1.0 introdução
Todos os conjuntos mecânicos que nos cercam são formados por uma porção de peças: eixos, anéis, discos, rodas, engrenagens, juntas suportes, parafusos, carcaças... Para que essas peças sirvam às necessidades para as quais foram fabricadas, elas devem ter exatidão de medidas e um determinado acabamento em sua superfície. A maioria dos livros sobre processos de fabricação diz que é possível fabricar essas peças de dois modos: sem produção de cavacos, como nos processos metalúrgicos (fundição, laminação, trefilação etc.), e com produção de cavacos, o que caracteriza todos os processos de usinagem. Nste relatório enfocaremos um processo de usinagem usinagem muito utilizado, utilizado, a frenagem frenagem
2.0 Fresagem ou Fresamento
2.1 Definição
A fresagem é um processo de usinagem mecânica, feito por fresadoras e ferramentas especiais chamadas fresas. Na fresagem, a remoção do sobremetal da peça é feita pela combinação de dois movimentos, realizados ao mesmo tempo. Um dos movimentos é o de rotação da ferramenta, a fresa. O outro é movimento é da mesa da máquina, onde é fixada a peça a ser usinada. É o movimento da mesa da máquina ou movimento de avanço que leva a peça até a fresa e torna possível a operção operção de usinagem.
Figura 2.1; Fresagem O movimento de avanço pode levar a peça contra o movimento de giro do dente da fresa. É o chamado movimento discordante. Quando o movimento da peça é no mesmo sentido de movimento do dente da fresa, é chamado de movimento concordante (Figura 1.0). A maioria das fresadoras trabalham com o movimento de avanço da mesa baseado em uma porca e um parafuso. Com o tempo e desgaste da máquina ocorre uma folga entre eles. No movimento concordante a folga é empurrada pelo dente da fresa no mesmo sentido de desloc deslocame amento nto da mesa. mesa. Isto Isto faz com que a mesa mesa execut executee movim moviment entos os irregu irregular lares, es, que prejud prejudica icam m o acabamento da peça e podem até quebrar o dente da fresa. No movimento discordante, a folga não influi no deslocamento da mesa. Por isso, a mesa tem um movimento de avanço mais uniforme, gerando um melhor acabamento da peça. Quando a forma construtiva da mesa é através de porca e parafuso, é melhor o movimento discordante. Basta observar o sentido de giro da fresa e fazer a peça avançar contra o dente da fresa.
A fresadora presta-se para usinar diversas superfícies planas, destacando se pela rapidez, pois a fresa é uma ferramenta multicortante.
2.2 Maquina fresadora
As máquinas fresadoras são classificadas, geralmente, de acordo com a posição do seu eixo-árvore (fixação da fresa) em relação à mesa de trabalho (fixação da peça). Em relação ao eixo-árvore são classificadas em horizontal (paralelo à mesa), vertical (perpendicular à mesa) e universal (com dois eixosárvore: horizontal e vertical) Outros tipos de fresadoras são:
•
Fresadora copiadora, a qual trabalha com uma mesa e dois cabeçotes- um cabeçote apalpador e outro de usinagem.
•
Fresadora pantográfica ou pantógrafo: permitem a cópia de um modelo, movimento de coordenadas operado manualmente, permitem trabalhar detalhes mais difíceis de serem obtidos através da copiadora.
•
Fresadora CNC e as geradoras de engrenagens, requerem atenção especial por disporem de tecnologia mais diferenciada para comando e operação.
Figura 2.2: Máquina fresadora – Principais componentes
2.3 Principais acessórios
Os principais acessórios utilizados em operações de fresamento relacionam-se à fixação da peça na mesa de trabalho. São elas:
Figura 2.3: Parafusos e grampos de fixação
Figura 2.4: Calços
Figura 2.5: Cantoneiras de ângulo fixo ou ajustável
Figura 2.6: Morsas
Figura 2.6: Mesa divisora
Figura 2.7: Divisor universal e contraponto É muito importante ressaltar que a instalação de alguns acessórios, na mesa de trabalho da fresadora, devem ser realizadas com muita atenção para evitar erros dimensionais na usinagem. O exemplo clássico é a instalação de uma morsa. Após sua fixação na mesa deve-se fazer seu alinhamento, com auxílio de um relógio comparador, apalpando o seu mordente fixo que deverá ficar paralelo ao movimento da mesa. Também é necessário verificar se não há cavacos que mantenham a morsa ligeiramente inclinada no plano paralelo ao chão.
