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Capítulo 5

Projeto de Operações de Usinagem

5.1. Tarefas Envolvidas no Projeto de Operações de Usinagem

As operações requeridas para fabricar uma peça são identificadas no planejamento do

roteamento do processo. Estas operações são li stadas numa ordem lógica para formar um plano de

processo. Este plano é muito útil para o planejamento geral da manufatura. Entretanto, ele não

fornece instruções suficientemente detalhadas para o operador executar a usinagem. Se o processo

envolvido é simples, o operador poderá vislumbrar meios de usinar a peça. Entretanto, se o processo

é mais complicado, é necessário que se inclua instruções mais detalhadas. O projeto de operações é

necessário, e portanto ele é o próximo passo no planejamento do processo.

As seguintes atividades são efetuadas no projeto de operações de usinagem:

• seleção da máquina e ferramental para cada operação;

• arranjo da sequência de operações elementares em cada operação;

• determinação dos sobre-materiais para cada superfície a ser usinada;

• determinação das cotas e tolerâncias de fabricação para cada operação;

• determinação das condições de usinagem para cada operação.

• estimativa dos tempos padrões para cada operação.

Comparando-se ao planejamento do roteamento do processo, todas as atividades específicas

relacionadas a cada operação são estudadas mais detalhadamente no projeto de operações. Não é

incomum o processista encontrar alguma inconsistência num plano de processo durante o estágio de

projeto de operações. Neste caso, o plano deve ser revisado visando a correção daquela

inconsistência.

5.2. Seleção de Máquinas e Ferramental

Ao projetar-se operações de usinagem, máquinas e ferramental (isto é, dispositi vos de fixação de

peças, ferramentas e instrumentos de medição) empregados em cada operação são selecionados. A

seleção da máquina para uma operação influencia significativamente a precisão de usinagem, a taxa

de produção e o custo unitário de cada operação. Para selecionar-se de forma apropriada a máquina,

deve-se satisfazer as seguintes condições:

(a) A precisão da máquina-ferramenta deve equivaler-se à precisão exigida na usinagem.

(b)As dimensões da área de trabalho da máquina-ferramenta devem ser maiores do que as

maiores dimensões da peça.

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(c) A máquina deve possuir potência suficiente para executar as operações necessárias.

(d)A rigidez da máquina deve se manter ao longo de todo o ciclo de usinagem.

(e) A eficiência da máquina deve satisfazer as exigências de produção.

(f) As máquinas disponíveis devem ser utili zadas o máximo possível.

5.2.1. Seleção de Máquinas

O uso de máquinas convencionais (p.ex. tornos e fresadoras universais) significa que o operador

deve possuir grande experiência, e sua aplicação restringe-se à produção unitária ou em pequenos

lotes.

Máquinas CNC são particularmente efetivas em produções “one-of-a-kind” (isto é, tamanho de

lote único), e também em pequenos e médios lotes.

Dispositi vos de fixação de propósito geral, como morsas, placas de três castanhas, etc., devem

ser selecionados sempre que possível. Dispositi vos específicos são selecionados somente em caso de

absoluta necessidade, para obter-se a precisão de usinagem, aumento da taxa de produção, e a

redução da mão-de-obra. Quando o volume de produção é pequeno, e há alterações frequentes no

produto, dispositi vos de fixação específicos tendem a aumentar o tempo de preparação do ferramental

e os custos de produção.

Dispositi vos modulares, como aqueles ilustrados na figura 5.1, são convenientes para

prototipagem, e produção “one-of-a-kind” e pequenos lotes. Eles atuam como fixadores especiais

com um tempo de preparação bem mais curto, e portanto resultam num custo mais baixo. Entretanto,

eles possuem a desvantagem da baixa rigidez.

5.2.3. Seleção de Ferramentas

A seleção de ferramentas, incluindo tipos, materiais, estruturas e tamanhos, depende bastante

dos processos de usinagem, dimensões da superfície a ser usinada, e da precisão de usinagem. Na

maioria dos casos, seleciona-se ferramentas padronizadas. Ferramentas especiais ou combinadas

devem ser selecionadas somente quando houver uma boa justificativa.

Deve-se mencionar que este é um problema complexo, haja vista a proli feração de tipos e

quantidades de ferramentas utili zadas na produção, principalmente quando há a presença de máquinas

CNC.

5.2.4. Seleção de Instrumentos de Medição

Na seleção de instrumentos de medição, a precisão do instrumento deve equivaler-se às

tolerâncias a serem medidas, para que as medidas reflitam a precisão real da peça. O volume de

produção deve ser levado em consideração. Numa produção unitária ou em pequenos lotes,

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instrumentos de medição gerais (p.ex. paquímetros, micrômetros) são mais desejados; enquanto em

produção em massa ou em grandes lotes, instrumentos como os calibres ilustrados na figura 5.2 são

utili zados para aumentar a produtividade.

Figura 5.1. Exemplo de dispositi vos modulares de fixação

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Figura 5.2. Calibres utili zados na produção em lotes grandes e produção em massa

5.3. Determinação de Sobre-Materiais de Usinagem

5.3.1. Sobre-Materiais de Usinagem

Um sobre-material de usinagem é uma camada de material que deve ser removida de superfície

da peça para que a precisão e a qualidade da superfície sejam obtidas.

