PROCESSO DE FABRICAÇÃO POR USINAGEM

INTRODUÇÃO

A usinagem é a base da metalurgia e foi um dos principais alicerces da revolução industrial. No século XX a usinagem sofreu uma brutal evolução com o surgimento de materiais mais resistentes a abrasão e ao calor e com os avanços da eletrônica e da computação. A usinagem é o processo mecânico pelo qual se constroem peças (eixos, engrenagens, roscas, polias, conexões de tubulações, etc) a partir da remoção de pedaços de um bloco de metal.

As máquinas que realizam a usinagem são conhecidas como maquinas operatrizes ou maquinas ferramentas. As maquinas operatrizes são maquinas que constroem partes de maquinas. Todas as máquinas, equipamentos e aparelhos usados na indústria e pela sociedade são construídos com peças usinadas por maquinas operatrizes.

Algumas das principais ações de maquinas operatrizes: Torneamento Fresamento Furação Mandrilamento Roscamento Retificação Aplainamento Brochamento

O torno é a maquina operatriz mais importante e foi fundamental para o desenvolvimento da metalurgia e da revolução industrial. No torno, a peça a ser usinada gira enquanto que é “esculpida” por laminas moveis. Na fresadora, a peça a ser usinada é “esculpidada” por uma espécie de “broca”, um cilindro com um conjunto de gumes cortantes giratórios. Com o auxilio de outras ferramentas, um torno pode também fresar, furar e mandrilar.

Este trabalho apresenta uma pesquisa dos processos de usinagem destacando o torneamento, furação, fresamento e brochamento. A seguir, abordam-se as características de Usinagem.

1. TORNEAMENTO

Fig. 01 – O torneamento permite criar formas de revolução exteriores

O torneamento é a operação por intermédio da qual um sólido indefinido é feito girar ao redor do eixo da máquina operatriz que executa o trabalho de usinagem (o torno) ao mesmo tempo em que uma ferramenta de corte lhe retira material perifericamente, de modo a transformá-lo numa peça bem definida, tanto em relação à forma como às dimensões. 

Fig. 02 – Principais partes de um torno paralelo ou universal

No torneamento, a matéria prima (tarugo) tem inicialmente a forma cilíndrica. A forma final é cônica ou cilíndrica. Na operação de corte a

ferramenta executa movimento de translação, enquanto a peça gira em torno de seu próprio eixo.

1.1. Evolução Histórica 

O torno desde antigamente vem sendo usado como meio de fabricar rodas, partes de bombas de água, cadeiras, mesas, e utensílios domésticos. Sabe-se que antigas civilizações, a exemplo dos egípcios, assírios e romanos, já utilizavam antigos tornos como um meio fácil de fazer objetos com formas redondas.

Os Tornos de Vara foram muito utilizados durante a idade média e continuaram a ser utilizados até o século 19 por alguns artesões. Nesse sistema de torno a peça a ser trabalhada era amarrada com uma corda presa numa vara sobre a cabeça do artesão e sua outra extremidade era amarrada a um pedal. O pedal quando pressionado puxava a corda fazendo a peça girar, a vara por sua vez fazia o retorno. Por ser fácil de montar esse tipo de torno permitia que os artesões se deslocassem facilmente para lugares onde houvesse a matéria prima necessária para eles trabalharem.

A necessidade por uma velocidade contínua de rotação fez com que fossem criados os Tornos de Fuso. Esses tornos necessitavam de duas pessoas para serem utilizados (mais, dependendo do tamanho do fuso), enquanto um servo girava a roda o artesão utilizava suas ferramentas para dar forma ao material. Esse torno permitia que objetos maiores e com materiais mais duros fossem trabalhados.Com a invenção da máquina a vapor por James Watt, os meios de produção como teares e afins foram adaptados à nova realidade. O também inglês Henry Moudslay adaptou a nova máquina a um torno criando o primeiro torno a vapor. 

Essa invenção não só diminuía a necessidade de mão de obra, uma vez que os tornos podiam ser operados por uma pessoa apenas, como também fez com que a mão de obra se tornasse menos especializada. A medida que a manufatura tornava-se mais mecânica e menos humana as caras habilidades dos artesões eram substituídas por mão de obra barata.  

