3. PROCESSOS DE USINAGEM

As peças metálicas fabricadas pelos processos de fabricação primários como fundição, forjamento, laminação, entre outros, geralmente apresentam superfícies mais ou menos grosseiras e que, portanto, exigem um determinado acabamento.

Por outro lado os processos citados nem sempre permitem obter certas peculiaridades como determinados tipos de saliências ou reentrâncias, furos rosqueados, furos passantes, etc.

Finalmente, para alguns tipos de peças, os processos de fabricação primários convencionais não apresentam as melhores condições de custo e produtividade.

Um aspecto importante na seleção dos processos de fabricação é determinar as partes a serem geradas em cada processo e com qual tolerância, de modo a minimizar os custos de fabricação. Os processos de usinagem são classificados em três categorias:

Corte: utilizando ferramentas mono cortantes (por exemplo: torneamento) ou multicortantes (por exemplo: fresamento);

Abrasivo: utiliza materiais abrasivos, por exemplo, retificação, lapidação, brunimento;

Outros métodos de remoção de material: elétrico, químico, térmico, hidrodinâmico e laser.

Os processos de usinagem possuem as seguintes vantagens:

São relativamente mais precisos que os processos de conformação e fundição;

podem produzir com geometrias complexas que são difíceis de serem obtidas por outros processos;

são adequados para operações posteriores aos tratamentos térmicos, para corrigir distorções causados por estes;

podem gerar superfícies com padrões especiais;

dependendo do tamanho do lote, para lotes pequenos é mais econômico produzir as peças por usinagem.

e as seguintes limitações ou desvantagens:

Gasto maior de matéria-prima, trabalho, tempo e energia;

não melhora e pode até degradar as propriedades mecânicas da peça.

Os processos de usinagem e as máquinas ferramenta são indispensáveis na moderna tecnologia de fabricação. Desde a introdução dos tornos em 1700, muitos processos têm sido desenvolvidos. Atualmente tem-se máquina ferramentas controladas por computador e novas tecnologias utilizando laser, eletricidade, química, térmica e hidrodinâmica como base para a usinagem.

Os processos de fabricação podem ser modelados como um sistema composto de: peça, ferramenta e máquina. O conhecimento da interação entre estes elementos é importante para a utilização econômica da usinagem.

3.1 - CONDIÇÕES DE USINAGEM

Definições devem ser feitas:

Movimento de Corte - Movimento entre a peça e a ferramenta, o qual sem o movimento de avanço origina somente uma única remoção de cavaco, durante uma volta ou curso.

Movimento de Avanço - É o movimento entre a peça e a ferramenta que, juntamente com o movimento de corte, origina um levantamento repetido ou contínuo do cavaco durante várias revoluções ou cursos.

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Direção de Corte - Direção instantânea do movimento de corte.

Direção de Avanço - Direção instantânea do movimento de avanço.

Plano de Trabalho - Plano que contém as direções de corte e avanço.

Velocidade de Corte - Velocidade instantânea de um ponto qualquer da aresta cortante (chamado ponto de referência), segundo a direção e sentido do corte.

A velocidade de corte pode ser dada por:

Onde: d - diâmetro do elemento girante [mm]n - rotação [rpm]

Avanço (a) - É a distância percorrida pela ferramenta seguindo a direção de avanço em uma volta ou curso [mm/volta].

Profundidade de Corte (p) - É a profundidade de penetração da aresta de corte, medida numa direção perpendicular ao plano de trabalho. Se di é o diâmetro da peça a ser usinada e df é o diâmetro da peça usinada, a profundidade de corte é dada por:

3.2 - PROCESSOS DE USINAGEM

3.2.1 – TORNEAMENTO

Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfície de revolução com auxílio de uma ou mais ferramentas monocortantes. Para tanto, a peça gira em torno do eixo principal de rotação da máquina e a ferramenta se desloca simultaneamente segundo uma trajetória coplanar com o referido eixo. As várias modalidades de torneamento incluem:

a) Torneamento retilíneo (faceamento) – produz uma superfície plana nas extremidades da peça ou pode ser utilizada para gerar um canal circular neste caso é conhecida como sangramento axial.

b) Torneamento cilíndrico – deslocamento da ferramenta paralelamente ao eixo da peça. Movimento da ferramenta e rotação da peça podem ser invertidos.

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c) Torneamento cônico – Deslocamento da ferramenta obliquamente ao eixo da peça.

d) Torneamento radial (sangramento) – corte, no torno, de uma peça com ferramenta especial (bedame). Não se deve sangrar completamente a peça.

e) Perfilamento – utiliza ferramentas de forma para produzir peças com um determinado perfil. A ferramenta executa um movimento retilíneo de translação paralelo ao eixo da peça e simultaneamente um movimento de translação retilíneo normal. O perfil resulta da trajetória de ambos os movimentos.

f) Rosqueamento (filetamento) – abertura de roscas na superfície externa de um cilindro ou cone e no interior de um furo. São necessários 2 movimentos: roração da peça e translação da ferramenta (avanço).

g) Mandrilamento – alargar ou broquear um furo em peças pesadas no torno. A peça é colocada sobre o carro e a ferramenta é dotada de movimento de rotação.

h) Detalonamento – operação executada para obter dentes de perfil constante de corte nas fresas, machos etc. Realizado em torno detalonador ou torno comum com carro especial.

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i) Rebaixo – Semelhante ao sangramento, porém, sem cortar a peça.

j) Furação – A peça é presa na castanha e a broca é adaptada ao furo da árvore do cabeçote móvel (avanço da broca através do volante do cabeçote móvel). A broca também pode ser presa no porta-ferramenta através de um grampo. Deve-se puncionar a peça ou fazer furo com broca menor.

k) Recartilhamento – para deixar superfícies ásperas, através de desenho na superfície da peça. A peça é presa no cabeçote e gira à baixa velocidade. A ferramenta é fixada no porta-ferramenta e comprimido contra a peça.

O torneamento é uma operação muito utilizada pela indústria mecânica por causa do grande número de forma que ele pode conseguir, além de sua alta taxa de remoção de cavaco. O torneamento pode ser classificado em torneamento de desbaste e de acabamento. O torneamento de desbaste tem como objetivo retirar grande quantidade de material da peça e por isso é realizado com valores altos de avanço e profundidade de corte. O torneamento de acabamento tem por finalidade conferir à peça precisão mais elevada e melhor acabamento superficial, e por isso é realizado com baixos valores de avanço e profundidade de corte.

