Cinematica das Maquinas Ferramentas

Cinemática das Máquinas Ferramentas

Usinagem

Juliano Aparecido de Oliveira

Março/2012

Origem das Máquinas

Surgiu Período paleolítico cerca de 6.000 A.C.;

Plainas primitivas;

Utilizando pedaços de madeira para prover uma estrutura e pedra lascada como ferramenta.

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Figura 1 – Plaina neolítica (Stoeterau apud Spur,1979)

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Afrescos egípcios datando de 1500 A.C.;

Trabalho com furadeiras acionadas a arco,

Elemento o qual permaneceu como principal acionamento de máquinas-ferramentas o século XVI.

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Figura 2 – Furadeira de arco egípcia 1500 a.C. (Stoeterau apud Spur, 1979)

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Período do Renascimento século XIII até XVI;

Maior Produção;

Melhor Qualidade;

Menor Custo;

Menor Tempo possível;

Ainda utilizavam estruturas em madeiras.

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Figura 3 – Torno acionado por arco de 1565 (Stoeterau apud Spur, 1979)

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Período marcado basicamente pelo torneamento ornamental;

Leonardo Da Vinci em 1500;

Jacques Benson em 1569;

Máquinas-ferramentas de características revolucionárias;

Idéias que influenciaram muitos projetistas na Revolução Industrial.

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Figura 4 – Ensaio de Da Vinci para uma furadeira com placa centrante

(Stoeterau apud Spur, 1979).

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Século XVII e XVIII (Introdução da pólvora ); Substituição dos arco pelas rodas d’água; Técnicas de furação; Técnicas de fundição (Fabricação de Armas); Charles Plumier, máquinas projetadas com

princípios modernos; O holandês Verbruggen, em 1755, aprimora a

técnica de furação de canhões; As brocas neste período já contavam com canais

helicoidais;

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Revolução industrial Século XVIII;

Wilkinson obteve tolerâncias não maiores do que um dedo em cilindros com diâmetro de 1829mm (72 pol.);

James Watt, desenvolvimento da máquina a vapor.

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Figura 5 – Furadeira de Willkinson, acionada por roda d'água

(Stoeterau apud Spur, 1979) 12

Máquina a Vapor de James Watt

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Vaucanson (Francês) por volta de 1765; Os primeiros tornos com princípios modernos

com barramentos prismáticos paralelos em V; Henry Maudslay; Reuniu sob um único projeto o uso do ferro, aço e

bronze como elemento estrutural de uma máquina-ferramenta.

Bom senso de fabricante de instrumentos ao projeto de máquinas e gerou discípulos como Bramah, Clement, Whitworth, Nasmyth e outros (Morre, 1989; Thyer, 1991).

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Figura 6 – Torno de Maudslay (Stoeterau apud Moore, 1978)

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Figura 7 – Torno universal do fim do século XIX, com acionamento por

correias (Stoeterau, 2004).

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As primeiras peças produzidas de forma seriada eram feitas em tornos mecânicos;

Realizavam operações posteriores, como furações, rosqueamentos e outras em outras máquinas operatrizes;

O primeiro torno automático foi inventado no final do século XIX.

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Figura 8 – Introdução dos tornos automáticos final do século XIX

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Figura 9 – Torno de carros múltiplos e torre revólver (1920) 19

Figura 10 – O lendário torno automático A 25 (1935)

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Figura 11 – Tornos universais CNC (1975)

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Figura 12 – Tornos automáticos CNC de cabeçote móvel (1985).

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Figura 13 – Tornos automáticos CNC de carros múltiplos (1995).

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Figura 14 – Centros de torneamento de carros múltiplos (2000)

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Cinemática de um Torno

1. Partes que suportam ou alojam os diferentes mecanismos como:

• Barramento;

• Cabeçote fixo e móvel;

• Caixas de mudanças de velocidade.

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2. Mecanismos que transmitem e transformam o movimento de rotação do eixo da árvore, como:

• Motor;

• Polias escalonadas;

• Engrenagens;

• Redutores.

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3. Mecanismo que possibilita o deslocamento da ferramenta e peça em diferentes velocidades, como:

• Engrenagens;

• Caixa de câmbio (Caixa NORTON);

• Inversor de marcha;

• Fuso;

• Vara.

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4. Partes de fixação da ferramenta:

• Torre;

• Carro porta-ferramenta;

• Carro transversal;

• Carro principal ou longitudinal.

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Fixação da peça:

• Placas;

• cabeçote móvel.

5. Comandos dos movimentos e das velocidades:

• Manivelas,

• Alavancas.

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Nomenclatura do torno mecânico

É a máquina-ferramenta usada para trabalhos de torneamento, principalmente de metais que, através da realização de operações, permite dar às peças as formas desejadas.

