Conteúdo
1 INTRODUÇÃO À TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS .................................
15
1.1 Principais operações de usinagem .....................................................
19
1.2 Grandezas físicas no processo de corte .............................................
27
1.2.1
Movimentos .............................................................................
27
1.2.2
Direções dos movimentos .......................................................
28
1.2.3
Percursos da ferramenta na peça ...........................................
30
1.2.4
Velocidades ..............................................................................
30
1.2.5
Conceitos auxiliares ................................................................
31
1.2.6
Grandezas de corte .................................................................
33
1.2.7
Grandezas relativas ao cavaco ................................................
35
Referências bibliográficas ...........................................................................
37
2 GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE ..............................................................
39
2.1 Definições ............................................................................................
39
2.2 Sistemas de referência ........................................................................
42
2.2.1
Planos do sistema de referência da ferramenta.....................
42
2.2.2
Ângulos do sistema de referência da ferramenta ..................
48
2.3 Funções e influência dos principais ângulos da cunha cortante ......
53
2.4 Outros atributos da cunha cortante ...................................................
54
Referências bibliográficas ...........................................................................
55
3 FORMAÇÃO DE CAVACOS ..........................................................................................
57
3.1 Corte ortogonal. ..................................................................................
59
3.2 Relações cinemáticas e geométricas no corte ortogonal...................
61
3.3 Tipos de cavacos..................................................................................
66
3.3.1 3.3.2
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Cavacos contínuos ................................................................... Cavacos descontínuos .............................................................
67 68
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TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS
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3.3.3
Cavacos segmentados .............................................................
69
3.4 Formas de cavaco ................................................................................
71
3.5 Controle do cavaco ..............................................................................
73
3.5.1
Quebra-cavacos postiço ..........................................................
75
3.5.2
Quebra-cavacos integral, tipo I: anteparo ..............................
75
3.5.3
Quebra-cavacos integral, tipo II: cratera ................................
76
3.6 Interface ferramenta/cavaco ...............................................................
79
3.6.1
Atrito no corte de metais ........................................................
81
3.6.2
Zona de aderência ...................................................................
85
3.6.3
Zona de escorregamento.........................................................
87
3.6.4
Aresta postiça de corte (APC) ...............................................
87
3.6.5
Influência das diferentes condições da interface nas variáveis do processo........................................................
88
Referências bibliográficas ...........................................................................
91
4 FORÇA E POTÊNCIA DE USINAGEM.........................................................................
93
4.1 Força de usinagem no corte oblíquo (tridimensional) ......................
93
4.2 Força de usinagem no corte ortogonal (bidimensional) ...................
95
4.2.1
Tensões no plano de cisalhamento secundário......................
98
4.3 Determinação teórica do ângulo de cisalhamento.............................
99
4.3.1
Teoria de Ernst e Merchant ....................................................
99
4.3.2
Teoria de Lee e Shaffer ........................................................... 101
4.4 Determinação teórica da força de corte............................................. 106 4.4.1
Determinação teórica da pressão específica de corte no torneamento. ...................................................................... 109
4.4.2
Determinação teórica da pressão específica de corte no fresamento. ......................................................................... 112
4.5 Determinação experimental da força de usinagem (métodos de medição) .............................................................................................. 114 4.5.1
Princípio de medição por extensômetros (strain gauges) .... 115
4.5.2
Princípio de medição por cristais piezoelétricos ................... 120
4.6 Potência de usinagem ......................................................................... 121 4.7 Medição de potência em usinagem .................................................... 123 Referências bibliográficas ........................................................................... 127
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5 TEMPERATURA NO PROCESSO DE USINAGEM. ................................................... 5.1 Temperatura na formação de cavacos: Modelo de Trigger E. Chao.... 5.2 Temperatura na formação de cavacos: Modelo de Loewen e Shaw .... 5.2.1 Temperatura no plano de cisalhamento (TZ) ......................... 5.2.2 Temperatura na interface ferramenta/cavaco (Tf): ............... 5.3 Temperatura na formação de cavacos: FEM (Método dos elementos finitos)................................................................................ 5.4 Temperatura na formação de cavacos: estimativas experimentais .. 5.4.1 Termopares inseridos na ferramenta. .................................... 5.4.2 Termopar ferramenta/peça ..................................................... 5.4.3 Radiação infravermelha. ......................................................... 5.4.4 Vernizes termossensíveis. ....................................................... 5.4.5 Propriedades metalográficas. ................................................. 5.4.6 Sais com diferentes temperaturas de fusão ........................... 5.4.7 Filmes depositados por PVD................................................... Referências bibliográficas ...........................................................................
