Capítulo 2. Precisão e Erros de Usinagem

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1 Capítulo 2 Precisão e Erros de Usinagem 2.1. Introdução 2.2. Conceito de Precisão de Usinagem A qualidade de um produto é sempre de grande importância na manufatura. Deve-se dar a máxima prioridade a ela durante o planejamento do processo. A qualidade de uma peça usinada pode ser expressa sob a forma de parâmetros geométricos (dimensão, forma, acabamento superficial, etc.), parâmetros físicos (condutividades elétrica, térmica e magnética, etc.), parâmetros químicos (resistência à corrosão, etc.) e parâmetros mecânicos (dureza, resistência à fadiga, etc.). Estes parâmetros da peça são determinados pelo projetista, de acordo com as condições nas quais o produto irá funcionar. O grau de coincidência dos parâmetros reais obtidos depois que uma peça é fabric ada, com os parâmetros definidos no projeto da peça, representa a qualidade da peça. Para uma maior conveniência de análise, o grau de coincidência entre os parâmetros macrogeométricos (dimensão e forma) de uma peça obtidos depois da usinagem, e aqueles especificados no projeto da peça, é definido aqui como precisão de usinagem. O grau de coincidência entre os parâmetros micro-geométricos reais (acabamento superficial) e os parâmetros das propriedades físicomecânicas das superfícies das peças, obtidos depois da usinagem de uma peça, com aqueles especificados no projeto da peça é definido aqui como qualidade da superfície. A precisão de usinagem é expressa quantitativamente pela magnitude dos erros de usinagem. Um erro de usinagem é definido como a diferença entre os parâmetros de uma peça usinada e aqueles de uma peça perfeita (absolutamente precisa) especificada no desenho. O erro de usinagem varia de peça para peça, mesmo num mesmo lote. Apesar de que erros de usinagem sempre ocorrem nos processos de fabricação, uma peça pode ser considerada aceitável, desde que a magnitude do erro de usinagem não exceda os limites de tolerância. A tolerância representa o erro de usinagem máximo permissível. A precisão de fabricação exigida de uma peça é especificada pelo projetista, enquanto que as exigências para se atingir aquela precisão, são especificadas pelo processista Tolerâncias Parâmetros de Precisão de Usinagem e Qualidade Superficial A precisão de usinagem é associada a uma certa quantidade de parâmetros macro-geométricos, e pode ser classificada como se segue: Precisão de usinagem de superfícies da peça: Precisão de dimensões de superfícies (p.ex. precisão dos diâmetros de superfícies cilíndricas e esféricas, ângulos de cones) Precisão de formas de superfícies (p.ex. planicidade, circularidade, cilindricidade) Precisão de usinagem de posições relativas entre superfícies: Precisão das dimensões entre superfícies (p.ex. a distância entre dois planos paralelos ou entre os centros de dois furos) Precisão de relações posicionais entre superfícies (p.ex. paralelismo e perpendicularismo entre dois planos ou dois eixos) A qualidade da superfície da peça indica as suas características. Estas incluem tanto parâmetros geométricos quanto físico-mecânicos, como a rugosidade e o estado físico-mecânico da camada da superfície

2 Precisão e Erros de Usinagem 24 Dentre os vários parâmetros da precisão de usinagem, a precisão da forma das superfícies da peça depende da(s) ferramenta(s), e também dos movimentos relativos entre a(s) ferramenta(s) e a peça. A precisão dimensional pode ser alcançada através de diferentes métodos Métodos para Obter a Precisão Dimensional Exigida Existem dois métodos para atingir-se a precisão dimensional em usinagem: por tentativas e dimensão automática Tentativas Neste método a dimensão desejada é atingida através de vários passes. Um certo comprimento da superfície a ser usinada é inicialmente usinada e medida. A posição da máquina-ferramenta em relação à peça é então ajustada no próximo passe. Este processo repete-se até que a dimensão usinada esteja dentro dos limites de tolerância especificados. Depois disto, todo o comprimento da superfície é usinado num único passe, e a precisão dimensional é atingida. Por exemplo, quando torneia-se um eixo num torno (Figura 2.1(a)), para obter o diâmetro d e comprimento l com suas precisões, vários passes são executados num certo comprimento da superfície cilíndrica. Depois de cada passe, o diâmetro é medido e a ferramenta é ajustada. Quando o diâmetro medido situa-se nos limites de tolerância, todo o comprimento da superfície cilíndrica é torneado com o avanço automático. Antes que a ferramenta atinja o comprimento desejado, o avanço automático deve ser interrompido, e este processo é executado até que o comprimento l esteja dentro das tolerâncias. Figura 2.1. (a) Método das tentativas; (b) Método da dimensão automática Este método caracteriza-se por sua baixa eficiência, e não é adequado para um volume de produção elevado. Entretanto, usando-se este método, a máquina-ferramenta não precisa ser preparada anteriormente. Além do mais, os efeitos da variação dimensional da matéria-prima (forma,

3 Precisão e Erros de Usinagem 25 tamanho, dureza, etc.) pode ser reduzido nas operações de usinagem. Por estas razões, este método tem sido amplamente empregado na produção em pequenos lotes Dimensão Automática Este método assegura automaticamente a precisão exigida, sem a necessidade de medição e correção da posição da ferramenta. Algumas maneiras de aplicar este método são descritas a seguir: (a) Uso de ferramentas de dimensão e forma fixas, para atingir a precisão desejada, como alargadores, machos e brochas. (b) Usinagem em máquinas presetadas: As posições das ferramentas e/ou fins-de-curso em relação à peça são presetadas e fixadas na máquina. Estas posições premanecem inalteradas durante a usinagem de um lote inteiro de peças. Na figura 2.1(b), ilustra-se a usinagem de um eixo num torno utilizando-se este método. Antes da usinagem, a ferramenta e o batente são presetados de acordo com o diâmetro d e comprimento l, e suas tolerâncias. Mantendo estas posições inalteradas, a precisão de usinagem do lote de peças pode ser alcançada nesta operação. Com esta técnica, é importante que a preparação da máquina seja feita com precisão, e que também os vários fatores que afetam o processo de usinagem sejam monitorados (p.ex. desgaste da ferramenta). (c) Uso de dispositivos guia: Tais dispositivos podem frequentemente ser usados para garantir a precisão de peças. Por exemplo, as buchas-guia em operações de furação, e blocos em dispositivos de fixação para operações de fresamento (figura 2.2). Figura 2.2. Uso de dispositivos -guia (d) Uso de máquinas de Comando Numérico: As trajetórias das ferramentas nestas máquinas estão sob o controle de sistemas de comando numérico. A precisão de usinagem de tais máquinas depende da precisão da máquina, do sistema de controle e dos programas NC, que enviam as instruções de usinagem para o sistema de controle. O método de manutenção automática das dimensões caracteriza-se pela alta eficiência na produção, e fornece a possibilidade de alocação racional de mão-de-obra na tarefa difícil de preparação ( set-up ) da máquina. Além disso, a aplicação deste método é fundamental para a automação de processos de usinagem. O estudo da precisão de usinagem tem como objetivo analisar os vários fatores que causam erros de usinagem, estimar a magnitude destes erros, e encontrar meios de eliminar ou reduzir estes erros.