As figuras a seguir apresentam um torno mecânico horizontal do tipo comum com motor elétrico e transmissor colocado externamente.

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Figura 15 – Torno mecânico horizontal. Vista frontal

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• A - Barramento

• B - Cabeçote fixo

• C - Carro

• D - Cabeçote móvel

• 1 - Pés

• 2 - Caixa de acessórios

• 3 - Caixa de câmbio ou Caixa Norton

• 4 - Caixa engrenagens da grade

• 5 - Alavanca de velocidade do fuso e da vara

• 6 - Alavanca de inversão de macha

• 7 - Polia em degraus (em “V”)

• 8 - Eixo principal

• 9 - Placa de castanha independentes

• 10 - Mesa do carro principal

• 11 - Porta ferramenta

• 12 - Carro superior

• 13 - Carro transversal

• 14 - Volante

• 15 - Manivela de carro superior

• 16 - Trava de carro principal

• 17 - Contraponta

• 18 - Mangoti

• 19 - Manipulo de fixação

• 20 - Volante do cabeçote móvel

• 21 - Cremalheira

• 22 - Fuso

• 23 - Bandeja

• 24 - Alavanca de engate do fuso

• 25 - Alavanca de engate da vara

• 26 - Avental

• 27 - Volante do carro principal

• 28 - Fundo da caixa

• 29 - Vara

• 30 - Cava e calço da cava

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Figura 16 – Torno mecânico horizontal com transmissão externa. Vista lateral 33


1 - Barramento • O corpo principal do torno e serve de apoio ao carro

principal e o cabeçote móvel, assim como para a fixação do cabeçote fixo.

• Construído de ferro fundido especial e endurecido durante a usinagem.

• A parte superior do barramento apresenta filetes trapezoidais, que constituem as guias para o deslize dos órgão montados sobre o barramento.

• Este perfil trapezoidal do barramento tem a vantagem de resistir melhor à pressão do trabalho, compensar o desgaste das partes em atrito e proporcionar grande precisão.

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2 - Cabeçote fixo • É a parte do torno, cujo eixo principal recebe a rotação do

motor elétrico, através de um jogo de polias ou engrenagens.

• No eixo principal esta adaptada um jogo de engrenagens ABCD (figura 17) a fim de obter as velocidades reduzidas para tornear o material.

• Na outra extremidade do eixo principal está disposto o mecanismo de inversão (F) (figura 17) do movimento de rotação ao jogo de engrenagem da grade, para realizar, simultaneamente com a rotação do eixo principal, os diversos avanços do carro para a ferramenta cortar o material.

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Figura 17 – Torno mecânico horizontal com transmissão externa. Vista lateral

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1 - Engrenagem da grade

2 - Mecanismo de inversão da marcha

3 - Porca

4 - Bucha de bronze

5 - Bucha de bronze

6 - Rolamento de encosto

7 - Polias em degraus

8 - Luva de acoplamento

9 - Anéis

10 - Mancal

11 - Eixo principal

12 - Rosca de fixação da placa

13 - Encosto da placa

14 - Mecanismo de redução de velocidade do eixo principal.

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• Estrutura de ferro fundido, fixado firmemente na extremidade esquerda do barramento, com a linha de centro do eixo principal do torno rigorosamente paralela às guias do barramento e na mesma altura com o centro do cabeçote móvel.

• Nele estão alojados os mecanismos de rotação para tornear o material, o mecanismo de inversão dos avanços da grade para movimentar o carro e as tabelas das velocidades e avanços apropriados para tornear os materias.

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3 - Eixo da árvore

• É um eixo oco, construído de um aço especial, como aço-cromo-níquel, endurecido, retificado e super acabado, de maneira a apresentar superfícies finamente polidas nos contados dos mancais.

• É assentado em mancais de bronze fosforoso ou rolamentos de esferas.

• Junto ao rebaixo posterior (lado esquerdo), fica em contato com um mancal de encosto, que recebe pressão longitudinal resultante do esforço de corte exercido pela ferramenta.

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• O furo no centro do eixo tem dupla finalidade:

1ª - A parte da frente serve para colocar as pontas do centro, haste das ferramentas como broca, mandril, e alargador, todos esses dispositivos são fixados por meio do cone interno.

2ª - Permitir o torneamento de peças diretamente no vergalhão, sem que para isso seja necessário cortá-los previamente, uma vez que este atravessa o oco do eixo da árvore.

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Figura 18 – Eixo da Árvore

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4 - Sistemas de transmissão

• Conforme o material e o diâmetro da peça a ser torneada, esta tem que girar com um número variável de rotação.

• Para isso, a transmissão de movimento do motor à árvore é feita por meio de polias escalonadas com correrias planas ou em “V”, ou , então, através de um sistema de engrenagens que permiti essa gradação do número de rotações.