Isso deu condições para que Whitworth em 1864 mantivesse uma fábrica com 700 funcionários e 600 máquinas ferramenta. Moudslay e

Whitworth ainda foram responsáveis por várias outras mudanças nos tornos da época, como o suporte para ferramenta e o avanço transversal.

  1906: Torno já tem incorporadas todas as modificações feitas por

Moudsley e Whitworth. A correia motriz é movimentada por um conjunto de polias de diferentes diâmetros, o que possibilitava uma variada gama de velocidades de rotação. Sua propulsão era obtida através de um eixo acionado por um motor, o que fixava a máquina a um local específico.

  1925: Torno Paralelo. O problema de ter de fixar o torno é resolvido pela

substituição do mesmo por um motor elétrico nos pés da máquina. A variação de velocidades vinha de uma caixa de engrenagem e desengates foram postos nas sapatas para simplificar alcances de rotação longos e repetitivos. Apesar de apresentar dificuldades para o trabalho em série devido a seu sistema de troca de ferramentas é o mais usado atualmente

  1960: Torno Automático. Para satisfazer a exigência de grande rigidez

criou-se uma estrutura completamente fechada. A máquina é equipada com um engate copiador que transmite o tipo de trabalho do gabarito através de uma agulha.

  1978: Torno CNC. Apesar de não apresentar nenhuma grande mudança

na sua mecânica, o torno de CNC como é chamado substituiu os mecanismos usados para mover o cursor por microprocessadores. O uso de um painel permite que vários movimentos sejam programados e armazenados permitindo a rápida troca de programa.

  As ferramentas para torneamento sofreram um processo evolutivo ao longo

do tempo. A demanda da produção, cada vez mais acelerada forçou a procura por ferramentas mais duráveis e eficientes. Dos cinzéis utilizados nas operações manuais até as pastilhas cerâmicas de alta resistência.

Os primeiros passos de pesquisa passaram pela procura das melhores geometrias para a operação de corte. A etapa seguinte dedicou-se à busca de materiais de melhores características de resistência e durabilidade. Finalmente passou-se a combinar materiais em novos modelos construtivos sincronizando as necessidades de desempenho, custos e redução dos tempos de parada no processo produtivo. Como resultado desta evolução consagrou-se o uso de ferramentas compostas, onde o elemento de corte é uma pastilha montada sobre uma base.

1.2. Tipos de tornos

Torno Mecânico Paralelo - É o tipo mais generalizado e presta-se a um grande número de operações de usinagem.

Torno Mecânico Vertical - Usado principalmente para peças muito pesadas que não poderiam ser fixadas em um torno paralelo

Torno de Faces - Usado principalmente para peças grandes e de pouca espessura.

1.3. Parâmetros Geométricos

Principais movimentos:

1. Rotação da peça – CORTE

2. Translação da ferramenta – AVANÇO

3. Transversal da ferramenta – PROFUNDIDADE

1.4. Os Parâmetros de Corte 

Para compreendermos melhor a interação entre a peça e a ferramenta precisamos entender os movimentos relativos entre elas. Esses movimentos são referidos a peça, considerando-a parada.

  Movimento de Corte – 1: é o movimento entra a ferramenta e a peça,

que, sem o movimento de avanço gera apenas uma remoção de cavaco durante um curso.

  Movimento de Avanço – 2: é o movimento entre a peça e a ferramenta,

que, junto com o movimento de corte, gera um levantamento repetido ou contínuo de cavaco durante vários cursos ou voltas.

  Movimento Efetivo de Corte: é o resultado dos movimentos de corte e

avanço realizados de maneira simultânea.  

Movimento de Profundidade – 3: é o movimento entre a peça e a ferramenta no qual a espessura da camada de material a ser retirada é determinada de antemão.

1.5. Operações de Torneamento

Torneamento cilíndrico

Facejamento

Torneamento cônico

Torneamento de forma

Rosqueamento

1.6. Velocidade de corte 

A velocidade de corte no torno é a que têm um ponto da superfície que se corta quando esta gira. Mede-se em metros por minuto e o valor correto se consegue fazendo com que o torno gire nas rotações adequadas. 