A quantidade de sobre-material é a diferença entre as cotas de fabricação obtidas nas operações

atual e anterior. Chamando o sobre-material de Zi , a cota obtida na operação anterior de Li+1, e a cota

obtida pela operação atual de Li, tem-se que o sobre-material é dado por:

Zi = L i+1 - Li (superfície externa)

Zi = Li - L i+1 (superfície interna)

O sobre-material total (incluindo todas as operações) é igual à soma dos sobre-materiais

referentes a cada operação, desde a matéria-prima até a peça na forma final, isto é:

Z Zt ii

n

==∑

1

onde: Zt = sobre-material total de uma superfície da peça;

n = número de operações de usinagem (ou operações elementares) executadas sobre

a superfície.

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Note que a cota de fabricação não é um valor fixo. A cada uma destas cotas é associada uma

faixa de tolerância δ. Os sobre-materiais de usinagem reais removidos da superfície da peça variam

de peça para peça. Aquilo que foi chamado até agora de “sobre-material de usinagem” na verdade é o

valor nominal do sobre-material de usinagem. Na tabela abaixo tem-se o cálculo dos valores deste

sobre-material para superfícies externa e interna1 (ver figura 5.3(a)):

Superfície Externa Superfície Interna

(Zi)max = (Li+1) max - (Li) min

= L i+1 - (Li-δi)

= (L i+1 - L i ) + δi

= Zi + δi

(Zi) min = (L i+1) min - (Li) max

= (L i+1 - δ i+1 ) - Li

= (L i+1 - Li) - δ i+1

= Zi - δ i+1

(Zi)max = (Li) max - (Li+1) min

= (L i + δi ) - Li+1

= (L i - L i+1) + δi

= Zi + δi

(Zi) min = (Li) min - (L i+1) max

= L i - (Li+1 + δ i+1 )

= (L i - Li+1) - δ i+1

= Zi - δ i+1

Figura 5.3. Sobre-materiais de usinagem nominal, máximo e mínimo

Em ambos os casos, a variação no sobre-material é dada por:

δZi =(Zi)max -(Zi) min

= δi +δ i+1

Note que ela é igual à soma das tolerâncias de fabricação das operações atual e anterior.

O sobre-material de usinagem para uma superfície cilíndrica é igual à diferença entre diâmetros.

Para uma superfície cilíndrica externa, o sobre-material é dado por (ver figura 5.4):

2Zi = Li+1 - Li

1 As tolerâncias de fabricação serão especificadas aqui na direção “do material” . Isto é, para superfícies

externas será indicado o sinal “ -” , e o sinal “+” para superfícies internas.

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Figura 5.4. Sobre-material no diâmetro

5.3.2. Fatores Relacionados ao Sobre-Material de Usinagem

A determinação do sobre-material de usinagem influencia significativamente a qualidade da peça

a ser fabricada, e a eficiência da produção. Um sobre-material excessivo aumenta o tempo de

usinagem e o consumo de energia, e portanto aumenta o custo de produção e uma redução de

eficiência da produção. Se o sobre-material for muito pequeno, a rugosidade superficial e a camada

superficial defeituosa1 causada pela operação precedente não será removida completamente, o que

causará uma qualidade insatisfatória da superfície da peça.

Para determinar de maneira adequada os sobre-materiais, os seguintes fatores devem ser

considerados:

(a) A qualidade da superfície resultante da operação precedente: A rugosidade superficial e a camada

defeituosa são gerados cada vez que uma superfície é usinada. Um propósito genérico de uma

operação de usinagem é remover a rugosidade da superfície e a camada defeituosa obtidos na

operação precedente, e ao mesmo tempo, aumentar a precisão dimensional e a qualidade da

superfície. A rugosidade e os defeitos são gradualmente reduzidos em operações sucessivas de

usinagem, até que a precisão exigida e a qualidade sejam atingidas. Esta é a razão pela qual uma

elevada precisão, e uma boa qualidade não podem normalmente ser obtidos através de apenas um

passe.

Para remover completamente da superfície da peça a rugosidade e a camada defeituosa

produzidos pela operação precedente, o sobre-material deve ser maior ou igual à soma da altura

média das irregularidades e à profundidade da camada defeituosa (figura 5.5). Isto é:

Zi ≥ RZi+1 + Ti+1

onde:

Zi = sobre-material na operação atual;

RZi+1 = altura média das irregularidades resultantes da operação precedente;

Ti+1 = profundidade da camada superficial defeituosa resultante da operação precedente.

1 Esta camada é devida a fatores como aumento da temperatura devido à usinagem, e também devido às

deformações plásticas.

101

A magnitude da rugosidade da superfície e da profundidade da camada defeituosa produzidos

depende do processo de usinagem. A tabela 5.1 mostra os valores recomendados de Rz e T para

vários processos de usinagem.

Figura 5.5. Sobre-material, rugosidade e profundidade da camada defeituosa

(b) Tolerância de fabricação da operação precedente: O sobre-material mínimo de uma superfície

depende da tolerância de fabricação da operação precedente, isto é:

(Zi) min = Zi - δi+1

Para assegurar que o sobre-material remove completamente a rugosidade da superfície e a

camada defeituosa produzidos na operação precedente, a tolerância de fabricação da operação

precedente também deve ser levada em consideração para determinar-se o sobre-material para a

operação atual, isto é:

Zi ≥ RZi+1 + Ti+1 + δi+1

onde δi+1 é a tolerância “na direção do material” da operação anterior.

