ApostilaUsinagem Parte1

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(1)UNIVERSIDADE FEDERAL D O RI O GRANDE D O SUL ESCOLA DE ENGENH ARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA. APOSTILA ENG03343 Processos de Fabricação p or Usinagem Parte 1. Prof. Dr. André João de Souza. 2011-1.

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(3) SUMÁRIO PARTE 1 – FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS 1. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO POR USINAGEM.................................................................. 4 1.1 Classificação dos Processos de Usinagem........................................................................................................... 8 1.2 Planejamento de Processos ................................................................................................................................. 8. 2. DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS PROCESSOS DE USINAGEM ............................................................................ 10 2.1 Processos de Usinagem com Ferramentas de Geometria Definida................................................................10 2.2 Processos de Usinagem com Ferramentas de Geometria Não-Definida........................................................14 2.3 Processos Não-Convencionais de Usinagem ....................................................................................................17 2.4 Comparação dos Diferentes Processos de Fabricação por Usinagem ............................................................20. 3. DEFINIÇÃO DOS PARÂMETROS DE ENTRADA DO PROCESSO ........................................................................ 24 3.1 Material da Peça .................................................................................................................................................24 3.2 Geometria da Peça .............................................................................................................................................27 3.3 Material da Ferramenta .....................................................................................................................................30 3.4 Geometria da Ferramenta..................................................................................................................................37 3.5 Parâmetros de Corte ..........................................................................................................................................42 3.6 Meio Lubrirrefrigerante......................................................................................................................................43 3.7 Máquina-Ferramenta .........................................................................................................................................47. 4. DEFINIÇÃO DOS PARÂMETROS DE SAÍDA DO PROCESSO ............................................................................. 52 4.1 Tipos e Formas de Cavaco..................................................................................................................................52 4.2 Força e Potência de Usinagem...........................................................................................................................57 4.3 Temperatura na Região de Corte ......................................................................................................................63 4.4 Vibrações .............................................................................................................................................................67 4.5 Falhas na Ferramenta de Corte..........................................................................................................................72 4.6 Acabamento da Superfície Usinada...................................................................................................................78. REFERÊNCIAS ..................................................................................................................................... 87.

(4) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. PARTE 1 FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS 1 CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO POR USINAGEM Fabricar é transformar matérias-primas em produtos acabados, por uma variedade de processos. A idéia de fabricar teve início a milhares de anos, quando o homem pré-histórico percebeu que, para sobreviver, precisava de algo mais que pernas e braços para se defender e caçar. Sua inteligência logo o ensinou que se ele tivesse uma pedra nas mãos, seu golpe seria mais forte, e se a pedra tivesse um cabo esse golpe seria mais forte ainda. Se essa pedra fosse afiada poderia cortar a caça e ajudar a raspar a peles dos animais. Foi a partir da necessidade de se fabricar um machado que o homem desenvolveu as operações de desbastar, cortar e furar. Durante centenas de anos a pedra foi a matéria-prima, mas por volta de 4000 A.C. ele começou a trabalhar com metais, começando com o cobre, depois com o bronze e finalmente com o ferro para a fabricação de armas e ferramentas. Para se ter uma idéia do número de fatores que devem ser considerados num processo de fabricação veja, por exemplo, a produção de um simples artigo: o clipe. Primeiro ele deve ser projetado para atender o requisito funcional que é segurar folhas de papéis juntas. Para tanto, ele deve exercer uma força suficiente para evitar o deslizamento de uma folha sobre a outra. Eles são, geralmente, feitos de arame de aço, embora hoje se encontre no mercado clipe de plástico. O comprimento do arame requerido para sua fabricação é cortado e então dobrado várias vezes, para dar a forma final própria. Por sua vez, o arame é feito por um processo de trefilação a frio. Neste processo a seção transversal de uma haste longa é reduzida, ao passar por uma matriz de fieira, que também confere algumas propriedades mecânicas ao material, como resistência e dureza. A haste por sua vez, é obtida por processos como a trefilação e a extrusão de um lingote. Para evitar delongas, nenhuma informação quanto ao processo de obtenção deste lingote será abordada. A fabricação de um simples clipe envolve projeto, seleção de um material adequado e de um método de fabricação para atender os requisitos de serviço do artigo. As seleções são feitas não somente com base em requisitos técnicos, mas também com base nas considerações econômicas, minimizando os custos para que o produto possa ser competitivo no mercado. O projetista de produtos ou engenheiro projetista especifica as formas, dimensões, aparência, e o material a ser usado no produto. Primeiro são feitos os protótipos do produto. Neste estágio, é possível fazer modificações, tanto no projeto original como no material selecionado, se análises técnicas e/ou econômicas assim indicarem. Um método apropriado é então escolhido pelo engenheiro de fabricação. A Figura 1.1 mostra um procedimento correto para se chegar à etapa de fabricação. Prof. Dr. André João de Souza. 4.

