ENG 03021 – Processos Discretos de Produção

Movimentos e parâmetros de corte

Heraldo Amorim

Bit de aço rápido Inserto de metal duro

Geometria da Ferramenta de Corte

Comparação entre ferramentas de barra (bits) e insertos intercambiáveis

Ângulos de ferramenta

ângulo de posição da ferramenta (χr)

Controla o comprimento atuante na aresta de corte da ferramenta. Abaixo de 90º, promove melhor distribuição de tensões na entrada e saída da ferramenta e produz uma força passiva da ferramenta.

ângulo de posição secundário da ferramenta (χ’r)

Evita o contato excessivo entre a ferramenta e a peça usinada, reduzindo vibrações e melhorando o acabamento superficial.

ângulo de ponta da ferramenta (εr) Complementa os ângulos principal e secundário de posição.

χr + χ’r + εr = 180°

χr pequeno – cavaco finos, maior comprimento da aresta em contato com o material. Causa o aumento da força de corte, podendo causar vibrações e prejudicar o acabamento da peça.

χr grande – entrada e saída da ferramenta abrupta. Necessário para a usinagem de superfícies perpendiculares ao eixo da peça e na usinagem de peças esbeltas, para evitar flambagem.

ângulo de saída da ferramenta (γo) – ângulo dentre a superfície de saída e o plano de referência da ferramenta;Influi na força de corte, quanto maior o γo menor a força. Junto com o ângulo de folga, éresponsável pela resistência da ferramenta. quanto maior, menor a temperatura gerada.γo pequeno, nulo ou negativo –Cunha de corte mais resistente, porém maior deformação imposta ao cavaco, o que gera esforços maiores.γo grande – menor esforço devido à menor deformação necessária para retirar o cavaco. Maior o contato entre o cavaco e Aγ. Menor a seção resistente da cunha.

Desse modo, γo depende :

- Resistência do material da ferramenta;

- resistência e dureza do material usinado;

- geração de calor no corte;

- parâmetros de corte.

Valores normais variam entre –10° e 30°

Ângulos de ferramenta

Ângulos de ferramenta

Ângulo de cunha da ferramenta (βo) – ângulo entre as superfícies de folga e de saída. Fornece resistência àferramenta.Complementa os ângulos de folga e de saída.

α0 + γo + βo = 90°

ângulo de folga da ferramenta (α0) – ângulo entre a superfície de folga e o plano de corte da ferramenta.Tem a função de evitar o atrito entre a superfície em usinagem da peça e a superfície de folga da ferramenta. Quando muito pequeno (menor que 5º), causa sobreaquecimento, forte desgaste e mau acabamento. Quando muito grande, causa a perda da resistência da ferramenta. α0 depende da resistência dos materiais da ferramenta e peça. Varia normalmente entre 2° e 14°.

TorneamentoOperação de usinagem onde o movimento principal

de corte rotativo é geralmente executado pela peça e o movimento de avanço é executado pela ferramenta

Parâmetros de corteVelocidade de corte (vc) [m/min]. Velocidade linear relativa entre a ponta da ferramenta e a peça em rotação.Avanço (f) [mm/rotação] -distância percorrida pela ferramenta por revolução da peça. Permite remoção contínua de material.Profundidade de corte (ap) [mm] - espessura ou profundidade de penetração da ferramenta medida perpendicularmente ao plano de trabalho.Taxa de remoção de material – volume de material removido por unidade de tempo

Fonte: Sandvik

1000.. nDVc π

=

nfVf .=

min]/[.. 3cmfaVQ pc=

Operações de Torno

- Faceamento: Neste caso o movimento de avanço da ferramenta se dá no sentido normal ao eixo de rotação da peça. Tem por finalidade obter uma superfície plana.- Sangramento, movimento transversal como no faceamento. Utilizado para separar o material de uma peça (corte de barras).- Torneamento longitudinal (ou cilindragem): Operação de torneamento onde se obtém uma geometria cilíndrica, coaxial ao centro de rotação. Pode ser externo ou interno (geração de um tubo). Superfícies cônicas podem ser obtidas de forma similar, com adequada orientação do carro porta-ferramentas.- Torneamento de rosca: como o próprio nome indica, neste caso, velocidade de corte e avanço são tais a promover o filetamentoda peça de trabalho com um passo desejado. Para isto, é preciso engrenar a árvore do cabeçote fixo com o fuso de avanço por meio de engrenagens.- Perfilamento: operação onde uma ferramenta com perfil semelhante àquele desejado avança perpendicularmente ao eixo de rotação da peça.