(c) Precisão posicional da operação precedente: Tolerâncias posicionais como concentricidade e

paralelismo da superfície após a operação precedente devem também ser levadas em consideração.

Por exemplo, o erro de posição do eixo de rotação de uma superfície cilíndrica ocorrido na operação

precedente resulta na não-uniformidade do sobre-material na operação atual (figura 5.6).

Considerando-se o erro de posição como sendo a, o sobre-material deverá ser igual a 2a, para

assegurar que haverá a remoção completa da rugosidade da superfície e da camada defeituosa.

(d) Fixação da peça na operação atual: Este erro decorre da fixação incorreta da peça na máquina, que

altera a posição da peça em relação à ferramenta. Portanto, este erro deve ser compensado através do

aumento no sobre-material.

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Tabela 5.1: Valores de Rz e T para vários processos de usinagem

Processo de Usinagem Rz (µµm) T (µµm) Processo de Usinagem Rz (µµm) T (µµm)Torneamentocilíndrico externo(desbaste)

15-100 40-60 Retificação cilíndricainterna

1,7-15 20-30

Torneamentocilíndrico externo(semi-acabamento)

5-45 30-40 Retificação plana 1,7-15 15-35

Faceamento (desbaste) 15-225 40-60 Fresamento (desbaste) 15-225 40-60Faceamento (semi-acabamento)

5-45 30-40 Fresamento (semi-acabamento)

5-45 25-40

Sangramento 45-225 60-70 Aplainamento(desbaste)

15-100 40-50

Furação 45-225 40-60 Aplainamento (semi-acabamento)

5-45 25-40

Rebaixamento(desbaste)

25-225 40-60 Brochamento 1,7-8,5 10-20

Rebaixamento (semi-acabamento)

25-100 30-40 Lapidação 0-1,6 3-5

Mandrilamento(desbaste)

25-225 30-50 Super-acabamento 0-0,8 0,2-0,3

Mandrilamento (semi-acabamento)

5-25 25-40 Forjamento 100-225 500-600

Alargamento(desbaste)

25-100 25-30 Estiramento a frio 25-100 80-100

Alargamento (semi-acabamento)

8,5-25 10-20

Retificação cilíndricaexterna

1,7-15 15-25 Extrusão 100-225 300-350

Figura 5.6. Influência do erro de posição no sobre-material

5.3.3. Métodos para Determinar os Sobre-Materiais de Usinagem

Existem diferentes métodos para a determinação de sobre-materiais de usinagem, que são

descritos abaixo:

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(a) Cálculo: O sobre-material de usinagem pode ser analisado e calculado, levando-se em

consideração todos os fatores acima. Entretanto, devido à ausência de dados experimentais

confiáveis, este método é usado apenas em alguns casos.

(b) Estimativa baseada na experiência: Na produção unitária ou em pequenos lotes, os sobre-materiais

são algumas vezes determinados pelo processista baseado na experiência. Para evitar sobre-materiais

insuficientes, que poderão resultar em refugos, estes sobre-materiais são normalmente maiores do que

o necessário.

(c) Usando-se tabelas de sobre-materiais: Sobre-materiais para várias operações podem ser

encontradas em manuais (“handbooks”). Estes manuais são compilados baseado em dados de chão-

de-fábrica e experimentos. Note que estes dados devem ser utili zados entendendo-se que as

condições reais de usinagem podem ser diferentes, e portanto estes dados podem ser revistos.

As tabelas 5.2 a 5.7 mostram alguns sobre-materiais para várias superfícies e vários processos.

Estes dados nas tabelas são sobre-materiais nominais. Para superfícies simétricas, como cili ndros

externos e internos, os sobre-materiais correspondem ao diâmetro, enquanto que para superfícies não-

simétricas, elas correspondem ao comprimento.

Tabela 5.2. Sobre-materiais para o torneamento de superfícies cilíndricas externas

Sobre-material no diâmetro (mm) Tolerância noDiâmetro Torneamento

(desbaste)Torneamento (semi-acabamento) Diâmetro (µm)

(mm) Comprimento (mm) Comprimento (mm) Torneamento Torneamento≤ 200 > 200-400 ≤ 200 > 200-400 (limpeza) - IT14 (desbaste) -

IT13

≤ 10 1,5 1,7 0,8 1,0 360 220> 10-18 1,5 1,7 1,0 1,3 430 270> 18-30 2,0 2,2 1,3 1,3 520 330> 30-50 2,0 2,2 1,4 1,5 620 390> 50-80 2,3 2,5 1,5 1,8 740 460> 80-120 2,5 2,8 1,5 1,8 870 540> 120-180 2,5 2,8 1,8 2,0 1000 630> 180-260 2,8 3,0 2,0 2,3 1150 720> 260-360 3,0 3,3 2,0 2,3 1300 810

Tabela 5.3. Sobre-materiais para a retificação de superfícies cilíndricas externas

Sobre-material no diâmetro (mm) Tolerância no diâmetro (µm)Diâmetro

(mm)Retificação(desbaste)

Retificação(semi-acabamento)

