Usinagem - Fundamentos, Tipos e Materiais de Ferramentas

TEMA 6 USINAGEM NESTE CAPÍTULO VOCÊ IRÁ APRENDER Fundamentos da usinagem Principais tipos de processos de usinagem Materiais para ferramentas de usinagem 1 Introdução Os processos de usinagem são aqueles nos quais uma préforma tem o seu formato modificado através da remoção mecânica ou não de uma determinada quantidade de material O objetivo dessa remoção é adequar o formato da peça ao uso pretendido Esse processo de fabricação tem origem na Idade da Pedra quando uma pedra era batida na outra com o objetivo de lascar a segunda e formar um gume de corte originando as primeiras facas e outras ferramentas Essas ferramentas de pedra por sua vez eram utilizadas para cortar ou esculpir outros materiais Com o passar dos anos os processos de usinagem foram evoluindo e hoje costumam ser classificados como Usinagem com Ferramentas de Gumes de Geometria Definida quando a ferramenta possui uma aresta cortante que descreve uma trajetória em relação à peça a ser usinada resultando na remoção do material em uma forma fragmentada chamada cavaco exemplo processos de torneamento fresamento furação mandrilamento brochamento etc Usinagem com Ferramentas de Gumes de Geometria Indefinida quando a ferramenta é formada por uma grande quantidade de grãos abrasivos que funcionam como vários gumes de corte e podem ser mantidos juntos por meio de algum tipo de aglomerante sendo quebrados eou arrancados da ferramenta ao mesmo tempo que retiram material da peça na forma de cavaco exemplo processos de retificação brunimento lapidação polimento lixação etc e Usinagem por Processos NãoConvencionais que são aqueles processos que não se enquadram em nenhuma das duas classificações anteriores exemplo processo de usinagem os processos de usinagem química usinagem por eletroerosão usinagem por jato dágua usinagem por ultrassom etc Independente do tipo de processo empregado o que todos eles têm em comum é o fato de que a remoção de material se dá de forma gradual e em pequenos fragmentos que são os chamados cavacos O estudo da maneira como os cavacos são formados e da sua interação com as ferramentas utilizadas nos processos de usinagem é que vai determinar o esforço empregado no processo a taxa de degradação ou a durabilidade da ferramenta o acabamento resultante na superfície da peça e até a microestrutura resultante após o processo realizado 2 Fundamentos de Usinagem Como já foi dito o princípio básico de um processo de usinagem com exceção dos processos nãoconvencionais é o movimento relativo entre a ferramenta e a peça a ser usinada Para entender como esse processo ocorre é necessário estudar alguns conceitos fundamentais tais como as relações geométricas entre a ferramenta e a peça os movimentos de usinagem as velocidades de usinagem Diniz et al 2010 Machado et al 2011 Fitzpatrick 2013 Ferraresi 1970 Movimentos de Usinagem Ao movimento que promove e retirada de cavaco em uma determinada direção é dado o nome de Movimento de Corte e ele garante que será retirado cavaco até que acabe a peça naquela direção Para que após a primeira retirada de cavacos a peça possa continuar sendo usinada é necessário que haja um outro movimento que é chamado de Movimento de Avanço Esse movimento garante que a ferramenta seja reposicionada a fim de realizar um novo movimento de corte Quando esses dois movimentos ocorrem de forma concomitante o movimento resultante é chamado Movimento Efetivo de Corte Esses movimentos que promovem a remoção de cavaco também são chamados de Movimentos Ativos Na figura 1 é possível visualizar a representação dos movimentos ativos em um processo de torneamento cilíndrico Figura 1 Movimentos Ativos em um processo de torneamento cilíndrico fonte Diniz et al 2010 Além dos movimentos ativos também existem outros movimentos realizados durante um processo de usinagem que embora fundamentais para o processo não promovem a remoção de cavaco Ao conjunto desses movimentos é dado o nome de Movimentos Passivos e podem ser citados como exemplos os movimentos de ajuste correção aproximação e recuo Velocidades de Usinagem Como os movimentos ativos são realizados em um determinado intervalo de tempo é muito útil que sejam associados às velocidades correspondentes Assim quando se define um processo de usinagem é comum falar sobre a Velocidade de Corte e a Velocidade de Avanço A velocidade de corte é a taxa de variação da posição da ferramenta no sentido do movimento de corte com relação ao tempo de processo Em processos em que o movimento de corte é dado pela rotação da ferramenta em torno do próprio eixo ou pela rotação da peça que está sendo usinada a velocidade de corte que usualmente se mede em metros por