(5) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. Figura 1.1 - Diagrama mostrando o procedimento requerido para o projeto de um produto, que são etapas que antecedem a fabricação. Os processos de transformação de metais e ligas metálicas em peças para a utilização em conjuntos mecânicos são inúmeros e variados: pode-se fundir; soldar; utilizar a metalurgia em pó; ou usinar o metal a fim de obter a peça desejada. Evidentemente, vários fatores devem ser considerados quando se escolhe um processo de fabricação. Como por exemplo: • forma e dimensão da peça; • material a ser empregado e suas propriedades; • quantidade de peças a serem produzidas; • tolerâncias e acabamento superficial requerido; • custo total do processamento. A Fundição é um processo de fabricação sempre inicial, pois precedem importantes processos de fabricação como usinagem, soldagem e conformação mecânica. Esses utilizam produtos semiacabados (barras, chapas, perfis, tubos, etc.) como matéria prima que advém do processo de fundição. Podemos dividir os processos de fabricação de metais e ligas metálicas em: os com remoção de cavaco, e os sem remoção de cavaco. A Figura 1.2 mostra a classificação dos processos de fabricação, destacando as principais operações de usinagem. Processos de usinagem envolvem operações de corte que permitem remover excessos de um material bruto com auxílio de uma ferramenta até que este resulte em uma peça pronta que, posteriormente, irá compor algum engenho mecânico que, por sua vez, farão parte de bens duráveis. Nestas operações de corte são geradas aparas que se costumam chamar de cavacos. Assim, processos de usinagem, invariavelmente, implicam na geração de cavacos. Um subgrupo da norma DIN 8580 sob o termo separar, compreende os processos de fabricação com remoção de cavaco com ferramenta de geometria definida, que se caracteriza pela aplicação de ferramentas com características geometricamente definidas. Já há aproximadamente 12 a 50 mil anos o Prof. Dr. André João de Souza. 5.

(6) 6. FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. homem estava em condições de produzir ferramentas de pedras com arestas de corte (gumes) afiadas por lascamento, como nos mostram achados arqueológicos da idade da pedra (Fig. 1.3).. Figura 1.2 – Classificação dos processos de fabricação. Figura 1.3 - Ferramentas de pedra lascada. Mas um fato marcante para o desenvolvimento tecnológico foi a descoberta de metais como o cobre, o zinco e o ferro. Já a partir de 700 A.C., praticamente todas as ferramentas eram executadas em ENG03343 – Processos de Fabricação por Usinagem. 2011-1.

(7) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. ferro, e a partir do séc. XVII foram descobertas constantes melhorias no processo de fabricação do ferro e na siderurgia do aço, que colocaram o aço em posição vantajosa em relação aos metais até então conhecidos. No entanto, estudos sistemáticos sobre a tecnologia de usinagem só iniciaram no início do século XIX e levaram entre outros a descoberta de novos materiais de corte. No início de 1900, com a descoberta do aço-rápido, o americano Frederick Winslow TAYLOR (1856-1915) determinou um passo marcante no desenvolvimento tecnológico da usinagem. Os metais-duros sinterizados e os materiais de ferramentas baseados em materiais oxicerâmicos são outros resultados de uma pesquisa intensiva na área de materiais para ferramentas que até hoje ainda não está concluída e sim está submetida a uma melhora constante; isto referido à fabricação e utilização de materiais para ferramentas, como p.ex. os materiais nitreto de boro cúbico (CBN – cubic boron nitride) e diamante (PCD – polycrystalline diamond). Para poder satisfazer as exigências crescentes feitas à qualidade das peças e a viabilidade econômica do processo de fabricação, as ferramentas de corte devem ser usadas de forma econômica, para que as variáveis envolvidas na usinagem (geometria da ferramenta, condições de corte, material da peça etc.) sejam consideradas quanto à sua influência e o seu efeito sobre o resultado do trabalho. No estudo das operações dos metais, distinguem-se duas grandes classes de trabalho: as operações de usinagem e as operações de conformação. Uma simples definição de operação de usinagem pode ser tirada da Figura 1.2 como sendo processo de fabricação com remoção de material em forma de cavaco. Consultando, porém, uma bibliografia especializada pode-se definir usinagem de forma mais abrangente, como sendo o processo de remoção de material que ao conferir à peça a forma, as dimensões, o acabamento, ou ainda a combinação qualquer destes itens, produz cavaco. E por cavaco entende-se a “porção de material da peça de forma geométrica irregular retirada pela ferramenta de corte. Além desta característica, estão envolvidos no mecanismo da formação do cavaco alguns fenômenos particulares, tais como o recalque, a aresta postiça de corte, a craterização na superfície de saída da ferramenta e a formação periódica do cavaco (dentro de determinado campo de variação da velocidade de corte). Como operação de conformação entende-se aquela que visa conferir à peça a forma ou as dimensões, ou o acabamento específico, ou ainda qualquer combinação destes três bens, através da deformação plástica do metal. Devido ao fato da operação de corte em chapas estar ligada aos processos de estampagem profunda, dobra e curvatura de chapas, essa operação é comumente estudada no grupo de operações de conformação dos metais. Na maioria das aplicações industriais, a usinagem é usada para converter blocos (tarugos) metálicos fundidos, forjados ou pré-moldados em perfis desejados, com tamanho e acabamento específicos, de acordo com as necessidades do projeto. Quase todos os produtos manufaturados possuem componentes que precisam ser usinados, muitas vezes com grande precisão. Logo, este conjunto de processos é um dos mais importantes do sistema de manufatura, pois agrega valor ao produto final. A usinagem é reconhecidamente o processo de fabricação mais popular do mundo, transformando em cavacos algo em torno de 10% de toda a produção de metais, e empregando dezenas de milhões de pessoas em todo o mundo.. Prof. Dr. André João de Souza. 7.