Torneamento(semi-acabamento) - IT11

Retificação(desbaste) - IT9

≤ 10 0,2 0,1 90 36> 10-18 0,2 0,1 110 43> 18-30 0,2 0,1 130 52> 30-50 0,3 0,1 160 62> 50-80 0,3 0,2 190 74> 80-120 0,3 0,2 220 87> 120-180 0,5 0,3 250 100> 180-260 0,5 0,3 290 115> 260-360 0,5 0,3 320 130

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Tabela 5.4. Sobre-materiais para a retificação de furos


(mm)Retificação(desbaste)

Retificação(semi-acabamento)

Mandrilamento(semi-acabamento) - IT10

Retificação(desbaste) - IT9

> 10-18 0,2 0,1 70 43> 18-30 0,2 0,1 84 52> 30-50 0,2 0,1 100 62> 50-80 0,3 0,1 120 74> 80-120 0,3 0,2 140 87> 120-180 0,3 0,2 160 100

Tabela 5.5. Sobre-materiais para o mandrilamento de furos


(mm)Mandrilamento

(desbaste)Mandrilamento

(semi-acabamento)Furação

IT13Mandrilamento

(desbaste) - IT12

≤ 18 0,8 0,5 270 180> 18-30 1,2 0,8 330 210> 30-50 1,5 1,0 390 250> 50-80 2,0 1,0 460 300> 80-120 2,0 1,3 540 350> 120-180 2,0 1,5 630 400

Tabela 5.6. Sobre-materiais para o faceamento (semi-acabamento)

ComprimentoSobre-material na face a ser faceada (semi-

acabamento) (mm) Tolerância no faceamentoda peça Máxima dimensão da face (desbaste) (µm)(mm) ≤ 30 > 30-120 > 120-260 IT13

≤ 10 0,5 0,6 1,0 220> 10-18 0,5 0,7 1,0 270> 18-30 0,6 1,0 1,2 330> 30-50 0,6 1,0 1,2 390> 50-80 0,7 1,0 1,3 460> 80-120 1,0 1,0 1,3 540> 120-180 1,0 1,3 1,5 630> 180-260 1,0 1,3 1,5 720

Tabela 5.7. Sobre-materiais para a retificação plana

Comprimento Sobre-material na face a ser retificada(mm)

Tolerância no faceamento

da peça Máxima dimensão da face (semi-acabamento) (µm)(mm) ≤ 30 > 30-120 > 120-260 IT11

≤ 10 0,2 0,2 0,3 90> 10-18 0,2 0,3 0,3 110> 18-30 0,2 0,3 0,3 130> 30-50 0,2 0,3 0,3 160> 50-80 0,3 0,3 0,4 190> 80-120 0,3 0,4 0,5 220> 120-180 0,3 0,4 0,5 250> 180-260 0,3 0,5 0,5 290

105

5.4. Determinação de Cotas e Tolerâncias de Fabr icação

Cada cota e tolerância de projeto é obtida através de uma série de operações de usinagem. Em

cada operação, a superfície da peça é usinada até que se atinja uma certa cota e precisão de

fabricação. A cota e tolerância de fabricação devem ser indicadas no plano de operações, como

instrução para o operador. Isto é especialmente necessário em produção em massa, em lotes grandes,

e em peças de precisão.

5.4.1. Determinação da Cota e Tolerância de Fabricação de uma Superfície

A cota e tolerância de fabricação de uma superfície (p.ex. superfície cilíndrica) na sua operação

final de usinagem é determinada geralmente com base na cota e tolerância de projeto desta superfície.

Por outro lado, a determinação das cotas de fabricação de outras operações de usinagem relaciona-se

com os sobre-materiais de usinagem. Os sobre-materiais são determinados em ordem inversa, isto é,

da peça acabada até a matéria-prima.

A figura 5.7 ilustra a relação entre as cotas de fabricação e sobre-materiais de usinagem de uma

superfície plana externa. L1 é a cota de fabricação da última operação de usinagem; L2 , L3 e L4 são

cotas de fabricação das operações de usinagem intermediárias; L5 é a dimensão da matéria-prima.

Pode-se ver nesta figura que para uma superfície plana externa, a cota de fabricação da operação

anterior é igual à soma da cota de fabricação e o sobre-material da operação atual, isto é:

L2 = L1 + Z1

L3 = L2 + Z2 = L1 + Z1 + Z2

L4 = L3 + Z3 = L1 + Z1 + Z2 + Z3

L5 = L4 + Z4 = L1 + Z1 + Z2 + Z3 + Z4

Figura 5.7. Determinação das cotas de fabricação de uma superfície plana externa

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Ao calcular-se as cotas de fabricação, deve-se diferenciar as superfícies externas das internas, e

também as superfícies planas das cilíndricas.

A determinação da tolerância de fabricação depende do processo de usinagem empregado.

Normalmente a tolerância de fabricação na última operação de usinagem é determinada em

conformidade com a tolerância especificada no desenho da peça, se não houver razão para reduzi-la.

Todas as tolerâncias de fabricação nas operações intermediárias são determinadas de acordo com a

precisão de usinagem que pode ser obtida economicamente.