129 140 144 152 154
6 FLUIDOS DE CORTE ..................................................................................................... 6.1 Funções dos fluidos de corte .............................................................. 6.2 Classificação dos fluidos de corte ....................................................... 6.2.1 Óleos ........................................................................................ 6.2.2 Emulsões.................................................................................. 6.2.3 Soluções ................................................................................... 6.3 Aditivos ................................................................................................ 6.4 Considerações a respeito da utilização de fluidos de corte .............. 6.5 Direções de aplicação do fluido de corte ........................................... 6.6 Métodos de aplicação dos fluidos de corte ........................................ 6.7 Seleção do fluido de corte................................................................... 6.7.1 Recomendações quanto ao material da peça ......................... 6.7.2 Recomendações quanto ao material da ferramenta .............. 6.7.3 Recomendações quanto à operação de usinagem ................. Referências bibliográficas ...........................................................................
175 176 179 180 180 181 182 183 185 186 188 188 190 191 192
159 160 161 164 166 167 168 170 171 172
7 MATERIAIS PARA FERRAMENTAS DE CORTE ........................................................ 195 7.1 Aços-carbono e aços ligados ............................................................... 196 7.2 Aços rápidos ........................................................................................ 198
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TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS
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7.2.1 Aço rápido revestido ............................................................... 7.2.2 Aço rápido produzido pela metalurgia do pó ......................... 7.3 Ligas fundidas...................................................................................... 7.4 Metal duro............................................................................................ 7.4.1 Fabricação do metal duro ....................................................... 7.4.2 Metal duro revestido ............................................................... 7.5 Cermets................................................................................................ 7.6 Cerâmicas ............................................................................................ 7.6.1 Cerâmica à base de Al2O3 ........................................................ 7.6.2 Cerâmica à base de Si3N4 ........................................................ 7.7 Diamante e nitreto cúbico de boro ..................................................... 7.8 Seleção de materiais para ferramentas de usinagem ........................ Referências bibliográficas ........................................................................... 8 AVARIAS, DESGASTES E MECANISMOS DE DESGASTE DAS FERRAMENTAS DE CORTE ................................................................................ 8.1 Avarias nas ferramentas de corte ....................................................... 8.1.1 Avaria de origem térmica ........................................................ 8.1.2 Avarias de origem mecânica ................................................... 8.2 Desgaste nas ferramentas de corte .................................................... 8.3 Mecanismos de desgaste ..................................................................... 8.3.1 Deformação plástica superficial por cisalhamento a altas temperaturas (Figura 8.19) .................................................... 8.3.2 Deformação plástica da aresta de corte sob altas tensões de compressão (Figura 8.19).................................................. 8.3.3 Difusão (Figura 8.19) .............................................................. 8.3.4 Aderência e arrastamento: attrition (Figura 8.19) ................ 8.3.5 Abrasão (Figura 8.19) ............................................................. 8.3.6 Desgaste de entalhe (Figura 8.19) ......................................... 8.4 Curva de vida das ferramentas ........................................................... Referências bibliográficas ...........................................................................
206 207 208 211 216 219 225 227 230 233 235 241 246
251 253 254 262 266 271 272 274 276 278 280 282 287 293
9 INTEGRIDADE SUPERFICIAL...................................................................................... 297 9.1 Rugosidade .......................................................................................... 299 9.1.1 Parâmetros para a quantificação da rugosidade .................... 301
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9.1.2 Cálculo da rugosidade no processo de torneamento............. 9.1.3 Cálculo da rugosidade para a operação de fresamento ......... 9.1.4 Efeitos de alguns parâmetros de usinagem na rugosidade ... 9.1.5 Medição da rugosidade ........................................................... 9.2 Alterações subsuperficiais .................................................................. 9.2.1 Alterações de natureza mecânica ........................................... 9.2.2 Alterações de natureza metalúrgica ....................................... 9.3 Avaliação da integridade superficial ................................................... 9.3.1 Tensão residual ........................................................................ 9.3.2 Fadiga....................................................................................... 9.4 Influência dos parâmetros e da operação de usinagem sobre a integridade superficial...................................................................... Referências bibliográficas ...........................................................................
