Usinagem por Fresamento: Operações, Forças e Potências

O processo de usinagem por fresamento Profª Ana Lúcia Nascimento Oliveira Descrição As operações e ferramentas de fresamento e o cálculo das forças e potências no fresamento tangencial e fresamento frontal Propósito O desenvolvimento tecnológico e o advento de novos materiais permitem que o processo de usinagem por fresamento seja aplicado nos mais variados ramos da indústria com alta produtividade Conhecer como as operações de fresamento podem usinar peças simples e complexas com bom acabamento superficial e precisão é de fundamental importância para o bom desempenho profissional na área de engenharia de processos Objetivos Módulo 1 Operações do processo de usinagem por fresamento Reconhecer os tipos de operações do processo de usinagem por fresamento Módulo 2 Forças e potências no fresamento tangencial Calcular as forças e potências no fresamento tangencial Módulo 3 Forças e potências no fresamento frontal Calcular as forças e potências no fresamento frontal Introdução Processo de fresamento Processo de fresamento remoção do cavaco O fresamento é uma das operações de remoção mecânica de material que faz parte dos processos de usinagem No fresamento a remoção do material ou seja remoção do cavaco imagem a seguir se dá pelo movimento rotativo da ferramenta de corte em relação à peça Cavaco formado em operações de usinagem como o fresamento A fresa pode apresentar várias arestas cortantes e diferentes geometrias o que possibilita a obtenção de peças com grande variedade de formas e geometrias fazendo do processo de fresamento algo bastante versátil Nos últimos anos o avanço tecnológico e de novos materiais possibilitou a aplicação dos processos industriais em diferentes segmentos da indústria proporcionando excelente acabamento superficial precisão e taxa de produção de peças compatível com a demanda do mercado Além disso atualmente temos fresadoras que possibilitam que os fresamentos sejam realizados em cinco eixos o que permite a produção de peças mais complexas Comentário Tendo em vista o desenvolvimento tecnológico e de novos materiais os campos de aplicação de processos como o fresamento se expandiram e alcançaram inúmeras áreas como a medicina e a odontologia principalmente com o advento do CADCAM desenho assistido por computadormanufatura assistida por computador Isso permite a produção de peças que tornam os procedimentos clínicos e cirúrgicos mais rápidos e menos invasivos e incômodos para o paciente A imagem a seguir mostra o processo de fresamento em cinco eixos direcionado à área de saúde Fresamento de prótese odontológica pelo sistema CADCAM Tipos de fresas e suas aplicações As fresas podem ser aplicadas em operações com diferentes objetivos como a confecção de rasgos faceamentos rebaixos ranhuras e ainda operação principal ou secundária como o acabamento de peças Sua variedade de formas permite a produção de geometrias e complexidades diversas As fresas podem ser divididas em alguns grupos de acordo com suas aplicações como veremos a seguir Fresas de disco Apresentam diferentes formas e tamanhos podendo ser acopladas formando o trem de fresas São caracterizadas por sua largura modesta e seus gumes distribuídos em apenas um ou em ambos os lados do disco permitindo sua aplicação em diversas operações de fresamento tais como contorno de peças etc Podem ser divididas em fresas de disco com dois cortes empregado em fresas compostas com dentes retos utilizada para a confecção de ranhuras com pouca profundidade com dentes cruzados permitem a confecção de ranhuras mais profundas maior velocidade de corte e de avanço bihelicoidais para a confecção de ranhuras profundas em ferro fundido ou espinha de peixe ou acoplamentos reguláveis para a confecção de ranhuras profundas e com larguras reguláveis Podem ser aplicadas para fazer contornos rasgos de vários tipos e tamanhos fazer rebaixos e faceamentos entre outros São fresas semelhantes as de topo porém utilizadas com hastes padronizadas Podem ser empregadas para a confecção de ranhuras e contornos Fresas de topo Fresas cilíndricofrontais Pode ser utilizado um conjunto de fresas para se obter o desenho desejado trem de fresas ou uma única peça que já alcance o desenho desejado Podem ser executados perfis semicirculares convexos rebaixos para chavetas entre outros Esses tipos de fresa são utilizados para gerar guias de máquinas em geral para abrir ranhuras em T que precisam ser executadas em duas etapas por meio de um conjunto de operações no qual em um primeiro momento fazse a abertura do canal com uma fresa de topo e em seguida utilizase uma fresa com ranhura em T para fazer o perfil em forma de T Fresas detalonadas Fresas para ranhuras T Usadas para fazer guias de máquinas em forma de cauda de andorinha com angulações que podem ser de 45 50 55 e 60 Empregadas para abrir guias prismáticas No fresamento é importante ressaltar que diferentes parâmetros de corte podem ser aplicados e influenciam diretamente os resultados obtidos no processo Entre esses parâmetros estão a frequência de rotação as velocidades de corte e de avanço a profundidade de corte entre outros Fresas frontais angulares Fresas prismáticas Imagem fresamento horizontal O fresamento vertical como visto na imagem a seguir é empregado para produzir superfícies perpendiculares ao eixo de rotação da ferramenta Imagem fresamento vertical A operação de fresamento inclinado imagem a seguir ocorre com uma angulação de 60 graus com a horizontal Operação de fresamentos tangencial As operações de fresamento