(8) 8. FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. 1.1 Classificação dos Processos de Usinagem 1.1.1 Classificação quanto ao processo de remoção de material O processo de remoção por usinagem pode ser dividido em duas grandes categorias: • Processos convencionais, em que as operações de corte empregam energia mecânica na remoção do material, principalmente por cisalhamento, no contato físico da ferramenta com a peça – ex: torneamento, furação e retificação. • Processos especiais (não-convencionais), em que as operações se utilizam de outros tipos de energia de usinagem (p.ex. termelétrica), não geram marcas-padrão na superfície da peça e a taxa volumétrica de remoção de material é muito menor que a dos processos convencionais – ex: laser (radiação), eletroerosão (elétrons) e plasma (gases quentes).. 1.1.2 Classificação quanto à geometria da ferramenta de corte Os processos convencionais de usinagem ainda podem ser subdivididos em duas classes: • Operações de corte com ferramentas de geometria definida (arestas cortantes com formato e tamanho conhecidos) – p.ex. torneamento, furação, fresamento. • Operações de corte com ferramentas de geometria não-definida (partículas abrasivas com formatos aleatórios e compostas por arestas minúsculas de corte) – p.ex. retificação, brunimento, lapidação.. 1.1.3 Classificação quanto à finalidade da operação de corte Quanto à finalidade, as operações de usinagem podem ser classificadas em: • Operações de desbaste, em que a usinagem, anterior a de acabamento, visa obter na peça a forma e dimensões próximas das finais. • Operações de acabamento, em que a usinagem é destinada a obter na peça as dimensões finais, ou um acabamento especificado, ou ambos.. 1.2 Planejamento de Processos O planejamento de processos é um procedimento de tomada de decisões com o objetivo de obter um plano de processo econômico. • Os parâmetros a serem considerados são: geometria da peça; matéria prima; acabamento superficial; tolerâncias dimensionais; tolerâncias geométricas; tratamentos térmicos e superficiais; tamanho do lote (quantidade). • As restrições devem ser tecnológicas e independentes da sequência escolhida de processos de usinagem, máquinas-ferramentas e operações de corte. Depende da disponibilidade de: − Peça Restrições relativas ao material, à geometria, às dimensões etc. Deve-se considerar a rugosidade e as tolerâncias dimensionais e geométricas relacionadas ao processo e aos máximos valores de a-. ENG03343 – Processos de Fabricação por Usinagem. 2011-1.

(9) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. vanço e profundidade de corte. Alguns pesquisadores consideram os valores máximos de velocidade e profundidade de corte dependentes do material. − Máquinas-ferramentas O processo de usinagem gera esforços dinâmicos que excitam a estrutura da máquina e a peça usinada como resultado em algumas situações a superfície pode ficar ondulada ou com marcas. − Ferramentas de corte Velocidade de corte acima de um determinado limite altera o mecanismo de desgaste da ferramenta. O avanço e a geometria da ferramenta influem na rugosidade gerada na superfície usinada. As dimensões da ferramenta limitam a profundidade de corte. − Tecnologia Com base na teoria de usinagem pode-se dizer que existem limites mínimo e máximo para os valores de profundidade de corte, avanço e velocidade de corte. Valores baixos de avanço e profundidade: retorno elástico ou abrasivo; valores altos: desgaste de cratera. Velocidade de corte alta: desgaste por difusão; baixa: aresta postiça de corte. Os limites podem ser estimados com base no material a ser usinado na ferramenta. − Usuário/operador O operador pode limitar por prática os valores de avanço, profundidade e velocidade de corte. • Os critérios de otimização devem ser econômicos, visando sempre maximizar a taxa de retorno com: máxima produção; mínimo custo; máxima produtividade • As decisões a tomar envolvem a escolha do processo de usinagem, o detalhamento das operações de corte e a seleção de diferentes parâmetros do processo, tais como: máquina-ferramenta; tipo de fixação e localização; ferramentas de corte; trajetórias das ferramentas; condições de corte.. Prof. Dr. André João de Souza. 9.

(10) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. 10. 2 DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS PROCESSOS DE USINAGEM 2.1 Processos de Usinagem com Ferramentas de Geometria Definida 2.1.1 Torneamento Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies de revolução com auxílio de uma ou mais ferramentas monocortantes 1. 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. 2.1).. (a). (b). (c). (d). (e). (f). Figura 2.1 – 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.. 2.1.2 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 vertical. Quanto à finalidade, as operações de aplainamento podem ser classificadas ainda em aplainamento de desbaste a aplainamento de acabamento (Fig. 2.2).. 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.. ENG03343 – Processos de Fabricação por Usinagem. 2011-1.

(11) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. (a). (b). (c). Figura 2.2 – Alguns processos de aplainamento: (a) de superfícies; (b) de perfis; (c) de rasgos de chaveta. 2.1.3 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. 2.3):. (a). (b). (c). (d). Figura 2.3 – 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 pré-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 de centro, visando uma operação posterior na peça. • Trepanação. Processo de furação em que apenas uma parte de material compreendido no volume do furo final é reduzida a cavaco, permanecendo um núcleo maciço.. 2.1.4 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. 2.4).. Prof. Dr. André João de Souza. 11.

