Corte por Arranque de Apara. Tecnologia Mecânica 1

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Temas Abordados:

• Breve História do Corte por Arranque de Apara

• Fundamentos

• Características das Ferramentas

• Características das Máquinas-Ferramenta

• Processos e Aplicação

• Softwares de CAD/CAM

• Programação e Transmissão de Dados

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O século passado foi marcado por um forte desenvolvimento tecnológico.

Operações que demandavam horas no passado, foram reduzidas a minutos, graças às inovações introduzidas, advindas de grandes investimentos em pesquisa e desenvolvimento.

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Século 19

Ferro – carbono tratavel termicamente (HB≈700kg/mm2_{) (plains carbon steel)}

Baixas propriedades para corte

• perde resitência mecância a partir de 200 ~ 300ºC • usado em brocas baratas (taps e drills)

Década de 50

Descoberta da cementite (Fe₃C)

Endurecimento do aço (hardening of steel)

Evolução dos Materiais das Ferramentas de Corte

Década de 90: Moisson

Utilização do forno de indução electrica (electrical arc furnace) Obtenção dos primeiros diamantes industriais

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Década de 1900: Desenvolvimento do aço-rápido por Taylor Adicionar W, Mo, Cr e V ao aço => Fe_xM_yC

Incremento de dureza (HB ≈800 kg/mm2) Estável a altas temperaturas

20-30% by volume carbides

Pode ser utilizado até ao dobro das velocidades das ferramentas de aço Século 20

Década de 10: Desenvolvimento do carbono de tungsténio (WC) HB ≈2000kg/mm2

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WC + Co

• Co é elemento ligante do WC • Cemented carbide struture

Dobro da velocidade do WC Menos resistente que HSS

• estruturas de grão fino ajudam

Vibração das máquinas gera problemas

• rigidez das máquinas ajuda

Solubilidade do WC no Fe ≈5% Século 20

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TiC adicionado para promover a estabilidade química O dobro da velocidade do WC + Co

Lower strenght

Aumento da resistencia a abrasão

Metalurgia dos Pós (Powder metallurgy) Produção de pastilhas de carbonetos Pastilhas descartáveis (não re-afiadas) Revestimentos possiveis TiC, TiN, Al₂O₃

• camadas com ≈5 µm para minimizar deformação

• grande resistência a abrasão

•50-70% de vida da ferramenta antes de penetrar pelo revestimento

Século 20

Década de 30: Desenvolvimento de carbonetos complexos (1931)

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Libe

rdade de

For mas

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Corte por acção

Química Electro-química (Electro-Chemical machining)

Térmica _{Oxi-acetileno} _{(Oxy-acetylene flame cutting)}

Plasma (Plasma cutting)

Feixe lazer (Laser beam cutting)

Electro-erosão (Electrical Discharge Machining)

Torneamento (Turning)

Fresagem (Milling)

Rectificação (Grinding)

Furação (Drilling)

Ultra-Sons (Ultrasonic)

Escoamentos Abrasivos (Abrasive flow)

Explosivos (Explosive)

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Maquinagem Electro-química

(Electro-Chemical machining)

Processo de corrosão localizado e acelerado por corrente eléctrica

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Maquinagem Electro-química

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Oxi-acetileno

(Oxy-acetylene flame cutting)

Corte por Plasma

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Feixe lazer

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(Electrical Discharge Machining)

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Corte por Arranque de Apara

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Corte 3D ou Oblíquo (3D or Oblique Cutting) S V_c V_c Corte 2D ou Ortogonal (2D or Ortogonal Cutting) β β ≠ 0 β = 0 ⇒ Vc ⊥ Aresta ⇒ 2D

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Corte 2D ou Ortogonal (2D or Ortogonal Cutting)

Baixa Velocidade

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1) Velocidade de Corte (Vc)

2) Profundidades de Corte (ap)

3) Avanço (f)

4) Lubrificação

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Idealização do Mecanismo de Formação de Apara Contínua Regular

Apara

(chip) Ferramenta de corte (cutting tool)

Matéria-prima

(workpiece)

Plano de corte

(shear zone)

Fotomicrografia da formação de uma apara

Modelo teórico da formação de uma apara

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Plano de corte principal

(Primary shear zone)

Velocidade de Corte

(Cutting velocity)

Idealização do Mecanismo de Formação de Apara Contínua Regular

α - ângulo de ataque

φ - ângulo do plano de corte σ - ângulo de saída

t0- espessura de corte

tc- espessura da apara Modelo Teórico

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Polígono da Força de Corte de Merchant

Ernest & Merchant

2φ + β − α = π/2

Ernest & Merchant corrigido

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Ernest & Merchant

2φ + β − α = π/2

Ernest & Merchant corrigido

2φ + β − α = δ

Lee & Schaffer

φ + β − α = δ

Formulações Teóricas do Mecanismo de Formação de Apara Contínua Regular

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1) Força de Corte (Fc)

2) Força de Avanço (Fa)

Forças Desenvolvidas:

Fc

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Indicador de Maquinabilidade dos Materiais

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Tipos de Apara (Chip Types)

Apara Contínua Irregular (Segmented chips) Apara Contínua

(Continuous Chip)