podem ser divididas de acordo com a forma com a qual os dentes ativos da fresa estão distribuídos em tangencial e frontal Os fresamentos tangenciais envolvem operações em que os dentes ativos da fresa estão dispostos longitudinalmente em sua superfície cilíndrica Nesses casos as fresas geralmente são conhecidas como cilíndricas ou tangenciais No fresamento frontal os dentes cortantes estão dispostos na área frontal da fresa sendo conhecidos como fresas frontais ou de topo DINIZ MARCONDES COPPINI 2014 Na imagem a seguir podese observar uma operação de fresamento tangencial sendo realizada Fresamento tangencial O fresamento tangencial pode ser de dois tipos Fresamento tangencial concordante Fresamento tangencial discordante Quando uma operação de fresamento tem início as arestas cortantes estão sujeitas a cargas Para a otimização do processo de fresamento o contato da aresta de corte e do material da peça devem ser adequados na entrada quanto na saída do corte Comentário Nas operações de fresamento a peça pode avançar na mesma direção ou na direção contrária à rotação da fresa sendo designados como fresamentos concordantes ou discordantes respectivamente Para um melhor entendimento da definição de fresamento concordante e discordante que será visto a seguir é importante entender que o ângulo de contato do dente é formado pelo encontro da linha radial que cruza o ponto de contato entre a aresta e a peça e pela linha radial que cruza o ponto a espessura do cavaco é zero Fresamento concordante φ hD Neste tipo de fresamento a ferramenta de corte avança na mesma direção da sua rotação Deve ser o tipo de fresamento preferencial sempre que as condições tais como a máquinaferramenta o dispositivo de fixação e a peças permitirem No fresamento concordante o cavaco apresenta uma espessura inicial maior que vai diminuindo gradualmente até chegar a zero As peças com superfície com maior dureza devido a condições de forjamento entre outras apresentarão condições desfavoráveis no contato inicial da aresta cortante da ferramenta de corte com a peça levando à redução da vida útil da ferramenta Fresamento discordante No caso do fresamento discordante a espessura de corte hD aumenta gradualmente de zero até um valor máximo o sentido do movimento de avanço é contrário ao sentido do rotatório da fresa Durante o fresamento a aresta cortante inicialmente toca a peça para dentro da qual é forçada provocando elevado atrito que por sua vez leva à deformação plástica da peça e elevação da temperatura sem formar o cavaco Comentário Consequentemente quando cada dente toca a peça para iniciar o corte a componente da força de corte perpendicular à superfície que está sendo usinada estará propensa a afastar a ferramenta da peça sendo usinada e a aproxima da base da fresadora Por sua vez na finalização do corte de um dente a aresta cortante desprende a peça da mesa fresadora podendo arrancála Toda essa variação da componente de força perpendicular produz vibrações durante o processo de usinagem que levam a um acabamento superficial desfavorável Quando a pressão da aresta de corte é suficiente para penetrar no material da peça o cavaco formado terá o formato de vírgula Imagem ilustrativa de fresamento concordante a fresamento discordante b e segmentação do cavaco c Formato do cavaco no fresamento tangencial O cavaco formado no fresamento tangencial assemelhase a uma vírgula cuja espessura do corte aumenta de zero a um valor máximo no caso do fresamento discordante e reduz de um valor máximo a zero no caso do fresamento concordante Assim temse Rotacione a tela Onde ângulo de contato do dente com a peça diâmetro da fresa espessura de penetração do dente da fresa na peça Logo Rotacione a tela Onde espessura de corte para a condição de avanço por dente Operação de fresamento frontal cos Ψ D 2ae D 1 2ae D Ψ D ae e hD max fz sen Ψ0 fz 2 ae D ae D 2 1 2 hD max Ψ Ψ0 fz Como dito anteriormente no fresamento frontal os dentes cortantes estão dispostos na região frontal da fresa e o eixo da ferramenta é perpendicular à superfície usinada Para esse tipo de fresamento dados experimentais indicam que o ideal é que o diâmetro da fresa seja a superior à largura da superfície usinada sendo comum aplicar para a escolha da fresa a associação de Esse ponto é relevante e vale ser ressaltado considerando que quando a fresa possui diâmetro muito próximo da largura da peça os cavacos gerados no início da operação terão espessura muito pequena Imagem esquemática da posição da fresa para fresamento frontal em relação à peça de corte Fresas frontais com gume cortante de metal duro são mais sensíveis a choques portanto a posição de contato da fresa com a peça deve ser avaliada em toda a operação de corte Fresamento frontal O tempo de choque decorrido entre o primeiro contato da ferramenta de corte com a peça até o contato total com o segmento do cavaco deve ser o máximo permitido minimizando o impacto entre as superfícies assumindose um valor mínimo para a distância de ajustagem j que deve ser de aproximadamente o diâmetro da fresa Além disso valores de abaixo do estabelecido acima levarão a espessuras de corte iniciais próximas de zero o que traz prejuízos à operação como citado anteriormente Formato do cavaco no fresamento frontal D 20 50 ae D 1 3 ae 5 j h O fresamento frontal pode ser simétrico ou assimétrico O fresamento frontal simétrico ocorre quando o deslocamento do eixo da ferramenta de corte fresa ocorre sobre o eixo de simetria da peça usinada enquanto o assimétrico ocorre em casos em que o corte não ocorre sobre