Um outro conjunto de acessórios de grande importância está relacionado com a fixação das ferramentas. Como já foi mencionado, o eixo árvore possui em sua extremidade um cone e chavetas. Neste cone pode-se fixar um mandril ou uma ferramenta de haste cônica. Para garantir a fixação utiliza-se uma haste roscada que atravessa a árvore. As chavetas evitam o deslizamento. Há ferramentas de haste cônica que podem ser fixadas diretamente no cone de fixação do eixoárvore, que pode ser Morse (menor esforço) ou ISO (maior fixação). Normalmente se tratam de ferramentas relativamente grandes. Para fixar-se ferramentas menores, que possuem outra dimensão de cone, utiliza-se um mandril adaptador, como mostrado na Figura 2.8. Nesta mesma figura pode-se observar na ponta do mandril a rosca onde fixa-se a haste roscada.
Figura 2.8: Mandril adaptador para ferramentas de haste cônica Com relação ao mandril, pode-se ter três tipos: universal (Jacobs), porta-pinça e porta-ferramenta. O mandril universal é muito utilizado em furadeiras manuais, mas também pode ser utilizado em fresadoras, mas com ressalvas. Só podem ser fixadas ferramentas de haste cilíndrica e cujo esforço não seja elevado, pois a pressão não será suficiente. A Figura 2.9 apresenta um mandril Jacobs.
Figura 2.9: Mandril universal tipo Jacobs
O mandril porta-pinça possui modo de trabalho similar ao jacobs, mas permite uma força de fixação maior. Também é indicado para ferramentas de haste cilíndrica. A pinça é uma peça única com um furo central no diâmetro da haste a ser fixada e com diversos cortes longitudinais que lhe dão flexibilidade de fechar este furo em alguns décimos de milímetro. Este mandril é composto de duas partes. A primeira, que é o
mandril propriamente dito, possui uma cavidade que receberá a pinça. Esta cavidade possui uma superfície cônica de igual formato da pinça. A segunda parte é denominada de porca, e é rosqueada no mandril. A Figura 2.10 ilustra um mandril porta-pinça e dois modelos de pinça. Durante o rosqueamento a porca força a pinça a entrar na cavidade do mandril, e devido a forma cônica, obriga a pinça a se fechar e fixar a ferramenta.
Figura 2.10: Mandril porta pinça e dois modelos de pinças Para ferramentas de maior porte, e consequentemente, maior esforço de usinagem, é necessário uma maior garantia de que não haja um deslizamento entre o mandril e a própria ferramenta. Nestes casos o mandril possui chavetas, que podem ser transversais (quando o mandril é curto) ou longitudinais. A Figura 2.11 apresenta alguns modelos de mandril.
Figura 2.11: Alguns modelos de mandril A Figura 2.12apresenta um mandril curto com chaveta longitudinal. A Figura 2.13 lustra o mandril curto com chaveta transversal. A Figura 2.14 apresenta um mandril porta-fresa longo com chaveta longitudinal, também denominado de eixo porta fresa de haste longa.
Figura 2.12: Mandril porta-fresa curto com chaveta longitudinal
Figura 2.13: Mandril porta-fresa curto com chaveta transversal
Figura 2.14: Mandril porta-fresa longo com chaveta longitudinal 2.4 Fresando com aparelho divisor
O aparelho divisor é um acessório utilizado na máquina fresadora para fazer divisões no movimento de giro da peça. As divisões são muito mais úteis, quando se quer fresar com precisão superfícies, que devem guardar uma distância angular igual à distância angular de uma outra superfície, tomada como referência. Permite dessa forma, usinar quadrados, hexágonos, rodas dentadas ou outros perfis que dificilmente poderiam ser obtidos de outra maneira.
