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DEMEC/UFRGS

ENG03343 – PROCESSOS DE FABRICAÇÃO POR USINAGEM

PARTE 1 – MOVIMENTOS EM USINAGEM E TERMINOLOGIA DE FERRAMENTAS

Professor Heraldo Amorim

Porto Alegre, maio de 2003

ENG 03343 – Processos de Fabricação por Usinagem

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INTRODUÇÃO

Fabricar consiste basicamente em alterar uma matéria-prima com o intuito de obter um

produto acabado. Os processos de fabricação representam, nos países industrializados, um terço

do produto interno bruto [Kalpakjian, 1985].

Os processos de fabricação que envolvem mudança de forma podem ser classificados em

duas categorias: fabricação com remoção de material e fabricação sem remoção de material.

Enquanto a segunda categoria é composta por processos de fabricação como soldagem,

conformação e fundição, a primeira categoria é composta basicamente pelos processos de

usinagem.

A importância dos processos de fabricação que envolvem remoção de material pode ser

medida pelo custo envolvido nestes: segundo Shaw, em 1984, estes processos eram considerados

os mais importantes economicamente, com custos associados estimados em cerca de 10% do PIB

americano na primeira metade da década de 80. Uma avaliação de Trent, também de 1984,

indica os processos de usinagem como os mais usados na indústria metal mecânica, com custos

associados superiores a 15% do valor de todos os produtos manufaturados em todos os países

industrializados.

Segundo Walker, 2000, é difícil citar algum produto que não requeira, direta ou

indiretamente, o uso de uma operação de usinagem em algum momento de sua manufatura. A

grande utilização dos processos de usinagem se deve principalmente à variedade de geometrias

possíveis de ser usinadas, com alto grau de precisão dimensional e acabamento superficial, e ao

fato de não haver alteração nas propriedades do material. Estas características fazem com que, na

grande maioria dos casos, os processos de usinagem não possam ser substituídos por nenhum

outro processo de fabricação, sendo muitas vezes usados com o intuito de prover uma melhora

do acabamento superficial ou tolerância dimensional do produto manufaturado por outros

processos.

Apesar das vantagens da usinagem, esta possui desvantagens em relação a outros

processos de fabricação, como, por exemplo, a baixa velocidade de produção quando comparada

a estes. Esta desvantagem faz com que qualquer aprimoramento no sentido de aumentar a

produção de um processo de usinagem represente um ganho significativo. A segunda

desvantagem dos processos de usinagem diz respeito aos altos custos envolvidos. Estes custos se

devem ao uso de maquinário e ferramental caro e à necessidade de mão de obra altamente

especializada. O nível de conhecimento requerido na programação e operação das modernas


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máquinas de comando numérico faz necessário operadores com certo grau de especialização. Os

gastos anuais com mão de obra nos EUA são estimados em U$300 bilhões, contra U$7,5 bilhões

gastos em maquinário e U$2,5 bilhões gastos em materiais “consumíveis” (ferramentas de corte

e fluídos de corte) [Trent e Wright, 2000]. Além disso, grande parte da matéria prima usada

nestes processos é transformada em resíduo. Estes altos custos inerentes aos processos de

usinagem tornam-se mais importantes quando associados ao fato de que a usinagem é um dos

processos de fabricação mais utilizados no mundo, transformando em cavaco algo em torno de

10% de toda a produção de metais [Trent, 1984].

A simples análise dos custos inerentes aos processos de usinagem, aliados à

representatividade destes processos na indústria mundial, faz com que qualquer aprimoramento

nestes converta-se em uma grande redução dos custos de produção. Este aprimoramento pode ser

feito através do desenvolvimento de máquinas, ferramentas, ou materiais cuja usinagem seja

facilitada.

Usinagem

Usinagem é um termo que abrange processos de fabricação por geração de superfícies

através da retirada de material, conferindo dimensão e forma à peça. Uma definição bastante

ampla do termo usinagem foi apresentada por Ferraresi (1970), que diz que “como operações de

usinagem entendemos aquelas que, ao conferir à peça a forma, ou as dimensões ou o

acabamento, ou qualquer combinação destes três itens, produzem cavaco”.

As operações de usinagem dividem-se em processos de usinagem convencional e não

convencional (Figura 1). Dentre os processos de usinagem convencional se destacam, devido ao

uso mais amplamente difundido, o torneamento, fresamento e furação.


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Figura 1 – Classificação dos processos de fabricação (fonte: Machado e Silva).

Torneamento

Segundo Trent (2000), o torneamento (Figura 2) é a operação de usinagem mais

comumente empregada em trabalhos de corte de metal. O material a ser cortado é fixado ao

mandril de um torno e rotacionado, enquanto a ferramenta, presa firmemente em um suporte,

move-se em um plano que, idealmente, contém o eixo de rotação da peça.