o eixo de simetria da peça usinada Tabela Parâmetros relacionados ao fresamento frontal simétrico e espessura de corte Adaptada de Diniz Marcondes e Coppini 2014 p 223 No caso do fresamento frontal assimétrico com fresas de facear podese classificálo em concordante ou discordante O concordante se dá quando a maior parte do corte apresenta espessura decrescente e será discordante quando a maior parte do corte tiver espessura de corte crescente Além disso o fresamento frontal assimétrico pode ser empregado para gerar rebaixos nas peças como na imagem a seguir c Por sua vez o fresamento frontal assimétrico dáse quando o deslocamento do eixo da fresa não ocorre sobre o eixo de simetria da peça usinada Esse tipo de fresamento é mais oportuno em casos em que o diâmetro da fresa é grande em relação à largura da peça pois podese ter um maior número de dentes ativos durante o corte de forma conjunta resultando em menores esforços nos dentes e consequentemente em um corte mais suave do que o verificado no fresamento simétrico Tabela Parâmetros relacionados ao fresamento frontal assimétrico hDmin Espessura mínima do cavaco Adaptada de Diniz Marcondes e Coppini 2014 p 224 Observe a seguir as imagens que apresentam um fresamento de raso ou canal com fresas de topo fresamento comum com fresas de facear fresamento assimétrico com toda a superfície sendo fresada e fresamento frontal assimétrico Assim temse Rotacione a tela Onde ângulo de contato do dente com a peça Logo Rotacione a tela Nesse caso o fresamento também pode ser considerado concordante ou discordante Caso a posição inicial do dente gume cortante apresente espessura mínima do cavaco igual a zero o fresamento será considerado discordante Será concordante para os casos em que a espessura do cavaco inicialmente for maior que zero e o valor final homin igual a zero Esquema da espessura do cavaco no fresamento frontal em relação ao ângulo de posicionamento do dente e o ângulo de posição cos Ψ D 2aθ D 1 2aθ D Ψ0 hD max fz sen χr sen ψ0 fz sen χr 2 ae D ae D 2 1 2 hDmin h0 Seleção dos parâmetros de usinagem e o número de dentes da fresa Fatores como a profundidade de corte a penetração de trabalho ae o avanço a velocidade de corte e o número de dentes da fresa são primordiais para selecionar os parâmetros de usinagem Comentário A profundidade de corte pode ser avaliada por vários prismas Uma profundidade de corte maior é economicamente vantajosa tendo em vista que aumentará a remoção de cavaco e não terá nenhum impacto que possa gerar desgaste prematuro da ferramenta de corte Portanto para fresas frontais indicase a utilização do maior comprimento possível das arestas de corte Contudo é importante ressaltar que para se evitar vibrações é preciso respeitar o comprimento de corte que não deve ficar abaixo de dois terços do comprimento da aresta de corte Outros fatores podem ser considerados para a escolha da profundidade de corte tais como a potência da máquina rigidez da peça e seu acabamento superficial Atenção Conforme a penetração de trabalho aumenta o ângulo de contato entre a fresa e a peça aumentará gradativamente o que levará ao aumento da temperatura de operação reduzindo significativamente a vida útil da ferramenta de corte Sendo assim caso não seja possível remover o material em apenas uma passada da ferramenta devido à baixa potência ou à rigidez da máquina para evitar o desgaste prematuro da ferramenta podese optar por dividir a operação em duas etapas removendo um volume menor a cada passada da ferramenta de corte Para determinar o avanço é preciso considerar fatores como o tipo de fresa e seu material potência da máquina acabamento superficial entre outros A partir da relação a seguir podese estimar o volume de cavaco removido no fresamento por unidade de tempo b ap sen χr Ψ0 V ap ae vf Rotacione a tela Rotacione a tela Sendo profundidade de usinagem espessura de penetração de trabalho velocidade de avanço avanço por dente número de dentes da fresa rotação da fresa É importante salientar que a espessura média do cavaco hm no fresamento tangencial deve estar no intervalo de 004 mm a 02 mm variando em função da dureza do material usinado e da geometria a ser usinada No fresamento frontal essa média não pode ser inferior a 01 mm Comentário A velocidade de corte é um parâmetro que está relacionado somente ao avanço dos dentes da fresa ou seja à velocidade de rotação da fresa Sendo assim para que seja real e efetivo o aumento da velocidade de corte deve estar associado a um ajuste na velocidade de avanço vf da mesa fresadora Portanto o aumento da velocidade de corte deve ser acompanhado de um aumento proporcional da velocidade de avanço Rotacione a tela Sendo velocidade de avanço avanço por dente número de dentes da fresa rotação da fresa Como vf fz z n temos V ap aefz z n a0 ae vf fz z n vf fz z n vf fz z n O número de dentes em uma fresa é outro fator importante Denominase fresa de passo largo a fresa que possui poucos dentes enquanto a fresa com muitos dentes é conhecida como fresa de passo fino Há ainda a fresa de passo médio que apresenta um número intermediário de dentes Comentário Observase que fresas de passo largo quando comparadas a fresas de passo fino ambas com o mesmo avanço por volta geram menor potência pois o avanço por dente e a espessura média de cavaco são maiores que para fresas de passo fino considerando a quantidade de cavacotempo Entre os fatores que devem ser considerados na escolha do número de dentes da fresa podemos citar o material da peça tamanho estabilidade entre os componentes envolvidos