Fundamentos - Tópicos de Fabricação Mecânica por Remoção de Material de PMR 2220
5.1 Fundamentos da Fabricação por Remoção de Material
5.1.1 Introdução As peças fabricadas por fundição, conformação ou soldagem podem em alguns casos ser produzidas com as dimensões finais ou próximas a final (near net shaping), mas normalmente estas peças precisam sofrer operações complementares para chegar as dimensões finais com a tolerância dimensional especificada. A tolerância é utilizada para garantir a funcionalidade do produto e principalmente permitir o intercâmbio das peças. De um modo geral, os processos de fundição, conformação ou soldagem não podem produzir de forma economicamente viável o produto em sua totalidade. Um aspecto importante na seleção dos processos de fabricação é determinar as partes a serem geradas em cada processo e com qual tolerância, de modo a minimizar os custos de fabricação. Os processos de usinagem são classificados em três categorias:
• corte: utilizando ferramentas mono cortantes (por exemplo:torneamento) ou multi cortantes (por exemplo: fresamento);
• abrasivo: utiliza materiais abrasivos por exemplo retificação, lapidação, brunimento;
• outros métodos de remoção de material: elétrico, químico, térmico, hidrodinâmico e laser. Os processos de usinagem possuem as seguintes vantagens:
• são relativamente mais precisos que os processos de conformação e fundição;
• podem produzir com geometrias complexas que não são difíceis de serem obtidas por outros processos;
• são adequados para operações posteriores aos tratamentos térmicos, para corrigir distorções causados por estes;
• podem gerar superfícies com padrões especiais;
• dependendo do tamanho do lote, para lotes pequenos é mais econômico produzir as peças por usinagem; e as seguintes limitações ou desvantagens:
• gasto maior de matéria-prima, trabalho, tempo e energia;
• não melhora e pode até degradar as propriedades mecânicas da peça; Os processos de usinagem e as máquinas ferramenta são indispensáveis na moderna tecnologia de fabricação. Desde a introdução dos tornos em 1700, muitos processos têm sido desenvolvidos. Atualmente tem-se máquina ferramentas controladas por computador e novas tecnologias utilizando laser, eletricidade, química, térmica e hidrodinâmica como base para a usinagem. Os processos de fabricação podem ser modelados como um sistema composto de: peça, ferramenta e máquina. O conhecimento da interação entre estes elementos é importante para a utilização econômica da usinagem.
5.1.2. Fundamentos da Mecânica da Formação de Cavaco Processos de usinagem removem material da superfície da peça na forma de cavaco. No processo de torneamento a peça gira enquanto a ferramenta se desloca para cortar continuamente o material (Figura 5.1).
Figura 5.1 – Torneamento (adaptado de DINIZ,2000)
Inicialmente a ferramenta é ajustada a uma certa profundidade de corte (normalmente expresso em m ou in), ao mesmo tempo em que a peça gira a ferramenta se desloca a uma certa velocidade. O avanço é a distância que a ferramenta percorre a cada volta da peça (expresso em m/volta ou in/volta), como resultado desses movimentos o cavaco é produzido e move-se sobre a face da ferramenta. A formação do cavaco, em geral, nas condições normais de usinagem com ferramentas de metal duro ou aço rápido ocorre da seguinte forma:
• Durante a usinagem, devido a penetração da ferramenta na peça, uma pequena porção de material é recalcada contra a superfície de saída da ferramenta;
• O material recalcado sofre deformação plástica, que aumenta progressivamente, até que tensões de cisalhamento se tornem suficientemente grandes, de modo a se iniciar um deslizamento entre a porção de material recalcado e a peça. Este deslizamento ocorre de acordo com os planos de cisalhamento dos cristais.Durante a usinagem, estes planos instantâneos irão definir uma certa região entre a peça e o cavaco, denominada região de cisalhamento. Este região normalmente é aproximada a um plano denominado plano de cisalhamento, a direção deste plano define o ângulo de cisalhamento φ.