Genericamente pode-se dizer que a operação de torneamento consegue obter qualidades na faixa de IT6 a IT11 e acabamentos superficiais com Ra = 0,8 a 6,3 mm, sendo que as tolerâncias e acabamentos mais apertados são conseguidos em torneamentos de acabamento.

A obtenção ou não de tolerâncias apertadas depende de muitos fatores, dentre os quais os principais são:

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condições de usinagem. rigidez da máquina, da ferramenta, dos dispositivos de fixação e da peça. material da peça. geometria da ferramenta. estado de afiação da ferramenta. fluido de corte.

Muitas vezes, quando se deseja maior precisão na peça, a operação de torneamento é seguida por uma operação de retificação cilíndrica.

3.2.1.1. Classificação dos Tornos Mecânicos

Os tornos diferem entre si pelas dimensões, características, forma construtiva etc. A escolha do tipo de torno adequado para a execução de uma determinada fabricação deverá ser feita baseando-se nos seguintes fatores:

dimensões das peças a produzir; formas das peças; quantidade a produzir; possibilidade de obter as peças diretamente de vergalhões, barras e perfis; grau de precisão exigido.

A classificação mais simples é a seguinte:

1. Tornos horizontais (ou de pontas): são os mais comuns e mais usados. Devido à dificuldade que apresenta na mudança de ferramentas, não oferecem grandes possibilidade de fabricação em série (1 a 10 peças por hora).

2. Torno de placa: é um torno de grande altura de pontas, é empregado para tornear peças curtas e de grande diâmetro, tais como polias, volantes, rodas etc. O carro porta ferramenta é muito alto, necessitando de um mecanismo para o deslocamento longitudinal automático. O movimento principal é transmitido através do cone de polias C, engrenagens 1 e 2, 3 e 4, sendo esta última solidária ao prato P, ou diretamente pelo cone de polias. Assim, temos 5 velocidades diretas (empregadas para trabalhos leves) e 5 velocidades secundárias (para trabalhos pesados).

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3. Tornos verticais: Com eixo de rotação vertical, são empregados para tornear peças de grande tamanho como volantes, polias, rodas dentadas etc., as quais por seu grande peso, podem ser montadas mais facilmente sobre a plataforma redonda horizontal do que sobre um plataforma vertical. No torno vertical as peças de forma irregular não precisam ser cuidadosamente equilibradas antes de girar, com velocidade como é necessário fazer nos tornos de árvore horizontal.

Os tornos verticais são constituídos normalmente como tornos revólver com castelo para várias ferramentas, com avanços verticais (longitudinais) e transversais. Podem também ter um ou mais carros. O torneamento exterior e interior como também o faceamento podem ser feitos simultaneamente, atuando os dois carros porta ferramentas. As partes principais de um torno vertical são:- mesa porta peça, giratória; - suporte transversal;- montantes; - carro ou carros porta ferramentas.

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Os tornos verticais podem ter um ou dois montantes. Os montantes possuem guias verticais sobre as quais desliza convenientemente guiado, o suporte transversal. O suporte transversal possui guias horizontais sobre as quais se deslocam os carros porta ferramentas. O carro ou carros porta ferramentas se deslocam sobre as guias do suporte transversal podendo se fixar em qualquer posição quando o eixo porta ferramenta está atuando verticalmente. O carro porta ferramenta inclinável pode ser regulado girando-se até 45º para cada um dos lados da posição vertical.

4. Torno Revólver: São semelhantes aos tornos comuns, com a diferença do barramento que é mais curto e apresentam castelo ou torre porta ferramenta. Sua característica fundamental é o emprego de várias ferramentas convenientemente dispostas e preparadas para realizar as operações em forma ordenada e sucessiva, o que obriga o emprego de dispositivos especiais, um dos quais é o porta ferramenta múltiplo, a “torre revólver” (castelo). São utilizados em produção em série. Ele tem por finalidade permitir que se usinem várias peças iguais, de modo igual, utilizando-se uma série de ferramentas que serão aplicadas sucessivamente, sem remoção da peça e sem paradas para troca da ferramenta. Podem ser realizadas todas as operações de torneamento, furação, escariação e rosqueamento. O número de ferramentas que um torno revólver pode utilizar varia de 4 a 12. O avanço pode ser obtido manual ou automaticamente.

Existem vários tipos e tamanhos de tornos revólver. Podem ser divididos:

a) Conforme a matéria prima: vergalhões, peças fundidas, forjadas ou em barras já cortadas (modo de fixação);

b) Conforme o peso: para peças leves, de até 20 mm de diâmetro, são construídos só com uma torre, sem carros auxiliares e somente com avanços a mão. Para peças pesadas de até 50 mm de diâmetro ou peças forjadas, possuem torre revólver e carros com varas de avanço mecânico. Para peças muito pesadas de grande diâmetro, forjadas ou fundidas, possuem torre e carro com grande resistência e bem assentados, construídos até a altura de 400 mm sobre os trilhos. São máquinas de grande valor e rendimento elevado em produção seriada;

c) Quanto à colocação da torre: horizontal, vertical e oblíqua.

Os principais tipos de tornos revólver podem ser classificados:

Tornos de carro transversal: O carro se move transversalmente sobre guias. As ferramentas estão colocadas à mesma altura e cada uma delas deve ser apontada, fazendo-se avançar e retroceder o carro. As peças não podem ser de dimensões maiores que a distância entre as ferramentas;

Tornos revólver com placa porta ferramenta frontal: As ferramentas estão colocadas sobre um disco de eixo horizontal, situado na mesma altura da árvore. O suporte do disco está colocado sobre um carro com dois movimentos longitudinais sobre o barramento e transversal do porta disco sobre o carro;

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Com tambor revólver com eixo vertical e carro transversal: O tambor revólver, cilíndrico, quadrado, hexagonal, etc., gira sobre um eixo vertical. Além da torre, pode ter um carro transversal para aumentar o número de ferramentas disponíveis. Cada uma das ferramentas se encontra colocada no prolongamento do eixo da árvore e, portanto, pode-se furar, escariar e rosquear sucessivamente. As operações de tornear, sangrar e facear são realizadas com o carro transversal.