Operações de Torno

Operações de Torno

Força de Usinagem

O conhecimento das forças envolvidas em processos de usinagem é importante para, além dos motivos citados por Trent:Estimar a usinabilidade de determinado material;Definir processos, econômicos do ponto de vida energético, visto que a potência consumida pela máquina é proporcional à força de usinagem;Controle de processo;Parâmetro auxiliar para tomada de decisões;Outros...

“o conhecimento das forças de corte é necessário para a estimativa da potência requerida e para o projeto de máquinas operatrizes, suportes e

fixação de ferramentas, com rigidez adequada e livres de vibração” -Trent e Wright, 2000

Força de Usinagem

Por convenção, a força de usinagem (Fu) érepresentada como sendo aplicada pela peça sobre a ferramenta.

Devido à sua forma tridimensional, é de difícil medição, pois cada conjunto de parâmetros apresenta esta força em uma direção diferente.

Força ativa e passiva

- Componentes da força de usinagem, nas quais esta pode ser decomposta. Com direções definidas nos eixos x, y e z, são a solução do problema de medição da força de usinagem.

- A força passiva (Fp) se deve àreação da peça sobre a ferramenta, e não estádiretamente associada com nenhum movimento no torneamento cilíndrico.

- Força ativa (Ft) ocorre no plano definido pelo avanço e velocidade de corte, e écomposta pelas forças de avanço (Ff) e de corte (Fc).

fct FFFrrr

+=

Forças de Corte

ptu FFFrrr

+=

Fonte: Ferraresi, 1970

fct FFFrrr

+=

pfcu FFFFrrrr

++=

Nota: Para o cálculo do módulo da força de usinagem, deve-se proceder da

mesma forma que para obter o módulo de um vetor, dadas suas componentes. Desse modo, o módulo de Fu é igual àraiz quadrada da soma dos quadrados

das componentes ortogonais.

222pfcu FFFF ++=

Fatores que afetam a força de corte

Material da peçaElementos de liga: C – aumenta; P, S, Pb, Bi, B – diminui (aditivos de corte fácil)Resistência ao cisalhamento do material (quanto menor, menores as forças).Dureza do material (quanto maior, maior a força de corte). Ideal por volta de 200HB.Taxa de encruamento do material (quando elevada, são necessárias altas forças para romper o material).

Material da ferramentaNormalmente desprezível, porém revestimentos de TiN causam a redução de Fc e Ks. Devido à diminuição do atrito cavaco-ferramenta.

Desgaste da ferramentaGeometria da ferramentaParâmetros de corteUso ou não do fluido de corte

Fonte: Diniz et al. 2000

Fatores que afetam a força de corte

Fatores que afetam as forças de avanço e passiva

Velocidade de CorteGeometria da ferramentaParâmetros de corte

Cálculo da Força de corte

Equação de Kienzle bhKF zsc .. 11

−=

( )

= −

χχ

sen.sen.. 1

1pz

sc

afKF

χsen.fh=χsenpa

b=

Potência de corteAs potências necessárias para a usinagem são produtos das componentes de força com suas respectivas componentes de velocidade.

75.60. cc VFNc=

75.60.1000. ff VF

Nf =

Potência de corte Potência de avanço

[cv] [cv]

1000.60. cc VFNc= [kW]

610.60. ff VF

Nf = [kW]

NcNe≈

Usinabilidade“uma grandeza tecnológica que expressa, por meio de um valor numérico comparativo, um conjunto de propriedades de usinagem de um material em relação a outro tomado como padrão” Ferraresi, 1970.“Usinabilidade é a propriedade de um material que governa a facilidade ou a dificuldade com a qual este material pode ser usinado usando uma ferramenta de corte”Não é realmente uma propriedade, e sim o modo como o material se comporta durante a usinagem.