305 306 307 311 313 313 314 314 315 319
10 CONDIÇÕES ECONÔMICAS DE CORTE .................................................................... 10.1 Cálculo da velocidade de máxima produção (Vmxp)......................... 10.2 Cálculo da velocidade econômica de corte (Vo) .............................. 10.3 Intervalo de máxima eficiência (Imef)................................................ Referências bibliográficas ...........................................................................
327 328 333 338 339
11 USINAGEM POR ABRASÃO ....................................................................................... 11.1 Grandezas físicas das operações de retificação ............................... 11.2 Rebolo ................................................................................................ 11.3 Mecanismo de corte na retificação ................................................... 11.4 Dressagem ......................................................................................... 11.5 Forças e potência de retificação ....................................................... 11.6 Temperatura de retificação ............................................................... 11.7 Fluidos de corte................................................................................. 11.8 Operações especiais de retificação................................................... 11.8.1 Retificação creep feed.......................................................... 11.8.2 Retificação sem centros (centerless) ................................. Referências bibliográficas ...........................................................................
341 344 347 353 355 358 360 363 364 364 365 367
12 ASPECTOS TECNOLÓGICOS E RECOMENDAÇÕES................................................ 12.1 Aços-carbono e ligados ..................................................................... 12.2 Aços inoxidáveis ................................................................................ 12.3 Ferro fundido (FoFo) .......................................................................
369 372 374 377
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320 323
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12.4 Ligas termorresistentes e superligas (HSTR, do inglês High Strenght Thermal Resistant Superalloys)........................................ 12.5 Compósitos ........................................................................................ 12.6 Materiais endurecidos ....................................................................... 12.7 Efeitos de diversos elementos de liga na usinagem ........................ Referências bibliográficas ...........................................................................
380 383 383 385 387
APÊNDICE A1 – Valores dos coeficientes da equação de Kienzle para o Torneamento dos principais materiais metálicos (catálogo Sandvik, 2002.8) .................................................... 389 APÊNDICE A2 – Valores dos coeficientes da equação de Kienzle para o Fresamento dos principais materiais metálicos (catálogo Sandvik 2002.2) ..................................................... 393
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Introdução à Teoria da Usinagem dos Materiais
Até meados do século XVIII, o principal material utilizado para peças, em engenharia, era a madeira, salvo raras exceções, a qual era usinada com ferramentas de aço-carbono. Com a Revolução Industrial, novos e mais resistentes materiais apareceram, impulsionando o desenvolvimento dos aços-liga como ferramentas de corte. Mais tarde, a utilização da água e do vapor como fontes de energia impulsionaram a indústria metal-mecânica, já no final do século XVIII e início do século XIX, propiciando assim o aparecimento de máquinas-ferramentas responsáveis pela fabricação de outras variedades de máquinas e instrumentos em substituição ao trabalho humano em diversas atividades. A primeira contribuição relevante foi apresentada por John Wilkinson, em 1774 (McGEOUGH, 1988), ao construir uma máquina para mandrilar cilindros de máquinas a vapor, os quais antes eram usinados com equipamentos originalmente projetados para mandrilar canhões e que, portanto, não eram capazes de assegurar a exatidão exigida. Os materiais a princípio utilizados na fabricação de máquinas a vapor eram o ferro fundido, o latão e o bronze, facilmente usinados com as ferramentas de aço-carbono temperado disponíveis na época. Ainda assim, eram necessários 27,5 dias de trabalho para mandrilar um dos cilindros de uma máquina de grande porte (TRENT, 1985). Em 1797, Henry Maudslay desenvolveu o primeiro torno com avanço automático, permitindo a produção de roscas com passo definido. Após a mandriladora e o torno surgiu a plainadora e, em 1860, a retificadora. A primeira fresadora universal, desenvolvida por J. R. Brown, surgiu em 1862 e foi utilizada inicialmente para a produção de canais em brocas helicoidais. Outro desenvolvimento importante ocorreu em 1896, quando F. W. Fellows desenvolveu uma máquina capaz de produzir praticamente qualquer tipo de engrenagem. Já no século XX surgiram produtos feitos de materiais mais duráveis e, consequentemente, mais difíceis de serem usinados. O advento das ferramentas de aço rápido, e mais tarde de carboneto de tungstênio, permitiu a usinagem de aços e de outros materiais metálicos com produtividade crescente, também fa-
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2
Geometria da Ferramenta de Corte
A geometria da ferramenta de corte exerce grande influência no desempenho da usinagem. Por melhor que seja o material da ferramenta, se a sua geometria não for preparada adequadamente, não haverá êxito na operação. Tamanha é a sua importância que se faz necessário normalizar, da maneira mais conveniente possível, os ângulos da cunha cortante para uniformizar a nomenclatura entre os profissionais e a literatura especializada. Como a norma brasileira NBR 6163 – Conceitos da Técnica de Usinagem: Geometria da Cunha Cortante: Terminologia (ABNT, 1980) trata desse assunto, as definições apresentadas a seguir baseiam-se nela.