É muito importante que se determine as tolerâncias de fabricação de forma adequada. Se uma

tolerância de fabricação é muito apertada, um processo de usinagem mais preciso (e portanto mais

caro) será necessário. Se ela for muito larga, isto resultará numa tolerância maior no sobre-material

na próxima operação. Isto possivelmente dificultará que se atinja a precisão de usinagem e a

qualidade da superfície naquela operação. Por exemplo, a cota e tolerância de fabricação em cada

uma das operações de usinagem do furo de diâmetro 120+0,022 (superfície 5) da peça ilustrada na figura

4.3 são mostradas na tabela 5.8.

Tabela 5.8. Determinação das cotas e tolerâncias de fabricação para operações de usinagem para o

furo de diâmetro 120+0,022 da peça da figura 4.3.

Processo de usinagem Sobre-material

(mm)

Cota defabricação

(mm)

Tolerância defabricação

(mm)

Tabela

Retificação (semi-acabamento) 0,2 120 +0,022 5.4Retificação (desbaste) 0,3 119,8 +0,087 5.4Mandrilamento (semi-acabamento) 1,3 119,5 +0,140 5.5Mandrilamento (desbaste) 2,0 118,2 +0,350 5.5Matéria-prima ≤ 116,2

5.4.2. Determinação das Cotas e Tolerâncias de Apoio

Os princípios mencionados acima podem também ser usados para determinar-se as cotas e

tolerâncias de apoio. Entretanto, frequentemente é bem mais complicado determinar-se as cotas e

tolerâncias de apoio entre superfícies do que determinar-se as cotas e tolerâncias das próprias

superfícies. A razão é que a cota e tolerância de apoio numa operação depende não somente do

processo de usinagem e do sobre-material, mas também de qual superfície ela é dimensionada.

Quando uma superfície exige várias operações, sua referência de fabricação muda várias vezes.

Portanto, deve-se levar este fato em consideração ao determinar-se tolerâncias de fabricação.

Para determinar-se as cotas e tolerâncias de fabricação numa operação, deve-se ter em mente os

seguintes pontos:

107

(a) As cotas e tolerâncias finais devem satisfazer todas as cotas e tolerâncias de projeto;

(b)Um sobre-material apropriado deve ser selecionado para cada operação (especialmente para o

acabamento), nem tão grande nem tão pequeno;

(c) A tolerância de fabricação de cada operação deve equivaler-se à precisão de usinagem que pode

ser obtida economicamente pelo processo de usinagem escolhido para a operação.

Os princípios de seleção de referências de fabricação devem ser seguidos para determinar-se as

cotas e tolerâncias de apoio para as operações finais de usinagem (ver Capítulo 3). A seleção da

referência de fabricação para uma operação intermediária também depende das relações entre a cota

de fabricação atual e a anterior. Com vistas a obter o melhor resultado, a determinação das cotas e

tolerâncias de apoio devem ser combinadas com a seleção de referências de fabricação. Para ilustrar,

um exemplo simples é dado abaixo.

A Figura 5.8 ilustra o desenho de uma peça simples, e três planos alternativos das operações de

semi-acabamento e acabamento. Pode-se notar que o roteamento do processo e cotas são diferentes.

Daqui em diante estes três planos serão comparados através das suas cotas e tolerâncias de apoio.

PLANO DE PROCESSO 1:

No plano 1, as cotas de fabricação L3 (na OP 20) e L4 (na OP 25) são cotais finais. Como as

referências de fabricação das superfícies usinadas 3 e 2 coincidem com as referências de projeto, as

cotas e tolerâncias de projeto podem ser tomadas diretamente como cotas e tolerâncias de fabricação,

isto é:

L4 = 25-0,13

L3 = 80-0,2

L1 e L2 são cotas de fabricação da operação OP 15. Para determinar L1 e L2 , os sobre-materiais

para a OP 20 e OP 25 devem ser levados em consideração. Os sobre-materiais para o faceamento

(semi-acabamento) da superfície 3 na OP 20 é dado por Z3 = 1,0mm (tabela 5.6), e para a retificação

da superfície 2 na OP 25 é dado por Z4 = 0,3mm (tabela 5.7). As tolerâncias de fabricação para a

operação de faceamento (semi-acabamento) das superfícies 1 e 2 são -0,19mm (para L=80mm e IT11)

e -0,13mm (paraL=25mm e IT11), respectivamente. Portanto:

L2 = L4 + Z3 + Z4 = 25 + 1,0 + 0,3 = 26,3-0,13 mm

L1 = L3 + Z3 = 80 + 1,0 = 81,0-0,19 mm

Entretanto, as superfícies em ambas as extremidades de L2 serão usinadas em operações

posteriores. O sobre-material nominal Z4 para a operação final da superfície 2 será afetado pelas

tolerâncias das cotas de fabricação destas operações, bem como pela tolerância de L2 . Para

determinar o sobre-material nominal para a superfície 2, são feitos os cálculos abaixo de cadeias de

dimensões:

108

Plano de Processo 1No da

operaçãoOperaçãoelementar

Superfíciesendo usinada

Referênciade fabricação

Cota

OP 15 Faceamento(sa) 1 3 L1

Faceamento(sa) 2 3 L2

Virar PeçaOP 20 Faceamento(sa) 3 1 L3

OP 25 Retificação 2 3 L4





Cota









Cota





Figura 5.8. Exemplo ilustrando a determinação das cotas e tolerâncias de apoio

•

Z1

•

••

L1

L2

L3

L4

Z2

Z4Z3

•

••

L1

L2

L3

L4

Z4Z3

•

•

••

L1

L2

L3

L4

Z4

• Z2

25-0,13

80-0,2

123

∅ 40∅ 60

109

Pode-se notar que nos desenhos referentes ao plano 1, o sobre-material da retificação Z4 e as cotas L1,