4 Precisão e Erros de Usinagem Fatores que Causam Erros de Usinagem Causas Básicas de Erros de Usinagem Existem inúmeros fatores que podem causar erros na usinagem. Estes fatores podem ser divididos em três grupos básicos: (a) Preparação imprecisa da máquina. O objetivo da preparação da máquina é estabelecer as posições corretas das ferramentas em relação às peças na máquina. Para atingir isto, primeiramente deve haver posições precisas das peças em relação à máquina. Alcança-se isto através do projeto e fabricação do dispositivo de fixação adequado, e a sua instalação. Em segundo lugar, deve haver posições corretas das ferramentas em relação à máquina, que são obtidas através de ajustes precisos das ferramentas durante a preparação da máquina. Deste modo as posições relativas entre as ferramentas e as peças são obtidas indiretamente. A imprecisão da preparação da máquina causa erros de usinagem. Por exemplo, na operação de torneamento ilustrada na figura 2.1(b), se a posição da ferramenta na direção radial não é feita corretamente, ocorrerão erros nos diâmetros depois da usinagem. A magnitude do erro de preparação da máquina depende do método aplicado: por exemplo, a precisão dos dispositivos utilizados para o ajuste da posição da ferramenta, a precisão de medida da peça na usinagem por tentativas durante a preparação, e também do nível de habilidade do operador. (b) Fixação imprecisa da peça. Em processos de usinagem, a peça deve ser posicionada corretamente na máquina. Faz-se isto na maioria das vezes através de um dispositivo de fixação. Por várias razões, como imprecisão do dispositivo, imprecisão da superfície da peça, etc., a peça pode vir a não ser adequadamente sujeitada na máquina ou no dispositivo, resultando em erros de usinagem. (c) Processos de usinagem. A forma, dimensões e precisão desejadas de uma peça na usinagem, são obtidas através do movimento relativo entre a ferramenta e a peça. Entretanto, devido aos efeitos de numerosos fatores em vários processos de usinagem, os movimentos relativos reais entre as ferramentas e peças pode não corresponder a uma situação perfeita. Isto resulta em erros de usinagem. A ocorrência destes erros depende da natureza do sistema de usinagem composto de máquina, ferramenta, máquina e dispositivo de fixação. Não é diretamente relacionada ao operador Fatores que Afetam a Precisão de Processos de Usinagem Imprecisão Teórica Ela é causada pela imprecisão de um esquema cinemático da máquina ou ferramenta. Na usinagem de uma superfície simples de uma peça, para simplificar o projeto e a manufatura da máquina ou da ferramenta, esquemas cinemáticos aproximados são empregados, que causam erros de usinagem. A magnitude deste erro teórico é relativamente pequena. Na maioria dos casos, ela não deve exceder 10-20% da tolerância. Por exemplo, na geração de engrenagens através do processo Pfaulter (ver Apêndice II), a fresa caracol possui a forma de um sem-fim com um contorno reto em vez de um contorno envolvente na direção normal, isto para que a feramenta possa ser facilmente fabricada. Isto causa erros de usinagem nos dentes da engrenagem. Além disso, como existe um número limitado de arestas de corte na fresa, os contornos dos dentes da engrenagem são compostos de pequenos segmentos de reta, em vez de contornos suaves (figura 2.3(a)).

5 Precisão e Erros de Usinagem 27 Figura 2.3. Erro teórico na geração de engrenagens Em geral, a aplicação de processos aproximados de usinagem causa erros teóricos. Entretanto, como os processos aproximados são normalmente bem mais simples e fáceis do que os perfeitos, o seu uso trará grandes vantagens para a eficiência e economia na produção, desde que a magnitude dos erros teóricos seja relativamente pequena comparado à tolerância. Imprecisão Geométrica de Máquinas e Ferramentas Não importa quão precisamente a máquina é fabricada, existe sempre imprecisão, que é a causada por erros em operações em que a máquina é utilizada. A imprecisão de máquinas-ferramenta é resultado de fabricação imprópria e/ou desgaste. Para ilustrar alguns problemas que podem ocorrer com os componentes de um torno, ilustra-se na figura??? um torno paralel. Num torno como este, no caso de haver falta de paralelismo entre o barramento e o centro de rotação da árvore na direção horizontal num torno resulta em superfícies cônicas, ao invés de cilíndricas (figura 2.4(a)). No caso de falta de paralelismo na direção vertical, a superfície resultante é hiperbolóidica (figura 2.4(b)). Quando houver imprecisão na retilinidade do barramento, uma superfície cilíndrica perfeita não pode ser obtida no processo de torneamento (Figura 2.4(c)). Figura 2.4. Erros causados por imprecisões entre o barramento e o eixo de rotação da peça no torneamento Os erros de usinagem também dependem da imprecisão das ferramentas. Esta imprecisão relaciona-se diretamente aos erros de usinagem das peças nas seguintes situações: (a) Usinagem com ferramentas de tamanho fixo, como brocas, alargadores, bedames e brochas. A imprecisão nas dimensões das ferramentas reflete diretamente nos erros dimensionais nas superfícies da peça. (b) Usinagem com ferramentas de forma em operações de torneamento, fresamento e retificação.

6 Precisão e Erros de Usinagem 28 Apesar de que a imprecisão de fabricação de ferramentas padronizadas, como ferramentas de tornear e aplainar, não causa erros diretos na usinagem, pode entretanto resultar em erros indiretos. Por exemplo, se os parâmetros de geometria ou forma da ferramenta não são corretamente aplicados, o desgaste da ferramenta será maior do que o esperado, o que resulta em erros de usinagem. Deve -se enfatizar que erros de usinagem são inevitáveis, mesmo em ferramentas fabricadas corretamente. Por exemplo, no torneamento de um eixo, o desgaste da ferramenta poderá resultar numa superfície cônica. Na retificação deve-se efetuar frequentemente a compensação no posicionamento do rebolo devido ao seu desgaste, e também a sua dressagem. Percebe -se portanto que o desgaste de ferramentas é um fator extremamente importante no planejamento do processo. Deformação do Sistema de Usinagem Sob Forças Externas Um sistema de usinagem é uma combinação de máquina, dispositivo de fixação, ferramenta e peça ( MFFP, ou MFTW em inglês). A deformação no sistema de usinagem sob as forças de corte, fixação, gravitacionais e inerciais altera a posição relativa entre a ferramenta e a peça que foi presetada corretamente, e portanto causa erros de usinagem. A magnitude da deformação deste sistema elástico sob forças externas depende da rigidez do sistema de usinagem. A rigidez de um sistema MFTW é a capacidade deste sistema de resistir à ação de uma força externa causando deformação. Ela é expressa como o quociente entre a força radial exercida sobre a peça (perpendicular à superfície da peça), e o deslocamento da aresta de corte em relação à superfície da peça, medida na mesma direção da força. A rigidez do sistema elástico determina a extensão da deformação de um sistema sob forças externas. A dimensão dos erros de forma numa peça usinada varia de acordo com a variação da força e rigidez do sistema. As influências da rigidez do sistema MFTW na precisão de usinagem são descritas como se segue: (a) Variação da força de corte. As variações na profundidade de corte e na dureza da peça resultam na variação na força de corte exercida no sistema, e portanto na variação da deformação do sistema. A figura 2.6 ilustra a usinagem de uma peça cilíndrica de uma barra excêntrica. Em cada revolução da peça, a força de corte varia de um mínimo a um máximo devido à variação na profundidade de corte. A deformação do sistema de usinagem também varia de um mínimo a um máximo. Em consequência, ainda existe excentricidade entre a peça depois da usinagem, que é menor do que na barra original. (b) Variação da posição de atuação da força. A rigidez do sistema MFTW varia com a posição de atuação da força, uma vez que a rigidez do sistema em vários pontos no comprimento da peça não é igual.

