cinematica-forças-potência na usinagem
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Cinemática, Forças e
Potências na Usinagem
Módulo - 3
Bibliografia Principal -Dino Ferraresi -Apostila2 UFRGS
2
Conceitos Básicos
Grandezas do processo de usinagem
Peça
Porta-ferramenta
Ferramenta
Dispositivo de fixação
Máquina-ferramenta
Cinemática, Forças e
Potências na Usinagem
Cinemática dos processos de usinagem
Movimentos no Torneamento
Movimento Rotativo da Peça
Movimento de Avanço da Ferramenta
Ferramenta
Peça
(Longitudinal)
Parâmetros de corte:
Velocidade de corte - Vc
Velocidade de avanço - Vf
Profundidade de corte - ap
Movimentos relativos entre peça e ferramenta.
VELOCIDADES/CINEMÁTICA DO PROCESSO DE USINAGEM
Velocidade de corte (Vc)
Velocidade instantânea do ponto de referência da aresta cortante, segundo a direção de corte
Velocidade de avanço (Vf)
Velocidade instantânea da ferramenta segundo a direção e sentido de avanço
Velocidade efetiva de corte (Ve)
Velocidade instantânea do ponto de referência da aresta cortante, segundo a direção efetiva de corte Vc
Vf
Ve
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CINEMÁTICA DOS PROCESSOS DE USINAGEM
Movimentos que causam a remoção de cavaco (ativos)
- de corte;
- de avanço;
- efetivo de corte (resultante).
Movimentos que não causam a remoção de cavaco (passivos)
- de aproximação e afastamento;
- de ajuste/correção.
Mov. Avanço
da Ferramenta
Veloc. de Corte Veloc. Efetiva de Corte
Veloc. Avanço - Vf
Velocidades no Torneamento:
- Velocidade de corte (Vc)
- Velocidade de avanço (Vf)
- Velocidade efetiva de corte (Ve) (Resultante)
Parâmetros de corte:
Velocidade de corte - Vc
Velocidade de avanço - Vf
Profundidade de corte - ap
Cinemática dos processos de usinagem
Movimentos e Velocidades no Torneamento
Movimento
Rotativo
da Peça
Cinemática dos processos de usinagem
Movimentos e Velocidades no Fresamento Discordante
Veloc. de
Corte
Vc
Veloc. Efetiva de Corte
Veloc. de Avanço
Vc Ve
Vf
Cinemática dos processos de usinagem
Movimentos e Velocidades no Fresamento
(a) (b)
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Cinemática dos processos de usinagem
Movimentos e Velocidade na Furação
Veloc. de Corte
Veloc. Efetiva de Corte Veloc. de Avanço
Movimento de Avanço
Movimento de Rotativo
Cinemática dos processos de usinagem
Movimentos e Velocidades na Retificação
Veloc. de Corte
Veloc. Efetiva de Corte
Veloc. de Avanço
Ve Vc
Va
Retificação Cilíndrica Externa
Retificação Tangencial Plana
Veloc. Efetiva
de Corte
Veloc. de Avanço
Vf
Veloc. de Corte
Velocidades do Processo de Torneamento
min]/[000.1
mnd
VC
Velocidade de corte - Vc
d = diâmetro ( mm )
n = nº rotações / min
Velocidade de avanço - Vf
f = avanço ( mm / rotação )
n = nº de rotações / min
Obs.: Vc
Vf f
d
1000
Vf = f . n [ mm / min ]
Mov.Avanço
da Ferramenta
Movimento
Rotativo
Fa
Fp
Fu
FORÇAS DE USINAGEM (Notação Ferraresi)
- Força de corte/apoio (Fc/Fap)
- Força de avanço (Fa)
- Força de profundidade ou passiva (Fp)
-Força de usinagem (Fu)
-Força ativa (Ft) (Plano Trabalho)
Plano Trabalho – plano formado
entre Fc & Fa
Ft
Fap = Fc
Componentes de força de usinagem no torneamento
(Adaptado de Ferraresi, 2006)
Veloc. de Corte
Veloc. de Avanço
Vf
Veloc. Efetiva de Corte Movimento
Rotativo
da Peça
Mov. Avanço
da Ferramenta
∆ ABC ... Ft2 = Fa2 + Fc2 ... (A)
(A)=>(B) ... Fu2 = Fa2 + Fc2 + Fp2
Da figura ao lado conclui-se, através do Teorema de Pitágoras:
∆ ACD ... Fu2 = Ft2 + Fp2 ... (B)
Componentes de força de usinagem no torneamento
(Adaptado de Ferraresi, 2006)
- Força de corte/de apoio (Fc)
- Força de avanço (Fa)
- Força de profundidade (Fp)
-Força de usinagem (Fu)
-Força ativa (Ft) (Plano Trabalho)
Fp
Fu
Ft
Fa
Fc
A
B
C
D
14
Forças de Corte
Notação Ferraresi
- Força ativa (Pt)
Projeção da força de usinagem sobre o plano de trabalho
15
Forças de Corte
Notação Ferraresi
- Força de corte (Pc)
Projeção da força de usinagem sobre a direção de corte
16
Forças de Corte
Notação Ferraresi
- Força de avanço (Pa)
Projeção da força de usinagem sobre a direção de avanço
17
Forças de Corte
Notação Ferraresi
- Força passiva ou de profundidade (Pp)
Projeção da força de usinagem sobre a direção perpendicular ao plano de trabalho.