L2 , L3 e L4 compõem uma cadeia de dimensões. Z4 é a cota condição, enquanto L2 e L4 são cotas

comuns, e L1 e L3 são cotas a serem criadas. Pode-se obter então que:

Z mm4 0 330 320 3= −

+, ,,

Percebe-se que neste caso o sobre-material poderá não ser suficiente para a retificação da

superfície 2 (isto é, (Z4 )min = -0,03). Este problema pode ser resolvido através das seguintes maneiras:

(a) Pode-se controlar a variação do sobre-material Z4 através da redução das tolerâncias de uma ou

mais cotas na cadeia de dimensões. Para este exemplo, as tolerâncias de L2 e L3 devem ser reduzidas

para aumentar o desvio inferior de Z4 . Entretanto, este método pode ser usado somente quando as

tolerâncias são suficientemente grandes comparadas com a precisão que pode ser economicamente

obtida. Senão, estas operações serão executadas com dificuldade e tornar-se-ão não-econômicas.

(b) Pode-se aumentar o valor nominal de Z4 . Por exemplo, se Z4 for aumentado de 0,3mm para

0,4mm, então:

Z mm4 0 330 320 4= −

+, ,,

Neste caso, a cota de fabricação L2 deve ser alterada também:

L2 = L4 + Z3 + Z4 = 25 + 1,0 + 0,4 = 26,4-0,13mm


A operação OP 20 no plano 2 é dimensionada diferentemente do plano 1. Pode-se notar da

cadeia de dimensões que o sobre-material Z4 para a operação final da superfície 2 depende somente

das cotas L3 e L4 . Como

L3 = 25 + 0,3 = 25,3-0,13mm

L4 = 25-0,13mm

então

Z mm4 0 130 130 3= −

+, ,,

É evidente que o sobre-material suficiente para a última operação da superfície 2 pode ser

assegurada mesmo no pior caso.

Entretanto, a cota 80-0,2mm especificada no desenho da peça deve ser obtida indiretamente no

plano 2, que é a cota condição na cadeia de dimensões composta pelas cotas L1 , L2 , L3 e 80-0,2. Se

L1 = 80 + 1,0 = 81-0,19 mm

L2 = 25 + 1,0 + 0,3 = 26,3-0,13 mm

então a faixa de tolerâncias da cota condição será de 0,45mm, que é bem maior do que a

tolerância especificada (0,2mm).

110

Para assegurar a precisão da cota 80-0,2, as tolerâncias das cotas L1 , L2 e L3 devem ser reduzidas,

para que a soma total das tolerâncias de L1 , L2 e L3 seja menor ou igual a 0,2mm. Isto tornaria as

operações de torneamamento não-econômicas.


Se uma rota de processo diferente é adotada, como ilustrado no plano 3, então tanto o sobre-

material da última operação, quanto as tolerâncias das operações de torneamento podem ser mantidas

as mesmas. Isto ocorre porque todas as cotas de projeto são obtidas diretamente no processo, como

resultado da coincidência entre as referências de fabricação e de projeto.

A discussão acima revela que a determinação das cotas e tolerâncias de apoio baseia-se não

somente nos sobre-materiais de usinagem, mas também na seleção de referências de fabricação bem

como no planejamento do roteamento.

5.5. Determinação de Condições de Usinagem

A determinação de condições de usinagem influencia significativamente a precisão e a eficiência

de usinagem, a qualidade da superfície, a vida da ferramenta, etc. Ela é especialmente importante na

produção em massa e em grandes lotes, e em operações executadas em máquinas automáticas, e

máquinas de comando numérico. Em operações onde peças de elevada qualidade superficial são

fabricadas, as condições de usinagem devem ser cuidadosamente controladas.

As condições de usinagem podem ser obtidas através de “handbooks”ou catálogos de fabricantes

de ferramentas, ou então através de um método chamado aqui de “sequencial” .

No caso da utili zação de “handbooks” ou catálogos de fabricantes de ferramentas, o leitor

seleciona as condições de corte para uma dada combinação de materiais de peça e ferramenta.

Ele/ela também pode selecionar a geometria da ferramenta, através destes catálogos.

O método sequencial consiste na determinação, numa ordem definida, das condições de corte.

Primeiramente, a profundidade de corte ap é estabelecida. Se o sobre-material puder ser removido

num único passe, a profundidade de corte será igual ao sobre-material. A profundidade de corte, em

operações de desbaste, é restringida pela potência da máquina, pela rigidez da peça, pelo método de

fixação, etc. Algumas vezes, pode ser necessário remover o sobre-material em vários passes,

reduzindo-se portanto a profundidade de corte. No caso de operações de semi-acabamento e

acabamento, a usinagem é feita em geral num único passe.

A próxima variável a ser selecionada é o avanço f, que depende da capacidade da máquina para

executar operações de desbaste, e também do acabamento superficial para as operações de

acabamento e semi-acabamento. O valor numérico real do avanço deve ser selecionado dentre

aqueles disponíveis na máquina (no caso de máquina convencional).