(12) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. 12. (a). (b). (c). (d). Figura 2.4 – Alguns processos de alargamento: (a) cilíndrico de desbaste; (b) cilíndrico de acabamento; (c) cônico de desbaste; (d) cônico de acabamento. 2.1.5 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. 2.5) 2.. Figura 2.5 – Processos de rebaixamento. 2.1.6 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. 2.6).. (a). (b). (c). Figura 2.6 – Alguns processos de mandrilamento: (a) cilíndrico; (b) radial; (c) cônico. 2.1.7 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. 2.7). 2. As operações indicadas nas figuras são denominadas por alguns autores, de escareamento.. ENG03343 – Processos de Fabricação por Usinagem. 2011-1.

(13) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. (a). (b). (c). (d). (e). (f). Figura 2.7 – 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.. 2.1.8 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. 2.8).. (a). (b). (c). Figura 2.8 – 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.. Prof. Dr. André João de Souza. 13.

(14) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. 14. 2.1.9 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. 2.9).. (a). (b). Figura 2.9 – Processos de brochamento: (a) interno; (b) externo. 2.1.10 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. 2.10).. (a). (b). (c). Figura 2.10 – Alguns processos de roscamento: (a) externo com ferramenta de perfil único; (b) interno com ferramenta de perfil múltiplo; (c) interno com macho. 2.2 Processos de Usinagem com Ferramentas de Geometria Não-Definida 2.2.1 Retificação Processo de usinagem destinado à obtenção de superfícies com auxílio de ferramenta abrasiva de revolução 3. 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. 2.11). • 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); de perfis; plana; sem centros (com avanço longitudinal da peça ou radial do rebolo).. 3. Denomina-se de usinagem por abrasão ao processo mecânico de usinagem no qual são empregados abrasivos ligados ou soltos. Segundo a Norma ABNT PB26, 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, E 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.. ENG03343 – Processos de Fabricação por Usinagem. 2011-1.

(15) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. • 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 2.11 – 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. 2.2.2 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. 2.12a). 2.2.3 Lapidação Processo mecânico de usinagem por abrasão, executado com abrasivo aplicado por portaferramenta adequado, com objetivo de se obter dimensões especificadas da peça 4 (Fig. 2.12b).. 2.2.4 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. 2.12c).. 2.2.5 Espelhamento Processo mecânico de usinagem por abrasão no qual é dado o acabamento final da peça por meio de abrasivos, associados a um porta-ferramenta específico para cada tipo de operação, com o fim de se obter uma superfície especular.. 4. Segundo a Padronização Brasileira ABNT PB26, abrasivo é um produto natural ou sintético, granulado, usado de várias formas, com a finalidade de remover o material das superfícies das peças até o desejado.. Prof. Dr. André João de Souza. 15.

(16) 16. FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. (a). (b). (c). Figura 2.12 – Processos de usinagem por abrasão: (a) brunimento; (b) lapidação; (c) polimento. 2.2.6 Lixamento Processo mecânico de usinagem por abrasão executado por abrasivo aderido a uma tela e movimentado com pressão contra a peça (Fig. 2.13a).. 2.2.7 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. 2.13b).. (a). (b). Figura 2.13 – Processos de usinagem por abrasão: (a) lixamento com fita abrasiva; (b) jateamento. 2.2.8 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 freqüência relativamente grande. O processo pode ser cilíndrico (Fig. 2.14a) ou plano (Fig. 2.14b).. (a). (b). Figura 2.14 – Usinagem de superacabamento: (a) cilíndrico; (b) plano. ENG03343 – Processos de Fabricação por Usinagem. 2011-1.

(17) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. 2.2.9 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 2.15a mostra o processo de afiação de uma ferramenta (bit) de aço-rápido utilizando um esmeril (pedra abrasiva).. 2.2.10 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 processo contínuo se dá por lima de segmentos em forma de fita (Fig. 2.15b) e o processo alternativo através de ferramenta manual.. 2.2.11 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 2.15c esquematiza o processo.. (a). (b). (c). Figura 2.15 – Processos de usinagem por abrasão: (a) afiação; (b) limagem contínua; (c) tamboreamento. 2.3 Processos Não-Convencionais de Usinagem 2.3.1 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 freqüências 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 freqüência. Este sinal elétrico deve ser de alta freqüência, 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. 2.16).. Prof. Dr. André João de Souza. 17.

(18) 18. FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. Figura 2.16 – Esquema da usinagem por ultrassom. 2.3.2 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. 2.17) pode ser subdividida em três blocos funcionais: bomba de alta pressão; instalação de corte; estação de filtragem.. Figura 2.17 – Esquema de uma instalação de corte por jato d’água. 2.3.3 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 2.18 mostram a usinagem eletroquímica, na qual se pode observar a ferramenta e a peça mergulhadas em um eletrólito.. ENG03343 – Processos de Fabricação por Usinagem. 2011-1.

(19) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. (a). (b). Figura 2.18 – Usinagem eletroquímica, ferramenta e peça: (a) a ser usinada; (b) já usinada. 2.3.4 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 peçaobra (eletrodo positivo) e a ferramenta (eletrodo negativo) imersas em um fluido dielétrico ionizado. A distância da ferramenta à peça varia entre 10 e 50 µm. O fluido dielétrico serve como condutor da faísca e como meio refrigerante. O perfil do eletrodo corresponde à contraforma 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. 2.19): a fio e por penetração.. (a). (b). Figura 2.19 – Usinagem por eletroerosão: (a) a fio; (b) por imersão. 2.3.5 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 2.20.. Prof. Dr. André João de Souza. 19.