Torno com tambor oblíquo: O tambor girando sobre si mesmo permite a colocação da ferramenta defronte da peça com maior comodidade e, ao girar a ferramenta, descreve um cone de 90 , passando desde a posição horizontal à vertical, sem esbarrar nas demais partes do carro.

5. Tornos copiadores: Permitem obter peças com forma de sólidos de revolução de perfil qualquer. Para realizar estes trabalhos é necessário que a ferramenta esteja animada de 2 movimentos simultâneos: um de translação longitudinal e outro de translação transversal, em relação à peça que se trabalha. O torno comum pode se tornar um torno copiador, substituindo-se o avanço transversal do carro porta ferramenta por um mecanismo apropriado. Do ponto de vista operacional pode ser considerado um torno semiautomático, uma vez que colocado o protótipo e o elemento a ser usinado, a ferramenta se move automaticamente, seguindo o perfil até o fim.

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O torno copiador é empregado, geralmente, para a produção seriada de peças que tenham perfis cônicos, esféricos ou complicados. O carro o torno transporta consigo o dispositivo apalpador cuja ponta por estar constantemente em contato com o padrão é obrigada a seguir as irregularidades do protótipo. Este sistema apresenta vantagens com relação aos sistemas convencionais: Reprodução perfeita de um grande número de peças iguais;

Emprego de operários não especializados;

Redução de custo.

6. Tornos de produção (de corte múltiplo): são aqueles que, para atender às necessidades da produção, aumentando a quantidade de peças e diminuindo o custo da produção, são providos de dois carros, um anterior com movimento longitudinal e outro posterior, com movimento transversal, que trabalham simultaneamente, com avanço automático. Os dois carros são providos de porta ferramentas.

As ferramentas do carro anterior servem para cortar lateralmente o cavaco, uma vez que o carro tem movimento longitudinal da direita para a esquerda. As ferramentas do carro posterior, colocadas radialmente, cortam no sentido perpendicular ao eixo da peça;

7. Tornos semiautomáticos: são tornos intermediários entre os tornos revólver e os tornos automáticos, possuindo as características dos primeiros, melhoradas pela mudança automática das ferramentas em cada operação. O operador só necessita retirar a peça acabada e fixar uma nova peça para ser usinada. Nos tornos semiautomáticos são usinadas, geralmente, peças fundidas, forjadas ou estampadas, cada uma das quais exige uma colocação manual nos dispositivos de montagem que as fixam. A operação se efetua colocando-se a peça entre pontas, manualmente, começando a seguir o trabalho automático.

Os tornos semiautomáticos podem ser classificados em três grandes grupos:a) tornos de ferramentas múltiplas sobre o carro;b) tornos com torre revólver de movimentos automáticos;c) tornos mistos, com ambas as características;

8. Tornos automáticos: são máquinas nas quais todas as operações são realizadas sucessivamente uma após outra, automaticamente, inclusive a alimentação da peça a ser usinada e a troca de ferramentas. A maioria dos tornos automáticos serve para a produção de peças pequenas como parafusos, porcas, arruelas, pinos, rolamentos, etc., em séries grandes. Os tornos automáticos poder ser dos seguintes tipos:

de uma árvore com torre horizontal ou vertical;

de árvore múltiplas:

a) de torre central vertical com carro porta ferramenta e prato porta peça giratório;

b) de torre central horizontal e carros transversais.

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3.2.1.2 - Partes Componentes do Torno

As principais partes de um torno são: Barramento: trilhos paralelos para deslizamento do carro longitudinal. Peça de ferro fundido em que é assentado o torno;

Cabeçote Fixo: componente onde fica montada a placa, as engrenagens e polias (que movimentam à placa e ao fuso) e o sistema de alavancas para ajuste do avanço e do passo;

Cabeçote Móvel: componente móvel que desliza sobre os trilhos paralelos do barramento. Em seu interior há uma haste tendo em seu extremo esquerdo uma abertura cônica em que se ajusta a contra ponta ou mandril. A base e o corpo do cabeçote móvel podem se mover nos dois sentidos ao longo do barramento e fixado na posição desejada, através de um parafuso de fixação;

Carro Porta-Ferramenta: o carro compreende a sela que se movimenta ao longo das guias do barramento. Na frente da sela há o avental atravessado pelo fuso. O fuso recebe o movimento por intermédio de um trem de engrenagens, podendo deslocar o carro para a direita ou para a esquerda dependendo do sentido de rotação do fuso. O carro transversal pode se movimentar transversalmente ao barramento. Sobre a sela fica

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montada a guia do carro transversal com o mecanismo de avanço. Sobre a guia fica montado o carro transversal e sobre este o limbo graduado sobre o qual fica, na ordem, a guia da espera e a espera. Acima da espera fica o porta-ferramenta que também pode girar em torno de seu próprio eixo. As manivelas de avanço transversal e da espera possuem colares graduados que indicam a profundidade de corte da ferramenta, em frações de milímetro ou polegadas. O suporte da espera possui um tambor graduado sobre o qual gira e que permite incliná-la para trabalhos especiais (torneado cônico, por ex.);

3.2.1.3 - Acessórios do Torno

1. Placa de Arrasto: É uma placa simples provida de um rasgo no qual se prende o grampo do cavalinho que torna a peça solidária à árvore de trabalho, transmitindo o seu movimento de rotação. A placa de arrasto é fixada na rosca da árvore do torno. Existem vários tipos de placas, como a placa lisa, a de castanhas independentes, a universal, etc.

a) Placa Lisa: fornece uma superfície plana para apoio de peças de formas irregulares. Ela tem várias ranhuras que permitem a utilização de parafusos para fixar a peça. É aparafusada na extremidade do cabeçote fixo, sendo usada para peças cujos centros não são alinhados com outros tipos de suporte, para furar e alargar furos que devem ser colocados cuidadosamente.

