 27.5h), quando a fresadora estiver na configuração horizontal e com ferramenta longa. Quando se utiliza a configuração vertical, o torpedo é deslizado para trás.
Cabeçote vertical: dispositivo que se fixa na coluna da fresadora e conecta-se ao eixo-árvore, alterando a configuração de horizontal para vertical, Figura 27.5i.
Árvore: é o eixo que recebe a potência do motor e fornece o movimento de giro para a ferramenta. A árvore pode ser acionada através de correia e/ou engrenagens, as quais permitem o ajuste de algumas
velocidades de rotação. Ela pode girar nos dois sentidos. Normalmente, em sua extremidade, há um cone (ISO ou Morse) para fixação direta de ferramentas ou de mandril porta ferramentas.
(a) base. (c) Console.
(d) sela inferior (e) sela superior (b) Coluna. (f) Mesa.
(g) torpedo (h) suporte do mandril (i) cabeçote vertical.
Figura 27.5 – Principais componentes. 27.3.1.2 Fresadoras de Console
A Figura 27.6 mostra as fresadoras de console horizontal e vertical.
(a) (b)
Figura 27.6 - Fresadoras de console: (a) horizontal; (b) vertical. Principais características:
Coluna soldada na base.
Console para movimento vertical no qual o carro transversal faz a movimentação da mesa.
Máquinas horizontais: a coluna possui o acionamento principal e tem o fuso principal.
Máquinas verticais: o acionamento principal está em um compartimento fixado na coluna.
27.3.1.3 Fresadoras Universais
A Figura 27.7 ilustra uma fresadora universal (desenho e foto).
Figura 27.7 – Fresadora universal. Principais características:
Base, mesa giratória, cabeçote de fresamento flexível.
Usinagem em todas as direções com ferramentas de geometrias complexas.
Fabricação de pequenas e médias peças.
Potências de 2 a 15 kW.
27.3.1.4 Fresadoras com Comando Numérico (Três Eixos)
A Figura 27.8 mostra uma fresadora com comando numérico e movimentação em três eixos.
Figura 27.8 – Exemplo de fresadora com comando numérico (três eixos) Principais características:
Movimento da coluna – eixo X.
Movimento vertical pelo carro – eixo Y.
Movimento do cabeçote porta-ferramenta – eixo Z.
O carro possui um palete que pode ser trocado.
27.3.2. Fixação e ajuste da peça na máquina
Os principais acessórios utilizados em operações de fresamento relacionam-se à fixação da peça na mesa de trabalho. São eles: parafusos e grampos de fixação (Fig. 27.9a); calços (Fig. 27.9b); cantoneiras de angulo fixo ou ajustável (Fig. 27.9c); morsas (Fig. 27.9d); mesa divisora (Fig. 27.9e); divisor universal e contraponto (Fig. 27.9f).
(a) Parafusos e grampos de fixação (b) Calços
(c) Cantoneiras (de ângulo fixo e ajustável) (d) Morsa
(e) Mesa divisora (f) Divisor universal e contraponto
Figura 27.9 – Acessórios para fixação da peça na mesa de trabalho da fresadora.
É muito importante ressaltar que a instalação de alguns dispositivos e/ou acessórios na mesa de trabalho da fresadora deve ser realizada com muita atenção para evitar erros dimensionais na usinagem. Para que o ajuste nesta instalação seja feito adequadamente, é importante que se faça uma análise do projeto do componente que será usinado, conciliando bom senso, lógica e prática. A escolha de acessórios adequados proporciona economia de tempo de montagem/desmontagem, maior segurança nas operações de corte e evita vibrações indesejáveis.
27.3.3. Fixação e ajuste da ferramenta na máquina
Outro conjunto de acessórios de grande importância está relacionado com a fixação das ferramentas na máquina. Como já mencionado, o eixo-árvore possui em sua extremidade um cone e chavetas. Neste cone pode-se fixar um mandril ou uma ferramenta de haste cônica. Para garantir a fixação utiliza-se uma haste roscada que atravessa a árvore. As chavetas evitam o deslizamento.
Há ferramentas de haste cônica que podem ser fixadas diretamente no cone de fixação do eixo-árvore, que pode ser MORSE (menor esforço) ou ISO (maior fixação). Normalmente trata-se de fresas
relativamente grandes. Para se fixar fresas menores que possuem outra dimensão de cone utiliza-se um mandril adaptador, mostrado pela Figura 27.10a.Observa-se na ponta a rosca onde se fixa a haste roscada.
Com relação ao mandril, podem-se ter três tipos: universal (JACOBS, Fig.27.10b), porta-pinça e porta-ferramenta. O mandril universal é muito utilizado em furadeiras manuais, mas também pode ser utilizado em fresadoras, mas com ressalvas. Só podem ser fixadas ferramentas de haste cilíndrica e cujo esforço não seja elevado, pois a pressão de fixação não será suficiente. O mandril porta-pinça (Fig. 27.10c) possui modo de trabalho similar ao JACOBS, mas permite uma força de fixação maior. Também é indicado para ferramentas de haste cilíndrica. A pinça é uma peça única com um furo central no diâmetro da haste a ser fixada e com diversos cortes longitudinais que lhe dão uma flexibilidade de fechar este furo em alguns décimos de milímetro. Este mandril é composto de duas partes: a primeira (mandril propriamente dito) possui uma cavidade cônica que receberá a pinça de formato igual; a segunda (porca) é rosqueada no mandril. Durante o rosqueamento, a pinça é forçada pela porca a entrar na cavidade do mandril e, devido ao formato cônico, obriga a pinça a se fechar e fixar à ferramenta.
Para ferramentas de maior porte, e consequentemente, maior esforço de usinagem, é necessário uma maior garantia de que não haja um deslizamento entre o mandril e a própria ferramenta. Nestes casos, o mandril possui chavetas, que podem ser transversais (quando o mandril é curto, Fig. 27.10d) ou longitudinais (Fig.27.10e). A Figura 27.10f apresenta alguns comprimentos de mandril.
(a) adaptador para ferramentas de haste cônica (b) mandril universal
(c) mandril porta pinça e dois modelos de pinças
(d) Mandril com chaveta transversal (e) Mandril com chaveta longitudinal
(f) alguns comprimentos de mandril