7 Precisão e Erros de Usinagem 29 Figura 2.6. Reprodução do erro Figura 2.7. Erros de forma causados pela variação da rigidez ao longo da peça Por exemplo, quando uma peça cilíndrica, fixada entre centros, é torneada, (figura 2.7(a)) se a rigidez do sistema gradualmente aumenta do centro da peça para as extremidades, a superfície resultante terá a forma de barril (figura 2.7(b)). Do contrário, ter-se-á o formato de um arco (figura 2.7(c)). (c) Efeitos de outras forças externas. Além da força de corte, existem outras forças que causam deformação de certos membros do sistema MFTW, e portanto resultam em erros de usinagem. A figura 2.8(a) ilustra uma bucha cilíndrica de paredes finas. Ela deforma elasticamente sob a fixação numa placa de três castanhas (figura 2.8(b)). Neste caso, mesmo que o furo cilíndrico for usinado corretamente (figura 2.8(c)), o erro de forma do furo ocorrerá depois que a peça for liberada da fixação, devido à recuperação elástica da peça (figura 2.8(d)).

8 Precisão e Erros de Usinagem 30 Por esta razão, na usinagem de uma peça com pouca rigidez, deve-se ter muito cuidado para não exercer deformações excessivas na fixação da peça. Como soluções para o problema acima, pode-se utilizar uma bucha aberta entre a peça e as castanhas (figura 2.8(e)) ou então castanhas especiais (figura 2.8(f)). Figura 2.8. Erros de forma causados por forças de fixação Outras forças, como a influência do peso da peça e do dispositivo de fixação durante o movimento das unidades que se movimentam na máquina-ferramenta, bem como a influência das forças centrífugas causadas por elementos não balanceados, podem causar deformação do sistema MFTW, resultando em erros de usinagem. Para reduzir tais deformações, deve -se aumentar a rigidez do sistema, e também reduzir as forças de corte e forças externas, e também a variação destas forças. Deformação Térmica de Sistemas de Usinagem Durante a usinagem, os elementos do sistema MFTW são aquecidos. Isto leva à deformação térmica do sistema, e portanto a erros de usinagem. O calor origina-se de várias fontes, tais como o processo de corte, o atrito entre os componentes da máquina-ferramenta, e a unidade de potência. As porcentagens do calor distribuído à peça, ferramenta e os cavacos variam dependendo dos métodos e condições de usinagem. Quanto maior for a velocidade de corte, maior será a porcentagem do calor que é levado ao ambiente. Na maioria dos processos de usinagem com ferramentas de geometria definida, o calor transmitido à peça é inferior a 30% do total do calor gerado, e menos que 10% em usinagem em alta velocidade. Somente uma pequena porção do calor gerado é transmitido à ferramenta, normalmente menos de 5%. O calor transmitido à peça é, para operações de fresamento, menos que 30%, e para operações de furação, cerca de 50%, uma vez que muitos cavacos permanecem no furo. Por outro lado, somente uma pequena quantidade de calor gerado na retificação (cerca de 4%) é transmitido aos cavacos, enquanto 84% do calor é transmitido à peça, e 12% ao rebolo. Esta é a razão pela qual na retificação a temperatura na superfície da peça é extremamente elevada, algumas vezes atingindo 1000 C. Portanto, uma maior atenção deve ser dada ao impacto da deformação térmica da peça na retificação.

9 Precisão e Erros de Usinagem 31 Os efeitos da deformação térmica da ferramenta, máquina e peça sobre a precisão de usinagem são discutidos abaixo. (a) Ferramenta: Apesar do calor transmitido à ferramenta ser pequeno na usinagem, a temperatura da ferramenta é consideravelmente elevada. Isto é devido à alta temperatura na zona de corte, e ao tamanho relativamente pequeno da ferramenta. Devido a esta alta temperatura, ocorre a dilatação da ferramenta, que pode ser expressa aproximadamente através da seguinte fórmula: τ ξ = ξ c max ( 1 e ) onde τ c é uma constante relativa à massa da ferramenta, ao calor específico, à área da seção do corpo da ferramenta, e o coeficiente de transferência de calor (em minutos). Experimentalmente chega-se à conclusão que 3 < τ c < 6 minutos. Na usinagem contínua, τ=4τ c (ξ=0.98ξ max ). Algumas curvas de dilatação térmica são ilustradas na figura 2.9. τ Figura 2.9. Curvas de dilatação da ferramenta sob a presença de altas temperaturas Para reduzir o efeito da dilatação da ferramenta sobre a usinagem, recorre-se ao uso de fluidos de corte, e também a parâmetros de corte apropriados, como a redução da velocidade de corte. (b) Peça: Na usinagem, a peça é também aquecida. Se ela for aquecida uniformemente, somente o seu tamanho é alterado devido à deformação térmica. Na faixa estável de temperatura, a deformação da peça pode ser calculada através da expressão abaixo: L = a L t onde: L - deformação térmica da peça (mm) a - coeficiente de expansão linear do material da peça (para o aço, a = 1, / C) t - aumento da temperatura da peça ( C) L - dimensão da peça na direção da deformação térmica (mm) Por exemplo, na retificação de uma superfície cilíndrica de uma luva com diâmetro externo de 112mm, a temperatura da peça aumenta de 18 C até 37 C uniformemente, então a deformação térmica pode ser calculada como se segue: d = 1, (37-18) = 0,025mm Isto significa que, se o diâmetro externo da luva é de 112mm medida na máquina com temperatura de 37 C, depois que ela for resfriada à temperatura ambiente (18 C), o diâmetro estará reduzido de 0,025mm.