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b) Placa de Castanhas Independentes: Pode ter 3 ou 4 castanhas ajustáveis, por meio de uma chave, que aciona um parafuso sem fim que comanda seu deslocamento. Esta placa permite fixar peças de qualquer forma e centrar com precisão desejada qualquer ponto da peça. As castanhas podem ser retiradas e colocadas em posição inversa, permitindo centrar pela parte interna as peças vazadas.

c) Placa Universal: As castanhas se movem simultaneamente pela ação da chave introduzida em um dos furos existentes. Estas placas servem para fixar peças de seção circular ou poligonais regulares. Existem tipos de 2, 3 e 4 castanhas. Estas placas são empregadas normalmente em peças curtas que não precisam de contra ponta, economizando-se tempo com a preparação dos centros. As castanhas universais são equipadas com dois jogos de castanhas, um para prender a peça por fora e outro para prendê-la por dentro. O diâmetro deste tipo de placa varia normalmente de 75 a 305 mm.

2. Mandril: Pequenas placas universais de 3 castanhas, também conhecido como bucha universal. São utilizados para fixar brocas, alargadores, machos e peças cilíndricas de pequeno diâmetro. A bucha universal trabalha com haste cônica (semelhante a das brocas), que penetra no furo da haste do cabeçote móvel ou mesmo, na árvore do cabeçote fixo.

3. Pontas ou Pontos: A figura abaixo mostra vários tipos de pontas, sendo a mais comum (Fig. a), de aço temperado, quando trabalha no cabeçote móvel e de aço não endurecido, quando trabalha de ponta. Para a peça que tem extremidade em ponta, existe um tipo de centro (b) com um furo cônico na extremidade de apoio, servindo de fêmea para esta. Outro tipo de ponta é a que tem a extremidade na forma de pirâmide de base quadrada (c) que dispensa o uso de grampo e permite usinar a obra em toda a sua extensão. Para apoiar as peças vazadas, como tubos, existe um tipo de centro que possui o cone de apoio permutável, apoiando-se por intermédio de um rolamento de encosto que lhe permite girar com a obra.

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4. Lunetas: Há dois tipos de lunetas: a fixa e a móvel ou de acompanhamento.

a) Luneta Fixa: é usada na usinagem de peças compridas e finas, onde o grande vão entre a placa e a contra ponta produz vibrações e flexão na peça, tornando a usinagem precisa impossível. A luneta possui 3 castanhas reguláveis por parafusos e a parte da peça que se apoia nela não deve ser rugosa, devendo ser torneada caso não o seja, o apoio da luneta deve ser lubrificado;

b) Luneta de Acompanhamento: é empregada, presa ao carro do torno, quando a peça longa e fina tem que ser usinada em todo o comprimento, não sendo suficiente o apoio com luneta comum. Essa luneta apoia a peça durante todo o avanço da ferramenta. Esta luneta é semelhante à luneta comum, mas além de ser fixa ao carro, só possui 2 castanhas em vez de 3. Se necessário, pode usar uma luneta fixa e uma móvel simultaneamente.

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Além dos componentes e acessórios apresentados, existe mais uma série de acessórios que compõem

um torno, entre eles:

Volante;

Caixa de engrenagens;

Eixo do cabeçote móvel;

Alavanca de aperto do parafuso de

ajustagem;

Mancais da árvore de trabalho;

Caixa de mudanças;

Alavanca de mudança de avanço;

Porta ferramenta;

Ferramenta;

volante do carro;

alavanca do avanço automático;

punho do avanço automático transversal;

espera.

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3.2.1.4 - FERRAMENTAS DO TORNO

Para usinagem de peças com precisão, é necessário dispor do tipo exato de ferramenta, com um

gume de corte afiado e bem apoiado, amolado especialmente para o material que vai trabalhar e ajustada à

devida altura.

O tipo mais comum de ferramenta do torno para trabalhos pesados é a ferramenta forjada e inteiriça

(Figura 3.1). Essas ferramentas são montadas diretamente no porta ferramenta.

Figura 3.1

Para todos os trabalhos usuais usam-se "bits" de aço temperado montados em cabo de ferramenta (Fig. 3.1 A).

As ferramentas de tornear à direita e à esquerda são usadas para qualquer serviço que corresponda a uma simples redução de diâmetro. A ferramenta à direita (Fig. 3.2 C) avança longitudinalmente da direita para a esquerda durante o corte e a ferramenta à esquerda (Fig. A) faz o movimento inverso. A ferramenta de ponta arredondada pode trabalhar à direita (preferível) ou à esquerda e é usada para cortes pouco profundos e acabamentos (Fig. B).

Figura 3.2

A ferramenta de facear (Fig. D e F) possui a ponta afilada que permite facear o extremo ou o topo da

peça, bem como tornar vivo um canto arredondado deixado por outra ferramenta. A ferramenta de facear

avança a partir do eixo da peça, transversalmente e deve avançar longitudinalmente para o passe seguinte.

O bedame (Fig. G) é usado para sangrar ou para produzir rasgos de seção retangular e, muitas vezes,

para tornar vivo os cantos arredondados deixados por ferramentas comuns. A ferramenta de abrir rosca

externa (Fig. E) possui a ponta com a forma do filete a ser cortado. Da mesma forma a rosca interna (Fig. I),

que pode ser de ponta virada ou um bit atravessando o suporte de broquear. Os bits para rosca interna são

semelhantes aos de rosca externa, mas, em geral, são bem menores.

O corte interno (alargamento de furos) é feito com suporte de broquear (Fig. H) com ponta de corte

desviada ou suporte do respectivo "bit".

Tipos especiais, chamados ferramentas de forma são feitos para produzir ranhuras helicoidais, cantos arredondados com determinado raio de curvatura e várias formas.

Durante o torneamento, se a ferramenta for colocada muito acima do centro da peça, esta fica com muito contato com a superfície de folga, produzindo aquecimento excessivo e superfície rugosa. Se a ponta estiver muito baixa haverá modificação nos ângulos normais da ferramenta sobrecarregando-a excessivamente, arriscando quebrá-la.