111

Após selecionar-se ap e f , a velocidade de corte pode ser determinada através da Equação

expandida de Taylor, que é uma fórmula advinda da teoria da usinagem dos metais. Tal fórmula é

ilustrada abaixo:

VC

a fc

v

pn n

=1 2

onde:

Cv = uma constante que depende do material da peça, do material e geometria da ferramenta, do

fluido de corte, etc.

n1 , n2 = expoentes que dependem do material da peça, do material da ferramenta e das

condições de corte.

Depois que a profundidade de corte ap , o avanço f e a velocidade de corte Vc forem

determinadas, o próximo passo é checar se a potência necessária para a usinagem não excede a

potência disponível na máquina, principalmente para operações de desbaste.

Para máquinas com múltiplas ferramentas, o método de seleção das condições de corte é o

mesmo. Entretanto, se as condições de corte ap , f e Vc são determinadas estritamente como indicado

acima, o tempo de usinagem de uma das ferramentas possivelmente será mais longo do que os outros

tempos. Isto resulta num ciclo mais longo de usinagem do que o necessário. Portanto, neste caso as

condições de corte são determinadas com base na ferramenta gargalo (isto é, aquela à qual

corresponde o tempo mais longo de usinagem).

Quando operações são executadas em máquinas do tipo múltiplas estações, devem ser feitos

esforços no sentido de manter o tempo de usinagem em cada estação o mais próximo possível. O

balanceamento do tempo pode ser alcançado reduzindo-se o percurso de transporte, e também

modificando-se as condições de corte para algumas ferramentas.

A ordem de seleção das condições de corte para ferramentas abrasivas é diferente daquela

mencionada acima. Por exemplo, para operações de retificação cilíndrica externa, a velocidade de

corte deve ser selecionada primeiro. Depois, os avanços (circular e longitudinal) da peça são

selecionados, e finalmente seleciona-se a profundidade de corte.

O fluido de corte, que também é uma condição de usinagem, é utili zado para reduzir as forças

(lubrificação) e temperatura (refrigeração) de corte, e melhorar a qualidade superficial.

5.6. Estimativa de Tempos Padrões

A fase final do planejamento do processo consiste em estabelecer o tempo padrão para cada

operação. Os tempos padrões num plano de processo fornecem os dados iniciais para o

escalonamento da produção, escalonamento de pessoal , e cálculo de custos. O tempo padrão é o

tempo necessário para executar uma tarefa bem definida (p.ex. uma operação) sob certas condições.

112

Ele deve refletir os avanços na tecnologia de manufatura e também a experiência obtida pelo

operador e pessoal de engenharia. Um tempo padrão unitário é composto pelo tempo de preparação

(“setup”), tempo de processamento, tempo de manuseio, tempo de serviço e tempo de compensação.

(a) Tempo de preparação (“setup”): O tempo de preparação tsu inclui todos os tempos necessários

para preparar uma máquina para a tarefa. Isto inclui os tempos para estudar o desenho da peça, o

plano de operações, para obter os dispositi vos de fixação e ferramentas, para instalar o ferramental,

para ajustar a máquina e o ferramental, para inspecionar a matéria-prima, bem como terminar a tarefa

(desmontar e retornar os dispositi vos de fixação e ferramentas, e levar o lote de peças para o

inspetor). O tempo de preparação é calculado sobre um lote de n peças. A contribuição de cada peça

é tsu /n.

Uma das parcelas que compõem o tempo de preparação é o tempo de ajuste (setup) de

ferramentas. Se uma só ferramenta está sendo usada numa operação, a determinação do tempo de

mudança desta ferramenta por peça é simples. Quando mais de uma ferramenta é utili zada (p.ex.

aquelas usadas num torno revólver), o cálculo torna-se um pouco mais complicado, e uma estimativa

relativamente precisa para os casos mais práticos pode ser feita como descrito abaixo.

Seja: C = tempo total de usinagem por peça (min)

M = tempo de vida médio por ferramenta (min)

N = número de ferramentas numa preparação

t = tempo médio de resetagem de uma ferramenta (min)

Então, assumindo que as ferramentas operem consecutivamente, tem-se:

tempo de vida médio da ferramenta = M x N (min)

Além disso:

número de peças para um conjunto completo de mudanças de ferramenta = M x N

C

tempo/peça/ferramenta = C x t (min)

MxN

Portanto:

tempo/peça para N ferramentas = C x t (min)

M

Isto pode ser extendido para cobrir operações de usinagem onde efetua-se uma combinação de

ferramentas, p.ex. num torno revólver a utili zação de um joelho para a fixação de diversas

ferramentas.

Seja N1 = número de operações envolvendo o uso de ferramentas;

N2 = número total de ferramentas usadas.

Então:

113

tempo de ferramenta/peça = C x t x N2

M x N1

(b) Tempo de usinagem: O tempo de usinagem tu é o tempo em que a ferramenta está realmente em

contato com a peça. Isto é, para uma operação de usinagem, o tempo de usinagem inicia-se quando a

ferramenta toca a peça e termina quando ela se afasta da peça. Ele pode ser calculado de acordo com

o tipo de processo de usinagem, com o tamanho e material da peça, com a geometria e o material da

ferramenta, e as condições de corte selecionadas. Esta é a única parcela do tempo padrão que pode

ser determinada de forma direta, enquanto as outras parcelas dependem de muitos fatores subjetivos,

como o grau de habili dade do operador. Em vista disso, estes últimos não podem ser determinados

diretamente. No Apêndice IX é ilustrado o cálculo de tempos de processamento para alguns

processos de usinagem.

