Captulo 03

FORAS DURANTE A USINAGEM

3. Foras durante a usinagem [11]O conhecimento do comportamento e da ordem de grandeza dos esforos de corte

durante os processos de usinagem fundamental para:

a definio da potncia necessria do equipamento a definio da capacidade de obteno de tolerncias estreitas a previso de temperatura de corte e desgaste da ferramenta

As foras de usinagem so consideradas como uma ao da pea sobre a ferramenta(figura a seguir).

Figura 3.1. Fora de usinagem e suas diversas componentes na operao de torneamento.

Fu = fora total resultante que atua sobre a cunha cortante durante a usinagem.

Em princpio, nem a direo, nem o sentido da fora de usinagem so conhecidos;ento, no se trabalha com a fora de usinagem propriamente, mas com suas componentessegundo diversas direes conhecidas, inicialmente, Fu decomposta em uma componenteque est no plano de trabalho, chamada fora ativa (Ft) e uma componente perpendicular aoplano de trabalho, chamada fora passiva ou fora de profundidade (Fp).

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A fora ativa, por sua vez, decomposta em diversas outras, Componentes da ForaAtiva (Ft = componente de Fu no plano de trabalho). As componentes da fora ativacontribuem para a potncia de usinagem, pois esto no plano de trabalho, onde osmovimentos de usinagem so realizados: Fora de corte (Fc) = projeo de Fu sobre a direo de corte; Fora de avano (Ff) = projeo de Fu sobre a direo de avano; Fora de apoio (Fap) = projeo de Fu sobre a direo perpendicular direo de

avano, situada no plano de trabalho (observe-se a figura que se segue, envolvendo oprocesso de fresamento);

Fora efetiva de corte (Fe) = projeo de Fu sobre a direo efetiva de corte.

Figura 3.2. Fora de usinagem e suas diversas componentes na operao de fresamento.

Assim, tem-se as seguintes equaes:

22 FfFapFt +=

22 FfFtFap =

Quando o ngulo da direo de avano = 90 (no torneamento, por exemplo):

22 FfFcFt +=

22 FfFtFc =

Componente de Fu num plano perpendicular ao plano de trabalho (Fp = fora passivaou de profundidade); esta componente no contribui para a potncia de usinagem, pois perpendicular aos movimentos ( perpendicular ao plano de trabalho, onde ocorrem osmovimentos de corte e de avano). Esta fora responsvel pela deflexo elstica da pea eda ferramenta durante o corte e, portanto, responsvel pela dificuldade de obteno detolerncias de forma e dimenso apertadas.

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Assim, tem-se a seguinte relao entre as foras de usinagem (ativa e passiva):

22 FtFpFu +=

3.1. Potncias de Usinagem

As potncias geradas pela mquina-ferramenta tm como funes principais amovimentao do eixo-rvore e a execuo dos movimentos de corte e de avano.

Potncia de corteFc (kgf)

75.60.VcFcPc = Vc (m/min)

Pc (CV) Potncia de avano

Ff (kgf)

75.60.1000.VfFfPf = Vf (mm/min)

Pf (CV)

3.2. Relao entre potncia de corte e de avano

Das equaes anteriores:

VfFfVcFc

PfPc

.

..1000=

Mas:

Vf = f.n (mm/min)

e:

1000.. ndVc pi= (m/min)

Ento, das equaes anteriores, tem-se que:

fd

FfFc

nfnd

FfFc

PfPc

.

.

..

. pipi

==

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No torneamento, tem-se que Fc ~ 4,5 Ff. Tomando-se, por exemplo, d = 10 mm e f = 1mm/volta (que so limites extremos para esta anlise: d muito pequeno e f muitogrande, a fim de tornar a relao Pc/Pf a menor possvel), resulta:

14010.5,4. = piPfPc

Isto significa que a potncia de avano, numa situao extrema, 140 vezes menor quea potncia de corte. Esta diferena permite desprezar a potncia de avano nodimensionamento do motor da mquina, naquelas situaes em que somente um motor responsvel tanto pelo movimento de avano, quanto pelo movimento de corte; quando amquina possui motor independente para o movimento de avano, verifica-se que este muito menos robusto que o motor responsvel pelo movimento de corte.

3.3. Potncia Fornecida pelo Motor

Nas mquinas que apresentam um nico motor para os movimentos de corte e avano,como Pc muito maior que Pf, despreza-se Pf e faz-se:

PcPm =

= rendimento da mquina operatriz (60 a 80% em mquinas convencionais, superior a90% em mquinas CNC).

3.4. Fora de Corte X Condies de Trabalho

A fora de corte pode ser expressa pela seguinte relao:

AKsFc .= Ks = presso especfica de corteA = rea da seco de corte

No torneamento: A = b.h = ap.f

A presso especfica de corte depende dos seguintes fatores: material da pea; material e geometria da ferramenta; seco de corte; velocidade de corte; condies de lubrificao e refrigerao; afiao da ferramenta.