Quanto aos materiais utilizados nas ferramentas das máquinas operatrizes de forma geral, podem ser, pela ordem crescente de dureza (ou resistência ao desgaste) ou decrescente de tenacidade:

1. Ferramentas de aço carbono comum ou com elementos de liga (V, Cr): Primeiras ferramentas utilizadas em usinagem. Utilizadas hoje em aplicações de baixíssimas velocidades de corte, no ajuste de peças, porém, perdem dureza em temperaturas superiores à de revenimento (de 300 a 600o);

2. Ferramentas de aço semi-rápido: baixo W;

3. Ferramentas de aço rápido (fundido ou sinterizado): As ferramentas sem revestimento são aplicadas principalmente em fresas, cossinetes, brochas, matrizes e até ferramentas de barras para aplicações em torneamentos de peças de diâmetros reduzidos, cuja velocidade de corte conseguida é inferior à velocidade econômica de corte dos materiais de ferramentas mais resistentes. Quando revestidas, os revestimentos são compostos de camadas de TiN, TiC, HfN ou Al2O3 aplicadas pelos processos CVD (Chemical Vapour Deposition), com aquecimento da ferramenta a temperaturas próximas de 1000 C, que provoca alterações metalúrgicas dos aços rápidos e PVD (Physical Vapour Deposition), com deposição da camada em temperaturas entre 500 e 600 oC, o que facilita sua aplicação. As ferramentas sinterizadas, têm a vantagem de possibilitar partículas de carbonetos muito menores e mais dispersas na matriz, além de facultar a incorporação de um número maior de elementos de liga (carbonetos) que o processo de fabricação convencional;

4. Ferramentas de aço super rápido: elevado teor de V;

5. Ferramentas de ligas fundidas: São ferramentas a base de Co, contendo W e Cr em solução sólida e, às vezes, alguns carbonetos. São mais duros que os aços rápidos e mantêm esta dureza a temperaturas mais elevadas e, em decorrência disso, as velocidades de corte são maiores (em torno de 25%). A não ser em aplicações muito especiais, as ligas fundidas estão caindo em desuso, tanto pela escassez de matéria prima (e aumento de preço), como também por haver no mercado materiais que se comparam a elas e até as superam a custos menores;

6. Ferramentas de metal duro: Feita a base de WC em pó, que pode ser misturado com pó de Co (principalmente), de Ni ou de Fe (com piores resultados). A grande aplicação destes materiais, também fabricados pelo processo de sinterização, se deve ao fato deles possuírem a combinação de resistência ao

desgaste, resistência mecânica e tenacidade em altos níveis. Existem no mercado 3 classes de metal duro: a classe P, que são WC + Co com adições de TiC, TaC e, as vezes, NbC, geralmente aplicados à usinagem dos aços e materiais que produzem cavacos longos. A classe K, que são os WC + Co puros e geralmente aplicados à usinagem de ferro fundido e ligas não ferrosas que produzem cavacos curtos. Finalmente, a classe M, que é intermediária entre as duas primeiras.

Encontram-se também disponíveis as pastilhas de metais duros revestidas, que surgiram pouco antes das ferramentas de aços rápidos revestidas. Elas podem ter revestimentos de camadas simples de TiC, TiN, Al2O3, HfN, HfC e TiB2, duplas de TiC-TiN ou TiC - Al2O3; e até triplas de TiC-Ti(C, N)-TiN ou TiC- Al2O3-TiN. Estas ferramentas apresentam excelentes características de resistência ao desgaste, com um núcleo bastante tenaz, suportando altas velocidades de corte em usinagem de aços liga, ferros fundidos, superligas e aços inoxidáveis;

7. CERMETS: este grupo é constituído por TiC, TiN e geralmente tem o Ni como elemento de ligação. Pode também ocorrer a presença de outros elementos, tais como Al, Co, Mo ou compostos de Mo 2C, TaC, NbC, WC, AlN, TaN e outros. Considera-se este como um grupo intermediário entre os metais duros e as cerâmicas e as ferramentas são aplicadas principalmente no superacabamento dos aços, com altas velocidades e baixos avanços, embora também possam ser usadas nas operações de desbaste. Suas principais características são a alta dureza e elevadas temperaturas e a grande estabilidade química, com pouca tendência à difusão. São ferramentas com grandes aplicações;

8. Ferramentas de ponta de cerâmica: apesar da literatura citar o uso das cerâmicas como ferramentas de corte desde o princípio do século, somente nos fins dos anos 50 as pastilhas à base de alumina entraram no mercado. No passado, o que limitava a aplicação das cerâmicas era a fragilidade que elas apresentavam. Hoje, com a introdução no mercado das cerâmicas mistas, reforçadas com SiC e a base de nitreto de silício, elas têm aplicações nos mais duros cortes interrompidos, como nos fresamentos dos ferros fundidos com altíssimas velocidades de corte e avanço. Isto é possível porque o grau de tenacidade conseguido nestas pastilhas é algo excepcional. Estas ferramentas podem ser divididas em dois grandes grupos: cerâmica a base de Al2O3 e cerâmica a base de Si3N4.

Cerâmica a base de Al2O3: podem ser puras ou com adições. As cerâmicas puras são ferramentas constituídas de finos grãos de Al2O3 sinterizados. É comum adicionar MgO para inibir o crescimento de grão. Outros constituintes, tais como óxido de Cr, Ti e Ni são às vezes adicionados para aumentar a resistência mecânica. Estas ferramentas possuem um alto grau de dureza, resistência ao desgaste e excelente estabilidade química, mas deixam a desejar na tenacidade. São geralmente usadas no desbaste e acabamento de materiais fundidos, aços tratados superficialmente ou totalmente temperados. Exigem geralmente máquinas com alto grau de rigidez.

Cerâmica a base de Si3N4: este grupo apareceu no mercado recentemente (anos 80). Tratam-se de cristais de Si3N4 com fase intergranular de SiO2 (cristais de vidro) que são sinterizados na presença de Al2O3, Y3O3, MgO e outros. Com esses materiais, tem-se conseguido excelentes resultados na usinagem das ligas de níquel e ferros fundidos. As cerâmicas a base de Si3N4 mantêm as mesmas resistências ao desgaste que as cerâmicas brancas (Al2O3), com tenacidade superior. Isto faz com que a aplicação destes materiais chegue ao fresamento, o que era inadmissível para as cerâmicas;

9. Materiais de ferramentas ultraduros: são considerados ultraduros os policristalinos: diamante sintético (PCD - Polycrystalline Diamond) e nitreto cúbico de boro (CBN). Tanto o PCD como o CBN podem ser encontrados apenas como uma camada de 0,5 a 1,0 mm, que revestem geralmente o metal duro WC + Co, ou então, como ferramentas totalmente sólidas. O PCD tem a limitação de não poder ser utilizado na usinagem de aços ou qualquer outro material ferroso, pois ele se desintegra quimicamente. Mas as ligas de Al, Cu puro, metais duros e materiais compostos têm-se beneficiado pelo uso desse que é o mais duro material da natureza como ferramenta de corte. Ao contrário, o CBN tem se mostrado excelente na usinagem dos aços, ligas de Ni, ligas de Ti e fofos. O que mais limita a aplicação dos ultraduros é o seu alto custo de fabricação, que

chega a custar em torno de 30 vezes o preço do metal duro e de 3 a 5 vezes o preço da cerâmica.