(20) 20. FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. Figura 2.20 – Esquema de uma máquina para produção de feixes de elétrons. 2.3.6 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 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 (CO2 sob pressão). Este feixe de luz produz intensa energia na forma de calor (Fig. 2.21). 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.. (a). (b). Figura 2.21 – Representação esquemática de uma máquina laser: (a) câmara; (b) sistema de amplificação da luz. 2.3.7 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 2.22 mostra o principio de remoção na usinagem por arco plasma.. 2.4 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. ENG03343 – Processos de Fabricação por Usinagem. 2011-1.

(21) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. 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.. Figura 2.22 – Princípio de remoção pela usinagem por arco plasma. 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 se poder 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 2.1. Tabela 2.1 – Divisão dos processos não-convencionais de usinagem NATUREZA ENERGÉTICA. MODO DE REMOÇÃO. PROCESSO. Mecânica. Erosão. Química. Reações químicas. Remoção química. Eletroquímica. Reações eletrolíticas. Remoção eletroquímica. Jato D’água Ultrassom. Corte a laser Termelétrica. Fusão/vaporização. Corte a plasma Feixe de elétrons Eletroerosão. A Tabela 2.1 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 2.2. Nota-se nesta última tabela que a eletroerosão aplica-se somente a materiais condutores. Conseqüentemente, 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. Prof. Dr. André João de Souza. 21.

(22) 22. FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. Tabela 2.2 – Aplicações dos métodos avançados de usinagem PROCESSO. APLICAÇÕES. Eletroerosão Remoção eletroquímica. Usinagens diversas em materiais condutores. Corte a plasma Ultrassom. Usinagens diversas em materiais maus condutores. Remoção química. Usinagem de peças delicadas. Corte a laser Feixe de elétrons. Microusinagem. Jato D’água. 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. Numa 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 microusinagem, o campo de escolha do método pode recair sobre o feixe de elétrons, o jato de água ou o laser. 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 contra-indicado 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. Ou seja, 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. A Figura 2.23 apresenta uma visão comparativa geral dos processos convencionais e dos processos avançados de usinagem. Vale lembrar que as variáveis analisadas nesse quadro não esgotam todas as possibilidades que devem ser avaliadas na determinação de um método particular de trabalho.. ENG03343 – Processos de Fabricação por Usinagem. 2011-1.

(23) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. Figura 2.23 – Quadro comparativo dos processos de usinagem (convencionais e não-convencionais) Prof. Dr. André João de Souza. 23.

(24) 24. FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. 3 DEFINIÇÃO DOS PARÂMETROS DE E NTRADA DO PROCESSO Dentre as variáveis envolvidas no processo de fabricação com formação de cavaco, existem aquelas nas quais se podem intervir (variáveis independentes de entrada) e aquelas nas quais não se podem (variáveis dependentes de saída), já que sofrem influência da mudança nos parâmetros de entrada. A Figura 3.1 resume as relações entrada/saída associadas com o processo de torneamento.. Peça ou Componente. Ferramenta de Corte. Material. Geometria: • ângulos (α, γ, κr) • raio de quina (rε) • arredondamento do gume. Geometria Cristalografia Pureza. Material: • dureza • acabamento • revestimento. Tratamento térmico Dureza. Variáveis de Saída Tipo de cavaco Força Potência. PROCESSO DE TORNEAMENTO. Temperatura Vibração Falhas na ferramenta Acabamento da superfície. Parâmetros de Corte Avanço (f). Dimensões da peça Planejamento Experimental. Profundidade de corte (ap) Velocidade de corte (vc) Ambiente de corte: • a seco • com lubri-refrigerante. Seleção dos níveis e do número de variáveis de entrada Máquina-ferramenta. Figura 3.1 – Relações de entrada e saída em torneamento. As variáveis independentes de entrada destacadas na Figura 3.1 são: material da peça, material da ferramenta, geometria da ferramenta, parâmetros de corte e máquina-ferramenta.. 3.1 Material da Peça As propriedades físicas, químicas e mecânicas do material da peça bruta (dureza, resistência à tração, composição química, inclusões, afinidade química com o meio lubrirrefrigerante ou com a ferramenta, microestrutura, encruamento etc.) podem ser especificadas ou previamente conhecidas. A usinabilidade de um material é definida como uma grandeza tecnológica que expressa, por meio de um valor numérico comparativo, um conjunto de propriedades (que influem sobre: a vida da ferramenta, os esforços de corte, o acabamento da superfície usinada, a temperatura de corte, a produtividade e as características do cavaco) em relação a outro material tomado como padrão. Em outras palavras, a usinabilidade expressa o grau de dificuldade de se usinar um determinado material. A usinabilidade é uma propriedade que depende da interação entre o processo de fabricação e as características do material da peça. Algumas propriedades dos materiais podem influenciar na usinabilidade: dureza e resistência mecânica, ductilidade, condutividade térmica e taxa de encruamento.. ENG03343 – Processos de Fabricação por Usinagem. 2011-1.

