Cinemática, Forças e Potências na Usinagem
Bibliografia Principal -Dino Ferraresi -Apostila2 UFRGS
Cinemática, Forças e Potências na Usinagem
Conceitos Básicos Grandezas do processo de usinagem Dispositivo de fixação
Peça
Ferramenta Porta-ferramenta
Máquina-ferramenta
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Cinemática, Forças e Potências na Usinagem
Conceitos Básicos Grandezas do processo de usinagem Dispositivo de fixação
Peça
Ferramenta Porta-ferramenta
Máquina-ferramenta
2
Cinemática dos processos de usinagem Movimentos no Torneamento Movimentos relativos entre peça e ferramenta. Movimento Rotativo da Peça Movimento de Avanço da Ferramenta (Longitudinal) Peça
Parâmetros de corte:
Ferramenta
Velocidade
de corte - Vc Velocidade de avanço - Vf
VELOCIDADES/CINEMÁTICA DO PROCESSO DE USINAGEM Velocidade de corte (Vc) ( Vc) Velocidade instantânea do ponto de referência da aresta cortante, segundo a direção de corte Velocidade de avanço (Vf) Velocidade instantânea da ferramenta fe rramenta segundo a direção e sentido de avanço Velocidade efetiva de corte (Ve) Velocidade instantânea do ponto de referência da aresta cortante, Ve Vc segundo a direção efetiva de corte
Vf
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.
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Cinemática dos processos de usinagem Movimentos e Velocidades no Torneamento Veloc. Efetiva de Corte
Veloc. Avanço - Vf
Parâmetros de corte: Velocidade
de corte - Vc Velocidade de avanço - Vf Profundidade de corte - a
Veloc. de Corte Movimento Rotativo da Peça
Mov. Avanço da Ferramenta
Velocidades no Torneamento: - Velocidade de corte (Vc) - Velocidade de avanço (Vf) - Velocidade efetiva de corte (Ve)
Cinemática dos processos de usinagem Movimentos e Velocidades no Fresamento Discordante
Ve
Veloc. de Avanço
Vc
Vf Vc
Veloc. Efetiva de Corte Veloc. de Corte
Cinemática dos processos de usinagem Movimentos e Velocidades no Fresamento
(a)
(b)
Cinemática dos processos de usinagem Movimentos e Velocidade na Furação Movimento de Rotativo
Movimento de Avanço
Veloc. de Corte
Veloc. de Avanço
Veloc. Efetiva de Corte 9
Cinemática dos processos de usinagem Movimentos e Velocidades na Retificação Veloc. de Corte Veloc. Efetiva de Corte Ve Veloc. de Avanço
Vc Va
Retificação Tangencial Plana
Velocidades do Processo de Torneamento Velocidade de corte - Vc Veloc. de Corte Veloc. Efetiva de Corte
Veloc. de Avanço Vf
V C Movimento Rotativo
d n
1.000
[m / min]
d = diâmetro ( mm ) n = nº rotações / min
Mov.Avanço da Ferramenta
Velocidade de avanço - V f V f = f . n [ mm / min ] f = avanço ( mm / rotação ) n = nº de rotações / min
Obs.:
Vc Vf
d
1000 f
Componentes de força de usinagem no torneamento (Adaptado de Ferraresi, 2006)
Veloc. de Corte
Veloc. Efetiva de Corte
Movimento Rotativo da Peça Mov. Avanço da Ferramenta
Fa
Veloc. de Avanço Vf Fp
Ft Fap = Fc
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 –
Fu
Componentes de força de usinagem no torneamento - Força de corte/de apoio (Fc) - Força de avanço (Fa) - Força de profundidade (Fp) -Força de usinagem (Fu) -Força ativa (Ft) (Plano Trabalho)
(Adaptado de Ferraresi, 2006)
A B
Fa
Fp
Da figura ao lado conclui-se, através do Teorema de Pitágoras: Ft C
Fc
D Fu
∆ ABC ... Ft2 = Fa2 + Fc2 ... (A) ∆ ACD ... Fu2 = Ft2 + Fp2 ... (B) (A)=>(B) ... Fu2 =
Fa2 + Fc2 + Fp2
Forças de Corte Notação Ferraresi - Força ativa (Pt) Projeção da força de usinagem sobre o plano de trabalho
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Forças de Corte Notação Ferraresi - Força de corte (Pc) Projeção da força de usinagem sobre a direção de corte
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Forças de Corte Notação Ferraresi - Força de avanço (Pa) Projeção da força de usinagem sobre a direção de avanço
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Forças de Corte Notação Ferraresi - Força passiva ou de profundidade (Pp) Projeção da força de usinagem sobre a direção perpendicular ao plano de trabalho.