Figura 2 – Operação de torneamento.


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Movimentos e grandezas na usinagem – Terminologia de acordo com a norma NBR 6162.

O movimento relativo entre a ferramenta e a peça é o que permite a ocorrência do

processo de usinagem. Por convenção, são representados como sendo realizados pela ferramenta

sobre a peça parada.

Os movimentos podem ser classificados como ativos ou passivos. Movimentos ativos

promovem remoção de material ao ocorrerem, ao contrário dos movimentos passivos.

Movimentos ativos:

- Movimento de corte – movimento relativo entre a ferramenta e a peça que, na falta

do movimento de avanço, provoca a remoção de material em uma única rotação.

- Movimento de avanço – movimento que, em conjunto com o movimento de corte,

possibilita remoção contínua de cavaco, durante mais de uma rotação.

- Movimento efetivo de corte – movimento efetivo entre a ferramenta e a peça. No

caso de avanço contínuo, é a resultante dos movimentos de avanço e de corte. Se o avanço é

intermitente, o movimento efetivo é o próprio movimento de corte.

Movimentos Passivos:

Apesar de imprescindíveis aos processos de usinagem, não promovem a retirada de

cavaco. São eles:

- Movimento de ajuste – movimento que determina a quantidade de material a ser

retirada. Não ocorre em processos onde a espessura de material a ser removida é dada pela

geometria da ferramenta (sangramento, furação, brochamento).

- Movimento de correção – é empregado para compensar alterações no

posicionamento relativo entre ferramenta e peça devidas, entre outras coisas, ao desgaste da

ferramenta, variações térmicas e deformações plásticas que ocorrem durante a usinagem.

- Movimento de aproximação – aproxima a ferramenta da peça antes de iniciada a

usinagem.

- Movimento de afastamento – afasta a ferramenta da peça após a usinagem.


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Apesar de nem todos os movimentos propiciarem retirada de cavaco, todos estes

movimentos são importantes, pois estão associados a tempos que, quando somados, informam o

tempo total de fabricação.

Todos os movimentos possuem direção, sentido, velocidade e percurso associados.

Desse modo, temos:

- Direção de corte, velocidade de corte (Vc) e percurso de corte (lc);

- Direção de avanço, velocidade de avanço (Vf) e percurso de avanço (lf);

- Direção efetiva, velocidade efetiva (Ve) e percurso efetivo (le);

- Direção de ajuste, velocidade de ajuste (Vz) e percurso de ajuste (lz);

- Direção de correção, velocidade de correção (Vn) e percurso de correção (ln);

- Direção de aproximação, velocidade de aproximação (Va) e percurso de aproximação

(la);

- Direção de recuo, velocidade de recuo (Vr) e percurso de recuo (lr);

Parâmetros de processo

Existem, no torneamento, dois fatores cuja influência (independente de material de peça e

ferramenta) determina o resultado final do processo: os parâmetros de corte e a geometria da

aresta de corte.

Entre os parâmetros de corte (Figura 3), a velocidade de corte (Vc) (equação 1) é a taxa na

qual a superfície não cortada da peça passa pela aresta de corte da ferramenta, expressa

normalmente em m/min. O avanço (f) é a distância percorrida pela ferramenta por revolução da

peça, e a profundidade de corte (ap) é a espessura ou profundidade de penetração da ferramenta

medida perpendicularmente ao plano de trabalho, que é definido pelas direções de avanço e Vc da

ferramenta. A partir destes três parâmetros é possível determinar a taxa de remoção de material

(equação 2), parâmetro usado para a medição da eficiência da operação.

min)/(1000

..m

nDVc

π= (1.)

min)/(.. 3cmafVQ pc= (2.)


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A velocidade na qual a ferramenta se movimenta na direção e sentido do avanço é

chamada velocidade de avanço, e pode ser calculada através da equação 3.

min)/(..

.1000. mmf

d

vnfV c

f π== (3.)

Figura 3 – Parâmetros de corte e superfícies em torneamento cilíndrico externo (Fonte: sandvik).

Superfícies definidas sobre a peça

As superfícies definidas sobre a peça (Figura 4) são:

• Superfície a usinar.

• Superfície em usinagem ou transitória, divide-se em superfície em usinagem

principal e secundária, de acordo com a aresta de corte com a qual está em

contato.

• Superfície usinada.


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Figura 4 – Superfícies definidas sobre a peça em torneamento cilíndrico externo (adaptado de

Diniz).

Geometria de Ferramenta

A geometria da ferramenta (Figura 5) é um dos fatores de maior influência na usinagem.

A ferramenta de corte para torneamento é definida em:

• Cabo ou haste – é a parte da ferramenta responsável pela sua fixação.

• Superfície de saída ou face (Aγ) – é a superfície da ferramenta sobre a qual o

cavaco desliza após o corte.