• Continuando a penetração da ferramenta em relação à peça, haverá uma ruptura parcial ou completa na região de cisalhamento, dependendo da ductilidade do material e das condições de usinagem.
• Prosseguindo, devido ao movimento relativo entre a ferramenta e a peça, inicia-se um escorregamento da porção de material deformada e cisalhada (cavaco) sobre a superfície de saída da ferramenta. Enquanto isso, em uma nova porção de material inicia-se o mesmo processo.
Considerando-se o exposto, pode-se concluir que o fenômeno de formação do cavaco é um fenômeno periódico, inclusive na formação do cavaco dito contínuo. Tem-se alternadamente uma fase de recalque e uma fase de escorregamento para cada porção de material removido.
Figura 5.2 – Formação do cavaco (adaptado de FERRARESI,1977 ) A espessura do cavaco é relativamente maior que a profundidade de corte.O quociente entre a espessura do cavaco tc e a profundidade de corte t0 é denominado grau de recalque do cavaco. Este parâmetro é importante para avaliação das condições de usinagem porque permite o cálculo do ângulo de cisalhamento que influencia a força e a energia necessária, bem como a temperatura de trabalho.
tc/t0 = cos (φ -γ ) / sen (φ )
onde γ é o ângulo de saída da ferramenta.
5.1.3 Tipos de cavaco
Os cavacos podem ser classificados em três tipos:
• contínuo : forma-se na usinagem de materiais dúcteis e homogêneos com pequeno e médio avanço;
• de cisalhamento: constituído de grupos lamelares distintos e justapostos, estes elementos foram cisalhados e parcialmente soldados em seguida;
• de ruptura: quando são constituídos de fragmentos arrancados da peça usinada.
Forma-se na usinagem de materiais frágeis ou de estrutura heterogênea, tais como ferro fundido ou latão. A forma o cavaco pode ser classificado em:
• em fita; • helicoidal;
• em lascas ou pedaços.
O cavaco em fita pode provocar acidentes, ocupa muito espaço e é difícil de ser transportado. Geralmente a forma de cavaco mais conveniente é o helicoidal. O cavaco em lascas é preferido quando houver pouco espaço disponível ou quando o cavaco deve ser removido por fluido refrigerante (por exemplo, no caso de furação profunda).
Figura 5.3 – Coeficiente Volumétrico e a forma do Cavaco (adaptado de FERRARESI,1977 )
Pode-se provocar a mudança na forma do cavaco através de: • alterando-se as condições de usinagem;
• superfície de saída da ferramenta;
• dispositivos na superfície de saída da ferramenta.
5.1.4 Forças e Potência na Usinagem As forças e a potência de usinagem devem ser conhecidas para permitir a seleção adequada da máquina ferramenta e para o projeto de dispositivos de fixação ou de ferramentas. Por causa de vários fatores envolvidos, a predição da força de corte e potência ainda baseia-se em dados experimentais, a variação no coeficiente deve-se a variação de resistência do material usinado, atrito, fluidos de corte e outras variáveis de processo.
Material Energia Específica [ W. s / mm³]
Ligas de Alumínio 0,4-1,1 Ligas de Cobre 1,4-3,3 Aços 2.7-9.3
5.1.5 Vida da Ferramenta: Desgaste e Fratura As ferramentas de usinagem normalmente estão sujeitas as seguintes solicitações: altas tensões localizadas; altas temperaturas, escoamento do cavaco ao longo da superfície de saída e o atrito entre a ferramenta e a superfície usinada. Estas solicitações provocam o desgaste da ferramenta, ou seja, diminuem a vida útil da mesma, afetando também a qualidade da superfície usinada, a precisão dimensional e conseqüentemente a viabilidade econômica do processo são bastante influenciados pela vida da ferramenta.