2.1
DEFINIÇÕES
As seguintes definições adotadas são necessárias para a determinação dos ângulos da cunha cortante de uma ferramenta de usinagem. A superfície de saída (Aγ) é a superfície da cunha de corte sobre a qual o cavaco se move – e por superfície de folga entende-se a superfície que determina a folga entre a ferramenta e a superfície em usinagem. Distinguem-se a superfície principal de folga (Aα) e a superfície secundária de folga (Aα’). Por meio do movimento relativo entre a peça e a ferramenta, formam-se os cavacos pela ação da cunha de corte, composta pelas superfícies de saída e de folga da ferramenta. As arestas de corte são definidas pela interseção das superfícies de saída e de folga. Deve-se distinguir a aresta principal de corte (S) da aresta secundária de corte (S’): a primeira é aquela cuja cunha de corte, observada no plano de trabalho, e para um ângulo da direção de avanço (ϕ) igual a 90o, indica a direção de avanço; a segunda é aquela cuja cunha de corte, observada no plano de trabalho, e para um ângulo da direção de avanço (ϕ) igual a 90o, indica a direção contrária à direção de avanço.
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Formação de Cavacos
A base para um melhor entendimento de todos os processos de usinagem está no estudo científico da formação de cavacos. Esse estudo tem proporcionado grandes avanços nos processos de usinagem e contribuído para o aperfeiçoamento das arestas de corte, com quebra-cavacos cada vez mais eficientes, além de novos e mais eficazes materiais para ferramentas e a possibilidade de usinar os mais variados tipos de materiais. Sabe-se que o cavaco é formado em altíssimas velocidades de deformação, seguidas de ruptura do material da peça. Para um estudo mais detalhado, divide-se o processo em quatro eventos: Recalque inicial: devido à penetração da cunha cortante no material da peça, uma pequena porção deste (ainda unido à peça) é pressionada contra a superfície de saída da ferramenta. Deformação e ruptura: o material pressionado sofre, de início, uma deformação elástica, e, em seguida, uma deformação plástica, que aumenta progressivamente até o estado de tensões provocar a ruptura. Essa ruptura se dá, na maior parte das vezes, por cisalhamento, embora exista um estado de tensões que combina tensões de compressão/ tração e de cisalhamento e leve o material à ruptura, segundo algum critério próprio de sua natureza frágil ou dúctil. Há a formação de uma trinca que se propaga seguindo também um critério de propagação de trincas próprio de cada material, caracterizando a ruptura. Como a formação de cavacos ocorre dinamicamente, há planos instantâneos de ruptura e de propagação de trincas que definirão uma certa região entre a peça e o cavaco, chamada “zona primária de cisalhamento”. Para facilitar o tratamento matemático dado à formação do cavaco, modelos simples assumem essa região como sendo apenas um plano matemático, ou seja, “o plano de cisalhamento”, no qual se concentra,
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4 4.1
Força e Potência de Usinagem
FORÇA DE USINAGEM NO CORTE OBLÍQUO (TRIDIMENSIONAL)
O conhecimento da força de usinagem que age sobre a cunha cortante e o estudo de seus componentes são de grande importância, porque possibilitam estimar a potência necessária para o corte, bem como as forças atuantes nos elementos da máquina-ferramenta, além de manter relação com o desgaste das ferramentas de corte, influenciando a viabilidade econômica do processo. A formação dos cavacos nos processos de usinagem ocorre, na maioria das operações reais, tridimensionalmente, como ilustrado na Figura 4.1.
Ângulo de saída
Cavaco Cunha de corte
Cavaco
Cunha de corte
Peça
Peça
90°
90° Ângulo de inclinação
FIGURA 4.1 Operação de corte tridimensional.