durante o processo de fresamento e o acabamento superficial A seguir observe a aplicação das fresas de acordo com o passo Indicada para desbaste pesado do aço com tolerância à vibração e a máquinas de baixa potência Indicada para desbaste médio do aço e desbaste pesado de ferro fundido Indicada para acabamento de aço desbaste e acabamento de ferro fundido e fresamento de ligas de titânio Largo Médio Fino Mão na massa Questão 1 Calcule o tempo de avanço da mesa quando o avanço por dente é 015mmdente o número de insertos é 6 e a rotação é de 600min1 600 RPM Parabéns A alternativa A está correta Substitua os valores dados na fórmula Sendo velocidade de avanço avanço por dente número de dentes da fresa rotação da fresa A 540mmmin B 500mmmin C 550mmmin D 640mmmin E 520mmmin vf fz z n vf fz z n Portanto o avanço da mesa será de Questão 2 Calcule o avanço por dente quando a rotação é RPM o número de insertos é 10 e o avanço da mesa é de Parabéns A alternativa B está correta Questão 3 De acordo com a posição da ferramenta de corte em relação à peça usinada o fresamento pode ser horizontal vertical ou inclinado Marque a alternativa que apresenta adequadamente a definição de vf fz z n 0 15 6 600 540 mm min 540 mmmin 450 min1450 600 mmmin A 0125mmdente B 0075mmdente C 01mmdente D 025mmdente E 0150mmdente fresamento horizontal Parabéns A alternativa C está correta O fresamento horizontal é realizado quando se deseja gerar superfícies paralelas ao eixo de rotação da fresa O fresamento vertical é utilizado quando se requer uma superfície a 90 em relação ao eixo de rotação da fresa Questão 4 A seleção dos parâmetros de usinagem é fundamental para se otimizar o processo na operação de fresamento Entre os fatores que podem ser considerados qual podemos citar a seguir A O fresamento vertical é empregado para produzir superfícies paralelas ao eixo de rotação da ferramenta B O fresamento horizontal é empregado para produzir superfícies perpendiculares ao eixo de rotação da ferramenta C O fresamento horizontal é usado na produção de superfícies paralelas ao eixo de rotação da ferramenta D Fresamento inclinado não está previsto nos processos de usinagem E Fresamentos vertical e horizontal devem sempre ser usados em conjunto A Profundidade de corte número de ciclos modelo da máquina CNC B Devese considerar apenas o material da ferramenta de corte e da peça Parabéns A alternativa D está correta Para selecionar os parâmetros de usinagem devese saber o que se quer obter como resultado final Por conta disso devese considerar número de dentes da fresa velocidade e profundidade de corte etc Questão 5 No fresamento de uma peça de aço de de largura e de comprimento profundidade de corte 10mm ferramenta com 8 insertos avanço por dente de dente e rotação da fresa de 550 RPM calcule a velocidade de avanço da mesa C Devese considerar somente a velocidade de avanço e o número de dentes da fresa D Profundidade de corte penetração de trabalho avanço velocidade de corte e o número de dentes da fresa E Não é necessário avaliar nenhum parâmetro apenas evitar instabilidade durante o processo 80 mm 200 mm 0 1 mm vf A 460 mmmin B 440 mmmin C 300 mmmin D 420 mmmin E 400 mmmin Parabéns A alternativa B está correta Substitua os valores dados na fórmula Sendo velocidade de avanço avanço por dente número de dentes da fresa rotação da fresa Portanto o avanço da mesa será de Questão 6 Calcule o avanço por dente durante a operação de fresamento na qual a velocidade de avanço é de a ferramenta apresenta 10 insertos e a rotação da fresa é 650 RPM vf fz z n vf fz z n vf fz z n 0 1 8 550 440 mm min 440 mmmin fz vf 560 mmmin A 0025mmdente B 0065mmdente C 0086 mmdente D 0076mmdente E 0050mmdente Parabéns A alternativa C está correta Utilize a fórmula a seguir para obter o valor de Sendo velocidade de avanço avanço por dente número de dentes da fresa rotação da fresa Portanto o avanço por dente será de dente Teoria na prática Para alcançar as especificações de projeto ou seja para atingir os requisitos do projeto referentes ao acabamento superficial e à precisão dimensional para o projeto de peças fresadas diferentes tipos de fresas são empregadas além de diferentes parâmetros e materiais de corte De acordo com a forma como a aresta de corte entra em contato com a superfície usinada podese alcançar acabamentos superficiais e características topográficas diferentes Entre esses parâmetros podemos destacar os fresamentos concordantes e discordantes Vamos avaliar quais as vantagens e desvantagens da aplicação de cada um dos tipos de fresamento fz vf fz z n fz vf z n vf fz z n fz vf z n 560 10 650 0086mmdente 0086 mm black Mostrar solução Falta pouco para atingir seus objetivos Vamos praticar alguns conceitos Questão 1 O fresamento é uma das operações que compõem os processos de usinagem dos materiais No fresamento como se dá a remoção do cavaco Parabéns A alternativa C está correta O fresamento ocorre devido à remoção de material que também pode ser chamada de cavaco Essa remoção ocorre graças ao momento angular da ferramenta ou seja graças a seu movimento de rotação A Pela utilização de ferramentas denominadas rebolos B Não há remoção de cavaco no fresamento C A partir do movimento rotativo da ferramenta de corte em relação à peça D Pelo movimento linear da ferramenta de corte apenas no eixo x E A peça fresada gira ao redor de seu próprio eixo enquanto a ferramenta de corte retira o cavaco Questão 2 O fresamento tangencial pode ser concordante ou discordante Com base no tipo de fresamento tangencial podese afirmar que