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5 - Cabeçote móvel do torno

• É a parte do torno que, apoiada e fixada sobre o barramento, serve para as seguintes finalidades:

1º - Suporte de contra-ponta, que é um duplo cone de aço destinado a prender, num dos topos, a peça a ser torneada.

2º - Suporte de um mandril de haste cônico, como o mandril tipo “CHUCK JACOBS” ou de uma bucha de redução.

3º - Suporte direto de ferramentas de corte de haste cônica, tais como brocas, alargadores ou machos.

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• O cabeçote móvel do torno se compõe das seguintes partes principais:

Base,

corpo,

mangote,

volante e

dispositivos de fixação.

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• A Base desliza-se sobre o barramento, o qual apresenta uma ranhura retificada, que se adapta a uma das guias longitudinais retificadas do barramento.

• Pode, também, ser fixada em diferentes partes do barramento, seja por meio dos parafusos, porcas e placas, ou por outro processo adequado, como o de uma alavanca com excêntrico.

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Figura 19 – Vista do cabeçote móvel em corte 46


1 – Base;

2 – Corpo;

3 – Contraponta;

4 - Trava do mangote;

5 – Mangote;

6 -Parafuso e deslocamento mangote;

7 – Volante;

8 – Manipulo;

9 – Porca;

10 - Parafuso de fixação;

11 - Guia do barramento do torno;

12 - Guia de deslocamento lateral do cabeçote;

13 - Parafuso de deslocamento lateral do cabeçote;

14 - Barramento do torno;

15 - Buchas de aperto do mangote;

16 - Placas de fixação.

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6 - Mangote • É um tubo cilíndrico, provido de porca e parafuso,

que se desloca dentro do corpo do cabeçote. • Na extremidade do mangote há um cone interno

para a colocação das pontas ou das hastes da ferramenta.

• O parafuso interno atravessando uma porca no mangote e comandado externamente por um volante.

• Para firmar o mangote utiliza uma alavanda da trava do mangote.

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• Os deslocamentos longitudinais, quer dizer, avançar ou recuar o mangote, podem ser regulados por um dos dois seguintes meios:

1º Pela graduação retilínea na parte superior ou lateral.

2º Graduação circular no eixo do volante.

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7 - Carro do torno • É uma forte peça construída de ferro fundido e

que proporciona à ferramenta cortante os movimentos exigidos para operações de torneamento.

• O carro do torno compõe-se de três partes, cada uma com finalidades diferentes, que são:

A. Carro principal B. Carro transversal C. Carro longitudinal ou carrinho superior.

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Figura 20 – Carro principal

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Nomenclatura do torno mecânico A. Carro Principal:

• Tem na parte inferior rasgos trapezoidais que se adaptam nas guias prismáticas do barramento do torno, para facilitar o seu deslocamento.

• As duas guias prismáticas externas são as que servem de apoio ao carro.

• A guia prismática interna e o ressalto achatado servem para o deslocamento do cabeçote móvel.

• Todas essas guias são rigorosamente retificadas, para que o movimento da ponta da ferramenta se faça sempre paralelamente ao alinhamento da ponta e da contraponta.

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B. Carro transversal:

• Na parte superior do carro principal, desliza, por guias transversais, o carro.

• Na parte inferior do carro transversal esta o parafuso de movimento que se conjuga a uma porca, determinando o deslocamento transversal do mesmo.

• Este deslocamento se faz manualmente, pelo volante, ou automaticamente, através do mecanismo do avental, conforme será explicado adiante.

• Um anel graduado no eixo do volante permite deslocamento micrométrico do carro transversal.

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C. Carro superior:

• O carro superior é a parte que serve de base à porta-ferramentas.

• O deslocamento se faz girando o volante, que move um parafuso conjugado a uma porca existente na mesma.

• Um anel graduado no eixo do volante facilita a execução manual de avanço micrométrico da ferramenta de corte.

• A base do carro superior é de forma cilíndrica, com uma graduação angular, para indicar qualquer inclinação da direção de avanço da ferramenta em relação ao eixo da peça que esta sendo torneada.

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Figura 21 – Carro Transversal e Carro Superior

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8 - Porta-ferramenta:

• O porta-ferramentas é o órgão superior que suporta e prende a ferramenta de corte, mediante parafusos de aperto.

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9 - Avental de torno

• É uma caixa de ferro fundido, adaptada na parte da frente do carro longitudinal.

• Nela contém o mecanismo de movimento longitudinal do carro ao longo do barramento do torno, assim como o mecanismo de movimento automático transversal do carro transversal.

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Figura 22 – Avental vista frontal

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Figura 23 – Avental vista superior

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10 - Caixa Norton

• Serve para proporcionar avanços mecânicos e passos de roscas com economia de tempo. Em lugar de calcular e montar as engrenagens da grade, é preciso apenas mudar a posição de certas alavancas.