Por estar no espaço tridimensional, a força de usinagem (FU) possui três componentes básicos que agem diretamente na cunha cortante e, por conseguinte, na estrutura da máquina-ferramenta. A Figura 4.2 mostra a força de usinagem tridimensional e seus componentes para os processos de torneamento e de fresamento.
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Temperatura no Processo de Usinagem
A maior parte da potência consumida na usinagem dos metais é convertida em calor próximo à aresta cortante da ferramenta e muitos problemas técnicos e econômicos são causados direta ou indiretamente por conta desse aquecimento (TRENT, 1988a). O custo da usinagem depende da quantidade de remoção de metal e pode ser reduzido aumentando-se a velocidade de corte e/ou a velocidade de avanço, porém, há limites para essas velocidades, acima dos quais a vida da ferramenta é drasticamente diminuída (e o custo, elevado). A maior parte da usinagem ocorre com aços e ferros fundidos, e, no corte destes e das ligas à base de níquel, surgem problemas técnicos e econômicos mais sérios. O corte desses metais gera um maior aquecimento da ferramenta, provocando seu colapso em curto tempo de usinagem. Por esses motivos, é importante compreender quais fatores influenciam a geração de calor, bem como de que maneira os fluxos de calor e as temperaturas são distribuídos na ferramenta e na peça, próximo à aresta cortante. Nos últimos oitenta anos, o progresso tem sido muito lento para identificar com precisão a distribuição das temperaturas na aresta cortante. Assim, hoje, são conhecidos os princípios gerais dos fenômenos térmicos que ocorrem nessa região e alguns casos particulares foram pesquisados. Em 1798, foi apresentado pela primeira vez na Academia Real de Londres, pelo conde Rumford (Benjamim Thomson), o registro de experiências em usinagem, realçando o seu aspecto térmico (FERRARESI, 1977). Tais experiências foram feitas utilizando-se o método do calorímetro, no qual se mede a temperatura da água que envolve a peça em usinagem, bem como a ferramenta e o cavaco. Os resultados mostraram que, praticamente, toda a energia mecânica envolvida na usinagem se transforma em energia térmica. Do ponto de vista econômico, a vida de uma ferramenta é um item de grande importância, pois depende mais da temperatura atingida na interface ferramenta/cavaco que da quantidade total de calor liberada durante a operação. O calor liberado na interface ferramenta/cavaco que vai para a ferramenta provoca um aumento da
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Fluidos de Corte
Em se tratando de sistemas de manufatura, qualquer esforço para aumentar a produtividade e/ou reduzir custos deve ser considerado. Na usinagem, o uso de fluidos de corte, quando escolhidos e aplicados apropriadamente, traz benefícios. A seleção adequada de um fluido de corte deve recair sobre aquele que possuir composição química e propriedades corretas para lidar com as adversidades de um processo de corte específico. Ele deve ser aplicado usando-se um método que permita sua chegada o mais próximo possível da aresta de corte dentro da interface ferramenta/cavaco, a fim de assegurar que suas funções sejam exercidas adequadamente. Em 1894, Frederick Winslow Taylor observou que aplicando grande quantidade de água na região de corte, era possível aumentar a velocidade de corte em 33%, sem prejuízo para a vida da ferramenta (RUFFINO, 1977). Desde então, grandes avanços tecnológicos foram obtidos, tanto no que diz respeito aos materiais quanto no que se refere às máquinas-ferramentas, fazendo que a demanda por fluidos de corte crescer consideravelmente. Alta demanda estimula a competitividade, o que por sua vez provoca uma melhoria na qualidade dos produtos disponíveis no mercado. Outro fator que também contribui para o aumento da qualidade dos fluidos de corte é a pressão exercida por Agências de Proteção Ambiental e de Saúde para que os produtos sejam comercializados com segurança e sejam menos nocivos ao meio ambiente (NELSON & SCHAIBLE, 1988). O atual sucesso dos fluidos de corte também se deve a avanços obtidos durante a sua fabricação, particularmente, no que se refere ao desenvolvimento de novos aditivos. Com isso, os fluidos de corte hoje utilizados apresentam melhores propriedades refrigerantes e lubrificantes, oferecem menos riscos ao operador e duram consideravelmente mais, além de apresentarem menos problemas de armazenagem que os fluidos de corte de gerações passadas.