Ao fixar a peça, uma das superfícies deve ser presa na placa do cabeçote divisor. Caso o comprimento da peça (L) seja maior que 1,5 vezes o diâmetro da peça (D), deve-se usar na outra extremidade um contraponta. A extremidade da peça a ser fixada pelo contraponta, deve ser furada no torno com uma broca de centro.
Figura 2.15: Aparelho divisor 2.5 Fresando engrenagens cilíndricas de dentes retos
Existem máquinas especiais que são empregadas para produzir engrenagens. Nas fresadoras, as mesmas são fabricadas com fresas de perfil constante chamadas de fresa módulo.
Figura 2.16: Fresagem de engrenagem de dentes retos O módulo de uma engrenagem é o quociente entre o diâmetro primitivo e o número de dentes (Figura 2.17)
Figura 2.17: Engrenagem de dentes retos As dimensões de uma engrenagem são parametrizadas (dependentes) do módulo. A partir do ponto de contato para transmissão entre o par de engrenagens, é traçado o diâmetro primitivo de cada engrenagem. Nesse ponto determina-se, pelo perfil da fresa módulo, o chamado ângulo de pressão. Em geral esse ângulo de pressão é 20° (Figura 2.18).
Figura 2.18: Ângulo de pressão
Em geral, conforme a necessidade de projeto essas características são previamente determinada e encomendadas para a fabricação. O operador da fresadora deve ser informado, através do desenho, o módulo e o número de dentes das engrenagens a serem usinadas. As engrenagens cilíndricas de dentes retos, têm forma de disco e os dentes são paralelos ao cubo da engrenagem. Os parâmetros, para conferir se peça, obtida a partir do torno estão corretas são as seguintes:
O próximo passo é montar e preparar o cabeçote divisor. Para tanto, faz-se o cálculo do número de furos que o disco deve ter. Através da divisão indireta, há a possibilidade de um maior número de divisões; essa nomenclatura deve-se ao sistema de transmissão de movimento do manípulo para a árvore. Através da expressão abaixo determina-se essa divisão indireta:
Figura 2.19: Divisor universal A relação do divisor é de 40:1 - 60:1 - 80:1 - 120:1. A mais utilizada, e disponível é 40:1, RD=40.
Como resultado obtido, tem-se que é preciso dar uma volta e mais 15 furos em um disco de 25 furos. Não existindo disco com circunferência de 25 furos, faz-se uma simplificação da equação 15/25 = 3/5 procurando uma circunferência cuja quantidade de furos seja múltiplo do denominador, deve-se escolher a o maior valor. Dessa forma está feita a seleção do diâmetro com a quantidade de furos para a usinagem da engrenagem desejada.
Tabela 1: Disco divisor
Tabela 2: Engrenagens com módulo <= 10
Tabela 3: Engrenagens com módulo > 10 2.6 Fresando engrenagens cilíndricas de dentes helicoidais
Para a fresagem de engrenagens cilíndricas de dentes helicoidais, faz-se necessário conhecer os parâmetros geométricos de uma hélice. Esses parâmetros iniciais são: ângulo de inclinação ( ), passo normal
(pn), passo frontal (pf) e passo da hélice (ph). A expressão para o cálculo do passo da hélice:
ph
dp π ⋅
=
tg β
Figura 2.20: Passo da hélice Deve-se fazer a seleção de um conjunto de engrenagens para obter o movimento sincronizado entre o aparelho divisor, cujo cabeçote fixa-se o disco da engrenagem a ser usinada, com o movimento da mesa para fabricação da hélice.
passo _ cons tan te _ da _ fresadora
=
engrenagen s _ motrizes
passo _ da _ helice _ da _ engrenagem engrenagen s _ conduzidas
Figura 2.21: Inclinação da mesa Determina-se o chamado passo constante da fresadora (pc), conhecendo-se antecipadamente a relação do divisor (RD) e o passo do fuso da mesa (pF).