3.2.1.5 - PARÂMETROS DO TORNEAMENTO

São grandezas que devem ser ajustadas na máquina direta ou indiretamente.

I - VELOCIDADES

a) Velocidade de Corte (vc): é a velocidade instantânea, do ponto de referência da aresta cortante, com o qual se dá a retirada do cavaco. Ela varia com a ferramenta, tipo de máquina e com a natureza da operação a ser feita. Assim, no desbaste, que se visa uma retirada rápida do material, usa-se a maior velocidade compatível com a profundidade de corte e o avanço.

O acabamento é feito quando se tem menos de 1/32 de pol. de material a retirar. Sendo pequena a profundidade de corte, um avanço razoável permitirá uma velocidade de corte igual a de desbaste acrescida de um a dois terços. Para abrir rosca e sangrar, a velocidade de corte é cerca de 1/3 da usada para desbastar o mesmo material.

A profundidade de corte que pode ser tomada depende do tamanho de corte do bit e da capacidade do torno. Recomendam-se as seguintes velocidades de corte para diferentes metais (m/min), para um tempo de duração de 60 minutos (Tabela 1).

Tabela 1 - Velocidades de torneamento típicas para diferentes materiais.

Tipo de trabalho Ferramenta deAço de construção Ferro fundido

18.19Bronze vermelho e

latãoMetais macios e

metais levesAço 37.11 Aço 60.11

DesbasteAço ferramentaAço rápidoMetal duro

14 -1824 - 2870 - 200

10 - 1616 - 2450 - 130

8 - 1216 - 2050 - 90

25 - 3030 - 50

300 - 500

100 - 200200 - 400600 - 1000

AcabamentoAço ferramentaAço rápidoMetal duro

20 - 2530 - 35

150 - 300

14 - 2020 - 30

100 - 180

14 - 1618 - 2260 - 120

35 - 4055 - 70

300 - 500

200 - 300300 - 400800 - 1500

RosqueamentoAço ferramentaAço rápido

8 - 1014 - 20

4 - 88 - 12

6 - 88 - 10

14 - 1620 - 25

20 - 2525 - 40

Abrir rasgos e sangrar

Aço ferramentaAço rápido

10 - 1214 - 20

5 - 87 - 12

4 - 88 - 12

20 - 2225 - 30

200 - 400200 - 400

O uso de lubrificantes pode proporcionar uma elevação nas velocidades entre 25 e 50%.No torneamento, a velocidade de corte é ao mesmo tempo a velocidade tangencial da peça se esta

tem um diâmetro de d metros, então a sua circunferência (perímetro) será .d metros e cada ponto da circunferência percorre um trajeto de .d.n metros ao fazer as rotações por minuto. Portanto, a velocidade tangencial será v = .d.n metros por minuto e quando d estiver em mm como é usual, então resulta para a velocidade de corte:

onde: (diâmetro médio), sendo: d1 é o diâmetro da peça antes da usinagem e d2, depois;

Daí obtém-se por transformações, a fórmula para o cálculo do número de rotações:

Exemplo: um eixo de aço doce (37.11) com 120 mm de diâmetro deve ser desbastado com uma ferramenta

de aço rápido. Calcular o número de rotações por minuto.

Em algumas indústrias são utilizadas também, no lugar de tabelas, gráficos de linhas para determinação da velocidade de rotação.

onde: d - diâmetro da peça a tornear, em mm.

Exemplo: para: d = 120 mm e v = 26 m/min, => n = 68 rpm

b) Velocidade de Avanço (vf): é a velocidade instantânea do ponto de referência da aresta cortante da ferramenta segundo a direção e sentido de avanço. Sendo o avanço f (mm/rot), em cada minuto a ferramenta avançará f.n (mm) e a velocidade será:

II - AVANÇO (f)

Enquanto a peça gira continuamente durante o torneamento, produzindo o movimento principal de corte, a ferramenta, ao mesmo tempo, vai se adiantando e produzindo o movimento de avanço. A velocidade de avanço é medida pelo percurso em mm que a ferramenta percorre durante um giro da peça. O avanço varia com o material da peça, a ferramenta e a natureza do trabalho.

Tabela 2 - Valores de referência para avanços no torneamento (mm/rotação).

Tipo de trabalhoMaterial da ferramenta

Material da peçaAço, aço fundido,

fofo, latãoMetal leve Material prensado

DesbasteAço ferramentaAço rápidoMetal duro

0,5 a 1,51,0 a 1,5

1,0 a 3,01,0 a 2,0

0,5 a 2,01,0 a 20,

AcabamentoAço ferramentaAço rápidoMetal duro

0,1 a 0,2 0,1 a 0,2 0,1 a 0,2

Assim, por exemplo, para trabalhos leves, o avanço pode variar entre 0,05 a 0,5 mm/rot., em trabalhos médios, 0,2 a 1,7 mm/rot. E em trabalhos pesados de 0,5 a 3 mm/rot. Detalhando o trabalho leve em desbaste e acabamento:

Tabela 3 - Avanços típicos para desbaste e acabamento.

DesbasteAvanços de 0,25 a 0,5 mm

0,010 a 0, 20 pol.

AcabamentoAvanços de 0,05 a 0,25 mm

0,002 a 0,010 pol.

III - PROFUNDIDADE DE CORTE (ap)

É a profundidade ou largura de penetração, medida numa direção perpendicular ao plano de trabalho. A profundidade de corte varia com o avanço e a natureza do trabalho.