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Materiais para Ferramentas de Corte
O processo de usinagem baseia-se na remoção de material, utilizando como ferramenta um material mais duro e mecanicamente mais resistente que a peça. Partindo-se do princípio da dureza relativa, o surgimento de novos materiais e ligas estruturais com excelentes propriedades de resistência mecânica e elevada dureza contribuíram para o aparecimento de novos materiais para a confecção de ferramentas mais resistentes para as operações de usinagem. Porém, a usinagem de materiais frágeis ou em operações de cortes interrompidos (como no caso de fresamento, por exemplo) requer materiais que componham ferramentas com suficiente tenacidade para suportar os choques e impactos inerentes ao processo de usinagem. Como, em geral, dureza e tenacidade são duas propriedades distintas (normalmente alta dureza se associa a baixa tenacidade e vice-versa), o balanço dessas propriedades nos materiais de ferramenta de corte se tornou um desafio para os fabricantes. A conciliação dessas propriedades foi conseguida com a produção de ferramentas com diferentes composições químicas, refinamento de grãos, controle dos processos de fabricação e do tratamento térmico, o que lhes confere graus compatíveis de pureza e qualidade. As principais propriedades desejáveis em um material para ferramenta de corte podem ser assim listadas: Alta dureza. Tenacidade suficiente para evitar falha por fratura. Alta resistência ao desgaste abrasivo. Alta resistência à compressão. Alta resistência ao cisalhamento. Boas propriedades mecânicas e térmicas em temperaturas elevadas. Alta resistência ao choque térmico. Alta resistência ao impacto. Ser inerte quimicamente.
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Avarias, Desgastes e Mecanismos de Desgaste das Ferramentas de Corte
Por maior que seja a dureza e a resistência ao desgaste das ferramentas de corte, e por menor que seja a resistência mecânica da peça de trabalho, a ferramenta de corte sofrerá um processo de desgaste que mais cedo ou mais tarde exigirá a sua substituição. Estudar e entender o processo pelo qual as ferramentas se desgastam é muito importante, pois pode permitir ações coerentes e efetivas para reduzir a taxa desse processo, prolongando a vida da aresta de corte. Embora os custos com ferramentas de corte representem apenas uma pequena fração do custo de fabricação, desgastes acelerados e/ou avarias frequentes levam a paradas da máquina para troca, e isso significa custos adicionais e perda de produtividade. Além disso, o conhecimento do processo de desgaste da aresta fornecerá subsídios para que haja evolução dos materiais das ferramentas, tornando-as mais resistentes aos fenômenos negativos que ocorrem durante o processo de usinagem. Podem-se distinguir três fenômenos pelos quais uma ferramenta de corte perde sua eficácia na usinagem: avaria, desgaste e deformação plástica, apesar de alguns autores (TRENT & WRIGHT, 2000) considerarem a deformação plástica apenas um mecanismo de desgaste. Esses três fenômenos causam a mudança na geometria da aresta de corte. Os dois primeiros, geralmente, promovem a perda de material, enquanto o último promove somente o seu deslocamento. Para que se possa, desde o início, distinguir esses fenômenos que conduzem à perda e à consequente substituição das arestas, suas definições são apresentadas a seguir. Avaria: fenômeno que ocorre de maneira repentina e inesperada, causado pela quebra, lascamento ou trinca da aresta de corte. A quebra e o lascamento levam à destruição total ou à perda de uma quantidade considerável de material da aresta de forma repentina e imprevisível. A quebra é mais comum em ferramentas com baixa tenacidade, como as cerâmicas e os ultraduros. Já o lascamento depende também da tena-
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Integridade Superficial
A condição final de uma superfície usinada é resultado de um processo que envolve deformações plásticas, ruptura, recuperação elástica, geração de calor, vibração, tensões residuais e, às vezes, reações químicas. Todos esses fatores podem ter efeitos diferentes na nova superfície, assim, o termo integridade superficial é utilizado para descrever a qualidade de uma superfície e, portanto, engloba um grande número de alterações sofridas por ela. Dessa forma, o conceito de integridade superficial não pode ser definido apenas em uma dimensão e não abrange somente a textura da superfície ou a sua forma geométrica. Esse termo engloba também outras características da superfície em serviço e de camadas abaixo desta. O diagrama da Figura 9.1 mostra alterações que podem ocorrer em superfícies usinadas e uma classificação destas. De forma geral, tais superfícies podem ser classificadas em alterações na superfície (acabamento) e alterações em camadas internas da peça (alterações subsuperficiais).