10 Precisão e Erros de Usinagem 32 Se a peça não for aquecida uniformemente, não somente o seu diâmetro mas também a sua forma será alterada, pois as deformações em várias partes serão diferentes. As deformações térmicas são mais sérias quando peças com paredes finas forem usinadas. A figura 2.10 ilustra um exemplo deste problema, onde na retificação de uma luva de paredes finas, mais material é usinado na porção da peça que não é restringida pelos dispositivos de fixação. (c) Máquina-ferramenta : O calor é gerado devido ao atrito na operação da máquina-ferramenta. Parte do calor aumenta a temperatura dos componentes da máquina, enquanto o restante dissipa-se no ambiente. Algumas das deformações térmicas da máquina alteram a posição relativa entre a ferramenta e a peça, causando erros de usinagem. Algumas destas deformações incluem: mudança na posição da árvore, dilatação do fuso, dilatação do barramento, etc. Na usinagem de precisão, é normalmente necessário que as máquinas (p.ex. retificadoras) sejam ligadas e deixadas funcionando por algum tempo em vazio, até atingir o estado de equilíbrio térmico, para que a influência da deformação térmica seja mínima sobre a precisão de usinagem. Figura Erro de forma causado pela deformação térmica quando da retificação de uma luva de paredes finas Deformação da Peça Devido a Tensões Internas As tensões internas são tensões presentes no material da peça onde nenhuma carga externa é exercida sobre a peça. Tensões são produzidas tanto em processos a quente (p.ex. fundição, forjamento, soldagem) quanto a frio (p.ex. usinagem, estampagem). Em processos a quente, as tensões internas ocorrem devido à diferentes taxas de resfriamento em vários pontos, e a transformação na estrutura metalográfica do material. Em processos a frio, as tensões são causadas principalmente pela deformação plástica da peça a baixa temperatura, e também devido ao calor da usinagem. Normalmente as tensões internas estão num estado de equilíbrio, e nada pode ser observado se este estado de equilíbrio não for interrompido. Entretanto, se uma camada de metal é removida (p.ex. por usinagem), estas tensões internas são redistribuídas, causando distorções na peça. Quando as tensões internas na camada superficial da peça excederem o limite de ruptura do material, trincas ocorrerão na superfície da peça.

11 Precisão e Erros de Usinagem 33 Com o objetivo de diminuir a influência da deformação da peça causada pelas tensões internas na precisão de usinagem, os meios abaixo podem ser aplicados no planejamento do processo: eliminar ou reduzir as tensões internas através do arranjo de operações apropriadas de tratamento térmico (especialmente antes ou depois de operações de desbaste), como recozimento e normalização. dividir de forma apropriada os processos de usinagem em estágios, visando reduzir gradualmente a deformação causada pelas tensões residuais. controlar a deformação das peças através da seleção de parâmetros apropriados de usinagem, e especificando o limite de desgaste da ferramenta. Erros de Medição Tais erros não alteram a forma ou o tamanho da peça. Porém, os efeitos de tais erros são os mesmos comparados com os erros de usinagem. As razões principais destes erros são: imprecisão dos instrumentos, medições executadas de forma inadequada, influência da temperatura ambiente Métodos para Determinar a Precisão de Usinagem Natureza dos Erros de Usinagem É de grande importância a determinação dos erros de usinagem na produção. Se a precisão de usinagem puder ser corretamente avaliada, o método de usinagem mais conveniente bem como o ferramental pode ser selecionado no planejamento do processo. Em muitos casos, através da análise das causas dos erros de usinagem, meios para melhorar a precisão podem ser identificados. A determinação dos erros de usinagem depende da natureza dos erros. Tais erros podem ser classificados, de acordo com sua natureza, como erros sistemáticos e aleatórios. Os erros sistemáticos são erros que ocorrem com evidente regularidade. Se as direções e valores dos erros de usinagem num lote de peças permanece constante, eles são erros sistemáticos constantes, enquanto que se houver uma variação destes erros com uma certa regularidade, eles são erros sistemáticos variáveis. Por exemplo, se os furos de 10mm de diâmetro de um lote de peças são alargados usando-se um alargador de 10,02mm de diâmetro, então os erros de usinagem serão 0,02mm maiores para todos os diâmetros dos furos. Estes erros têm uma natureza sistemática. Como a regularidade de erros sistemáticos pode ser encontrada, é possível determinar estes erros através de análise ou cálculo. Algumas vezes as direções e valores destes erros de usinagem podem ser preditos. Os erros aleatórios ocorrem num lote de peças usinadas sucessivamente sem regularidade aparente, tanto na variação das direções quanto nos valores dos erros. No exemplo acima, mesmo que todos os furos de peças sucessivas sejam alargados com o mesmo alargador em condições idênticas (i.e. com diâmetro igual a 10,00mm), os diâmetros dos furos sucessivamente usinados variarão irregularmente numa certa faixa. Isto é causado pelas variações irregulares dos tamanhos dos furos produzidos antes desta operação, as variações na dureza da peça, e muitos outros fatores. Como os erros aleatórios não são regulares, eles não podem ser calculados e preditos. Apesar da regularidade do fator aleatório que afeta a precisão de usinagem não poder ser identificada individualmente, os efeitos combinados de inúmeros fatores aleatórios podem ser determinados usando-se um método estatístico Controle de Qualidade

12 Precisão e Erros de Usinagem 34 Quando peças devem ser inspecionadas em quantidades elevadas, a inspeção de 100% das peças não é somente lenta e cara, mas também não elimina todas as peças defeituosas. Inspeção em massa tende a ser descuidada; os operadores sofrem fadiga; e os instrumentos de medição desgastam-se mais frequentemente. O risco da passagem de peças defeituosas é variável e de magnitude não definida, enquanto que através do procedimento de amostragem este risco pode ser calculado. Muitos produtos tais como fusíveis ou palitos de fósforo não podem sofrer inspeção de 100%, porque qualquer teste neles resulta na destruição do produto. A inspeção tem um custo, e não agrega valor ao produto que foi produzido de acordo com as especificações. A tecnologia de Controle de Qualidade permite que um inspetor faça uma análise das amostras sendo produzidas de uma maneira matemática, e determinar se as peças produzidas são aceitáveis, desde que a empresa permita uma certoa quantidade de peças defeituosas. O termo manufatura intercambiável implica que as peças que vão para o setor de montagem devem ser selecionadas aleatoriamente de um grande número de peças. Em tal sistema de manufatura, o ajuste seletivo é desnecessário, exceto onde folgas especiais são encontradas. Uma precisão excessiva de uma peça não é necessária ou recomendada, porque os custos de manufatura aumentam à medida que os limites de tolerância tornam-se mais próximos. Nenhuma peça deve ser fabricada com um grau de precisão maior do que o necessário no serviço. Um equilíbrio deve ser estabelecido entre o custo de manufatura e a facilidade de montagem Análise Estatística de Erros de Usinagem A análise estatística baseia-se em: (a) observação dos processos de usinagem (b) estatística (c) teoria da probabilidade Teorias e meios práticos têm sido estabelecidos na manufatura para caracterizar os efeitos totais de vários fatores na precisão de usinagem. Os métodos mais comumente utilizados são as curvas de distribuição (histogramas) e parâmetros característicos associados. O método da curva de distribuição determina o erro de usinagem de uma operação de acordo com a curva de distribuição traçada usando-se as dimensões reais de um lote de peças depois da usinagem. O método de traçagem da curva de distribuição é como se segue: Depois de medir-se as peças de um único lote após uma operação de usinagem, as peças podem ser divididas, de acordo com suas dimensões medidas, em vários grupos com dimensões definidas em intervalos iguais. O número de peças em cada grupo chama-se frequência (mi), e o quociente da frequência e o número total de peças (mi/n) DENOMINA-SE probabilidade de ocorrência. Depois uma curva é traçada baseada no número de observações em cada grupo, em ordem crescente de dimensões (de X min a X max ). Por exemplo, 100 peças de um eixo de 80 mm de diâmetro são retificadas numa retificadora sem centros nas mesmas condições. Depois da usinagem, a dimensão real de cada peça é medida. Destes valores medidos, a diferença entre os valores máximo e mínimo é V = Xmax - Xmin = 80,010-79,988 = 0,022 mm Observa -se que esta faixa de dimensões distribuídas não pode ser considerada como a precisão de usinagem para esta operação, uma vez que o número de peças usinadas é limitado. Para plotar a curva de distribuição, as peças são divididas em grupos com suas dimensões reais em intervalos iguais