A velocidade de corte depende, entre outros, dos seguintes fatores:

Material a tornear.

Diâmetro desse material.

Material da ferramenta.

Operação a ser executada.

Conhecidos esses fatores, tabelas como a do exemplo abaixo permitem determinar a velocidade de corte para cada caso. Com isso pode-se encontrar a velocidade de rotação adequada.

TABELA DE VELOCIDADES DE CORTE (V) PARA TORNO(em metros por minuto)

Material a ser

torneado

Ferramentas de Aço RápidoFerramentas de

Carboneto Metálico

Desbaste AcabamentoRoscar /

RecartilharDesbaste Acabamento

Aço 0,35%C 25 30 10 200 300

Aço 0,45%C 15 20 8 120 160

Aço Extra Duro 12 16 6 40 60

Ferro Fundido Maleável

20 25 8 70 85

Ferro Fundido Gris 15 20 8 65 95

Ferro Fundido

Duro10 15 6 30 50

Bronze 30 40 10-25 300 380

Latão e Cobre 40 50 10-25 350 400

Alumínio 60 90 15-35 500 700

Fibra e Ebonite 25 40 10-20 120 150

2. FURAÇÃO

O processo de furação é um dos processos de usinagem mais utilizados na indústria manufatureira. A grande maioria das peças de qualquer tipo de indústria, tem pelo menos um furo e, somente uma parte muito pequena dessas peças, já vem com o furo pronto do processo de obtenção da peça bruta, seja ele fundição, forjamento etc. Em geral, as peças têm que ser furadas em cheio ou terem seus furos aumentados através do processo de furação. Isto torna o estudo visando a otimização do processo de furação muito importante. A furação dividi-se nas operações: a. Furação em cheio: Processo de furação destinado à abertura de um furo cilíndrico numa peça, removendo todo o material compreendido no volume do furo final, na forma de cavaco. b. Furação com pré-furação: processo onde é feito um furo anterior, com uma determinado comprimento, para posterormente utilização de uma broca de maior comprimento, num furo já existente. c. Furação escalonada: Processo de furação destinado à obtenção de furo com dois ou mais diâmetros, simultaneamente. d. Furação de centros: Processo de furação destinado à obtenção de furos de centro, visando uma operação posterior na peça. e. Trapanação: Processo de furação em que uma parte de material compreendido no volume final é reduzida a cavaco, permanecendo um núcleo maciço.

A usinagem de furos tem se tornado uma atividade enganosa que requer certa profundidade de conhecimento não encontrado em todo lugar. A boa novidade é que na realidade temos as respostas a estas questões complexas. Como também um assortment de ferramentas, suficientemente amplo para satisfazer todo tipo de requisito sobre usinagem de furos.

Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de um furo geralmente cilíndrico numa peça, com auxílio de uma ferramenta geralmente multicortante. Para tanto, a ferramenta ou a peça giram e simultaneamente a ferramenta ou a peça se deslocam segundo uma trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao eixo principal da máquina. A furação subdivide se nas operações:

Furação em cheio -Processo de furação destinado à abertura de um furo cilíndrico numa peça, removendo todo o material compreendido no volume do furo final, na forma de cavaco. No caso de furos de grande profundidade há necessidade de ferramenta especial.

Escareamento- Processo de furação destinado à abertura de um furo cilíndrico numa peça pré furada.

Furação escalonada -Processo de furação destinado à obtenção de um furo com dois ou mais diâmetros, simultaneamente.

Furação de centros -Processo de furação destinado à obtenção de furos de centro, visando uma operação posterior na peça.

Trepanação -Processo de furação em que apenas uma parte de material compreendido no volume do furo final é reduzida a cavaco, permanecendo um núcleo maciço.