(25) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. Normalmente, materiais com baixos valores de dureza permitem-se usinar com maiores parâmetros cinemáticos (velocidade de corte e avanço) e de profundidade, bem como obter longos tempos de vida da ferramenta e, consequentemente, altas taxas de remoção de cavacos a menores custos operacionais. Também se esperam baixas forças e potências de usinagem. Exceções são os materiais de baixa dureza e alta ductilidade, que tendem a formar cavacos longos, produzir rebarbas excessivas na peça usinada e gerar arestas postiças de corte nas ferramentas. Tais rebarbas exigem operações posteriores, aumentando assim os custos e o tempo de entrega. Materiais com baixa ductilidade e baixa dureza são, geralmente, de fácil usinagem, como é o caso do ferro fundido: os cavacos tendem a ser altamente segmentados e a energia necessária para a sua remoção é baixa. Alta condutividade térmica significa que o calor produzido na região de formação de cavacos é rapidamente conduzido para as imediações, longe da região de corte. Altos valores desse parâmetro são, em geral, desejados. Infelizmente, a condutividade do material usinado nem sempre é uma escolha do engenheiro de fabricação, embora se possam projetar algumas ligas para melhorar o desempenho dos processos de usinagem. De maneira bem geral e simplificada, podem-se classificar as ligas metálicas para usinagem na seguinte ordem: a) ligas de alumínio, de cobre e de magnésio; b) aços não-ligados; c) ferros fundidos; d) aços ligados; e) aços inoxidáveis; f) ligas de alta resistência térmica e mecânica.. (a) Liga de Alumínio 6061-T6. (b) Aço-carbono 1045. (c) Ferro Fundido Vermicular. (d) Aço liga 4140 (Cr-Mo). (e) Aço Inox Austenítico. (f) Liga Ti-6Al-4V. Figura 3.2 – Exemplos de ligas metálicas para usinagem (microscopia óptica com ampliação 500×). Embora nem todos os materiais usinados estejam na lista anterior, os que lá constam servem de comparação para estabelecer uma usinabilidade relativa. Analogamente, durante a usinagem dessas ligas, a vida da ferramenta piora na mesma proporção.. Prof. Dr. André João de Souza. 25.

(26) 26. FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. À medida que são deformados plasticamente, alguns materiais metálicos apresentam a característica de aumentar a sua resistência mecânica, o que pode ser denominado “endurecimento por deformação” ou encruamento. O nível de encruamento depende da taxa de deformação e da capacidade de endurecimento do material. Uma alta taxa de encruamento significa um rápido aumento de resistência em relação à taxa de deformação. Quando se formam cavacos, a taxa de deformação é localmente muito alta. Materiais com alta taxa de encruamento são os aços inoxidáveis austeníticos, com ligas de alta resistência térmica e mecânica. Aços-carbono, no entanto, são materiais com baixa taxa de encruamento. Altas taxas de encruamento significam que mais energia é necessária para a remoção de material, levando a maiores forças e potencia de corte. Em geral, baixos valores de parâmetros cinemáticos e de profundidade devem ser usados para valores aceitáveis em termos de vida da ferramenta. Para materiais com altas taxas de encruamento, arestas de corte com geometrias afiadas são preferíveis para que se diminua a taxa de deformação, evitando-se, assim, o endurecimento. A microestrutura do material que está sendo usinado também desempenha um papel significativo no desempenho da operação de usinagem. Macroinclusões possuem tamanhos maiores que 0,15 mm. Elas são, em geral, duras e de caráter abrasivo, causando desgaste, ou mesmo avarias, à aresta de corte. Estas são mais frequentes em aços de baixa qualidade e devem ser evitadas para a maioria das aplicações em peças usinadas. Previamente à operação de corte, o material pode ter sido laminado a quente, laminado a frio, normalizado, recozido ou endurecido. Por conta da longa exposição a altas temperaturas, acima da recristalização, a estrutura de um material laminado a quente é, em geral, heterogênea e grosseira. Já a laminação a frio, ou o trabalho a frio, é realizado em peças ou barras para uniformizar a microestrutura, ou mesmo provocar endurecimento quando o material e propenso ao endurecimento por deformação. O trabalho a frio, em geral, provoca aumento de dureza e redução na vida das ferramentas. Porém, pode levar à redução de rebarbas na peça e de aresta postiça de corte na ferramenta. A estrutura normalizada é aquela que passou por aquecimento na temperatura de austenização por tempo suficiente para uma completa normalização e foi resfriada até a temperatura ambiente. Isso resulta em uma estrutura mais fina e homogênea, que permite melhores condições de usinagem com parâmetros de corte mais altos. A condição de material recozido é usada, na maioria das vezes, para a redução da dureza em um processo no qual as lamelas de cementita da estrutura perlítica são esferoidizadas. Isso provoca significativa redução de dureza e torna a estrutura menos abrasiva, aumentado assim a vida da ferramenta. A Figura 3.3a apresenta a microestrutura ferrítica/perlítica de um aço ABNT 1045 laminado a quente. Após o processo de recozimento de esferoidização, a microestrutura passa a ser constituída de carbonetos globulares dispersos em uma matriz ferrítica, como mostra a Figura 3.3b. A integridade superficial da peça previamente à operação de usinagem também pode ser significativa para o desempenho do processo. Superfícies forjadas ou fundidas muitas vezes são inevitáveis. Porém, as superfícies forjadas podem estar endurecidas, aumentando assim o desgaste das ferramentas – da mesma forma que a presença de resíduos de areia de fundição acelera o desgaste abrasivo. Em muitos casos, a limpeza de superfícies antes da usinagem pode melhorar o desempenho da usinagem. ENG03343 – Processos de Fabricação por Usinagem. 2011-1.