)PP(PP
PPP
2a
2ap
2up
2t
2up
18
Forças de Corte
Notação Ferraresi
- Força de apoio (Pap)
Projeção da força de usinagem sobre a direção perpendicular a direção de avanço situada no plano de trabalho.
No caso do torneamento cilíndrico:
Força de apoio Pap = Pc Força de Corte
2a
2tap
2a
2apt
PPP
PPP
Força ativa
Potências de Usinagem (Ferraresi, 2006)
Potência de corte (NC) – produto da força de corte pela velocidade de corte
7560
CC
C
vPN
Nc – cv (cavalo vapor)
PC – Kgf
VC – m/min
Potência de avanço (Na) – produto da força de avanço pela velocidade de avanço
75601000
aa
a
vPN
Na – potência de avanço em cv
Pa – força de avanço em Kgf
Va – vel. avanço em mm/min
60000
CCC
vPN
Nc – kw
PC – N
VC – m/min
600001000
aa
a
vPN
Na – potência de avanço em kw
Pa – força de avanço em N
Va – vel. avanço em mm/min
Potência efetiva de corte (Ne):
aa
CC
a
C
vP
vP1000
N
N
Relação entre as potências de corte e avanço:
, onde no torneamento tem-se que:
f
d
P
P
N
N
a
C
a
C No torneamento tem-se Pc ≅ 4.5 Pa
e para f = 1 mm/volta e d = 50 mm
tem-se : Nc ≅ 707 Na
Potências de Usinagem (Ferraresi, 2006)
7560
ee
e
vPN
Obs.: Vc
Va f
d
1000
Ne – cv (cavalo vapor)
Pe – Kgf
Ve – m/min
Ne = Nc + Na
600001000
ee
e
vPN
Ne – em kw
Pe – em N
Ve – em mm/min
Analogamente nas operações com fresas cilíndricas tangenciais, através dos dados fornecidos por Ferraresi(2006), tem-se aproximadamente:
Ou seja, no fresamento cilíndrico tangencial
tem-se: Nc ≅ 170 Na
Potências de Usinagem (Ferraresi, 2006)
170a
C
N
N
Através destas relações, conclui-se que:
a maior parcela na potência efetiva de corte Ne é fornecida pela potência de corte Nc.
Para outras operações de fresamento, como também na furação e retificação, a
relação Nc/Na também é considerável.
Logo, no cálculo da POTÊNCIA EFETIVA DE CORTE pode-se assumir com suficiente aproximação:
Ne ~ Nc
PORÉM as forças de avanço e profundidade (Pa, Pp) são de grande importância no
PROJETO e na ESTABILIDADE DINÂMICA da máquina operatriz.
c
25/02/2016
Nas máquinas operatrizes com um único motor, para movimentos de corte e avanço, a potência fornecida pelo motor vale:
Potências de Usinagem (Ferraresi, 2006)
Onde η é o rendimento da máquina operatriz na faixa de 60 a 80%.
Potência fornecida pelo motor (Nm):
Nm = Nc
η
CORTE ORTOGONAL CORTE OBLÍQUO
Noções Básicas
Corte ortogonal
O fio de corte da ferramenta é perpendicular à
direção do movimento da peça.
Introdução
(de folga)
Noções Básicas
/folga
α + β + γ = 90º
CORTE ORTOGONAL
Alfa + Beta + Gama = 90º
Noções Básicas
α + β + γ = 90º
/ FOLGA
Noções Básicas
Ângulo de inclinação Lambda λ
medido no plano de corte
λ
Ângulos alfa-α, beta-β, gama-γ no plano de medida indicado
Noções Básicas
Xr + Ɛr + X’r = 180º
Xr – ângulo da aresta principal de corte
ângulo de posição da ferramenta
Ɛr – ângulo de quina
X’r – ângulo da aresta secundária de corte
(I) (II) (III)
S = p . a = h . b ... (mm2)
a - avanço (mm/rotação)
p - profundidade de corte (mm)
b - largura de corte (mm) (gume principal)
h - espessura de corte (mm)
r - ângulo da aresta principal ()
Cálculo da área da seção de corte ( S ) :
Noções Básicas
p
a
r
sen r = p
b
b = p
sen r
a
p r
sen r = h
a
h = a . sen r
r a
seção de corte
seção de corte (S)
seção de corte
b
Força de usinagem (Pu) depende:
- Material da peça;
- Área da seção de corte;
- Espessura de corte;
- Geometria da ferramenta e ângulo de posição ;
- Estado de afiação da ferramenta;
- Material da ferramenta;
- Lubrificação/Refrigeração;
- Velocidade de corte;
- Etc.