O desgaste normalmente é um processo gradual, parecido ao que ocorre com um lápis. A velocidade de desgaste depende dos materiais da peça e da ferramenta, forma da ferramenta, fluidos de corte, parâmetros de processo (velocidade de corte, avanço e profundidade de corte) e características da máquina ferramenta. Existem dois tipos básicos de desgaste, correspondendo a duas regiões da ferramenta: desgaste do flanco e desgaste de cratera.
Figura 5.4 – Desgaste de Cratera e de Flanco (adaptado de KALPAKJIAN, 2001).
O desgaste do flanco ocorre na superfície de folga da ferramenta, é causado pelo atrito entre a ferramenta e a superfície usinada que causa desgaste abrasivo ou adesivo, altas temperaturas que afetam as propriedades do material da ferramenta bem como da superfície da peça. Em um estudo clássico na usinagem de aços em 1907, F.W. Taylor apresentou a seguinte relação:
= C (2)
V Tn onde: V:= velocidade de corte; T: = tempo em minutos para que o desgaste atinja um determinado nível ; n =expoente que depende da ferramenta, material da peça e parâmetros de usinagem e; C: = uma constante. Os valores de n e C podem ser determinados experimentalmente, na figura 5.5 apresenta-se a vida para ferramentas de diferentes materiais.
Figura 5.5 – Vida da Ferramenta (adaptado de KALPAKJIAN,2001)
O estudo da vida da ferramenta é vital para a determinação da velocidade de corte para minimizar o custo ou maximizar a produção. O Desgaste de Cratera ocorre na superfície de saída da ferramenta, como ele altera a geometria dessa superfície ele afeta o processo de corte. Os fatores que mais influenciam neste tipo de desgaste são temperatura na interface ferramenta peça e a afinidade química entre a ferramenta e a peça, e os fatores que influenciam o desgaste do flanco também influenciam o desgaste em cratera. Lascamento é o termo utilizado para descrever a fratura e desprendimento de pequenos pedaços da aresta de corte da ferramenta. Estes pedaços podem ser pequenos, ou podem ser relativamente grandes. Ao contrário do desgaste que é gradual, o lascamento com fratura ocorre de repente provocando a perda de material da ferramenta, resultando em alteração da forma da ferramenta, provocando na peça usinada perda de qualidade da superfície e precisão dimensional. As principais causas do lascamento são choque mecânico devido ao corte não contínuo ou fadiga térmica causada por variações cíclicas da temperatura. O lascamento também pode ocorrer em regiões da ferramenta onde preexistem pequenas trincas ou defeitos. O lascamento ou fratura em ferramentas pode ser evitado através da seleção de ferramentas de materiais de alta tenacidade e resistentes a choque térmico. Além dos fatores já apontados, a vida da ferramenta pode ser comprometida por deformação plástica devido a diminuição da resistência do material por causa do aquecimento e também na usinagem de materiais com camadas de óxidos o desgaste pode ser bastante acentuado, nestes casos deve-se usinar a peça com uma profundidade de corte suficiente para arrancar toda camada oxidada. Com a crescente utilização de máquinas ferramentas controladas por computador, e a implementação da automação da manufatura, é importante que a performance das ferramentas de usinagem deva ser confiável e repetitiva. Muitas máquinas ferramenta modernas operam com pouca supervisão do operador, conseqüentemente a falha de uma ferramenta de usinagem pode acarretar sérios efeitos na qualidade das peças produzidas, bem como na eficiência e na viabilidade econômica da operação de fabricação. Em função disso, é essencial continuamente e indiretamente monitorar a condição da ferramenta quanto ao desgaste ou fratura. Em muitas máquinas modernas, o monitoramento da condição da ferramenta é integrado ao controle da máquina.