• Os tornos antigos não possuem caixa de mudança rápida de avanço de carro (CAIXA NORTON).

• No extremo do fuso é adaptado uma engrenagem, por meio da qual se estabelece, com as engrenagens da grade a transmissão de velocidade de rotação do eixo da árvore ao fuso, com redução desejada.

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• É necessário, portanto, um outro jogo de engrenagens que permita as convenientes combinações de engrenagens na grade, para produzir diferentes velocidades de rotação do fuso, portanto, diversos avanços do carro, em consequência, à ferramenta.

• As combinações da engrenagem da grade são estabelecidas pelo cálculo de mudança de rotação, determinando as relações entre os números dos dentes da engrenagem condutora e da engrenagem conduzida.

• A mudança dos avanços, nos tornos antigos, dependia de cálculos e de trabalhos de desmontagem e montagem das engrenagens da grade, resultando perda de tempo.

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• Por outro lado, a combinação, na grade de diferentes jogos de engrenagens, possibilitam uma variedade limitada de avanços do carro do torno, conforme o número de engrenagens disponíveis.

• No mecanismo da caixa NORTON, existe um eixo no qual estão montadas, com chavetas, diversas engrenagens. Pelo manejo de uma alavanca externa, estas engrenagens se combinam com outras engrenagens montadas num outro eixo, produzindo mudanças de avanços.

• Existem os tornos que possuem a chamada “meia caixa NORTON” isto é, uma caixa NORTON com poucas engrenagens, para determinadas mudanças de rotação.

• Neste é possível ainda, obter-se diversos avanços, mantendo jogos de engrenagens adequados na grade.

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Figura 24 – Caixa Norton

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Movimentos na Usinagem Movimento de corte: É o movimento entre a ferramenta e a peça que provoca remoção de cavaco durante uma única rotação ou um curso da ferramenta. Geralmente este movimento ocorre através da rotação da peça (torneamento) ou da ferramenta (fresamento).

Figura 25 – Movimento principal de Corte

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Movimentos na Usinagem Movimento de avanço ( f ): É o movimento entre a ferramenta e a peça que, juntamente com o movimento de corte, possibilita uma remoção contínua do cavaco ao longo da peça.

Figura 26 – Movimento de Avanço

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Movimentos na Usinagem

Movimento de ajuste ou penetração (ap):

É o movimento entre a ferramenta e a peça, no qual é predeterminada a espessura da camada de material a ser removida.

Figura 27 – Movimento de Ajuste 66

Movimentos na Usinagem Movimento efetivo de corte: É o movimento entre a ferramenta e a peça, a partir do qual resulta o processo de usinagem. Quando o movimento de avanço é continuo, o movimento efetivo é a resultante da composição dos movimentos de corte e de avanço.

Figura 28 – Movimento de Ajuste

MOVIMENTO EFETIVO

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Movimento de Correção:

É o movimento entre a ferramenta e a peça, empregado para compensar alterações de posicionamento devidas, por exemplo, pelo desgaste da ferramenta.

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Movimento de aproximação:

É o movimento da ferramenta em direção à peça, com a finalidade de posicioná-la para iniciar a usinagem.

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Movimento de recuo:

É o movimento da ferramenta pelo qual ela, após a usinagem, é afastada da peça.

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Tanto os movimentos ativos como passivos são importantes, pois eles estão associados a tempos que, somados, resultam no tempo total de fabricação.

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1000

.d.nvc

Vc = velocidade de corte [m/min] d = diâmetro da peça (ferramenta) [mm]

n = rotação da peça (ferramenta) [rpm]

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Cálculo da Velocidade de Corte

.f.d

1000.vf.nv c

f

Vf = velocidade de avanço [mm/min] f = avanço [mm/rot] n = rotação da peça (ferramenta) [rpm] Vc = velocidade de corte [m/min] d = diâmetro da peça (ferramenta) [mm]

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Cálculo da Velocidade de Avanço

Cálculo do Tempo de Corte (tempos ativos)

c

ff

f

f

1000.f.v

.d.I

f.n

I

v

Itc

tc = tempo de corte [min] If = percurso de avanço [mm] Vf = velocidade de avanço [mm/min]

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Cálculo dos Tempos Passivos

Os tempos passivos nem sempre podem ser calculados. Geralmente são estimados por técnicas específicas que estudam os movimentos e a cronometragem dos tempos a eles relacionados, estabelecendo os chamados tempos padrões.

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Cálculo da Seção Transversal de Corte

.faΑ p

A= área da seção transversal de um cavaco a ser removido [mm²] ap= profundidade ou largura de usinagem, medida perpendicularmente ao plano de trabalho [mm]

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