3.2.1.6 - LUBRIFICAÇÃO E REFRIGERAÇÃO

Na usinagem, o uso de fluidos de corte é uma opção para aumentar a produtividade e/ou reduzir custos, trazendo benefícios quando ele é escolhido e aplicado apropriadamente. Ele deve ser aplicado usando um método que permite que ele chegue o mais próximo possível da aresta de corte, dentro da interface cavaco/ferramenta, para que ele possa exercer suas funções apropriadamente.

As principais funções dos fluidos de corte são:

Lubrificação à baixas velocidades de corte: ajuda a reduzir o atrito e evitar a formação da aresta postiça de corte (APC). Um fluido de corte a base de óleo deve, então, ser usado;

Refrigeração à altas velocidades de corte: essas condições não são favoráveis para a penetração do fluido de corte na interface, para que ele exerça papel lubrificante. Nestas condições a refrigeração se torna mais importante e um fluido de corte à base de água deve ser utilizado;

Outras funções menos importantes também são associadas aos fluidos de corte: Ajudar a retirar o cavaco da zona de corte: depende da viscosidade e da vazão do fluido de corte, além

da operação de usinagem e do tipo de cavaco sendo formado; Proteger a ferramenta e a peça de corrosão atmosférica.

O objetivo final de se usar fluido de corte é reduzir o custo total por partes usinadas ou aumentar a taxa de produção. Isto pode ser conseguido com um ou mais dos seguintes benefícios que os fluidos de corte podem proporcionar: Aumento de vida útil da ferramenta pela lubrificação e refrigeração;

Redução das forças de corte devido à lubrificação;

Melhora no acabamento superficial da peça;

Fácil remoção do cavaco da zona de corte;

Menos distorção da peça pela ação refrigerante.

Existem 2 grandes grupos de fluidos de corte: óleos puros e fluidos de corte à base de água. Além desses dois grupos, existem ainda os fluidos sintéticos, os semi-sintéticos e os fluidos químicos.

São considerados óleos puros, os óleos minerais (derivados de petróleo), as gorduras (derivados de fontes animais e vegetais) e as misturas destes. Eles apresentam grandes propriedades lubrificantes e pobres propriedades refrigerantes. É comum adicionar aditivos para melhorar propriedades específicas. Os mais comuns são os sulfetos e os cloretos. Eles são, geralmente, benéficos em condições severas de trabalho, onde se tornam bastante ativos à altas temperaturas. Outros aditivos podem também ser usados para melhorar a estabilidade, as propriedades anti-corrosivas e prevenir o crescimento de matérias orgânicas (microbiocidas).

Os fluidos de corte à base de água são óleos minerais ou misturas de óleo com gordura e emulsificadores adicionados à água, que confere aos fluidos de corte boas propriedades refrigerantes. Os aditivos também podem ser usados, particularmente quando se requer propriedades de extrema pressão (EP). Neste caso, os cloretos e sulfetos são incorporados à emulsão. As misturas podem ser preparadas em diferentes proporções, variando de 1:5 a 1:100 partes de óleo por partes de água. Variando-se a concentração, pode-se obter as propriedades lubrificantes e refrigerantes desejadas.

Os fluidos sintéticos são produtos da indústria petroquímica que formam soluções ou emulsões na água. Os fluidos semi-sintéticos são uma mistura de óleo emulsionável e fluidos sintéticos. Eles são, essencialmente, produtos sintéticos que incorporam baixos teores de óleo mineral para lhe conferir menores propriedades lubrificantes e proteção corrosiva.

Os fluidos químicos são produtos miscíveis com água e, geralmente, não contêm óleo mineral, sabão ou sulfatos. São geralmente usados em operações de retífica, onde inibidor de corrosão é mais importante que a característica de extrema pressão (EP).

A seleção de um fluido de corte ideal é difícil, devido à grande variedade de produtos disponíveis no mercado com alto grau de competitividade. O custo é alto e a utilização de um fluido de corte tem que compensar economicamente, isto é, os benefícios devem superar o custo do produto. Pelo menos três informações relevantes devem ser consideradas antes de se decidir por um determinado fluido de corte:

i) Material da peça:

a) Metais Ferrosos

Ferro fundido: os fofo cinzentos produzem cavacos de ruptura e são normalmente usinados a seco. Porém, um óleo emulsionável pode ser útil para ajudar a remover o cavaco. Na usinagem de fofo maleável, se for usado fluido de corte, este deve ser óleo puro ou algum tipo especial de emulsão. A usinagem de fofo branco é difícil e geralmente requer aditivos EP nas emulsões.

Aços - todos os tipos de fluido de corte podem ser usados e a escolha depende da severidade da operação e da resistência do aço. Aço inoxidável austenítico e aços resistentes ao calor tendem a encruar de maneira idêntica às ligas de níquel e a escolha do fluido também será similar.

b) Ligas Não-Ferrosas

Al e suas ligas: as ligas de Al conformadas, com alto teor de Cu e as ligas de Al e Si requerem um fluido de corte com alta capacidade refrigerante. Uma escolha correta seria emulsão com uma mistura de óleo mineral e gordura, e a maioria das emulsões solúveis. Al não exige aditivos EP e o enxofre livre ataca o metal instantaneamente.

Mg e suas ligas: são normalmente usinados a seco, à altíssimas velocidades de corte, pode-se, porém, utilizar um refrigerante. Emulsões são proibidas, porque a água reage com o cavaco e libera H, representando risco de ignição. Geralmente, usa-se óleo mineral ou misturas de óleo mineral com gorduras e, como no caso do Al, o S ataca o metal.

Cobre e suas ligas: em usinagem este metal pode ser dividido em 3 grandes grupos:

1 - Ligas de fácil usinagem: inclui a maioria dos latões e alguns bronzes ao fósforo fundidos. Uma emulsão de óleo solúvel é suficiente para praticamente todas as situações.

2 - Ligas de usinabilidade moderada: são os latões sem Pb, alguns bronzes ao P e bronzes ao Si. Geralmente, emulsão de óleo solúvel ou uma mistura leve de óleo mineral com gordura preenchem as exigências.

3 - Ligas de difícil usinagem: ligas sem Pb, as ligas Ni-Ag e os bronzes ao P. Neste caso, uma forte mistura de óleo mineral com gordura deve ser usado. Todos os metais amarelos são manchados por qualquer óleo contendo S livre.