Forças de Corte
Componentes de força de usinagem no torneamento (Ferraresi, 2006)
Forças de Corte
Forças de usinagem em função do material usinado (Ferraresi, 2006)
= 15º (âng.saída)
= 43º (âng. de posição X ) ou
âng. do gume principal da ferramenta
AÇO Cr-Ni
AÇO St 42,11
Fe Fundido
Fo
rça
de
us
ina
ge
m P
(k
g*)
Secção de corte S (mm2)
Pc : Força de Corte
Pp : Força de Profundidade
Pa : Força de Avanço
Constante
Forças de Corte Influência do ângulo de posição (X) na força de usinagem (Ferraresi, 2006)
Material aço (LR = 70-80 Kgf/mm2)
Ferramenta de aço rápido
Velocidade de corte = 16 m/min
A potência de corte Pc pode ser expressa pela relação:
Pc = Ks . S , onde:
S – área da seção de corte = p . a = h . b ... (mm2)
Ks – pressão específica de corte,
é a força de corte por unidade de área da seção de corte.
Que depende:
Cálculo da Potência de Corte
Material da peça,
Secão de corte,
Geometria da Ferramenta,
Ângulo de posição Xr,
Afiação da Ferramenta,
Velocidade de Corte,
Fluido de Corte,
Rigidez da Ferramenta, etc.
Existem diversos modelos para o cálculo da Potência de Corte ...
Cálculo de Pc através da fórmula de Kienzle (Ferraresi pág. 192)
Pc = Ks1 . h(1-z) . b . cγ
onde:
Ks1 e z - são constantes do material, definidos experimentalmente e registrados na
forma de tabelas (Tab.V4),
h - espessura de corte,
b - largura de corte,
cγ - correção do ângulo gama (do plano de saída).
Potência de Corte ( ASME, AWF, Kronenberg, Kienzle)
Exercício:
Pretende-se tornear um eixo de aço ABNT 1035 (St 50,11), de diâmetro 100 mm,
profundidade de corte p = 4 mm, avanço a = 0,56 mm/volta, rotação 320 r.p.m.
Para tanto empregou-se uma ferramenta de metal duro P20 , com ângulo de posição
Xr = 60º , e ângulo de saída gama de 15º que recebeu um chanfro de 6º para reduzir a
força de corte. Calcule a potência de corte corrigida segundo Kienzle.
6º
Ks1
cγ
(cγ)
=
r
Vc = 3,14 . 0,1 . 320
Vc ~100 m/min .
Vc = π.d.n
chanfro
7560
CC
CvP
N
Força de corte sem correção:
Força de corte corrigida:
de redução da força de corte cγ ...
cγ -
(correção devido âng. gama)
Cálculo da potência de corte
http://www.mitsubishicarbide.net/contents/mht/pt/html/product/technical_information/information/formula4.html
TORNEAMENTO POTÊNCIA DE CORTE (Pc)
ap : Profundidade de Corte (mm)
f : Avanço por Rotação (mm/rot)
vc : Velocidade de Corte (m/min)
Kc : Coeficiente de Força Específica de Corte (MPa)
η : Coeficiente da Eficiência da Máquina (%)
Pc : Potência de Usinagem Efetiva (kw)
Cálculo da potência de corte Pc através da fórmula Mitsubishi :
Força de Corte
Problema
Qual é a potência de usinagem necessária para usinar aço baixo carbono com ligas
especiais, com velocidade de corte 120m/min, profundidade de corte 3mm, avanço
0,2mm/rot , e eficiência da máquina de 80% ?