• Superfície de folga ou flanco (Aα) – é a superfície que determina a folga entre a

ferramenta e a superfície em usinagem principal.

• Superfície secundária de folga ou flanco secundário (A’α) – é a superfície que

determina a folga entre a ferramenta e a superfície em usinagem secundária.

• Cunha de corte – é a cunha formada pelas superfícies de saída e de folga, sobre a

qual ocorre o corte do metal.

• Arestas de corte ou gumes – são as arestas da cunha de corte, nas quais ocorre a

interface ferramenta-peça, e distinguem se como;

o Aresta principal de corte ou gume principal (S) – formada pela intersecção

das superfícies de saída e de folga;


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o Aresta secundária de corte ou gume secundário (S’) – formada pela

intersecção das superfícies de saída e secundária de folga;

• Ponta de corte ou quina – local da cunha de corte onde se encontram a aresta

principal e a aresta secundária de corte.

• Raio de ponta ou raio de quina (rε) – é o raio que liga as arestas principal e

secundária de corte no torneamento.

Figura 5 – Geometria da ferramenta de corte (Fonte: Machado e Silva, 1999).

Sistema de Referência da Ferramenta

Para o correto estudo dos ângulos da parte de corte da ferramenta de usinagem, é

necessário que se defina para esta um sistema de referência. O sistema de referência da

ferramenta de corte é composto por um ponto (ponto escolhido de corte, localiza-se sempre na

aresta principal de corte e é usado para definir os planos do SR) e por diversos planos (Figura 6),

dentre os quais os mais importantes são:

• Plano de referência da ferramenta (Pr) – plano perpendicular à direção admitida de

corte;

• Plano de corte da ferramenta (Ps) – plano perpendicular ao plano de referência que é

tangente ou contém a aresta de corte da ferramenta;

• Plano ortogonal da ferramenta (Po) – plano ortogonal aos planos de referência e de

corte da ferramenta;

• Plano admitido de trabalho (Pf) – plano perpendicular ao plano de referência da

ferramenta, definido pelas direções de avanço e Vc.

• Plano normal à aresta de corte (Pn) – plano que é perpendicular à aresta de corte.


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Figura 6 – Sistema de referência da ferramenta (adaptado de Ferraresi, 1970).

Ângulos da parte de corte

São necessários para a determinação da posição e da forma da cunha de corte.

Os ângulos referentes à ferramenta e à posição desta em relação a peça (Figura 7) são

medidos em diferentes planos, com diferentes representações para cada operação de usinagem.

No caso dos ângulos medidos no sistema de referência da ferramenta, os ângulos em questão são

identificados com o acréscimo da palavra ferramenta, e quando medidos no sistema de referência

efetivo usa-se a palavra efetivo.

A designação dos ângulos é geralmente dada por uma letra grega, que define o ângulo em

questão, e um índice, que define o plano no qual este ângulo é medido. O mesmo ângulo pode

ser representado em diferentes planos.

Para a operação de torneamento, os ângulos mais influentes são:

Ângulo de posição da ferramenta (χr) – ângulo entre o plano de corte (Ps) e o plano de

trabalho (Pf), medido no plano de referência (Pr). Controla o comprimento atuante na aresta de

corte da ferramenta. Abaixo de 90º, promove melhor distribuição de tensões na entrada e saída

da ferramenta e produz uma força passiva da ferramenta.


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χr pequeno – cavaco finos, maior comprimento da aresta em contato com o material.

Causa o aumento da força de corte, podendo causar vibrações e prejudicar o acabamento da

peça.

χr grande – entrada e saída da ferramenta abrupta. Necessário para a usinagem de

superfícies perpendiculares ao eixo da peça e na usinagem de peças esbeltas, para evitar

flambagem.

Valores típicos para desbaste variam entre 30° e 60°. Para perfilamento, podem ser

maiores que 90°.

Ângulo de posição secundário da ferramenta (χ’r) – ângulo entre o plano de corte

secundário (Ps’) e o plano de trabalho (Pf), medido no plano de referência; Evita o contato

excessivo entre a ferramenta e a peça usinada, reduzindo vibrações e melhorando o acabamento

superficial. Ângulo de ponta de ferramenta (εr) – ângulo entre os planos principal e secundário de

corte, medido no plano de referência. Complementa os ângulos principal e secundário de

posição. cr + c’r + er = 180°

Ângulo de inclinação da ferramenta (λs) – ângulo entre a aresta de corte e o plano de

referência da ferramenta medido no plano de corte (Ps). Quando λs = 0, Pn = Po.

Tem a função de controlar a direção de saída do cavaco, proteger a quina da ferramenta

contra impactos e atenuar vibrações.

λs positivo – direciona o cavaco para longe da peça em usinagem. Fragiliza a ferramenta.