(27) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. (a). (b). Figura 3.3 – Microscopia óptica do aço ABNT 1045: (a) microestrutura ferrítica/perlítica; (b) microestrutura obtida após recozimento de esferoidização. Os elementos de ligas em um material a ser usinado são fatores de extrema importância para orientar o engenheiro de fabricação: eles são os principais responsáveis pela melhoria das propriedades físicas e mecânicas das ligas. Os principais elementos de liga adicionados ao aço para melhorar sua usinabilidade são: enxofre (S), selênio (Se), telúrio (Te), chumbo (Pb), bismuto (Bi), estanho (Sn), fósforo (P) e nitrogênio. Tais elementos, isoladamente ou formando compostos, interrompem a matriz ferrítica, austenítica ou martensítica do aço, facilitando a quebra do cavaco, a lubrificação da ferramenta e, consequentemente, diminuindo os esforços de corte. No entanto, essas mesmas qualidades que fazem os elementos de ligas adequados a componentes mecânicos de alta responsabilidade e desempenho em serviço, tornam os mesmos difíceis de usinar, uma vez que a formação de cavacos os leva a falha por ruptura ao cisalhamento.. 3.2 Geometria da Peça A seleção dos processos de usinagem é feita com base na análise da capacidade do processo de executar o formato geométrico da peça com a exatidão e o acabamento superficial requeridos. Inicialmente selecionam-se os grupos de processos compatíveis com o tamanho e a forma geométrica da peça a ser usinada (axissimétrica ou prismática) e com as possíveis características adicionais (furos, roscas, cavidades etc.). A Tabela 3.1 mostra os grupos conforme o formato da superfície. Tabela 3.1 – Grupos de processos de usinagem de acordo com o formato desejado da peça AXISSIMÉTRICA. PRISMÁTICA. CARACTERÍSTICAS ADICIONAIS Furação. Torneamento. Fresamento. Alargamento. Retificação. Retificação. Mandrilamento. Brunimento. Brunimento. Fresamento. Polimento. Polimento. Retificação. Lapidação. Lapidação. Brochamento Roscamento. Prof. Dr. André João de Souza. 27.

(28) 28. FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. OBS. Uma seção transversal que, ao girar em torno de um eixo, origina um sólido de revolução que corresponde a uma peça axissimétrica. Uma superfície prismática é aquela gerada por uma reta que se desloca paralelamente a si mesma acompanhando uma linha poligonal aberta ou fechada; prisma é o sólido limitado por uma superfície prismática fechada e por dois planos paralelos. Uma vez selecionado o grupo de processos de usinagem, a seleção final será feita com base no acabamento superficial e também nas tolerâncias dimensionais e geométricas requeridas. A geometria de uma peça (tamanho e forma) pode ser gerada através de processos anteriores, ou pode ser selecionada a partir da matéria-prima padrão para usinagem. Geralmente estas variáveis influenciam diretamente no processo de usinagem ou nos parâmetros que são selecionados, como por exemplo, a profundidade de corte.. 3.2.1 Peças similares a sólidos de revolução Peças axissimétricas – similares a sólidos de revolução (eixos, engrenagens, polias, tampas) – são as que, por exemplo, podem ser submetidas às operações de desbaste e acabamento em torneamento. Os fatores que devem ser considerados na escolha entre uma peça forjada ou de barra na confecção desses elementos de máquinas (sólidos de revolução) são: o cálculo dimensional; o sobrematerial a ser removido; a disponibilidade da máquina-ferramenta. Exemplos de peças axissimétricas com relação L/D (comprimento/diâmetro) grande: eixos, pinos e varões. Exemplos com L/D pequeno: engrenagens, polias, volantes e buchas. A Figura 3.4 mostra diferentes geometrias e superfícies de peças e componentes que podem ser obtidas através de operações de torneamento.. Figura 3.4 – Possíveis geometrias de peças fabricadas por torneamento. 3.2.2 Peças não-similares a sólidos de revolução Peças não-similares a sólidos de revolução são aquelas que, após a usinagem, apresentam superfícies prismáticas, ou seja, peças formadas por superfícies planas e/ou não axissimétricas. São exemplos de peças não-similares a sólidos de revolução: carcaças, tampas e garfos. A Figura 3.5 mostra diferentes geometrias e superfícies de peças e componentes que podem ser obtidas através de operações de fresamento. ENG03343 – Processos de Fabricação por Usinagem. 2011-1.

(29) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. Figura 3.5 – Possíveis geometrias de peças fabricadas por fresamento. 3.2.3 Peças especiais A usinagem de materiais na escala micro e nanométrica está sendo considerada por muitos a chave para as futuras tecnologias. Além dos já conhecidos processos de litografia usados na fabricação de dispositivos eletrônicos, as tecnologias de micro e nanousinagem desempenham um papel importante na miniaturização das máquinas, com usos destacados em aplicações biológicas e médicas, sensores eletromecânicos, atuadores e microreatores químicos, entre outros (vide Fig. 3.6a). Por outro lado, a usinagem de peças muito grandes exige máquinas-ferramentas de grande porte e toda a rotina de trabalho diferenciada. Como parte desta rotina, pode-se citar as dificuldades de movimentação das peças em função da localização das faces e diâmetros a serem usinados com auxílio de operações com ponte rolante. Outro fator a ser considerado é que as peças são geralmente estruturas mecano-soldadas, necessitando de montagem posterior. A Figura 3.6b mostra um rotor de hidrelétrica fabricado a partir de um disco fundido maciço de aço inox martensítico; após a usinagem do perfil hidráulico, as meias-conchas que complementam a peça são fixadas por solda ao disco principal.. (a). (b). Figura 3.6 – Tamanhos e geometrias especiais obtidas em usinagem: (a) nanousinagem; (b) rotor de hidrelétrica. Prof. Dr. André João de Souza. 29.