3. FRESAMENTO

O Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies quaisquer com o auxílio de ferramentas geralmente multicortantes. Para tanto a ferramenta gira e a peça ou a ferramenta se deslocam segundo uma trajetória qualquer. A peça em usinagem pode muitas vezes ser fresado de várias maneiras. O método para qualquer trabalho específico pode ser determinado pelo tipo de fresadora usada, ferramenta, ou forma da peça e a posição da superfície, conforme indicado na figura abaixo:

Fresamento quanto:

Cinemática: peça translada e ferramenta gira Formas Geradas: Peças Prismáticas

Características da Fresa:

3.1. Generalidades no Processo de Fresamento

Processo de remoção do cavaco com movimento de corte circular da ferramenta;

Ferramenta com um ou vários gumes atuando simultaneamente para a geração de superfícies;

Processo utilizado na geração de superfícies que não são de revolução, como as produzidas no torneamento;

O movimento de corre transcorre de forma normal ou oblíqua à direção de rotação da ferramenta.

3.2. Parâmetros de Usinagem no Fresamento

3.3. Geometrias obtidas no Fresamento

Superfícies Planas

Superfícies Circulares

Obtenção de Roscas

Obtenção de Superfícies Perfiladas

Obtenção de cópia de superfícies

3.4. Divisão de acordo com a cinemática do processo

3.5. Fresamento concordante/discordante

3.6. Materiais de ferramenta comumente usado em fresamento:

3.7. Tipos de Fresas

As figuras seguintes mostram tipos de fresadoras:

1- Tipos de Fresamentos

2- Tipos de Fresamentos

Distinguem-se dois tipos básicos de fresamentos:

Fresamento Tangencial: destina-se à obtenção de superfícies planas paralelas ao eixo da rotação da ferramenta (Figura 2-a, 2-b e 1-b). Quando a superfície obtida não for plana ou o eixo de rotação da ferramenta for inclinado em relação à superfície originada na peça, será considerada um processo especial de fresamento tangencial (Figura 1-g e 2-a)

Superfície da peça gerada pelo gume principal, as ferramentas podem ser de aço rápido ou com insertos do metal duro.

Fresa Espinha de Peixe: eliminação das solicitações axiais

Obtenção de Perfis com Cantos Vivos: frases combinadas

Fresamento Frontal: Processo de fresamento no qual destinado à obtenção de superfícies planas perpendiculares ao eixo da rotação da ferramenta (Figura 1-e). O caso de fresamento indicado na Figura 1-f é considerado um caso especial de fresamento frontal.

É utilizado para usinagem de grandes superfícies, a superfície da peça gerada pelo gume secundário c =90º - fresamento de canto – superfície gerada pelos gume principal e secundário.

Há casos em que os dois tipos básicos de fresamento comparecem simultaneamente, podendo haver ou não predominância de um sobre o outro (Figura 1-c). A operação indicada na figura 1-h pode ser considerada como fresamento composto.

3.8. Variação do processo e características específicas

Fresamento de Perfil: as ferramentas para fresamento de perfil são adequadas à forma do perfil que deve ser executado; ferramentas maciças ou compostas; ferramentas maciças – construídas em aço rápido; usinagem de rasgos, raios, rodas dentadas e cremalheiras, guias de máquinas-ferramentas.

Fresamento de Topo: processo de fresamento contínuo frontal e periférico; usinagem de forma complexa como matrizes e rasgos; ferramentas de aço revestidos e com insertos.

Fresamento de Geração: a ferramenta é utilizada sem revestimento nas faces; o desgaste da cratera substitui o desgaste de flanco na determinação da vida da ferramenta.

Fresadora Horizontal: Essencialmente constam de uma bancada vertical, chamado corpo da fresadora, onde, no comprimento de uma de suas faces, desliza um esquadro chamado mísula ou consolo, sobre o qual, por sua vez, move-se um carro porta-mesa que suporta a mesa de trabalho, na qual fixa-se a peça a ser fresada. Na parte superior da bancada estão alojados os coxinetes, onde gira o fuso ou eixo principal, que, por sua vez, pode ser prolongado por um eixo porta-fresa. Estas fresadoras são chamadas universais quando a mesa de trabalho pode girar ao redor de um eixo vertical e pode receber movimento automático em sentido vertical, longitudinal e transversal, ou ao menos em sentido longitudinal.

Fresadora Vertical: Cujo eixo porta-fresas é vertical e em geral são mono-

roldanas e tem mesa com movimento automático em sentido vertical, longitudinal e transversal.