13 Precisão e Erros de Usinagem 35 de 0,002mm cada. O número de peças em cada grupo (mi) é contado, e a probabilidade de ocorrência de cada grupo (m i /n) é calculada. Estes resultados são ilustrados na Tabela 2.1. Tabela 2.1. Dados para a plotagem da curva de distribuição N o do Intervalos de Distribuição de Probabilidade da (mi/n) grupo dimensões (mm) frequência frequência (mi) 1 79,988-79, , ,990-79, , ,992-79, , ,994-79, , ,996-79, , ,998-80, , ,000-80, , ,002-80, , ,004-80, , ,006-80, , ,008-80, ,03 Total 100 1,00 Usando os dados desta tabela, um histograma pode ser preparado. Quando o número de peças aumenta e os intervalos entre os grupos adjacentes diminui, o histograma aproxima-se a uma curva suave, como ilustrada na figura Para conveniência de análise, modelos matemáticos descrevendo curvas de distribuição reais são construídos. De acordo com a teoria da probabilidade, a curva de distribuição é a soma de um elevado número de variáveis independentes (estocásticas), e sempre aproxima-se à distribuição normal. Já foi provado que durante a operação de usinagem em máquinas automáticas, com uma baixa taxa de desgaste, e também sem nenhum fator predominante afetando a precisão de usinagem, que a distribuição das dimensões da peça após a usinagem apresenta-se segundo a distruição normal. A distribuição real de dimensões das peças depois da usinagem algumas vezes não corresponde à distribuição normal. Neste caso, há a presença de erros sistemáticos. A presença de erros sistemáticos constantes não tem efeito sobre a forma da curva de distribuição normal, mas erros sistemáticos alteram a posição da curva na abscissa (ver figura 2.12(a)), pois eles alteram a média aritmética. Isto explica porque a curva de distribuição deve ser obtida num único setup da máquina, senão a curva poderá ter o formato mostrado na figura 2.12(b). O erro de setup da máquina pode ser sistemático constante para a usinagem de um lote de peças num setup. Porém, este erro tornar-se-ia aleatório se as peças são produzidas numa máquina para a qual vários ajustes foram feitos durante o tempo do processamento do lote.

14 Precisão e Erros de Usinagem 36 Figura Histograma para a distribuição das dimensões da Tabela 2.1 Figura Influência de erros sistemáticos constantes na curva de distribuição Quando vários erros sistemáticos diferentes ocorrem, a forma da curva é diferente de uma distribuição normal. Por exemplo, se o desgaste da ferramenta é intensivo durante a usinagem, a curva pode ter a forma da figura 2.13(a). Isto porque em cada curto período de usinagem, a distribuição das dimensões da peça é próxima à distribuição normal, enquanto a média aritmética varia gradualmente em diferentes períodos de tempo. Como consequência, a curva possui um platô. Uma deformação térmica severa no sistema MFTW, que causa erros sistemáticos variáveis, tornará a curva de distribuição assimétrica, devido à não-uniformidade da deformação térmica em estágios diferentes do processo de usinagem (mais rápida no começo, então diminuindo gradualmente até alcançar o equilíbrio térmico) como ilustrado na figura 2.13(b).

15 Precisão e Erros de Usinagem 37 Figura Curvas de distribuição diferentes da normal A figura 2.14 ilustra a curva de distribuição normal, e a porcentagem de peças que situam-se nas diferentes faixas de desvio padrão σ. Deve -se notar que para uma faixa de 6σ, que é comumente adotada na fabricação mecânica, isto significa que 99,73% das peças são fabricadas dentro das especificações (i.e. 27 peças em são refugo). Figura Porcentagem das áreas da curva de distribuição normal Capabilidade do Processo Se a qualidade for definida como satisfação às especificações, então a obtenção desta qualidade depende diretamente da habilidade de uma máquina ou processo de produzir peças que satisfazem as especificações. O planejamento para qualidade pode ser auxiliado pela estimativa da capabilidade da máquina ou processo envolvido. Um outro auxílio é a redução da variação supostamente inerente dos resultados do processo. Um estudo da capabilidade aplica-se a um processo, máquina ou dispositivo de inspeção, como descrito abaixo: (a) Capabilidade do processo: determina a extensão da variação aleatória a que um determinado processo está sujeito sob certas condições. (b) Capabilidade de máquina: determina a extensão da variação aleatória a que uma dada máquina está sujeita sob certas condições. Estas condições são: um operador específico, um material específico, uma velocidade de corte específica, etc. Isto é, a máquina deve ser estudada sob condições controladas para atingir variações naturais ou inerentes, com o operador proibido de fazer quaisquer ajustes na máquina durante o período de testes.

16 Precisão e Erros de Usinagem 38 (c) Capabilidade de inspeção: determina a extensão das variações aleatórias a que um dado dispositivo ou método de teste está sujeito sob certas condições. Estas condições incluem o ambiente de medição, a peça, a faixa de medidas, etc. Com equipamentos de teste esta capabilidade é normalmente determinada em termos da precisão da faixa de repetibilidade do equipamento, e a localização desta faixa com respeito a um dado limite de tolerância. Estudos periódicos de capabilidade com métodos confiáveis, aumento da qualidade, manutenção de máquinas, programa de substituições, e uma redução da habilidade do operador, pode reduzir custos de refugo e retrabalho, e consequentemente o preço do produto final. A confiabilidade de um estudo preliminar de custos depende de estudos de capabilidade. Se no planejamento da produção a capabilidade de qualquer máquina ou processo for superestimada, o resultado é uma perda financeira imediata e contínua. Por outro lado, se a capabilidade for subestimada, capital foi gasto adquirindo-se capabilidade excedente e não pode ser investida em outros lugares. Recomenda-se portanto que toda operação crítica num estudo final de custos seja diretamente igualado ao estudo da cababilidade real. Aplicações A aplicação de estudos de capabilidade inclui: a seleção de máquinas baseadas na sua capabilidade em relação aos requisitos de produto, o estabalecimento de programas de manutenção preventiva, detecção de capabilidade em excesso de uma máquina ou processo. Seleção de Máquinas: O conhecimento da capabilidade de uma máquina permite aos processistas selecionar máquinas com faixas do processo suficientemente mais estreitas do que as tolerâncias do produto, permitindo um controle razoável das variações e uma pequena quantidade de desgaste para que procedimentos econômicos de manutenção possam ser estabelecidos. O conhecimento da capabilidade de processos evita problemas referentes à qualidade que resultam da inabilidade de satisfazer especificações, bem como os custos excedentes referentes à utilização de ferramental extra. Quando a amplitude inerente (natural) do processo ou da máquina tiver sido determinada, uma comparação desta amplitude com as tolerâncias especificadas no projeto pode ser feita. Aceita-se em geral que a amplitude inerente não deve exceder 75% da tolerância da peça. Em casos críticos deve ser desejável permitir menos que 50% da tolerância. Em nenhum caso ela deve exceder a amplitude especificada, uma vez que o desgaste da ferramenta, a fixação da ferramenta, e outras perturbações inevitáveis sempre aumentarão a amplitude de operação além daquele inerente. Isto baseia -se no fato que todos os processos de usinagem têm uma variação natural ou tolerância, e se uma tentativa é feita de se aproximar as especificações da peça próximas das tolerâncias naturais da máquina, peças defeituosas serão produzidas. Um exemplo de tolerância de uma peça sendo menor do que a capabilidade da máquina é ilustrado na figura O processo de usinagem tem uma distribuição normal esperada de 6σ e uma distribuição da tolerância da peça de 4σ. As áreas hachuradas indicam que aproximadamente 5% das peças poderão estar acima ou abaixo dos limites de tolerância. Uma alteração de 1σ na curva de distribuição de frequência para o processo de usinagem em qualquer direção resultaria numa quantidade inesperada de refugo de 15%.