Parabéns A alternativa B está correta Quando utilizamos o fresamento discordante a espessura de corte vai aumentando gradualmente até chegar à espessura máxima requerida No fresamento concordante o comportamento da espessura é o oposto ela começa em seu valor máximo e vai diminuindo até chegar a zero A No fresamento concordante a ferramenta de corte não avança na mesma direção da sua rotação B No fresamento concordante a espessura no início do fresamento é maior que no fim C No fresamento discordante a espessura de corte hD vai diminuindo gradualmente até chegar a zero D No fresamento concordante a espessura de corte hD vai aumentando gradualmente de zero até um valor máximo E Tanto no fresamento concordante como no discordante a espessura do cavaco se mantém constante Força de usinagem É a força resultante de todas as forças que atuam no plano de trabalho do sistema ferramentapeça Fu Força ativa É a componente de Fu no plano de trabalho do sistema ferramentapeça e na direção deste Ft Força passiva É a componente de Fu no plano de trabalho do sistema ferramentapeça na direção perpendicular a esse plano de trabalho Fp Força de corte É a componente de Fu na direção de corte situada no plano de trabalho Também conhecida como força principal de corte Fc Força de avanço É a componente de Fu na direção de avanço situada no plano de trabalho Ff F Podese concluir que para o cálculo da potência de usinagem levase em consideração a força ativa já que ela se encontra no plano de trabalho em que os movimentos de fresagem são realizados Na imagem a seguir é possível identificar as forças dispostas em uma operação de fresagem Componentes das forças de usinagem nos processos de fresamento Força média no fresamento tangencial Na imagem anterior observase que a componente de Fu sobre o plano de trabalho e na direção do corte é a Fc Como a direção da força de usinagem não é constante por ocasião do fresamento ou seja no contato da peça com a ferramenta todas as suas componentes também não são constantes Tendo em vista que no processo de fresamento o ângulo de direção de avanço não é constante como no caso do torneamento onde a força de apoio se confunde com a força de corte a força ativa é a soma vetorial das forças de avanço força de apoio e força de corte Assim Rotacione a tela Essa equação é fundamental para determinar a força de usinagem Porém para tanto deve ser levada em consideração também a força passiva que embora não contribua para a potência de usinagem já que por definição é perpendicular ao plano de trabalho que é o local onde são realizados os movimentos de avanço Força de apoio É a componente de Fu na direção perpendicular à direção de avanço situada no plano de trabalho Fap Ft Ff Fap Fc e corte ela é responsável pela deformação elástica do sistema peçaferramenta por ocasião do corte influenciando diretamente nas tolerâncias do processo de fresagem Dessa forma a força de usinagem é a soma vetorial da força passiva com a força ativa Assim Rotacione a tela Como por definição as forças ativas e passivas são perpendiculares entre si o módulo da força de usinagem pode ser determinado por Rotacione a tela Cabe ressaltar que devido à dificuldade de medição das forças de avanço força de apoio e força de corte que compõem a força ativa seu processo de determinação é feito com ajuda de um dinamômetro capaz de medir os esforços nos planos X Y e Z A força de corte Fc perpendicular à seção de corte e principal fator para o cálculo da potência no fresamento pode ser determinada por Rotacione a tela Onde é a força específica de corte e pode ser determinada pela espessura h do cavaco seguindo o critério de KienzleHaidt determinação experimental da constante Ks e b a largura do corte Como visto anteriormente no fresamento a espessura h do cavaco varia e com isso a força de corte também é variável não somente em direção quanto também em módulo Dessa forma observando a imagem a seguir podese determinar a espessura h do cavaco Fu Ft Fp Fu F2 t F2p Fc Ks h b Ks Grandezas geométricas na formação do cavaco em um fresamento tangencial Explodindo a parte principal do cavaco na figura anterior temse Grandezas geométricas na formação do cavaco num fresamento tangencial explodida na parte do cavaco Rotacione a tela ou Rotacione a tela Onde distância que mostra o avanço da peça por dente e por volta em mmrpm velocidade de avanço em mmmin rotação da fresa em rpm número de dentes da fresa espessura do cavaco em mm ângulo central correspondente a h ângulo central correspondente ao contato inicial e final da fresa com a peça h ad sen Ψ h va n z sen Ψ ad va n Z h Ψ Ψ Cabe ressaltar que esse modelo serve para calcular a espessura do cavaco seja em movimentos concordantes isto é quando o sentido do movimento de avanço coincide com o sentido do movimento de rotação da fresa quanto discordantes ou seja quando o sentido do movimento de avanço é contrário ao sentido do movimento de rotação da fresa Atenção Há apenas uma observação da aproximação para movimentos concordantes a espessura do cavaco real é maior que o calculado pelo modelo para movimentos discordantes é o contrário ou seja a espessura do cavaco real é menor que o calculado pelo modelo Porém essa diferença não é representativa devido às diferenças de outros fatores principalmente a força específica de corte que também apresenta variações só que de forma inversa ao da espessura Substituindo o valor da espessura do cavaco h no modelo de cálculo da força de corte vem Rotacione a tela A força específica de corte Ks é determinado por Kienzle como