P p P p
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2 Pu
Pu2
2 Pt 2 (Pap
Pa2 )
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 Força ativa
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Pt
2 Pap
2 Pa
Pap
Pt2
Pa2
Potências de Usinagem (Ferraresi, 2006) Potência de corte (NC) produto da força de corte pela velocidade de corte –
N C
Nc – cv (cavalo vapor)
P C vC
PC – Kgf VC – m/min
60 75
N C
Nc – kw
P C vC
PC – N VC – m/min
60000
Potência de avanço (Na) produto da força de avanço pela velocidade de avanço –
N a
P a va
1000 60 75
N a
P a va
1000 60000
Na – potência de avanço em cv
Na – potência de avanço em kw
Pa – força de avanço em Kgf Va – vel. avanço em mm/min
Pa – força de avanço em N Va – vel. avanço em mm/min
Potências de Usinagem (Ferraresi, 2006) Potência efetiva de corte (Ne): Ne = Nc + Na N e
Ne – cv (cavalo vapor)
P e ve
Pe – Kgf Ve – m/min
60 75
N e
Ne
P e ve
1000 60000
Pe Ve
– – –
em kw em N em mm/min
Relação entre as potências de corte e avanço:
NC Na
1000
PC vC
Obs.:
Pa va
Vc Va
d
1000 f
, onde no torneamento tem-se que:
NC
PC
Na
Pa
d f
No torneamento tem-se Pc ≅ 4.5 Pa e para f = 1 mm/volta e d = 50 mm tem-se :
Nc ≅ 707 Na
25/02/2016
Potências de Usinagem (Ferraresi, 2006)
Analogamente nas operações com fresas cilíndricas tangenciais, através dos dados fornecidos por Ferraresi(2006), tem-se aproximadamente: N C
c
N a
170
Ou seja, no fresamento cilíndrico tangencial tem-se: Nc ≅ 170 Na
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.
Potências de Usinagem (Ferraresi, 2006) Potência fornecida pelo motor (Nm): Nas máquinas operatrizes com um único motor, para movimentos de corte e avanço, a potência fornecida pelo motor vale: Nc Nm = η
Onde η é o rendimento da máquina operatriz na faixa de 60 a 80%.
Noções Básicas
CORTE ORTOGONAL
CORTE OBLÍQUO
Corte ortogonal O fio de corte da ferramenta é perpendicular à direção do movimento da peça.
Noções Básicas Introdução (de folga) CORTE ORTOGONAL
/folga
α
+ β +
γ
= 90º
Alfa + Beta + Gama = 90º
Noções Básicas
/ FOLGA
α
+ β
+
γ
= 90º
Noções Básicas
λ
Ângulos alfa-α, beta-β, gama-γ no plano de medida indicado
Ângulo de inclinação Lambda medido no plano de corte
λ
Noções Básicas Xr – ângulo da aresta principal de corte ângulo de posição da ferramenta Ɛr – ângulo de quina X’r – ângulo da aresta secundária de corte Xr + Ɛr + X’r = 180º
(I)
(II)
(III)
Noções Básicas
seção de corte (S)
Cálculo da área da seção de corte ( S ) :
S = p . a = h . b ... (mm2)
a - avanço (mm/rotação) p - profundidade de corte (mm) b - largura de corte (mm)
a
(gume principal)
p
h - espessura de corte (mm)
r
r - ângulo da aresta principal ()
seção de corte
sen r =
a p
seção de corte
r
b
b =
p
p b
sen r =
a
h a
r
h
= a . sen r
Forças de Corte 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.
Componentes de força de usinagem no torneamento (Ferraresi, 2006)
Forças de Corte Forças de usinagem em função do material usinado (Ferraresi, 2006) AÇO Cr-Ni = 15º (âng.saída) Constante
) * g k ( P m e g a n i s u e d a ç r o F
AÇO St 42,11
(âng. de posição X ) ou âng. do gume principal da ferramenta
= 43º
Pc : Força de Corte Pp : Força de Profundidade Pa : Força de Avanço
Fe Fundido
Secção de corte S (mm 2)
Forças de Corte Influência do ângulo de posição (X) na força de usinagem (Ferraresi, 2006) Material aço (LR = 70-80 Kgf/mm 2) Ferramenta de aço rápido Velocidade de corte = 16 m/min
Cálculo da Potência de Corte 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: 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.
Potência de Corte ( ASME, AWF, Kronenberg, Kienzle) 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 . c γ
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, c γ - correção do ângulo gama (do plano de saída). 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
K s1
c γ
r
Força de corte sem correção:
c γ -
chanfro de redução da força de corte (correção devido âng. gama)
c γ ... (c γ ) Força de corte corrigida:
N C
P C vC
60 75
=
Vc = π.d.n Vc = 3,14 . 0,1 . 320 Vc ~100 m/min .
Cálculo da potência de corte
Força de Corte Cálculo da potência de corte Pc através da fórmula Mitsubishi : 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)
http://www.mitsubishicarbide.net/contents/mht/pt/html/product/technical_information/information/formula4.html
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 avanço 0,2 mm/rot Substituindo os respectivos valores na fórmula : Pc = (3×0,2×120×3100) / (60×10 3×0,8) Pc = 4,65 kW
Kc = 3100 MPa
Coeficiente de Força Específica de Corte Kc (MPa)
(TORNEAMENTO)
Resistência à Tração e Dureza (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 CromoManganês
770
3830
3250
2900
2650
2400
Aço CromoManganês
630
4510
3900
3240
2900
2630
Aço CromoMolibdênio
730
4500
3900
3400
3150
2850
Aço CromoMolibdênio
600
3610
3200
2880
2700
2500
Aço Níquel CromoMolibdênio
900
3070
2650
2350
2200
1980
Aço Níquel CromoMolibdênio
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
Material
Cálculo da potência de corte Pc através da fórmula Mitsubishi : 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)
http://www.mitsubishicarbide.net/contents/mht/pt/html/product/technical_information/information/formula4.html
(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 f resa de D1=250 mm de diâmetro e Z=12 insertos. Eficiência da máquina 80%.
... [ kW ] (Resposta) Primeiro, calcule a rotação da ferramenta para obter o avanço por dente. Rotação da ferramenta (n) = (1000vc) / (πD 1)=(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) / (60×10 6×0,8)=1,68 kW http://www.mitsubishicarbide.net/contents/mht/pt/html/product/technical_information/information/formula4.html