17 Precisão e Erros de Usinagem 39 Figura Condição onde a especificação da peça é menor que a capabilidade da máquina ou processo Na figura 2.16 ilustra-se um caso em que a tolerância da peça é maior do que a capabilidade da máquina. O processo de usinagem tem uma distribuição normal esperada de 6σ, enquanto a tolerância da peça situa-se numa amplitude de 8σ. A capabilidade da máquina é de 75% da tolerância da peça. Aqui a curva de capabilidade da máquina pode deslocar-se de 1σ em qualquer direção sem resultar em refugo. Esta condição dá ao operador liberdade de ajuste, e também folga para continuar a executar o processo levando em conta o desgaste da ferramenta, mudanças de temperatura, e permite também processos mais longos e seguros sem o perigo de produzir -se peças defeituosas que poderão resultar em refugo e/ou retrabalho. Figura Condição onde a especificação da peça é maior do que a capabilidade da máquina ou processo

18 Precisão e Erros de Usinagem 40 Tabela 2.3. Fatores para o cálculo dos limites de controle e capabilidade de máquina Tamanho A 2 D 3 D 4 d 2 da Amostra n 2 1, ,268 1, , ,574 1, , ,282 2, , ,114 2, , ,004 2, ,419 0,076 1,924 2, ,373 0,136 1,864 2, ,337 0,184 1,816 2, ,308 0,223 1,777 3, ,285 0,256 1,744 3, ,266 0,284 1,717 3, ,249 0,308 1,692 3, ,235 0,329 1,671 3, ,223 0,348 1,652 3,472 Manutenção Preventiva: Estudos de capabilidade de máquina contínuos ao longo de um período de tempo podem ser usados para estabelecer agendas de manutenção preventiva. Com a redução da capabilidade da máquina devido ao desgaste, novas agendas podem ser estabelecidas. A capabilidade registrada permite a atribuição de uma nova operação a uma máquina de elevada capabilidade em vez de uma máquina equivaalente que encontra-se próxima de manutenção ou substituição. Capabilidade Excessiva: Frequentemente um estudo de capabilidade detecta uma capabilidade excessiva de uma máquina ou processo. Isto pode ser atribuído ao alto nível de habilidade do operador. Neste caso esta máquina poderia ser utilizada com vantagem numa outra operação mais precisa. Métodos para Determinar Capabilidades Existem vários métodos para determinar a capabilidade do processo ou máquina. Um método será discutido aqui, que é o uso da média X e da amplitude R como fatores determinantes (método da média). A tolerância natural encontrada por este método é a estimativa 6σ para a máquina ou processo no teste.

19 Precisão e Erros de Usinagem 41 Figura Diagrama frequência - amplitude Método da média. O gráfico X e R é geralmente reconhecido no controle de qualidade como o método padrão para o controle de processos, e ele tem sido bastante aplicado na indústria. Os procedimentos necessários para o estudo da capabilidade utilizando-se este método são descritos abaixo: 1. A máquina deve estar produzindo peças sem ajustes externos por parte do operador. Somente variações inerentes ao processo contribuirão para a variação mensurável nas peças sendo usinadas. 2. Tomar 30, 40 ou 50 peças consecutiv as da máquina, correspondendo a subgrupos de 3, 4 ou 5 respectivamente. 3. Considerando 30 peças, medir as primeiras 3 peças, tabulá -las e registrá-las como amostra A na folha de médias e amplitudes (figura 2.18).

20 Precisão e Erros de Usinagem 42 Figura Diagrama de médias e amplit udes 4. Somar os três valores e registrar sua soma na coluna Soma. 5. Dividir a soma pela quantidade de peças no subgrupo (no exemplo da figura 2.18, três) para obter X ou a média do subgrupo. Registrar este valor na coluna Média. 6. Determinar a diferença máxima (ou amplitude) do sub-grupo, e introduzí-la na coluna Amplitude. 7. Continuar como ilustrado acima para as amostras B até J 8. Quando o passo 7 estiver completo, determinar a soma dos valores X e R. 9. Dividir as somas do passo 8 pelo número de amostras (10 neste exemplo). Os resultados são os valores X e R que são usados com as constantes da tabela 2.3 para determinar os limites de controle da média X e da amplitude R. 10. Após completar os cálculos anteriores, plotar X no gráfico de análise de médias e amplitudes (figura 2.19), e traçar uma linha horizontal indicando a sua posição. 11. Atribuir valores acima e abaixo de X como ilustrado na figura Plotar os valores de X, localizando-os de acordo com os valores na escala, e conectá-los como ilustrado na figura Atribuir valores à seção das amplitudes no gráfico. Plotar a amplitude R através de um ponto e linha vertical como ilustrado.

21 Precisão e Erros de Usinagem 43 Figura Gráfico de análise de médias e amplitudes 14. Calcular os limites de controle para a média X, como se segue: UCLX = X + A2 R LCLX = X - A2 R Indicá-los através de linhas tracejadas horizontais na parte superior do gráfico. O valor do fator A 2 é obtido da tabela Calcular os limites de controle para a amplitude R, como se segue: UCL R = D 4 R LCLR = D 3 R Indicá-los através de linhas tracejadas no gráfico. Os valores dos fatores D3 e D4 são obtidos da tabela Antes de determinar-se a tolerância natural (ou capabilidade) da máquina, as condições abaixo devem ser satisfeitas: Todos os valores de X plotados devem estar dentro da amplitude de UCL X e LCL X. Aproximadamente 2/3 dos valores X devem estar no terço médio da distância entre UCL X e LCL X.