Apara Descontinua (Discontinuous Chip)

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Tipos de Apara (Chip Types) a) Apara contínua (material ductil

a alta velocidade, mau para automação, quebra aparas) b) Zona de corte secundária

(aumenta a energia de dissipação)

c) Apara contínua com BUE (trabalho plástico elevado, mau acabamento)

d) Apara continua com uma grande zona de deformação (materiais macios a baixa velocidade de corte e pequenos ângulos de ataque) e) Apara continua irregular (baixa

conditibilidade térmica dos materiais)

f) Apara desconctinua (baixa

ductilidade e/ou ângulos de ataque negativos, bom para automação)

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Formação de Apara Aderente (Built-up Edge Formation - BUE)

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Ferramenta de Corte (Cutting tool) Apara (Chip) Apara Aderente (BUE) Matéria-prima (Workpiece)

Depósito de apara Aderente (BUE deposit)

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Geometria das Ferramentas

Vídeo1

Novas Geometrias de Ferramenta

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Geometria das Ferramentas

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Quebra Aparas Integrais (Integral Chip Breakers) Ferramenta de Corte (Cutting tool) Apara (Chip) Zona de Corte (Shear zone) Matéria-prima (Workpiece) Quebra Aparas (Chip breaker)

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Vídeo

Novas Geometrias de Quebra-Aparas

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Optimização da ligação entre revestimento e substrato

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Oxido de alumínio (Al2O3)

Resistente a abrasão, mas baixa tenacidade (strenght) Al2O3 + 30% TiC

Aumenta a tenacidade (strenght) em 15∼30%

Grandes velocidades - 3 ∼ 5 x carbonetos (carbides) Si3N4

Grande resistência (toughness) na deformação em massa Baixa expansão térmica

Not for steel, dissolves – fast wear

Revestimentos das Ferramentas (Tool Coatings)

Al2O3 + Si3N4 (SiAlON)

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Diamante (C)

HB ≈ 10,000 kg/mm2 Solúvel no aço

Bom para alumínios Bom para ligas Si-Al

Partículas de 10 ∼ 40 µm são sinterizadas sobre um substrato de WC => ferramenta policristalina

Nitreto de boro cubico (CBN)

Mais estável relativamente ao aço e Ni HB ≈ 4,500 kg/mm2

Corta aços de elevada dureza e superligas de Ni (10X carbides) Desgaste elevado a baixa velocidade, unicamente bom para altas velocidades

Revestimentos das Ferramentas (Tool Coatings)

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Lei de Vida da Ferramenta (Tool life equation)

Principais contribuições de F.W.Taylor:

1) 1ºs_{Estudo do corte por}

arranque de apara 2) Gestão científica

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n c

T

C

V

=

Lei de Vida da Ferramenta (Tool life equation)

Exemplo dos custo de maquinagem V_c= Velocidade de corte(cutting speed)

T = Tempo de vida da Ferramenta(tool life)

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Interface de Contacto Apara / Ferramenta (Chip / tool interface)

Fenómenos de Adesão / Abrasão

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O processo de HSM significa normalmente maquinar

“a seco”, ou seja, sem recorrer a algum tipo de fluído refrigerante.

De resto, multi-aresta, uma temperatura elevada mas constante pode ser preferível às grandes flutuações térmicas que o uso de refrigeração pode provocar.

Um revestimento de TiAlN tem melhores

resultados quando está quente. Refrigeração e Lubrificação

O processo de torneamento significa normalmente maquinar “com emulsão”, ou seja, incide um jacto de líquido continuamente sobre a única aresta de corte.

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Lubrificação

Vídeo

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Vibrações da Ferramentas

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Consequências no acabamento superficial

A vibração provoca flutuação da aresta de corte em torno da

trajectória teórica

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Identidade da Ferramenta (Tool Marks)

Imagem obtida por microscópio de feixe de electrões de superfície

obtida por fresagem

Morfologia da superfície através de rugosimetro de superfície obtida por fresagem

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Microgeometria da Superfície

(200x)

Superfície obtida por fresagem em aço St52.3 Normalizado

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Microgeometria da Superfície

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Simulação Numérica

Vídeo

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Capacidades de Simulação 2D para Corte Ortogonal no IST

Distribuição do Dano (critério de Rice-Tracey), ângulo de ataque de 10º

Distribuição das tensões de corte junto da aresta de corte, ângulo de ataque de -10º

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Medição de Forças no Processo de Fresagem

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1) Torneamento (turning) 2) Fresagem (Milling)

3) Fresagem de 5 Eixos

4) Fresagem de Alta Velocidade (HSM)

5) Rectificação (Grinding)

6) Furação (Drilling)

7) Maquinagem por Ultra-Sons

8) Maquinagem por Escoamentos Abrasivos

9) Maquinagem por Explosivos

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Vídeo Vídeo

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Fresagem

Vídeo1

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Fresagem a 5 Eixos

Vídeo Vídeo

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Fresagem a Alta Velocidade

Vídeo1

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(84)

Escoamentos Abrasivos

Vídeo1

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Corte por Jacto de Água

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Maquinagem com Explosivos