AULA 9 MÁQUINAS OPERATRIZES E PARÂMETROS DE CORTE

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1 AULA 9 MÁQUINAS OPERATRIZES E PARÂMETROS DE CORTE

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3 63 9. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: MÁQUINAS OPERATRIZES E PARÂMETROS DE CORTE Máquina-Ferramenta O conceito de máquina é bastante genérico e significa um conjunto de mecanismos capaz de cumprir uma determinada função. Máquinas-ferramentas têm um sentido mais limitado e significa um conjunto de mecanismos que permite fabricar alguma coisa. Máquinas-ferramentas de usinagem têm um sentido mais restrito ainda e abrange aquelas cuja função é permitir a geração de cavacos na remoção de material da peça. Uma definição simples para as máquinas-ferramentas é que são máquinas utilizadas para fabricar outras máquinas. Máquina-ferramenta é a máquina constituída por um conjunto de componentes/elementos/sistemas mecânicos, elétricos, hidráulicos e/ou pneumáticos (simples ou complexos), capaz de transformar fisicamente um corpo (formato geométrico e dimensões). A transformação física que o corpo sofre até chegar a sua forma final pode ser com ou sem a retirada de material. Esta transformação pode ser tanto por usinagem como por conformação. Nos dois casos é necessário operar com ferramentas adequadas para se chegar ao objetivo. Quase sempre o produto final parte de um corpo que tem uma forma aproximada. Através de transformações sucessivas chega-se então à forma desejada. A sucessão ordenada dessas transformações é chamada de ciclo de fabricação. Aqui será abordado apenas o estudo das máquinas que transformam corpos e formam cavacos na retirada de material. As máquinas-ferramentas clássicas realizam, com muita facilidade, movimentos retilíneos e de rotação. Com elas, é possível conseguir exatidão em superfícies planas e superfícies de revolução. Combinações simples permitem obter formas helicoidais (roscas e perfis de dentes de engrenagens) e superfícies combinadas (perfis simultaneamente helicoidais e cônicos). Perfis mais complexos podem ser obtidos por reprodução. Os pantógrafos para gravação de moldes e de matrizes e as laminadoras de roscas são exemplos desse tipo de máquinas. Entre as máquinas de reprodução que funcionam por abrasão, merecem menção as retificadoras de cames cilíndricos, utilizadas para fabricação de calibradores, virabrequins, eixos-comando de válvulas etc. Essas máquinas funcionam com a ajuda de um gabarito, ou por comparação ótica de um traçado com o perfil da peça. Para usinar peças de grandes dimensões, foi necessário acrescentar potência e massa a essas máquinas, o que tornou indispensável o uso de servomecanismos comandados por embreagens magnéticas, distribuidores hidráulicos ou amplificadores eletrônicos, com evidentes reflexos sobre o seu custo. O fator econômico não deve ser negligenciado, pois interfere na avaliação do interesse industrial de cada método de trabalho. A viabilização técnica e econômica dos novos métodos não implica, contudo, o desaparecimento das formas tradicionais de trabalho. É possível prever que as máquinas de reprodução clássicas associadas a equipamentos de comando numérico serão reservadas para os trabalhos em grandes séries. Para que seja econômico atribuir-lhes tarefas menos repetitivas, é necessário que a quantidade de material a retirar seja grande e que a quantidade de peças a reproduzir compense os gastos com o ferramental.