minuto é calculada como sendo a velocidade tangencial desse movimento Nos casos em que o movimento descreve uma trajetória complexa é necessário utilizar técnicas de cronoanálise para a sua definição A velocidade de avanço por sua vez é analisada no sentido do movimento de avanço e segue basicamente a mesma lógica A especificação de uma velocidade de corte adequada é fundamental para um bom rendimento do processo de usinagem Uma velocidade de corte excessivamente baixa além de demandar um grande tempo para a realização do processo também pode ocasionar o caldeamento a frio do cavaco sobre a superfície da ferramenta ocasionando um defeito chamado Aresta Postiça de Corte que pode levar à quebra prematura da ferramenta Por outro lado uma velocidade de corte muito alta pode levar a uma aceleração na degradação da ferramenta podendo ocasionar superaquecimento e uma precipitação do processo natural de desgaste abrasivo da superfície da ferramenta As velocidades adequadas para cada tipo de ferramenta e material a ser usinado costumam ser especificadas pelos fabricantes das ferramentas em seus catálogos Arestas e Superfícies Embora as ferramentas de usinagem possam se apresentar sob diversas formas construtivas a sua parte ativa ou seu Gume de Corte é definida de acordo com a norma ABNT NBR 6163 Na figura 2 pode ser vista uma representação dos seus componentes Figura 2 Arestas de corte e superfícies da parte de corte de uma ferramenta de torneamento Fonte DINIZ et al 2010 As superfícies que constituem uma ferramenta de corte são as superfícies de saída principal de folga e secundária de folga A Superfície de Saída é a superfície onde o cavaco é formado e sobre a qual o cavaco escoa durante sua saída da região do trabalho de usinagem a Superfície Principal de Folga é a superfície da cunha de corte da ferramenta que fica voltada para a superfície principal em usinagem e a Superfície Secundária de Folga é a superfície da cunha de corte da ferramenta que fica voltada para a superfície secundária em usinagem A intersecção da superfície de saída com as superfícies de folga resulta nas chamadas arestas de corte que podem ser classificadas como principal e secundária Além das arestas a intersecção entre os três planos descritos ainda resulta em um vértice chamado ponta de corte Ângulos e Sistemas de Referência Para que seja possível relacionar a parte ativa da ferramenta com a posição da peça que está sendo usinada é necessário o estabelecimento de um sistema de referências Esse sistema de referências é constituído basicamente por três planos cuja origem será em um ponto escolhido do gume de corte Plano de Trabalho Plano de Referência e Plano Dorsal O plano de trabalho é o plano que contém as direções dos movimentos de avanço e de corte o plano de referência é o plano perpendicular à direção do movimento de corte e o plano dorsal é perpendicular aos planos de trabalho e de referência Os ângulos medidos sobre o plano de referência são o de posição entre a aresta principal de corte e o plano de trabalho e o de posição da aresta secundária entre a aresta secundária de corte e o plano de trabalho Sobre o plano dorsal são medidos os ângulos de folga entre a superfície de folga e o plano de trabalho e o ângulo de saída entre a superfície de saída e o plano de referência O Ângulo de Folga tem uma grande importância para a durabilidade da ferramenta uma vez que um ângulo muito pequeno pode resultar em uma aceleração do processo de desgaste abrasivo do flanco da ferramenta e um ângulo muito grande pode reduzir a área de seção transversal resistente da ferramenta tornandoa frágil O recomendado é que esse ângulo tenha seu valor localizado entre 6 e 12º O ângulo de saída tem uma importante função na definição do formato do cavaco Um ângulo muito grande reduz o esforço de corte pois promove menos curvatura vertical do cavaco porém isso representa uma dificuldade maior no controle da forma do cavaco resultando em cavacos em fita Além disso um ângulo muito grande pode também reduzir a área de seção resistente da ferramenta Por outro lado um ângulo muito pequeno ou até negativo força o cavaco a se curvar verticalmente facilitando a sua quebra porém aumentando o esforço na superfície de saída Processos de Usinagem Como já foi dito são muitos os tipos de processos de usinagem existentes Alguns dos principais processos de usinagem e as suas principais operações são descritas a seguir Torneamento é a designação genérica dos processos de usinagem nos quais a peça é fixa a uma placa de castanhas que gira em torno do próprio eixo enquanto a ferramenta descreve uma trajetória em um plano que contém o eixo de rotação da peça Por essa definição é possível perceber que