(30) 30. FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. 3.3 Material da Ferramenta Sabe-se que o processo de usinagem baseia-se na remoção de material, utilizando na ferramenta um material mais duro e mecanicamente mais resistente que na peça. Além disso, as condições requeridas de processo dependem do material a ser usinado, dos parâmetros de corte e das características da máquina-ferramenta. Por outro lado, a seleção do material da ferramenta que produza o desempenho desejável em tais condições ainda é um desafio, pois nenhum material apresenta as propriedades a serem exigidas da ferramenta no seu mais alto grau. Partindo-se do princípio da dureza relativa, o surgimento de novos materiais e ligas estruturais com excelentes propriedades de resistência mecânica e elevada dureza contribuíram para o aparecimento de novos materiais para a concepção de ferramentas mais resistentes para as operações de usinagem. Porém, o corte de materiais frágeis ou as operações de corte interrompido requerem materiais com suficiente tenacidade para suportar os choques e impactos inerentes ao processo de usinagem. Como, em geral, dureza e tenacidade são duas propriedades antagônicas (alta dureza se associa a baixa tenacidade e vice-versa), o balanço destas propriedades nos materiais de ferramentas de corte se tornou um desafio para os fabricantes. A Figura 3.7 mostra o comportamento de cada material em relação a estas duas propriedades. A conciliação destas propriedades foi conseguida com a produção de ferramentas com diferentes composições químicas, refinamento dos grãos, controle dos processos de fabricação e do tratamento térmico, o que lhes confere graus compatíveis de pureza e qualidade.. Figura 3.7 – Relação entre a tenacidade e a dureza entre os materiais aplicados como ferramenta de corte. As principais propriedades desejadas em um material para ferramenta de corte são: alta dureza; suficiente tenacidade para evitar falha por fratura; alta resistência ao desgaste abrasivo, à compressão e ao cisalhamento; boas propriedades térmicas e mecânicas em altas temperaturas; alta resistência ao choque térmico; alta resistência ao impacto; ser quimicamente inerte. Estas não se reúnem em um só material, mas dependendo da aplicação, priorizam-se algumas delas que possam ser reunidas. Desde as primeiras aplicações surgiram diversos materiais aplicados a ferramentas de corte Os dois tipos de materiais mais comuns usados em ferramentas de corte destinadas às operações tradicionais de usinagem são: o aço-rápido e o metal-duro, que juntos somam 90% das aplicações na indústria moderna. Materiais avançados como: nitreto de boro cúbico (CBN – cubic boron nitride), cerâmica e diamantes, detêm 10% das aplicações.. ENG03343 – Processos de Fabricação por Usinagem. 2011-1.

(31) FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS. 3.3.1 Aço-rápido O aço-rápido (AR) é usado em ferramentas de uso geral [usinagem de peças forjadas, fundidas ou sinterizadas (metalurgia do pó)], em ferramentas de geometria complexa ou naquelas usadas em situações em que as velocidades de corte são mais modestas. Principais propriedades: dureza a quente, resistência ao desgaste e tenacidade. Desenvolvido por F. W. TAYLOR, no final do século XIX, o aço-rápido foi o responsável pelo primeiro grande salto tecnológico na história da usinagem. Com o seu advento, foi possível aumentar as velocidades de corte antes obtidas com ferramentas de aço-carbono (3 a 5 m/min) em cerca de 10 vezes (30 a 35 m/min) – razão pela qual os aços-rápidos possuem este nome (em inglês HSS – high-speed steel). Hoje, comparando com os materiais das ferramentas atuais, esses valores são relativamente baixos. Apesar disso, esse grupo de materiais ainda resiste, pois mais de um século depois de descobertos, ainda são largamente empregados (cerca de 40% das ferramentas aplicadas na indústria são de HSS). As principais aplicações de aços-rápidos são em brocas, fresas inteiriças, cossinetes, brochas e até em ferramentas de barra para aplicações em torneamento de peças de diâmetros reduzidos, cuja velocidade de corte conseguida é inferior à velocidade econômica de corte dos materiais mais resistentes (Fig. 3.8).. Figura 3.8 – Algumas aplicações dos aços-rápidos. Com elevada tenacidade, resistência ao desgaste e dureza a quente quando comparados com os aços-carbonos usados na fabricação de ferramentas, o aço-rápido é um aço alta liga com microestrutura martensítica com inclusões de carbonetos. As ferramentas de aço-rápido são divididas em dois grandes grupos: aços ao tungstênio (W), identificados pela letra “T”, e aços ao molibdênio (Mo), identificados pela letra “M”. Assim, os principais elementos de liga dos aços-rápidos são: tungstênio (W), molibdênio (Mo), cobalto (Co), vanádio (V), cromo (Cr) e outros. Diferente do que acontece com os aços convencionais, que são temperados e revenidos, e cuja dureza exibe uma queda contínua com o aumento da temperatura de revenimento, os aços-rápidos apresentam uma elevação de dureza quando revenidos em temperaturas entre 480 o C e 565 o C, dependendo da composição química. Quando da seleção de um aço-rápido, deve-se considerar as principais características necessárias ao desempenho da função. A Tabela 3.2 mostra algumas dessas características e suas relações com os elementos de liga presentes. Prof. Dr. André João de Souza. 31.