3.5. Clculo da presso especfica de corte

Frmula de Kienzle, onde Ks figura como funo da espessura de corte h. Oaumento de Ks com a diminuio de h uma propriedade geral, que vale para todas asoperaes de usinagem; a figura a seguir mostra a representao grfica do valor de Ksem funo de h para um determinado par ferramenta-pea.

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Figura 3.3. Variao da presso especfica de corte com a espessura de corte.

A equao desta curva pode ser dada por:

z

zhKs

hKsKs == .11

onde Ks1 e z so constantes do material.

Substituindo-se equaes anteriores nesta ltima, a fora de corte (Fc) resulta:

bhKsbhKsFc z ..1.. 1==

Kienzle tabelou valores de Ks1 e 1-z, a partir de ensaios que realizou, sobdeterminadas condies.

A empresa Sandvik Coromant, ao invs de tabelar os valores de Ks1 e 1-z, preferiutabelar o valor de Ks para h=0,4 mm e apresentar uma equao de correo para Ks,quando a espessura de corte diferente deste valor. As tabelas de tal empresa foramlevantadas para ngulo de sada da ferramenta de 6 (as tabelas para diferentes materiais soapresentadas em catlogos da empresa). A equao para correo de Ks a seguinte:

29,04,0.

=

hKstabeladooKscorrigid

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3.6. Escolha do avano, da profundidade de corte e da velocidade de corte

A potncia de corte dada por:

75.60...

75.60. apfVcKsVcFcPc ==

Admita-se inicialmente que a rea da seco de corte permanea constante.Aumentando-se o avano f e diminuindo-se a profundidade de corte ap na mesmaproporo, a presso especfica de corte Ks diminui. Logo, para a mesma potncia decorte Pc, mesma rea de corte A, tem-se de acordo com a equao acima apossibilidade de utilizar uma velocidade de corte maior. Isto permitir uma remoo demaior quantidade de cavaco na unidade de tempo e por unidade de potncia. Porm, doisfatores importantes devem ser levados em considerao: o desgaste da ferramenta; o acabamento da superfcie usinada.

Como foi visto anteriormente, o avano influencia mais no desgaste do que aprofundidade de corte. Logo, um aumento da produo de cavaco proveniente do aumentodo avano e diminuio da profundidade de corte, acarreta um desgaste maior daferramenta, maior ainda se este aumento do avano for acompanhado pelo crescimento davelocidade de corte (conforme sugerido acima).

Tambm j foi mencionado que o aumento do avano contribui para o aumento darugosidade superficial da pea. Portanto, a soluo encontrada acima para diminuir apotncia (aumentar f e diminuir ap na mesma proporo) ou para manter a potnciaconstante e retirar maior volume de cavaco na unidade de tempo (aumentar f e diminuirap na mesma proporo e aumentar Vc) trar danos para o desgaste da ferramenta epara o acabamento da pea e somente deve ser utilizada quando se tem problemas depotncia de mquina, ou em algum outro caso especfico.

No estudo dos fatores de influncia no desgaste e vida da ferramenta, viu-se que avelocidade de corte tem uma influncia bem maior no desgaste da ferramenta do que oavano. Assim, se o avano aumentado e a velocidade de corte diminuda na mesmaproporo, o volume de cavaco retirado na unidade de tempo mantido constante e a vidada ferramenta cresce consideravelmente. Porm, com isso, a fora de corte cresce (mas apotncia cai, pois Ks diminui com o aumento do avano e o produto Vc.f.ap ficaconstante na equao acima), o que pode causar vibrao. Alm disso, existem outraslimitaes a este procedimento: a diminuio da velocidade de corte no pode ser tal queultrapasse o valor da velocidade crtica e comece a produzir aresta postia de corte econseqente maior desgaste da ferramenta. O aumento do avano causa aumento darugosidade da pea (deve ser feito com muito cuidado em operaes de acabamento) e limitado pelo raio de ponta da ferramenta.

Ento, em operaes de desbaste, onde o objetivo retirar material da pea sem muitapreocupao com o acabamento superficial, o avano (limitado pela resistncia daferramenta e pela fora de corte que pode causar vibrao) e a profundidade de corte

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(limitada pela fora de corte e pelo sobrematerial da pea) devem ser os maiores possveis ea velocidade de corte pequena. Assim, grande quantidade de cavaco retirada na unidadede tempo e se otimiza a vida da ferramenta. O quo pequena deve ser esta velocidade decorte, depois de escolhido o avano e a profundidade de corte, depende de consideraeseconmicas, que sero abordadas mais adiante.

Em operaes de acabamento, onde a finalidade obter qualidade superficial,dimensional e geomtrica na pea, o avano e a profundidade de corte devem ser pequenose a velocidade de corte deve ser mais elevada, a fim de que seja removida uma quantidadede cavaco razovel na unidade de tempo. O quo mais alta deve ser esta velocidade decorte, depois de escolhido o avano e a profundidade de corte, depende mais uma vez de consideraes econmicas, as quais sero abordadas adiante.