Ligas de Ni, Ti e Co: são ligas resistentes ao calor e muitas vezes chamadas de superligas. A escolha do fluido de corte dependerá da operação de corte e da tenacidade da liga e a decisão pode cair em qualquer tipo de fluido de corte. Em condições severas, os aditivos são frequentemente usados. Enxofre livre, entretanto, pode causar descoloração da peça.

ii) Material da FerramentaA escolha de um material de ferramenta para uma certa aplicação indicará o potencial da taxa de

remoção de material. Esta taxa de remoção de material, por sua vez, indicará as temperaturas de corte e as tensões na ferramenta que provavelmente serão encontradas. Como as ferramentas de aço carbono e aço liga só podem ser usadas à baixas temperaturas, é essencial que se use uma refrigeração adequada. Os aços rápidos também requerem uma refrigeração eficiente e, na usinagem de materiais tenazes, aditivos anti-solda devem ser usados.

As ligas fundidas, metais duros e cermets possuem durezas maiores que as ferramentas de aço, suportando trabalhar à temperaturas mais elevadas. Como a taxa de remoção de material, quando se utiliza estas ferramentas, é alta, a aplicação de um refrigerante se torna necessário para aumento da vida. Os óleos emulsionáveis são normalmente usados, mas a escolha correta deve variar de acordo com a severidade da operação. No caso das cerâmicas, devido a alta fragilidade, deve-se tomar cuidados ao se aplicar um refrigerante, porque os choques térmicos podem causar trincas superficiais. As cerâmicas à base de nitreto de Si são menos susceptíveis a este tipo de problema, por serem mais tenazes que as cerâmicas à base de Al 2O3. Se um fluido de corte vai reduzir temperatura, sem causar trincas, ele será sempre recomendado, para aumentar a vida da ferramenta.

Os materiais ultraduros (PCD e CBN) são resistentes o suficiente para suportar os choques térmicos e não existe contra-indicação para o uso de fluido de corte.

iii) Processo de UsinagemA severidade dos processos de usinagem varia desde os mais pesados cortes de brochamento até os

mais leves de retífica. A seleção do fluido de corte, portanto, vai variar desde os mais ativos tipos de óleo de corte até os óleos emulsionáveis de baixa concentração.

Além destes três fatores importantes, o custo do fluido de corte pode também influenciar na decisão. Os óleos solúveis têm um bom preço, o que muitas vezes é um fator chave para a decisão.

3.2.1.7 - DIREÇÕES DE APLICAÇÃO DOS FLUIDOS DE CORTE

Existem três direções de aplicação dos fluidos de corte, como mostrado na figura abaixo.

3.2.1.8 - MÉTODOS DE APLICAÇÃO DOS FLUIDOS DE CORTE

Existem basicamente três métodos de aplicação do fluido:a) Jorro de fluido à baixa pressão (torneira à pressão normal);

b) Pulverização;

c) Sistema à alta pressão.

3.2.1.9 - CÁLCULO DO TEMPO CONSUMIDO NA OPERAÇÃO DE TORNEAR

O tempo de execução (tE) para um operário realizar um trabalho de usinagem no torno mecânico, compõe-se de tempos parciais:

tm - tempo manual: para fixar e tirar a peça, trocar e ajustar as ferramentas, medir, alterar as velocidades, etc., enfim, o tempo que o operário leva na execução manual da operação;

tu - tempo útil: empregado durante a operação de torneamento (máquina em movimento);tp - tempo perdido: consumido em imprevistos, fixado em percentagem (ex. 10% de tE).

Virá então: tE = tm + tu + tp

O tempo útil ainda pode alcançar:

tc - tempo de corte;tx - tempo morto: consumido no retorno do carro, avanços a mão, tempo de movimento livre da máquina, se

o operário trabalha em diferentes máquinas, etc.

O tempo de corte pode ser calculado mediante a fórmula:

ou

C = Cp + Fa + Fp = comprimento da peça + folga anterior + folga posteriorf = avanço, mm/voltan = voltas por minuto, rpm.

Exemplos:1) Usinagem cilíndrica (carrear)d = 80 mm; Fa = Fp = 5 mm; v = 20 m/min Cp = 490 mm; f = 0,5 mm/volta

Solução:C = Cp + Fa + Fp = 490 + 5 + 5 = 500 mm

Tendo em vista que o torno possui as rotações 26 - 37 - 53 - 74 - 105 - 150 - 208 - 296 rpm, deve-se trabalhar com rotação mais próxima de 80 rpm, ou seja, 74 rpm.

2) Operação de faceard = 190 mm v = 20 m/min f = 0,5 mm/volta Fa = 5 mm

Solução: Neste caso:C = r + Fa = (190/2) + 5 = 95 + 5 = 100 mm

para o caso do torno em questão, tem-se como valor mais próximo, 37 rpm.

Somando-se ao tempo de execução o tempo gasto na preparação da série, tem-se o tempo de operação:

T = Tp + TE

Tp = tempo de preparação da série (escolha do material, ferramentas, calibres, gabaritos, ajustagem da máquina, desenho, instrumentação, boletins de operação, verificação da 1a peça, etc.);TE = tempo de execução de uma peça.

Considerando a equaçãoT = Tp + TE

vê-se claramente que quanto mais peças tem a série, tanto mais tempo pode ser poupado, transferindo todos os movimentos compreendidos no tempo TE e executados para cada peça, para o tempo de preparação Tp e executada uma vez só. Como pode ser reduzido o tempo TE? Tem-se:

TE = tm + tu +tp

O tempo perdido tp depende da perfeição do andamento da oficina e do moral coletivo e individual.Os dois primeiros métodos de reduzir TE são:

1. Redução do tempo manual (tm) - que pode ser chamado de tempo de preparação para uma peça -

fornecendo dispositivos especiais que permitam trocar rapidamente a ferramenta, com a condição de que esta

volte a ocupar a mesma posição na usinagem da peça seguinte, ao se completar o ciclo - isto evita a

necessidade de avançar a ferramenta até a cota prevista da peça. Nasceram assim, os tornos revólveres;

2. Reduzir o tempo útil (tu) - fazendo cortar a peça com várias ferramentas simultaneamente (em uma só ou

mais árvores de trabalho). Nasceram assim, os tornos de várias ferramentas, chamados, às vezes,

impropriamente, de tornos semi-automáticos. São na verdade, tornos de múltiplo corte.