(c) Tempo de manuseio: O tempo de manuseio tm é o tempo necessário pelo operador para manusear

a peça, que relaciona-se diretamente ao tempo de processamento. O tempo de manuseio é composto

pelo carregamento, descarregamento, fixação e retirada da peça, iníciar e parada da máquina,

inspeção de dimensões, alteração dos avanços e velocidades, etc. O tempo de manuseio pode ser

estimado baseado na experiência, ou através do estudo de tempos e movimentos, levando em

consideração o peso da peça, tamanho da máquina, tipo de ferramenta e fixação da peça à máquina.

Alguns destes valores são dados nas tabelas 5.9 e 5.10.

Tabela 5.9. Tempos de manuseio para um torno paralelo de 350mm de barramento

Elemento Tempo (min)Carregar/descarregar peça entre pontas com placa de arraste Peso = 1kg

Peso = 2kgPeso = 4kgPeso = 8kg

0,330,500,670,83

Carregar/descarregar na placa de três castanhas Peso = 1kgPeso = 2kgPeso = 4kgPeso = 8kg

0,500,670,831,00

Ligar/desligar árvore 0,03Reverter árvore 0,03Mudar velocidade 0,05Mudar avanço 0,07Engatar/desengatar avanço 0,02Aproximar ferramenta, retornar (torneamento cilíndrico externo) 0,05Aproximar ferramenta, retornar (torneamento cilíndrico interno) 0,08Movimentar o carro porta-ferramenta (100mm) 0,1Fixar/retirar ferramenta no cabeçote móvel 0,17Aproximar/afastar cabeçote móvel 0,25

114

Tabela 5.10. Tempos de manuseio para uma fresadora horizontal (mesa 250 x 1250mm)

Elemento Tempo (min)Ligar/desligar árvore 0,05Engatar/desengatar avanço 0,07Mudar velocidade de rotação da árvore 0,1Mudar avanço 0,08Aproximar peça da fresa até atingir correta posição da mesa 0,2Movimentar mesa (100mm, sentido longitudinal) 0,1Movimentar mesa (100mm, sentido transversal) 0,2Movimentar mesa (100mm, sentido vertical) 0,6

Definindo-se “tempo de processamento” tp como sendo a soma dos tempos de manuseio e

usinagem, pode-se concluir que, em lotes pequenos, o tempo de manuseio é normalmente mais

elevado do que o tempo de usinagem. Entretanto, para produção em grandes lotes, a proporção maior

do tempo de processamento deve corresponder ao tempo de usinagem, com o tempo de manuseio

reduzido ao mínimo. Caso contrário, o processo de usinagem deve ser re-examinado visando

encontrar uma maneira mais barata de efetuar a tarefa.

(d) Tempo de serviço: O tempo de serviço ts é o tempo que o operador passa no cuidado da área em

torno da máquina (ou área de trabalho). O propósito é manter a área de trabalho em boas condições

ao longo de todo o período de usinagem. O tempo de serviço é composto pelo tempo de manutenção

(mudança e ajuste das ferramentas, dressagem de rebolos, reajuste da máquina, etc.), e para

manutanção organizacional (retirada dos cavacos, inspeção, lubrificação e limpeza da máquina, etc.).

Normalmente o tempo de serviço é estimado como uma fração do tempo de usinagem e tempo de

manuseio.

(e) Tempo de compensação: O tempo de compensação tc corresponde ao tempo de conveniência e

descanso do operador (p.ex. fadiga devido ao serviço). Também é estimado como uma fração dos

tempos de usinagem e de manuseio. Um dos meios de estimar-se o tempo de compensação é através

do uso de gráficos, como as curvas de Merrick (figura 5.9), que indicam a porcentagem a ser

adicionada aos tempos de manuseio para efeito de compensação do operador.

Se o tempo de processamento for de 15 min, dos quais 3,15 min é devido ao tempo de manuseio

e o restante de usinagem, o tempo de compensação pode ser obtido das curvas de Merrick ilustradas

na figura 5.9, como se segue:

tp = tm + tu

tempo de manuseio como uma porcentagem do tempo de processamento = 3,15/15 x 100

= 21%

portanto a curva de 20% é usada.

115

Figura 5.9. Curvas de Merrick para a determinação de tempos de compensação

Do gráfico, para um tempo de manuseio de 3,15 min, a compensação do operador aumenta o

tempo de manuseio em 43%. Então:

tempo de compensação = 3,15 x 43/100 = 1,35min

O tempo unitário de operação to é a soma total de todos os elementos de tempo discutidos acima,

isto é:

to = tsu + tu + tm + ts + tcn

Esta fórmula é usada para determinar-se os tempos padrões para operações de produção em lote.

Na produção em grandes lotes ou em massa, como cada área de trabalho é preparada para

executar uma operação definida, o tempo de preparação não é levado em consideração. Portanto, a

fórmula torna-se:

to = tu + tm + ts + tc

capítulo 5 - grima.ufsc.br · figura 5.2. calibres utilizados na produção em lotes grandes e...

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