Rotacione a tela Dessa forma vêse que da mesma maneira que h varia com o ângulo central a força específica de corte também irá variar Substituindo o valor no cálculo da força de corte Rotacione a tela ou Rotacione a tela Ks Fc Ks va b n z sen Ψ Ks Ks1 hz ψ Fc Ks h b Ks1 h1z b Fc Ks1 b va n Z 1z sen ψ1z Como o cálculo da potência envolverá integração esse modelo acaba sendo bastante trabalhoso Assim sendo utilizase um valor médio da força específica de corte Com essa aproximação trabalhase com uma espessura média do cavaco e como correspondente ângulo central a força de corte aproximada pode ser determinada por Rotacione a tela Componentes de no fresamento tangencial As imagens a seguir mostram a ação da fresa em um plano de trabalho com as forças exercidas sobre o plano de trabalho Decomposição da força ativa no fresamento com fresa tangencial em movimento discordante Decomposição da força ativa no fresamento com fresa tangencial em movimento concordante Km hm Ψm Ψ0 2 Km Ks hm hm h ψm Ψm Ψ0 2 F c Km va b n Z sen Ψ FU A força ativa é resultante das forças de corte e da força radial que mostra a ação da ferramenta sobre a peça A força ativa é a força que apresenta a ação sobre o eixo da fresadora Da mesma forma também pode ser obtida como resultante das forças de avanço e de apoio Assim Rotacione a tela e Rotacione a tela Cabe ressaltar que essa relação depende também de outros fatores tais como o ângulo ψ ângulo de corte e do tipo de movimento da ferramenta se discordante ou concordante Determinação da potência média de corte no fresamento tangencial Para definir a potência média de corte no fresamento é necessário inicialmente definir o trabalho para posteriormente determinar a potência O diferencial do trabalho por dente e por volta da fresa é definido por Rotacione a tela Ao se integrar a expressão anterior considerando os limites de integração inicial o ângulo 0 e o final e para simplificar os cálculos substituir pela expressão temos Ft Fc FR F2 t F2 c F2 R F2 a Fap2 tg α FR Fc dW F c D 2 dΨ 1 1000 Ψ0 F c Fc W Ψ0 0 Km va b n Z D sen ΨdΨ 1 2000 Rotacione a tela Desenvolvendo essa integral com substituição dos limites de integração temos Rotacione a tela A expressão define o trabalho desenvolvido pela fresa por dente da ferramenta Da imagem anterior podese determinar a razão trigonométrica Rotacione a tela ou Rotacione a tela Substituindo o valor na expressão do trabalho temos Rotacione a tela ou Rotacione a tela A unidade do trabalho é kgf Para determinar a potência média de corte utilizase a expressão W Km va b D 2000 Z n 1 cos Ψo cos Ψo D 2 e D 2 1 2e D 1 cos Ψo 2e D W Km va b D 2000 Z n 2e D W Km va b e 1000 Z n m Rotacione a tela A unidade da potência de corte definida é CV O é determinado em tabela de Kienzle Haidt mas para tal é necessário ter o valor de Como visto anteriormente Rotacione a tela Para valores médios Rotacione a tela ou Rotacione a tela Com esse valor de é possível determinar o valor de É possível também determinar a potência de corte com base no volume de cavaco removido Para tal é imperativo ter o volume de cavaco removido por minuto no fresamento tangencial Dessa forma o modelo utilizado para o cálculo do volume é Rotacione a tela Onde Nc W z n 60 75 Km va b e 60 75 1000 2 22 107 Km va b e Km hm h ad sen Ψ hm ad sen Ψo 2 va Z n sen Ψo 2 va Z n 1 cos Ψo 2 hm va Z n e D hm Km V b e ad n Z b e va é o volume de cavaco removido em mm3min é a largura de corte em mm é a espessura de penetração em mm é o avanço por dente em mm é a velocidade de rotação da fresa em rpm é o número de dentes da fresa é a velocidade de avanço da fresa em mmmin Dessa forma a potência de corte necessária para remover um volume de cavaco por minuto é definida por Rotacione a tela Onde V é o volume de cavaco removido por unidade de potência em um minuto de trabalho normalmente medido experimentalmente Esse método de cálculo da potência é mais rápido porém tem uma restrição quanto à precisão só apresenta valor razoável quando as condições de fresagem são normais Isso ocorre principalmente quando se refere ao avanço por dente As tabelas são baseadas em condições normais e V pode ser obtido por valores experimentais e também por tabelas ou gráficos Atenção Quando se deseja operações de fresagem que utilizam avanços por dentes fora dessa condição ou seja maiores ou menores que os valores normais é desejável a utilização do cálculo da potência de corte utilizando a pressão específica de corte média seja para a fresa tangencial seja para a frontal Conhecendo o valor da potência de corte é possível determinar a potência fornecida pelo motor de acionamento da fresadora utilizando o rendimento mecânico total da transmissão Rotacione a tela V b e ad n Z va Nc V Nc V V mm3 Km Nm ηt Nm Nc ηt Exemplos de cálculo de forças e potências no fresamento tangencial Veja alguns exemplos para compreendermos os assuntos que acabamos de estudar Exemplo 1 Em um fresamento tangencial que apresenta em movimento uma espessura de cavaco de 10 mm vamos determinar a força média de corte dado que o material apresenta pressão específica de corte e largura de corte Resposta Como Exemplo 2 Um ferro fundido duro apresenta pressão específica de corte e é fresado com uma ferramenta tangencial que apresenta os seguintes parâmetros Vamos determinar a potência média de corte em CV Resposta Como 250kgfmm2 5 mm Fc Ks h b Fc 250 10 5 12500kgf 210kgfmm2 va 360 mmmin e 10 mm b 5 mm Potc 2 22 107 Km va b e 2 22 107 210 360 5 10 8 5CV Falta pouco para atingir seus objetivos Vamos praticar alguns conceitos Questão 1 Em