4 Torneamento Para o desempenho de diferentes operações de torneamento, existe uma grande variedade de tornos que podem ter diferentes configurações: universal, revólver, vertical, copiador, automático, com comando numérico etc.. As operações podem ser combinadas em máquinas-ferramenta com múltiplas capacidades, chamadas de centros de torneamento. Os centros de torneamento são máquinas numericamente controladas capazes de efetuar operações simultâneas em diferentes direções da peça, como sangramento e faceamento por exemplo. A Figura 9.1 mostra algumas máquinas-ferramentas para torneamento. Maiores detalhes na Aula 19. (a) (b) (c) (d) Figura 9.1 Máquinas-ferramentas para torneamento: (a) torno universal NARDINI; (b) detalhe de um torno revólver; (c) torno CNC ROMI; (d) torno automático corta-tubos ATLASMAQ Furação As máquinas-ferramenta de furar, ou simplesmente furadeiras, consistem basicamente de uma árvore, que gira com velocidades determinadas, onde se fixa a ferramenta. Esta árvore pode deslizar na direção de seu eixo. Também se pode ter uma mesa onde se fixa e movimenta-se a peça. As partes principais de uma furadeira variam de acordo com a sua estrutura. Podem-se classificar as furadeiras de diversas maneiras. Quanto ao sistema de avanço, tem-se a manual (ou sensitiva) ou automática (elétrico ou hidráulico). Quanto ao tipo de máquina, pode-se ter: portátil, de coluna, de bancada, radial e horizontal. Quanto ao número de árvores: simples, quando possuem apenas uma árvore; gêmea, que possui duas árvores; e múltipla quando possui três ou mais árvores. A Figura 9.2 mostra algumas máquinas-ferramentas para furação. Maiores detalhes na Aula 23.

5 65 (a) (b) (c) (d) Figura 9.2 Máquinas-ferramentas para furação: (a) furadeira de bancada SCHULZ; (b) furadeira de coluna CLARK; (c) furadeira radial BRUMAGIO; (d) furadeira horizontal VERRY STILLER Fresamento As máquinas-ferramentas de fresar, ou simplesmente fresadoras, possibilitam usinar praticamente qualquer peça com superfícies de todos os tipos e formatos com auxílio de suas ferramentas e dispositivos especiais. Para tanto, elas devem: ser projetadas para suportar grandes esforços; apresentar acionamento eficiente e posicionamentos precisos do eixo-árvore e da mesa de trabalho (lugar da máquina onde se fixa a peça a ser usinada); ser facilmente operáveis. As fresadoras podem ser classificadas de diversas formas, sendo que as principais levam em consideração o tipo de avanço, a estrutura, a posição do eixo-árvore em relação à mesa de trabalho e a sua aplicação. As fresadoras são, na maioria dos casos, classificadas de acordo com a posição do seu eixo-árvore em relação à mesa de trabalho. Por existirem diversos modelos, as partes principais de uma fresadora podem variar de uma configuração para outra. Quanto ao sistema de avanço pode-se classificar como manual ou automática (elétrica ou hidráulica). Quanto à sua estrutura podem-se ter fresadoras de oficina (ou ferramenteira maior flexibilidade) e de produção (maior produtividade). Quanto à posição do eixo-árvore: horizontal (eixo árvore paralelo à mesa de trabalho); vertical (eixo árvore perpendicular à mesa de trabalho); universal (pode ser configurada para vertical ou horizontal); omniversal (universal com a mesa que pode ser inclinada); duplex (dois eixos-árvore simultâneos); tríplex; multiplex; especiais. Quanto à aplicação, temse fresadoras: convencional (ferramenteira); pantográfica (gravadora); chaveteira (específica para fazer chavetas internas e/ou externas); dentadora (específica para usinar engrenagens); copiadora (o apalpador toca um modelo e a ferramenta o reproduz na peça). A Figura 9.3 mostra algumas máquinas para fresamento. Maiores detalhes na Aula Retificação Retificar significa corrigir irregularidades de superfícies de peças. Assim, a retificação permite: reduzir rugosidades ou saliências e rebaixos de superfícies usinadas com tornos, furadeiras, fresadoras; dar à superfície da peça usinada a exatidão de medidas que permita a ela intercambiabilidade; corrigir peças que tenham sido deformadas ligeiramente durante um processo de tratamento térmico; remover camadas finas de material endurecido por têmpera, cementação ou nitretação.