22 Precisão e Erros de Usinagem 44 Os valores plotados devem indicar que as médias ou valores X operaram de uma maneira aleatória, e que nenhuma tendência aparente está ocorrendo de forma a distorcer os cálculos. Todos os valores plotados situam-se dentro de LCL R e UCL R 17. No caso em que as condições acima não são satisfeitas, as peças medidas devem ser estudadas para determinar a principal causa da variação na peça. Esta variação deve ser minimizada, e uma outra análise de capabilidade deve ser feita como descrito acima. 18. No caso das condições do passo 15 serem satisfeitas, a tolerância natural (ou capabilidade) da máquina pode ser calculada como se segue: NT = UCL LCL n ( ) onde n = tamanho da amostra 19. O desvio padrão pode ser calculado pela seguinte fórmula: R σ = Conhecimento sobre os Processos X Todo processo de usinagem é utilizado para produzir uma classe de features presentes na peça, visando satisfazer as exigências específicas de tolerâncias. Por exemplo, o alargamento produz uma melhor retilinidade, enquanto o mandrilamento resulta num melhor paralelismo. A precisão de processos pode ser obtida de diferentes fontes, incluindo artigos, handbooks, especialistas, etc. Matrizes de capacidade de processos foram construídas para furos (tabelas 7.2, 7.3 e 7.4) e para superfícies cilíndricas externas foi construída também uma matriz (tabela 7.5). A seguir descreve-se brevemente as tolerâncias geométricas utilizadas. d 2 X Tabela 7.2. Matriz de capacidade de processos de furação (1) Parâmetro Broca Helicoidal Broca de Lâmina Fresa de Topo Diâmetro mínimo da 0,0625 (= 1/16 ) 0,75 (= 3/4 ) 0,125 (= 1/8 ) ferramenta (in) Diâmetro máximo da 2,0 4,0 1,0 ferramenta (in) Tolerância negativa (in) 0,007 D 0,5 0,004 D 0,5 + 0,0025 0,001 Tolerância positiva (in) 0,007 D 0,5 + 0,003 0,005 D 0,5 + 0,003 0,001 Retilinidade (in) 0,0005 (l/d) 3 + 0,002 0,0003 (l/d) 3 + 0,002 0,0025 Circularidade (in) 0,004 0,004 0,004 Paralelismo (in) 0,001 (l/d) 3 + 0,003 0,006 (l/d) 3 + 0,003 0,0035 Profundidade máxima (in) 12,0 4,0 2,0 Tolerância de posição (in) ± 0,008 ± 0,008 ± 0,008 Rugosidade superficial (µin)

23 Precisão e Erros de Usinagem 45 Tabela 7.3. Matriz de capacidade de processos de furação (2) Parâmetro Broca Canhão Rebaixador Diâmetro mínimo da ferramenta (in) ,25 Diâmetro máximo da ferramenta (in) 2,0 3,0 Tolerância negativa (in) 0,0024 0,004 D 0,5 + 0,0025 Tolerância positiva (in) 0,0029 0,005 D 0,5 + 0,003 Retilinidade (in) 0,0003 (l/d) 3 + 0,001 0,01 Circularidade (in) 0,002 0,003 Paralelismo (in) 0,0004 (l/d) 3 + 0,0015 0,01 Profundidade máxima (in) Tolerância de posição (in) ± 0,002 ±0,0001 Rugosidade superficial (µin) Tabela 7.4. Matriz de capacidade de processos de furação (3) Parâmetro Alargamento Mandrilamento Retificação Brunimento Diâmetro mínimo da ferramenta (in) 0,0625 0, Diâmetro máximo da ferramenta (in) 4,0 100,0 - - Tolerância negativa (in) 0,0004 0,0003 0,0001 0,0001 Tolerância positiva (in) 0,0004 0,0003 0,0001 0,0001 Retilinidade (in) 0,1 0, Circularidade (in) 0,0005 0, Paralelismo (in) 0,01 0, Profundidade máxima (in) 16,0 9,0 - - Tolerância de posição (in) ± 0,01 ± 0, Rugosidade superficial (µin) Tabela 7.5. Matriz de capacidade de processos de usinagem de superfícies externas Parâmetro Torneament o (desbaste) Torneamento (semiacabamento) Torneament o (acabamento ) Retificaçã o Lapidaçã o Tolerância negativa (in) 0,005 0,001 0,0007 0,0001 0,0001 Tolerância positiva (in) 0,005 0,001 0,0007 0,0001 0,0001 Angularidade/ Perpendicularidade (in) 0,01 0,002 0,

24 Precisão e Erros de Usinagem 46 Rugosidade superficial (µin) Tamanho da ferramenta: este engloba o menor e maior diâmetros disponíveis, e corresponde à primeira restrição ao processo de seleção. Por exemplo, se a furadeira disponível possui um tamanho mínimo de ferramenta de 10mm, e o furo a ser usinado tem 5mm de diâmetro, então esta operação não pode ser executada nesta máquina. Tolerância dimensional: Processos de furação produzem f uros que poderão ter diâmetros maiores ou menores do que o desejado. Da mesma forma existem tolerâncias dimensionais negativas e/ou positivas. A tolerância para todos os processos pode ser expressa em termos de uma tolerância unitária fundamental (TUF), tal que: TUF = a (diâmetro) b + c onde: a = coeficiente numérico do processo b = expoente que descreve o comportamento em função do diâmetro c = constante (normalmente a melhor tolerância que pode ser alcançada pelo processo) a, b e c podem ser introduzidos pelo usuário baseado nas exigências específicas. Retilinidade e Paralelismo: As equações que modelam a retilinidade e o paralelismo são da forma: RET (ou PAR) = a (comprimento/diâmetro) b + c Circularidade: Não existe muita informação com relação a equações para modelar a circularidade como função de atributos de furos como comprimento e diâmetro. Portanto, a circularidade é tomada como uma constante que depende do processo. Limite na profundidade: Cada processo é capaz de produzir furos até uma certa profundidade. Esta capacidade é uma função tanto dos processos quanto do movimento da árvore. É função também do comprimento da ferramenta, capacidade de remoção dos cavacos, e também do diâmetro e comprimento do furo. A restrição de profundidade é muito difícil de modelar, e assume -se que a profundidade é uma constante que depende do processo. O quociente comprimento/diâmetro do furo a ser usinado é comparado com os limites especificados para cada processo. Um exemplo que ilustra a importância desta característica é o caso da furação profunda, quando processos especiais são aplicados, como a utilização de broca canhão, devido principalmente a problemas na remoção de cavaco. Para processos de usinagem de superfícies, esta restrição determina o número de passes que serão necessários. Para o fresamento, isto corresponde a uma fração no diâmetro da fresa, enquanto que para o torneamento cilíndrico isto é determinado pela potência da máquina e ferramental utilizado. Tolerância de posição e rugosidade superficial: Estes valores são considerados constantes para cada processo e podem portanto ser definidos pelo usuário. Planicidade: Erros de planicidade ocorrem devido a deflexões na ferramenta, ecentricidade da ferramenta, erro na máquina, etc. A deflexão da ferramenta é provavelmente a componente predominante. A planicidade depende da profundidade de corte, largura de corte, comprimento da ferramente e diâmetro da ferramenta. Uma equação geral é como abaixo: Planicidade = a profundidade de corte comprimento da ferramenta diâmetro da ferramenta + b largura de corte