Fresadora Mista: Nestas fresadoras o fuso porta-fresas é orientável em qualquer direção; sua posição é determinada por meio de dois círculos graduados.

a) Fresadora horizontal e mono-roldana:

1. Eixo Porta-Fresas 2. Fresa 3. Mesa 4. Mecanismo de avanço da mesa 5. Eixo telsópico 6. Caixa de câmbio de velocidade 7. Caixa de câmbio para avanços

8. Motor

b) Fresadora vertical e cone-roldana

1. Ataque do eixo principal por engrenagem cônicas 2. Eixo Pricipal 3. Mecanismo de avanço da mesa 4. Mísula 5. Fuso de translação vertical da mesa 6. Cone de roldanas 7. Corrente de transmissão para os avanços 8. Motor 9. Caixa de câmbio para avanços

4. BROCHAMENTO

É um processo de usinagem onde o movimento de corte é linear. A ferramenta possui múltiplos dentes com altura crescente, dispostos em série cada um cortando uma profundidade pi. A ferramenta tem um comprimento grande podendo ser forçada por tração ou compressão dentro ou fora da peça. A operaçao consiste em remover cavaco de um material com a finalidade de construir superficies planas retilineas ou com uma determinada forma internamente ou externamente a uma peça.

Apresentamos abaixo algumas operações com brochas: Brochas

O brochamento pode ser interno com a ferramenta atuando em um furo executado anteriormente na peça ou externamente com a ferramenta atuando na periferia da peça. As penetrações de avanço (asf) são da ordem de 0,06 a 0,15 mm de modo que as espessuras maiores resultam em um número elevado de dentes em série tendo portanto a necessidade de máquinas com um curso elevado.

4.1. Processos de fabricação

Para o brochamento interno é necessário que a péça possua um furo prévio obtido por fundição, furação ou torneamento com as dimensões para a inserção da brocha. A superficie a ser brochada deve ser paralela ao movimenmto de corte e nada deve bloquear a passagem da brocha. Furos cegos podem ser brochados desde que tenham excesso de comprimento para alojamento do cavaco.

Exemplo e dimensões de uma brocha para internos:

Podemos tambem executar o brochamento helicoidal onde a máquina deve prover o movimento giratório da brocha. Como toda operação de usinagem o brochamento é executado em desbaste e depois em acabamento. O desenho da brocha acima é provida de dentes de desbaste, acabamento e possui tambem dentes de reserva para garantir que a brocha tenha uma vida após algumas afiações.

4.2. Formas para brochamento interno:

4.3. Formas para brochamento externo:

4.4. Vantagens do brochamento:

1- Tolerancias estreitas de usinagem e bom acabamento2- Capacidade de produzir formas variadas esternas e internas3- Vida longa da ferramenta. A produção pode atingir 2000 a 10000 peças entre afiações.4- Produção economica . O custo da ferramenta é alto porem o custo por peça é baixo.5- Alta produtividade. A remoção do cavaco é bem rápida pois varios dentes atuam ao mesmo tempo em sequencia continua.A operação é realizada em uma só passada fazendo desbaste e acabamento.

4.5. Classificação das Brochas

1- Brochas de Compressão: São forçadas através do furo, manualmente ou por prensa. São ferramentas curtas para evitar flambagem comprimento max. 25 diametros. São utilizadas também para brochamento de furos cegos.2- Brochas de Tração: São puxadas através do furo permitindo um maior comprimento, tendo assim a possibilidade de realizar operações completas de desbaste e acabamento.3- Brochas Giratórias: Utilizadas na produção de formas helicoidais (ex: ranhuras de armas).4- Brocha de Sólida: Fabricada em uma só peça em geral de aço rápido incluindo os dentes, são a maioria das brochas internas.5- Brochas tipo Pote: É uma brocha de superficie, envolve toda a peça. ( ex: eixos rtanhurados, engrenagens)

Tipos de garras para fixação da brocha na brochadeira

4.6. Esforço no brochamento

Passo dos dentes ‘‘ p’’ :O passo é depende de1) Comprimento a ser brochado “L”2) Da espessura do cavaco “ profundidade de corte”3) Material da peça

onde:Kc = Pressão especifica de corte ( vide tabela pag seguinte)asf = Penetração de avanço por gume da ferramenta (mm)ap = Penetração passivaL/p = Número de dentes em corte simultâneo