6 66 (a) (b) (c) (d) Figura 9.3 Máquinas-ferramentas para fresamento: (a) fresadora vertical FRITZ WERNER; (b) fresadora universal DEB MAQ (c) fresadora CNC (centro de usinagem) DIMA; (d) hexapod VARIAX (Universidade de Nottingham) A retificadora é uma máquina empregada na usinagem de peças para dar às suas superfícies uma exatidão maior e um melhor acabamento do que os conseguidos em máquinas convencionais. As peças geralmente precisam ser submetidas a tratamento térmico de têmpera para serem retificadas. Há basicamente três tipos de retificadora: a plana (horizontal e vertical), a cilíndrica universal e a cilíndrica sem centros (centerless). Quanto ao movimento, em geral as retificadoras podem ser manuais, semiautomáticas e automáticas. No caso da centerless, ela é automática, pois se trata de uma máquina utilizada para a produção em série. A Figura 9.4 mostra algumas máquinas para retificação. Maiores detalhes na Aula Escolha da máquina-ferramenta A escolha de uma máquina ferramenta para uma determinada aplicação envolve pessoal técnico que tenha conhecimento na área de produção, para, em função das necessidades da empresa, bem como da perspectiva de expansão ou da versatilidade de fabricação de produtos, optar pela máquina mais adequada. Para tanto, deve-se considerar: Tipo de máquina. A escolha se inicia evidentemente no tipo de peça a ser produzida. A máquina deve fornecer como a sua operação mais trivial, mais simples, aquela operação ou operações necessárias para confecção das peças.

7 67 (a) (b) (c) (d) Figura 9.4 Máquinas-ferramentas para retificação: (a) retificadora plana horizontal CLEVER RP4080, (b); retificadora plana vertical EUROSTEC RAPG500 (c) retificadora cilíndrica universal MELLO UNS-2/1000; (d) retificadora centerless. Rigidez. O nível de vibrações na estrutura da máquina e componentes, durante a usinagem define a qualidade superficial assim como a linearidade e geometria previamente definidas no desenho. É evidente que a massa estrutural e sua distribuição devem ser criteriosamente estudadas para que a rigidez seja a melhor possível. Potência. Potência instalada é função do porte da máquina. Potência consumida é função da resistência oferecida durante a operação. A escolha deve recair sobre a necessidade. Rendimento. A energia disponível na ferramenta de corte, com relação à energia consumida para o acionamento é o parâmetro que entendemos ser o mais importante. Ou seja, quanto menores as perdas, maior a eficiência, menor o custo de produção. Versatilidade. Uma vez definidos, o tipo de peça, número de operações, possibilidade de fabricação de outras peças, tamanho, volume, faz-se uma análise da autonomia oferecida pela máquina ferramenta. O que queremos e o que a máquina pode produzir. Capacidade de produção. É importante que, antes de se adquirir uma máquina-ferramenta, o interessado tenha os dados relativos a velocidade de produção desejada nas várias etapas de crescimento da indústria para comparar com os limites máximos de produção oferecidos pela máquina, inclusive com possíveis adaptações. Precisão dimensional. Novamente uma questão de comparação entre as tolerâncias exigidas pelas peças a serem produzidas e aquelas que a máquina permite.