um fresamento tangencial o valor médio da força específica de corte é Determine o valor aproximado da força de corte sabendo que a velocidade de avanço da mesa a largura do corte vale e a rotação da fresa A fresa apresenta 6 dentes e o ângulo central vale Parabéns A alternativa A está correta Dado que a força média de corte aproximada pode ser determinada por 300kgfmm2 5 mms 10 mm 210rpm 30 A 360 kgf B 400 kgf C 440 kgf D 480 kgf E 500 kgf Devese atentar para as unidades onde o avanço da ferramenta deve estar em fazendo a transformação de unidades Então Questão 2 Determine a potência fornecida pelo motor de acionamento de uma fresadora tangencial que apresenta um rendimento mecânico total de transmissão de largura de corte espessura de corte e velocidade de avanço 300 O volume de cavaco removido por unidade de potência em um minuto de trabalho vale HPmin Parabéns A alternativa D está correta Inicialmente se determina o volume de cavaco removido F c Km va b n 7 sen Ψ mmmin va 5 60 300 mmmin F c 300 300 10 210 6 sen 30 357 14kgf 50 5 0 mm 80 mm mmmin mm3 12000 mm3 A 10 HP B 75 HP C 15 HP D 20 HP E 25 HP Assim a potência de corte vale Dessa forma a potência fornecida pelo motor vale 3 Forças e potências no fresamento frontal Neste módulo você será capaz de calcular as forças e potências no fresamento frontal Vamos começar V va b e 300 5 80 120000 mm3min Nc V V 120000 12000 10HP Nm 10 0 5 20HP Como calcular as forças e potências no fresamento frontal Neste vídeo você conhecerá um pouco sobre como calcular as forças e potências no fresamento frontal Fresamento frontal Para fins de melhor entendimento dos conceitos este tópico seguirá a distribuição inicial da determinação da força média de corte no fresamento frontal Em seguida será mostrado um modelo de cálculo da potência média de corte no fresamento frontal Por fim serão mostradas as componentes da força de usinagem no fresamento frontal O fresamento frontal é quando a fresa tem seu eixo perpendicular à superfície da peça usinada Consiste em um processamento de acabamento excelente de peças de larga utilização industrial É rápido e preciso Da mesma forma que o fresamento tangencial ele pode também ser utilizado de forma concordante e discordante para melhorar o acabamento das peças Na imagem a seguir é possível mostrar a posição de uma fresa frontal em relação a uma peça usinada Posição de uma fresa frontal em relação a uma peça fresada por uma fresa frontal A imagem mostra que no fresamento frontal a melhor posição de colocação da fresa é de forma que seu centro esteja situado dentro da largura da peça A prática industrial fornece a relação entre a largura da peça e e o diâmetro da fresa D Em função do material a ser fresado a espessura representa cerca de 75 do diâmetro em casos de ferro e aço fundido a ser fresado e 60 em casos de aço a ser fresado Alguns cuidados devem ser tomados em função do material que compõe as pastilhas das fresas frontais Por exemplo as pastilhas de metal duro apresentam uma forte sensibilidade aos choques aumentando a importância de uma análise da posição de ataque da fresa sobre a peça a ser usinada cujo ângulo da ferramenta e cuja posição relativa da fresa com a peça são fatores fundamentais e importantes para a definição da posição de ataque da fresa Comentário Para reduzir as consequências do problema citado acima utilizase a técnica de abordar a peça o mais distante da aresta principal e transversal de corte Definese tempo de choque o tempo entre o contato inicial da ferramenta com a peça a ser fresada e o seu posterior contato completo com o cavaco Para que o efeito sobre a ferramenta seja o menos prejudicial possível a prática identifica que esse tempo de corte deve ser o maior possível O cavaco gerado na fresa frontal tem o mesmo formato do cavaco gerado nas fresas tangenciais durante a operação de corte Determinação da força média de corte no fresamento frontal A imagem a seguir permite a determinação de algumas relações geométricas que servirão para o cálculo da força média de corte no fresamento frontal Posicionamento do cavaco em relação ao ângulo do dente e de posição da ferramenta Da mesma forma que na fresa tangencial a força de corte é definida por Rotacione a tela ou Rotacione a tela e conforme o critério de KienzleHaidt Rotacione a tela Sendo a profundidade de usinagem que é calculada como Determinação da espessura média do cavaco Por se tratar de um valor médio a espessura média do cavaco é obtida por meio do cálculo integral de um valor médio Assim Rotacione a tela Fc Ks h b Fc Ks b ad sen Ψ sen χ Fc Ks p ad sen Ψ p p b sen χ hm Ψ2 Ψ1 hdΨ Ψ2 Ψ1 ou Rotacione a tela Resolvendo a integral obtémse Rotacione a tela Componentes da força de usinagem no fresamento frontal Para determinar essas componentes fazse necessário dividir o estudo em dois planos com as respectivas forças atuantes em cada um a saber o plano de trabalho e o plano de referência mostrados na imagem a seguir Componentes da força de usinagem nos planos de trabalho e de referência Observando o plano de trabalho é possível identificar as forças de corte avanço e apoio 1 Força de corte na direção de corte 2 Força de avanço na direção de avanço 3 Força de apoio na direção perpendicular à direção de avanço A componente da força de usinagem Fu no plano de trabalho é a força Ft chamada força ativa hm 1 Ψ2 Ψ1 Ψ2 Ψ1 ad sen χ sen ψ dψ hm 1 Ψ2 ψ1 ad sen χ cos Ψ1 cos Ψ2 Fu Fc Fa Fap Observando plano de referência é possível identificar as forças radial e passiva 1 Força radial na direção perpendicular à direção de corte 