25 Precisão e Erros de Usinagem 47 Angularidade ou Perpendicularidade : Estes valores são constantes, e dependem do processo Qualidade Superficial A qualidade superficial é um outro aspecto que indica a precisão de usinagem. Ela refer-se ao acabamento superficial e ao estado físico-mecânico da camada superficial. Ela afeta o funcionamento apropriado e a vida em serviço das peças Acabamento Superficial A precisão de usinagem é expressa quantitativamente pelo erro de usinagem. O acabamento superficial é expresso quantitativamente pela rugosidade superficial. A rugosidade superficial de uma superfície é causada pelos seguintes fatores: geométricos (geometria da ferramenta e avanço); deformação plástica do material na superfície; vibração do sistema MFTW durante a usinagem. A rugosidade da superfície de uma peça depois da usinagem depende de muitos fatores tecnológicos, tais como o material da peça, o material da ferramenta, a geometria da ferramenta, condições de corte, rigidez do sistema MFTW, etc. A rugosidade superficial é um tipo de desvio microgeométrico ou micro-irregularidade das superfícies de peças usinadas. Ela aparece em todas as superfícies usinadas independente de quão suaves elas pareçam ao olho nú. A rugosidade superficial influencia significativamente o desempenho das peças em trabalho. Para garantir a qualidade do produto, para extender a vida em serviço, e reduzir os seus custos de produção, ela deve ser especificada precisamente no projeto, e cuidadosamente controlada na manufatura Estado Físico-Mecânico da Camada Superficial Em processos de usinagem, a porção de material mais próxima da superfície externa deforma-se plasticamente. Isto ocorre devido à entrada da ferramenta na peça, ao atrito entre o flanco da ferramenta e a superfície, e também devido ao efeito do raio de quina da ferramenta. Portanto, a superfície externa da peça tem um comportamento diferente do material interno. Até agora, a avaliação do estado físico-mecânico da camada superficial ainda está no estágio de investigação experimental. Padrões completos de avaliação não existem ainda. Entretanto, sabe-se que as variações das propriedades do material na superfície são causados por encruamento, mudanças metalográficas e tensões residuais. O encruamento da superficie externa é causado pela deformação plástica do material, resultando no aumento de sua micro-dureza. Uma grande parte da energia consumida na usinagem é transformada em calor, que resulta no aumento da temperatura na área de corte. Nos processos de usinagem com ferramentas com geometria definida, a maior parte do calor é retirada pelos cavacos, e a temperatura na superfície da peça não é muito alta. Entretanto, em operações de usinagem onde consome-se uma elevada quantidade de energia, como na retificação (em que os grãos abrasivos presentes no rebolo não possuem uma geometria definida) a temperatura na superfície da peça pode alcançar a temperatura crítica de transformação do material. Esta condição causa a mudança metalográfica na superfície da peça. A tensão residual é gerada na camada superfícial após a usinagem. As causas destas tensões residuais são:

26 Precisão e Erros de Usinagem 48 (a) O material da peça expande enquanto ele é aquecido pelo calor do processo, e ele contrai-se quando é resfriado. O material interno resiste à expansão e à contração, que resulta na tensão residual de tração na superfície da peça; (b) O material da superfície deforma plasticamente devido à extrusão e atrito da ferramenta, enquanto o material interno próximo à superfície deforma elasticamente. Depois da usinagem, a recuperação da deformação elástica do material interno é restringida pelo material da superfície que deformou plasticamente. Isto resulta em tensão residual, normalmente compressiva; (c) A variação metalográfica da camada na superfície resulta na sua alteração volumétrica (ou expansão ou contração) que é restringida pelo material interno, que resulta em tensão residual (compressiva ou trativa) Influência da Qualidade Superficial no Desempenho de Peças Usinadas Uma falha durante o serviço de uma peça causada pelo seu desgaste, fadiga, corrosão, etc., inicia-se na maioria dos casos na superfície da peça. A qualidade da superfície da peça usinada influencia o seu desempenho, como por exemplo o ajuste entre duas peças, resistência ao desgaste, resistência à corrosão, e resistência à fadiga. Uma breve descrição destes fatores será feita abaixo. Influência sobre o Ajuste das Peças na Montagem A rugosidade superficial influencia diretamente a condição de ajuste entre peças. Para o ajuste deslizante, a existência de micro-irregularidades na peça resulta num rápido desgaste. A folga aumenta entre as peças, e isto causa deterioração na condição de ajuste. Com relação ao ajuste prensado, quando uma peça é prensada à outra, as cristas das irregularidades são extrudadas, o que reduz a interferência e portanto a resistência do ajuste. Influência na Resistência ao Desgaste das Superfícies A rugosidade superficial e o encruame nto da superfície influenciam significativamente a resistência da superfície da peça ao desgaste. Quando ocorre atrito seco entre duas peças, somente as cristas das irregularidades em ambas as superfícies estão em contato no estágio inicial. A pressão entre estas duas peças concentra-se nestas pequenas áreas (figura 2.20). Por exemplo, a área real de contato para superfícies torneadas ou fresadas é somente 15 a 20% da área total, enquanto para superfícies finamente retificadas, 30-50%. Devido à elevada pressão unitária, as irregularidades nas superfícies da peça deformam-se elasticamente e plasticamente, e porções são cisalhadas devidoao movimento relativo entre as superfícies em contato (estágio I na figura 2.21). A situação de atrito viscoso é mais complicada. Neste caso, no estágio inicial o filme lubrificante encontra-se espalhado pelas cristas na rugosidade para formar um atrito seco entre duas superfícies em contato. O excessivo desgaste inicial altera o tipo de ajuste entre as peças. Entretanto, à medida em que o desgaste aumenta, a pressão unitária entre as superfícies reduz, reduzindo-se a taxa de desgaste (estágio II na figura 2.21). Quando um certo ponto é alcançado (p.ex. amolecimento da superfície), o desgaste é intensificado novamente (estágio III na figura 2.21).

27 Precisão e Erros de Usinagem 49 Figura Os contatos e desgaste de peças num ajuste Figura A curva de desgaste Uma redução na rugosidade superficial pode aumentar a resistência ao desgaste de superfícies. Entretanto, a relação entre elas é não-linear. Foi provado através de experimentos que um valor ótimo para a rugosidade superficial existe sob uma dada condição na qual um desgaste mínimo pode ser esperado (figura 2.22). Se as superfícies de ajuste são muito suaves, elas estarão num contato muito forte umas com as outras, resultando numa maior afinidade entre as moléculas das superfícies. Isto resulta num desgaste intensivo das superfícies. O encruamento da camada superficial pode aumentar significativamente a resistência ao desgaste da superfície da peça. Entretanto, um aumento excessivo da micro-dureza pode causar o arrancamento da camada endurecida. Portanto, deve haver muita cautela na aplicação de processos de obtenção de micro-dureza superficial.