8 68 Faixa velocidade de trabalho. As variações de velocidades oferecidas pelo equipamento são imprescindíveis como parâmetros de escolha. As máquinas podem ter faixas grandes com grandes intervalos (grandes escalões) ou faixas pequenas com pequenos intervalos (escalões) de velocidades ou vice-versa. Se as peças a serem produzidas exigem baixas velocidades com pequenas variações, a escolha recai sobre aquela que mais próximo desta faixa oferecer. Espaço útil de trabalho. Nos três eixos (x, y, z) é importante já se ter estabelecidas as dimensões de mínimo e máximo de operação. Peças longas de pequena seção ou peças curtas de grande seção levam a seleção de máquinas de autonomia diferente, nos três eixos. Capacidade de carga. Além das dimensões existem materiais de diferentes densidades. Logo para um mesmo volume, é importante verificar se, para um material de maior densidade, não haverá prejuízo na rigidez da máquina-ferramenta Parâmetros de Corte Para cada operação de usinagem é necessário decidir quais serão os parâmetros de corte utilizados [velocidade de corte (v c ), avanço (f) e profundidade de corte (a p ), largura de corte (a e )]. Muitos fatores vão de encontro a tais decisões, pois todas as variáveis dependentes de saída são influenciadas por elas. A seleção apropriada destes parâmetros depende também de outras variáveis de entrada que devem ser escolhidas com antecedência: a quantidade total de material a ser removido; os materiais da peça e da ferramenta; e as operações de corte envolvidas. Levando-se em conta o volume de material removido por unidade de tempo e o acabamento da superfície usinada, os valores adotados para os parâmetros de corte podem ser grandes ou pequenos, dependendo da necessidade e da disponibilidade de materiais e/ou ferramentas. Assim, as operações de corte nos diferentes processos de usinagem são de desbaste (fase inicial) e/ou de acabamento (fase final). Como já mencionado na Aula 2, as operações de desbaste são aplicadas nos casos em que a usinagem, anterior a de acabamento, visa obter na peça a forma e dimensões próximas das finais (Fig. 9.5a,b). Já as operações de acabamento são aplicadas nos casos em que a usinagem é destinada a obter na peça as dimensões finais, ou um acabamento especificado, ou ambos (Fig. 9.5c). (a) (b) (c) Operações de desbaste Figura 9.5 Operações de corte em torneamento: (a) desbaste inicial (forma); (b) desbaste final (dimensões); (c) acabamento. Como regra geral, a combinação de uma profundidade de corte (a p ) máxima possível e de um grande avanço (f) com uma baixa velocidade de corte (v c ) determina uma alta taxa de remoção de

9 69 material durante uma dada vida da ferramenta sem muita preocupação com o acabamento superficial. Neste caso ocorre a remoção da maior parte do material, é deixado somente um sobrematerial para acabamento e o tempo de usinagem tende a ser menor. Assim, grande quantidade de cavaco é retirada na unidade de tempo e se otimiza a vida da ferramenta. Quão pequena deve ser essa v c, depois de escolhidos f e a p, depende das Considerações Econômicas do Processo de Usinagem. Maiores detalhes na Aula 22. A aplicação dessa regra geral é bastante vantajosa na usinagem de peças estáveis em máquinas rígidas, que permitem operações pesadas. O avanço é limitado pela resistência da ferramenta e pela força de corte que pode causar vibração e a profundidade de corte é limitada pela força de corte e pelo sobrematerial da peça. Os limites de aplicação dessa regra são dados pela progressiva piora do aspecto da superfície usinada e pelo aumento das forças atuantes na ferramenta, na peça e na máquina. Os cavacos obtidos são grossos e a superfície da peça desbastada apresenta sulcos profundos (Fig. 9.6a). No limite há, pois, problemas de qualidade de acabamento, dificuldade de sujeição da peça que escorrega na placa, empenamento da peça, quebra da ferramenta, deformações elásticas na máquina-ferramenta etc Operações de acabamento O objetivo é obter qualidades superficial, dimensional e geométrica da peça. Assim, como regra geral, a combinação de um avanço (f) mínimo possível e de uma pequena profundidade de corte (a p ) com uma alta velocidade de corte (v c ) faz com que se tenha a geração de uma quantidade razoável de cavaco na unidade de tempo sem que haja influência da vibração na remoção do sobrematerial da peça. Os cavacos obtidos são finos e a superfície da peça acabada apresenta sulcos quase que imperceptíveis (Fig. 9.6b). Assim, há uma garantia das tolerâncias requeridas pelo projeto pela utilização de ferramentas adequadas à forma do produto final. No entanto, mesmo com grandes velocidades de corte, haverá grandes tempos de usinagem (baixo avanço f) com pequena remoção de material. Quão grande deve ser essa v c, depois de escolhidos f e a p, depende, novamente, das Considerações Econômicas do Processo de Usinagem. Maiores detalhes na Aula 22. (a) (b) Figura 9.6 Formação de cavaco e superfície usinada em torneamento com inserto TaeguTec dupla-face Serie H: (a) operação de desbaste; (b) operação de acabamento.