2 Força passiva na direção perpendicular ao plano de trabalho essa força também é conhecida como força de profundidade Na imagem a seguir as posições 1 2 etc representam a posição do dente em determinado instante A força de avanço resultante é a soma de todas as forças de avanço para cada posição de dente Rotacione a tela Determinação da potência média de corte no fresamento frontal Para determinar a potência média de corte no fresamento é necessário incialmente definir o trabalho para posteriormente se chegar à potência A diferencial do trabalho por dente e para o percurso entre os ângulos ψ1 e ψ2 é definida por Rotacione a tela Ao se integrar a expressão anterior considerando como os limites de integração os ângulos ψ1 e ψ2 vem Rotacione a tela Resolvendo a integral obtémse o trabalho FR Fp Fai Fa1 Fa2 dW Fc D 2 dΨ W Ψ2 Ψ1 Km b h D 2 dΨ Rotacione a tela Pela imagem anterior obtémse os valores dos cossenos dos ângulos ψ1 e ψ2 Rotacione a tela Substituindo esses valores na expressão do trabalho vem Rotacione a tela Ou simplificando Rotacione a tela A unidade do trabalho anterior é Para determinar a potência média de corte para uma rotação n e para Z dentes da fresa utilizase a expressão Rotacione a tela Esse modelo determinado é semelhante ao modelo determinado para a fresa tangencial Neste a diferença é que o valor do Km é determinado para uma espessura de cavaco definida anteriormente por Rotacione a tela W Km ad b sen χ cos ψ1 cos ψ2 D 2000 cos ψ1 2 e1 D e cos ψ2 2 e2 D W Km ad b sen χ 2 e1 D 2 e2 D D 2 000 W Km ad b sen χ e 1 1000 kgf m Nc W z n 60 75 Km ad b e n Z 60 75 1 000 sen χ 2 22 107 Km va p e hm 1 Ψ2 Ψ1 ad sen χ cos ψ1 cos ψ2 Rotacione a tela A unidade da potência de corte definida anteriormente é CV A potência de avanço desenvolvida pela ferramenta pode ser determinada utilizando a força de avanço resultante que é a soma de todas as forças de avanço para cada posição de dente Rotacione a tela Neste modelo as unidades são consideradas da seguinte maneira Velocidade de avanço em mmmin Força de avanço em kgf Potência de avanço em CV Exemplos de aplicação de forças e potências no fresamento frontal Agora veja alguns exemplos para compreender melhor os assuntos que acabamos de estudar Em um fresamento frontal que apresenta em movimento uma espessura de cavaco de 05 mm há um avanço de 360 mmmin e uma força de avanço de 100 kgf Vamos determinar a potência de avanço para uma posição do dente em CV Resposta 2 Em um fresamento frontal vamos determinar a força de corte sabendo que a peça a ser fresada é um foco de pressão específica de corte 210 kgfmm2 com os seguintes parâmetros h 02 mm b 5 mm Na Fa va 6075 Pota Fa va 60 75 100 360 60 75 8CV Resposta Temos Fc Ks h b 210 0 2 5 210kgf Falta pouco para atingir seus objetivos Vamos praticar alguns conceitos Questão 1 1 Entre as afirmações a seguir para um fresamento frontal determine as que estão corretas I A força de usinagem é a força resultante de todas as forças do plano de trabalho II A força de corte é componente da força de usinagem perpendicular a direção de corte situada no plano de trabalho III A força de avanço é a componente da força de usinagem na direção de avanço situada no plano de trabalho A Somente I B Somente II C Somente III Parabéns A alternativa D está correta A usinagem é realizada com a força resultante do sistema por isso a afirmativa I está correta A II está incorreta porque a força de corte é na direção de corte e não perpendicular A força de avanço faz a usinagem ser possível ela é paralela à direção de avanço e se situa no plano de trabalho Assim a afirmativa III está correta Questão 2 2 Entre as afirmações a seguir sobre fresamento frontal e tempo de choque analise as afirmativas e assinale a opção correta I O fresamento frontal é quando a fresa tem seu eixo de rotação perpendicular à direção da superfície da peça usinada II O fresamento frontal utiliza o modo concordante com força de avanço nula III O tempo de choque é o tempo de contato da ferramenta com o cavaco D I e III E I e II A Somente I B Somente II C Somente III D I e III E Explore Pesquise o artigo Máquinas fresadoras saiba como usinar metais e veja como a Superbid mostra todo o processo de fresamento e suas vantagens Você encontra o artigo publicado na plataforma Superbid Marketplace Pesquise o trabalho publicado no VII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica da ABCM sob o tema Influência da profundidade de corte e do avanço na força de corte no fresamento de faceamento como os autores analisaram um experimento visando obter o menor custo e o aproveitamento máximo do recurso das máquinas e das ferramentas de corte Pesquise a dissertação de mestrado do Programa de PósGraduação em Engenharia Mecânica da UNESP Uma contribuição ao estudo das tensões residuais no fresamento onde a engenheira Adriana Bruno Norcino mostra uma excelente abordagem das tensões criadas em uma peça após o processamento de fresamento Referências DINIZ A E MARCONDES F C COPPINI N L Tecnologia da usinagem dos materiais 9 ed São Paulo Artliber 2014 FERRARESI D Usinagem dos metais 4 ed São Paulo ABM 1972 FERRARESI D Fundamentos da usinagem dos metais 18 ed São Paulo Blucher 2018 KIMINAMI C S CASTRO W B OLIVEIRA M F Introdução aos processos de fabricação de produtos metálicos São Paulo Blucher 2013 MACHADO A R et al Teoria da usinagem dos materiais 3 ed São Paulo Blucher 2018 Material para download Clique no botão abaixo para fazer o download do conteúdo completo em formato PDF Download material O que você achou do conteúdo Relatar problema