Fatores que Afetam a Usinabilidade

Efeito dos elementos de liga na usinabilidade de aços

Elementos benéficos: S, Bo, Pb, Bi, Se, te, Ca, P, Mn (c/ S).Elementos danosos: C, Mn (s/ S), Ni, Co, Mo, W, V, etc...

Efeito das propriedades do material na usinabilidade

DurezaDuctilidadeCondutividade térmica

Determinação da Usinabilidade

Método mais comum: teste da taxa de desgaste.

Materiais para Ferramentas de Corte

Heraldo Amorim

Fatores a ser considerados na seleção de ferramentas de corte

Material a ser usinadoProcesso de usinagemCondição da máquina operatrizCusto do material da ferramentaCondições de usinagemCondições de operação

ProdutividadeNúmero de peças a ser fabricadaVida da ferramenta

Segundo Diniz Outros

Propriedades dos materiais de ferramenta

Dureza - Os processos de usinagem convencional sósão possíveis porque as ferramentas possem uma dureza relativa positiva e maior que a unidade

Tenacidade – certas operações sujeitam a ferramenta a choques.

P

T

HH

Hr =

Dureza x Tenacidade

São as principais propriedades necessárias às ferramentas de corte.

Infelizmente, não são facilmente encontradas em um mesmo material.

Outras propriedades desejáveis em ferramentas de corte

Resistência ao desgaste;Resistência a compressão;Resistência ao cisalhamento;Boas propriedades mecânicas e térmicas a altas temperaturas;Resistência ao choque térmico;Inércia química

“O material de ferramenta ideal deverá ter a dureza do diamante natural, a tenacidade do aço rápido e a inércia química da alumina” (Rocha e Silva, 1999).

Materiais Existentes no Mercado

Ordem de dureza e, com raras exceções, de cronologia.

Mills e Redfordcomparam a evolução dos materiais de ferramenta com a evolução das espécies. Apenas os mais fortes se mantém no mercado

Metal duro e Aço Rápido*

Mais importantes no contexto histórico.Responsáveis por saltos de velocidade de corte, em sua introdução ao mercado, de uma ordem de grandeza.

Aço rápido – aumento de 3 para 30 m/min;Metal duro – aumento para 300 m/min.

Ambos os materiais podem hoje usinar a velocidades de corte mais elevadas.

*HSS – High Speed Steel

Aço Rápido

Desenvolvido no final do século XIX por Taylor e White.Assim chamados pelo salto nas velocidades de corte obtidos em sua introdução no mercado. Atualmente, existem materiais bem mais “rápidos”.Possui elevada tenacidade, resistência ao desgaste e dureza a quente, quando comparado aos aços carbono usados na fabricação de ferramentas.Aço alta liga com microestrutura martensítica e inclusões de carbonetos.Elementos de liga: C, W, Mb, V, Nb, Cr, Co.

Metal Duro

Desenvolvido na década de 20, na Alemanha, Propiciou o segundo grande salto nas velocidades de corte;Devido à sua elevada dureza e resistência ao desgaste, foi batizado de Widia (Wie Diamond, em alemão, como o diamante).Composto basicamente de carbeto de tungstênio e cobalto e processado pela metalurgia do pó, o que garante boa precisão dimensional das ferramentas.Possui forte afinidade com o aço, motivo pelo qual, inicialmente, não pôde ser usado na usinagem deste.Elementos de liga: Co, WC, TiC, TaC, NbC.

Desenvolvidas na década de 50 (antes das ferramentas de aço rápido revestidas).Podem apresentar uma ou mais camadas de revestimento.Materiais mais usados como revestimento são o carboneto de titânio, óxido de alumínio (ou alumina) e nitreto de titânio.Amplamente utilizadas na indústria moderna

Ferramentas Revestidas de Metal Duro

Uma camada de revestimento pode conferir à ferramenta de metal propriedades que este material não possui.

Ferramenta de Metal Duro Revestida

Camada de TiN para fácil detecção do desgaste e menor fricção em materiais abrasivos

Cobertura de Al2O3 de tamanho médio para estabilidade térmica e mecânica

Camada de TiCN resistente ao desgastepara adesão extremamente boa

Zona da superfície enriquecida por cobalto para tenacidade superior da aresta, em cortes intermitentes

Centro do substrato muito tenaz com boa resistência à deformação plástica