o torneamento é destinado à fabricação de peças sólidas de revolução A máquina operatriz utilizada para a realização do processo de torneamento é o torno figura 3 e seus principais processos são o torneamento cilíndrico no qual a ferramenta se desloca em uma trajetória paralela ao eixo de rotação da peça o torneamento cônico no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória oblíqua com relação ao eixo de rotação da peça e o faceamento no qual a trajetória da ferramenta é perpendicular ao eixo de rotação da peça Figura 3 Principais componentes de um torno mecânico Fonte Adaptado de CIMSA 2021 Fresamento é o processo de usinagem no qual a peça é fixa a uma mesa que pode se movimentar em relação a uma ferramenta rotativa ou a mesa fica parada e a ferramenta rotativa é que se movimenta descrevendo a trajetória De uma forma geral os processos de fresamento se classificam de acordo com a superfície da ferramenta chamada fresa que descreve a trajetória perante a peça Ele pode ser chamado de tangencial quando a superfície é gerada por um movimento da tangente da ferramenta ou frontal ou de topo quando a superfície é gerada pelo contato com o topo da ferramenta A variedade de perfis que podem ser gerados pelos processos de fresamento é possibilitada pela escolha correta do perfil da ferramenta a ser utilizada Ferramentas com perfil cilíndrico por exemplo podem ser utilizadas apenas para descrever superfícies planas enquanto ferramentas com perfil esférico podem ser utilizadas para o desenvolvimento de superfícies curvilíneas e são muito úteis na confecção de matrizes de conformação mecânica ou de injeção de polímeros A máquina utilizada para a realização desse processo é a fresadora que tem como principais componentes a mesa onde a peça é fixa e o cabeçote onde a ferramenta é fixa Na figura 4 pode ser vista uma fresadora convencional com seus principais componentes Figura 4 Principais componentes de uma fresadora Fonte Adaptado de CIMSA 2021 Furação é o processo no qual a ferramenta é fixa a uma árvore que gira em torno do próprio eixo e se desloca axialmente com relação à peça As ferramentas são chamadas de brocas e possuem normalmente dois gumes de corte e canais helicoidais que servem para a saída do cavaco Existem diversos tipos de furadeiras para as mais diversas aplicações desde furadeiras manuais para a realização de serviços domésticos até furadeiras com controles numéricos computadorizados CNC que permitem a realização de processos com velocidade e precisão diferenciadas Figura 5 Principais componentes de uma furadeira de coluna Fonte Adaptado de CIMSA 2021 Um dos tipos mais comuns de furadeiras encontradas na indústria é a furadeira de coluna figura 5 na qual a peça é fixa a uma mesa com a utilização de uma morsa ou de grampos fixadores específicos e a broca se desloca axialmente usinando o furo na peça sendo a velocidade de avanço controlada manualmente pelo operador que realiza o movimento através de um manípulo localizado no cabeçote da máquina Materiais para Ferramentas de Usinagem Para que possam ser utilizados como materiais para ferramentas de usinagem os materiais necessitam acima de tudo ter maior resistência mecânica que o material que vai ser usinado Ocorre que durante o processo de usinagem o atrito gerado entre a peça e a ferramenta transforma parte da energia empregada na usinagem em calor e é comum que a ferramenta seja aquecida durante o processo o que pode provocar a redução da tensão de escoamento do material da ferramenta reduzindo assim sua resistência ao desgaste e por consequência sua durabilidade Dessa forma para que os objetivos da ferramenta sejam plenamente atendidos é necessário que algumas propriedades complementares sejam observadas São elas Resistência ao desgaste dureza a quente e tenacidade Algumas dessas propriedades como a dureza a quente e a resistência ao desgaste são compatíveis e podem ser encontradas ao mesmo tempo em um material porém a tenacidade por exemplo normalmente se opõe às outras duas como pode ser visto na figura 6 Por esse motivo muitas vezes é necessário escolher um material no qual um conjunto de propriedades seja favorecido em detrimento de outro Atualmente o material que combina melhor as propriedades necessárias para aplicações industriais é o metal duro com recobrimento e por esse motivo é o material mais amplamente utilizado na indústria Figura 6 Relação entre as propriedades dos materiais para ferramentas 3 Referências DINIZ A E MARCONDES F C COPPINI N L Tecnologia da Usinagem dos Materiais 7ª ed São Paulo Artliber 2010 FERRARESI D Fundamentos da Usinagem dos Metais São Paulo Blucher FITZPATRICK M Introdução aos Processos de Usinagem Porto Alegre AMHG 2013