As técnicas de monitoramento da ferramenta podem ser de dois tipos: direto ou indireto. O método direto para observar a condição de uma ferramenta de usinagem é baseado na medição óptica do desgaste. Este é a mais comum e confiável técnica e é feita utilizando-se um microscópio. Entretanto, este procedimento requer que a usinagem seja interrompida. Os métodos indiretos de medição do desgaste usam a correlação entre o desgaste da ferramenta com variáveis de processo como: força, potência, temperatura, acabamento superficial e vibração. Uma importante técnica é a baseada na emissão acústica que utiliza sensores piezoelétricos montados no porta ferramenta. Estes transdutores lêem as emissões acústicas (tipicamente acima de 100 kHz) resultantes das ondas de tensões geradas no corte, pela análise destes sinais, o desgaste e lascamento da ferramenta pode ser monitorado. Em máquinas ferramentas comandadas por computador de baixo custo, o monitoramento da vida da ferramenta pode ser feito por ciclo de tempo, ou seja, uma vez determinada a expectativa de vida da ferramenta, esta pode ser programada na máquina que irá solicitar ao operador a troca quando o tempo de trabalho alcançar o tempo programado.
5.1.6 Usinabilidade
A usinabilidade de um material normalmente é definida por quatro fatores: • Acabamento superficial e integridade da peça usinada.
• Vida da ferramenta.
• Força e potência necessárias.
• Tipo de cavaco.
Boa usinabilidade indica bom acabamento superficial e integridade, vida longa da ferramenta, e baixa força e potência. E quanto ao tipo de cavaco o ideal é em pedaços. Como os aços são o material mais importante na engenharia, sua usinabilidade tem sido estudada extensivamente. Nestes materiais a usinabilidade pode aumentada pela adição de chumbo e enxofre obtendo-se os aços denominados de usinagem fácil. Os aços liga contém baixos teores de cromo, cobalto, níquel, molibdênio, tungst6enio, vanádio e outros elementos, isolados ou em combinação. O que resulta em aços de usinabilidade mais difícil que os aços carbono comuns. Os aços inoxidáveis apresentam baixa usinabilidade em relação aos aços de corte fácil. Quando a esses aços, acrescenta-se pequenas quantidades de enxofre, fósforo ou selênio a usinabilidade melhora consideravelmente em até 50%. A usinabilidade do ferro fundido apresenta grande variação. O ferro fundido cinzento e o nodular são de fácil usinagem enquanto que o ferro fundido branco é de usinagem dificílima. O Alumínio comercialmente puro apesar de extremamente dúctil apresenta baixa usinabilidade. As ligas mais resistentes com cobre tem usinabilidade razoável. As ligas com silício são mais difíceis de usinar. As ligas de magnésio são largamente empregadas na indústria aeronáutica. As ligas mais comuns de magnésio, contém de 4 a 12% de alumínio, 0,1 a 0,3% de manganês e outros elementos como zinco, berílio, cério, cobre, prata, estanho e zircônio podem ser adicionados. Praticamente todas as ligas de magnésio apresentam excelente usinabilidade. O cobre comercialmente puro é largamente utilizado na indústria elétrica. As pressões específicas de corte do cobre e suas ligas são geralmente baixas, mas a usinabilidade não é boa devido a alta ductilidade. O níquel puro é um metal dúctil de alta pressão específica de corte e difícil usinagem.
Os termoplásticos podem ser usinados, mas como apresentam baixa condutividade térmica, baixo módulo de elasticidade, e baixa temperatura de amolecimento, a usinagem deve ser realizada com ferramenta com ângulo de saída positivo, ângulo de folga grande, pequena profundidade de corte e avanço, alta velocidade de corte e suporte adequado para a peça. A refrigeração deve garantir que os cavacos não se colem na peça ou ferramenta. A usinagem de termoplásticos podem provocar tensões residuais, para elimina-las as peças devem ser recozidas a temperatura de 80o a 160o C e resfriadas lentamente no ambiente. Os termofixos apresentam usinabilidade semelhante aos termoplásticos entretanto, são frágeis e sensíveis a gradientes de temperatura durante a usinagem. Os plásticos reforçados por causa da presença de fibras são abrasivos e de difícil usinagem.