λs negativo – direciona o cavaco contra a peça em usinagem. Fragiliza a ferramenta.

Reduz vibrações, devido ao aumento da força passiva, que força a ferramenta contra o fuso de

acionamento, mas devido a esta força pode causar flambagem em pegas esbeltas.

λs = 0 – saída do cavaco ocorre paralela ao eixo da ferramenta. Não ocorrem forças

passivas, ideal para a usinagem de peças esbeltas.

Ângulo de saída da ferramenta (γo) – ângulo dentre a superfície de saída e o plano de

referência da ferramenta medido no plano ortogonal (Po). Influi na força de corte, quanto maior

o go menor a força. Junto com o ângulo de folga, é responsável pela resistência da ferramenta.

quanto maior, menor a temperatura gerada.


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γo pequeno, nulo ou negativo – Cunha de corte mais resistente, porém maior deformação

imposta ao cavaco, o que gera esforços maiores.

γo grande – menor esforço devido à menor deformação necessária para retirar o cavaco.

Maior o contato entre o cavaco e Aγ. Menor a seção resistente da cunha.

Ângulo de folga (α0) – ângulo entre a superfície de folga e o plano de corte da ferramenta

medido no plano ortogonal. Tem a função de evitar o atrito entre a superfície usinada e a face da

ferramenta. Quando muito pequeno (menor que 5º), causa sobreaquecimento, forte desgaste e

mau acabamento. Quando muito grande, causa a perda da resistência da ferramenta devido à

redução do ângulo de cunha da ferramenta.

Ângulo de folga secundário (α’0) – ângulo entre a superfície de folga secundária e o

plano de corte da ferramenta medido no plano ortogonal.

Ângulo de cunha da ferramenta (β0) – ângulo entre as superfícies de saída e de folga

medido no plano ortogonal. Complementar aos ângulos de folga e de saída (α0 + β0 + γo = 90°), é

responsável pela resistência da ferramenta.

Figura 7 – Ângulos da ferramenta de corte medidos (a) no plano de referência da ferramenta e (b) no plano ortogonal (fonte: Diniz et al.).

(a) (b)


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ANEXO 1 – NOMENCLATURA DE FERRAMENTAS DE TORNEAMENTO

SEGUNDO A NORMA NBR 6161/80 E STEMMER

Tabela 1 – Nomenclatura de ferramentas de acordo com a norma NBR 6161/80 e Stemmer.

Norma Stemmer

Cabo Haste

Superfície de saída (Aγ) Face (Aγ)

Superfície de folga (Aα) Flanco (Aα)

Superfície secundária de folga (A’α) flanco secundário (A’α)

Cunha de corte Cunha

Aresta principal de corte (S) gume principal (S)

Aresta secundária de corte (S’) gume secundário (S’)

Ponta de corte quina

Raio de ponta (rε) raio de quina (rε)

Tabela 2 – Nomenclatura dos ângulos de torneamento de acordo com a norma NBR 6161/80 e Stemmer.

Norma Stemmer

Ângulo de posição da ferramenta (χr) Ângulo de direção do gume da ferramenta (kr)

Ângulo de posição secundário da ferramenta (χ’r) Ângulo de direção secundário do gume da ferramenta (kr)

Ângulo de ponta de ferramenta (εr) Ângulo de quina de ferramenta (εr)

Ângulo de inclinação da ferramenta (λs) Ângulo de inclinação do gume da ferramenta (λs)

Ângulo de saída da ferramenta (γo) Ângulo de saída da ferramenta (γo)

Ângulo de folga (α0) Ângulo de incidência da ferramenta ( α0)


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Referências bibliográficas

Diniz, A. E., Marcondes, F. C., Coppini, N. L., 2000. “Tecnologia da Usinagem dos

Metais”, Artliber, São Paulo.

Ferraresi, D., 1970. “Fundamentos da usinagem dos metais”, Editora Edgard Blücher,

São Paulo.

Kalpakjian, S.,1985. “Manufacturing Process for Engineering Materials”. Adisson-

Wesley Publishing Company. Machado, A., da Silva, M. B., 1999. “Usinagem dos Metais”,

Apostila, DEEME – UFU, Uberlândia.

Shaw, M. C., 1984. “Metal Cutting Principles”, Oxford University Press, Great Britain.

Stemmer, C.E., 1995. “Ferramentas de Corte I”, 3ª edição, Editora da UFSC,

Florianópolis.

Trent, M. C., Wright, P. K., 2000. "Metal cutting principles – 4th edition”, Butterworth-

Heinemann, USA.

Trent, M. C., 1984. “Metal cutting principles – 2nd edition”, Butterworth-Heinemann,

USA.

Walker, J., 2000. “Machining Fundamentals”, GW Publisher, USA.

Documents

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