• Acabamento
• Integridade superficial
• Ondulações • Falhas • Rugosidade
• Fatores mecânicos • Alterações subsuperficiais
• Deformação plástica • Rebarbas • Alteração de microdureza • Micro ou macrotrincas • Tensões residuais
• Recristalização • Fatores metalúrgicos • Transformações metalúrgicas
FIGURA 9.1 Classificação da integridade superficial.
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Condições Econômicas de Corte
A velocidade de corte tem grande influência sobre o desgaste e, consequentemente, sobre a vida da ferramenta de usinagem. Influência essa mais significativa que o avanço e a profundidade de usinagem, uma vez que atua fortemente sobre a economia do processo como um todo. Isso indica que, de maneira geral, para a otimização da produtividade em um processo de usinagem, deve-se, a princípio, aumentar a profundidade de usinagem, em seguida, aumentar o avanço e, por último, elevar a velocidade de corte, mas sempre observando-se a limitação de potência da máquina e a resistência mecânica da peça e das ferramentas. Como o avanço está relacionado ao acabamento superficial, seu aumento também será limitado por esse fator. Quando se aumenta a velocidade de corte, o tempo de usinagem diminui, mas o desgaste da aresta se acelera significativamente, por isso, esta deve ser substituída com mais frequência. Para a usinagem seriada de grandes lotes de peças em altas velocidades de corte, o somatório dos tempos de troca de aresta pode ser muito alto. Pode-se ter uma situação, por exemplo, em que o tempo de cada troca de aresta equivale ao tempo de corte de várias peças. Portanto, altas velocidades de corte induzem a frequentes trocas de aresta, contribuindo assim para aumentar o tempo de fabricação de um lote. Porém, se a velocidade de corte utilizada for significativamente baixa, o desgaste será pequeno e pode não haver necessidade de troca frequente de aresta. Nesse caso, mais uma vez, o tempo de usinagem do lote também tende a ser alto, pois o tempo efetivo de usinagem é alto. Dessa forma, tudo leva a crer que há uma velocidade de corte “ideal” intermediária às velocidades anteriores na qual o tempo de fabricação do lote é mínimo, uma vez que a função tempo de corte como função da velocidade de corte [tc = f(v)] parece aumentar quando v aumenta ou diminui. A situação descrita anteriormente foi observada durante os primeiros estudos econômicos sobre usinagem realizados por Frederick W. Taylor, nos Estados Unidos e por G. Schlesinger, na Alemanha, no início do século XX (FERRARESI,
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Usinagem por Abrasão
Diferentemente das operações executadas com ferramentas de geometria definida, na usinagem por abrasão, o material da peça é removido por meio da ação de grãos abrasivos, os quais são partículas não metálicas, extremamente duras, com arestas que apresentam forma e orientação irregular. Exemplos típicos de operações abrasivas são: o lixamento, a retificação, a lapidação e o brunimento, entre outros. Embora haja registros do uso da remoção de material por abrasão no antigo Egito (2000 a.C.) e no Antigo Testamento (Samuel 13:20), a utilização de máquinas retificadoras industriais começou na década de 1860, inicialmente com a produção de peças para máquinas de costura, seguida de componentes para bicicletas (MALKIN, 1989). A retificação merece destaque entre os processos abrasivos pela sua importância para a indústria metal-mecânica, visto que tal operação é capaz de assegurar a produção de componentes com tolerâncias dimensionais e geométricas superiores às obtidas em operações que utilizam ferramentas de corte com geometria definida (como torneamento, fresamento, furação etc). Porém, a retificação é considerada uma operação pouco eficiente, pois nela um elevado consumo de energia é revertido em uma baixa taxa de remoção de material, se comparada às citadas operações com ferramentas de geometria definida. A Figura 11.1 apresenta algumas das principais operações de retificação (KALPAKJIAN, 1995). Nela observa-se que as operações podem ser agrupadas de acordo com a superfície usinada (cilíndrica externa, cilíndrica interna ou plana) e com o movimento relativo entre peça e rebolo (de passagem ou de mergulho). Além das operações descritas na Figura 11.1, outras operações de usinagem por abrasão merecem destaque por sua aplicação em importantes segmentos da indústria metal-mecânica. A Figura 11.2 ilustra algumas dessas operações: lapidação de esferas de mancais de rolamentos, brunimento de cilindros, retificação de engrenagens e afiação de ferramentas de corte.
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