Resposta
Tabela Torneamento => aço baixo carbono c/ ligas especiais Kc = 3100 MPa
avanço 0,2 mm/rot
Substituindo os respectivos valores na fórmula :
Pc = (3×0,2×120×3100) / (60×103×0,8)
Pc = 4,65 kW
Material
Resistência à
Tração e Dureza
(MPa)
Coeficiente de Força Específica de Corte Kc (MPa)
0.1
(mm/rot)
0.2
(mm/rot)
0.3
(mm/rot)
0.4
(mm/rot)
0.6
(mm/rot)
Aço Baixo
Carbono (com
ligas especiais)
520 3610 3100 2720 2500 2280
Aço Baixo
Carbono 620 3080 2700 2570 2450 2300
Aço Duro 720 4050 3600 3250 2950 2640
Aço Ferramenta 670 3040 2800 2630 2500 2400
Aço Ferramenta 770 3150 2850 2620 2450 2340
Aço Cromo-
Manganês 770 3830 3250 2900 2650 2400
Aço Cromo-
Manganês 630 4510 3900 3240 2900 2630
Aço Cromo-
Molibdênio 730 4500 3900 3400 3150 2850
Aço Cromo-
Molibdênio 600 3610 3200 2880 2700 2500
Aço Níquel
Cromo-
Molibdênio
900 3070 2650 2350 2200 1980
Aço Níquel
Cromo-
Molibdênio
352HB 3310 2900 2580 2400 2200
Ferro Fundido
Duro 46HRC 3190 2800 2600 2450 2270
Ferro Fundido
Meehanite 360 2300 1930 1730 1600 1450
Ferro Fundido
Cinzento 200HB 2110 1800 1600 1400 1330
(TORNEAMENTO)
http://www.mitsubishicarbide.net/contents/mht/pt/html/product/technical_information/information/formula4.html
FRESAMENTO POTÊNCIA DE CORTE (Pc)
ap : Profundidade de Corte (mm)
ae : Largura de Corte (mm)
vf : Avanço da Mesa (mm/min)
Kc : Coeficiente de Força Específica de Corte (MPa)
η : Coeficiente da Eficiência da Máquina (%)
Pc : Potência de Corte Efetiva (kw)
Cálculo da potência de corte Pc através da fórmula Mitsubishi :
(Resposta)
Primeiro, calcule a rotação da ferramenta para obter o avanço por dente.
Rotação da ferramenta (n) = (1000vc) / (πD1)=(1000×80) / (3,14×250) = 101,91 r.p.m.
Avanço por Dente fz = vf / (z×n) = 280 / (12×101,9) = 0,228 mm/dente
Da tabela de fresamento (material x avanço por dente) => Kc = 1800 MPa
Substitua a força específica de corte na fórmula.
Pc=(2×80×280×1800) / (60×106×0,8)=1,68 kW
(Problema)
Qual é a potência de corte necessária para fresar aço baixo carbono, utilizando
máq. ferramenta com velocidade de corte de 80m/min; profundidade de corte de
2mm; largura de corte 80mm, avanço da mesa 280mm/min com uma fresa de
D1=250 mm de diâmetro e Z=12 insertos. Eficiência da máquina 80%.
http://www.mitsubishicarbide.net/contents/mht/pt/html/product/technical_information/information/formula4.html
... [ kW ]
Material Resistência à
Tração e Dureza (MPa)
Coeficiente de Força Específica Kc (MPa)
0.1
(mm/dente)
0.2
(mm/dente)
0.3
(mm/dente)
0.4
mm/dente)
0.6
(mm/dente)
Aço Baixo Carbono (com ligas
especiais) 520 2200 1950 1820 1700 1580
Aço Baixo Carbono 620 1980 1800 1730 1600 1570
Aço Duro 720 2520 2200 2040 1850 1740
Aço Ferramenta 670 1980 1800 1730 1700 1600
Aço Ferramenta 770 2030 1800 1750 1700 1580
Aço Cromo-Manganês 770 2300 2000 1880 1750 1660
Aço Cromo-Manganês 630 2750 2300 2060 1800 1780
Aço Cromo-Molibdênio 730 2540 2250 2140 2000 1800
Aço Cromo-Molibdênio 600 2180 2000 1860 1800 1670
Aço Níquel Cromo-Molibdênio 940 2000 1800 1680 1600 1500
Aço Níquel Cromo-Molibdênio 352HB 2100 1900 1760 1700 1530
Aço Inoxidável Austenítico 155HB 2030 1970 1900 1770 1710
Ferro Fundido 520 2800 2500 2320 2200 2040
Ferro Fundido Meehanite 46HRC 3000 2700 2500 2400 2200
Ferro Fundido Duro 360 2180 2000 1750 1600 1470
Ferro Fundido Cinzento 200HB 1750 1400 1240 1050 970
Latão 500 1150 950 800 700 630
Ligas Leves (Al-Mg) 160 580 480 400 350 320
Ligas Leves (Al-Si) 200 700 600 490 450 390
Ligas Leves (Al-Zn-Mg-Cu) 570 880 840 840 810 720
(FRESAMENTO)