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Já a aproximadamente 12 a 50 mil anos o homem estava em condições de produzir ferramentas de pedras com gumes afiados por lascamento, como nos mostram achados arqueológicos da idade da pedra. Ferramentas de pedra lascada. Mas um fato marcante para o desenvolvimento tecnológico foi a descoberta dos metais, como: cobre, zinco e ferro. Já a partir de 700 anos Antes de Cristo, praticamente todas as ferramentas eram executadas em ferro, e a partir do século XVII foram descobertas constantes melhoras no processo de fabricação do ferro e na siderurgia do aço, que colocaram o aço em posição vantajosa em relação aos metais até então conhecidos.

Estudos sistemáticos sobre a tecnologia de usinagem no entanto, só iniciaram no início do século XIX e levaram entre outros a descoberta de novos materiais de corte. No início de 1900, o americano F. W. Taylor com a descoberta do aço rápido, determinou um passo marcante no desenvolvimento tecnológico da usinagem. Os metais duros sinterizados e os materiais de ferramentas baseados em materiais oxicerâmicos são outros resultados de uma pesquisa intensiva na área de materiais para ferramentas que até hoje ainda não está concluída e sim está submetida a uma melhora constante; isto referido à fabricação e utilização de materiais para ferramentas como por exemplo os materiais nitreto de boro cúbico e ferramentas de diamante. Para poder satisfazer as exigências crescentes feitas a qualidade das peças e a viabilidade econômica do processo de fabricação, as ferramentas devem ser usadas de forma econômica para que todas as grandezas que participam no processo de usinagem como, geometria da ferramenta, condições de corte, material da peça e materiais auxiliares, tenham a sua influência e seu efeito sobre o resultado do trabalho considerados.

No estudo das operações dos metais, distinguem se duas grandes classes de trabalho: As operações de usinagem As operações de conformação Como operações de usinagem entendemos aquelas que, ao conferir à peça a forma, ou as dimensões ou o acabamento, ou ainda uma combinação qualquer destes três bens, produzem cavaco. Definimos cavaco, a porção de material da peça, retirada pela ferramenta, caracterizando-se por apresentar forma geométrica irregular. Além desta característica, estão envolvidos no mecanismo da formação do cavaco alguns fenômenos particulares, tais como o recalque, a aresta postiça de corte, a caracterização na superfície de saída da ferramenta e a formação periódica do cavaco (dentro de determinado campo de variação da velocidade de corte)*.Como operações de conformação entendemos aquelas que visam conferir à peça a forma ou as dimensões, ou o acabamento específico, ou ainda qualquer combinação destes três bens, através da deformação plástica do metal. Devido ao fato da operação de corte em chapas estar ligada aos processos de estampagem profunda, dobra e curvatura de chapas, essa operação é estudada no grupo de operações de conformação dos metais. Classificação e nomenclatura dos processos mecânicos de usinagem.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia Mecânica. 2ª edição. São Paulo: McGraw-Hill, 1986.

Caspar E. Stemmer, “Ferramentas de Corte II”, Editora da UFSC, Brasil ,1992.

Telecurso 2000 Fiesp,Ciesp,Senai ,Processos de Fabricação Volume, 3 e 4, Editora Globo, Brasil, 2000.

Disponível em (acesso no dia 20/02/2010):http://mmborges.com/processos/USINAGEM/TORNEAMENTO.htm

www.fei.edu.br/mecanica/me733/Me733a/ApTorneamento01.pdf - Similares

www.estg.ipleiria.pt/files/304145_Torneament_43824d17e0f73.pdf - Similares

http://www.grupomegga.com.br/grupomegga/default.asp?act=10

http://academicos.cefetmg.br/admin/downloads/2104/Apostila%20de%20Usinagem.pdf

http://www.lmp.ufsc.br/disciplinas/emc5240/Aula-18-21-U-2007-1-fresamento-fabric-engrenagens.pdf

http://www.fei.edu.br/mecanica/me733/Me733a/Apbrochamento01.pdf