pc
RD pF
=
⋅
A escolha da fresa módulo será, para manter o mesmo procedimento para a usinagem de engrenagens cilíndricas de dentes retos, a partir da tabela relacionando o número de dentes da engrenagem a ser usinada, com o seu respectivo módulo. Entretanto, será usado o número de dentes imaginários (Zi):
Z i
=
Z cos
3
β
A coleção de engrenagens, mais comumente utilizadas nas fresadoras são: 25 – 30 – 40 – 50 – 55 – 60 – 70 – 80 – 90 – 100 – 127
Figura 2.22: Engrenages do divisor Cálculo do módulo frontal (mf):
mf =
m cos β
Cálculo do diâmetro primitivo (dp): dp
=
mf Z ⋅
Cálculo do diâmetro externo (de), a partir dessa expressão o módulo da engrenagem será designado como módulo normal (mn): de = dp + 2 ⋅ mn
Cálculo da altura do dente (h): h
=
2,166 mn ⋅
Cálculo da largura da engrenagem (b): b
=
8
⋅
mn
2.6 Ferramenta para fresar
É a ferramenta empregada pela fresadora, a qual apresenta uma vantagem em relação a outros tipos de ferramentas de corte, pois os dentes que não estão trabalhando estão sendo resfriados, reduzindo o desgaste da ferramenta. Conforme o ângulo de cunha das fresas, elas são classificadas em tipos: W, N e H:
•
A fresa tipo W é empregada para usinagem de materiais não ferrosos de baixa dureza: alumínio, bronze e plástico.
•
A fresa tipo N, empregada para materiais de dureza média, ou seja, menores de 700 N/mm2 de resistência à tração.
•
A fresa tipo H, recomendada para usinar materiais quebradiços ou duros, com mais de 700 N/mm2.
A quantidade de dentes entre as fresas deve-se a capacidade de conseguir usinar materiais mais resistentes. Fresas de perfil constante
Utilizadas para abrir canais, superfícies côncavas e convexas ou gerar engrenagens.
Fresas planas
Empregadas para trabalhar superfícies planas, abrir rasgos e canais. Fresas angulares
Utilizadas para usinagem de perfis em ângulo, tais como rasgos prismáticos e encaixes tipo rab-deandorinha. Fresas para rasgos
Para rasgos de chaveta, ranhura reta ou em perfil T. Fresas dentes postiços
Mais conhecidas como cabeçotes de fresamento, empregam pastilhas de metal duro fixadas por parafusos , pinos ou garras de fácil substituição. Fresas para desbaste
Utilizadas para desbaste de grande quantidade de material de uma peça. As fresas podem ser classificadas de várias maneiras. A primeira delas seria quanto a forma geral. As fresas podem ser cilíndricas, cônicas ou ainda de forma. A Figura 2.23 apresenta fresas cilíndricas. As ferramentas mais estreitas são também chamadas de fresas de disco, enquanto as ferramentas que possuem haste própria são denominadas de fresas de haste ou fresas de topo (lado direito da Figura 2.23).
Figura 2.23: Fresas cilíndricas
As fresas cônicas ou angulares podem possuir apenas um ângulo, como as fresas para encaixes tipo cauda-de-andorinha, ou possuir dois ângulos. Neste segundo caso podem ser classificadas como simétricas (ângulos iguais) ou biangulares (ângulos diferentes). Normalmente as fresas para cauda-de-andorinha possuem haste incorporada, enquanto as biangulares não. A Figura 2.24 ilustra estas ferramentas.
Figura 2.24: Fresa cauda-de-andorinha e fresa biangular simétrica As fresas de forma possuem o perfil de seus dentes afiados para gerar superfícies especiais tais como dentes de engrenagens (fresa módulo), superfícies côncavas ou convexas, raios de concordância e outras formas específicas de cada caso, e são denominadas fresas especiais. Alguns autores classificam as fresas cônicas como fresas de forma. As fresas especiais normalmente são fabricadas pela própria empresa que as utiliza, no setor denominado de ferramentaria, ou são encomendadas em empresas especializadas em ferramentas. A Figura 44 ilustra algumas fresas de forma.
Figura 2.25: Fresa para perfil convexo, côncavo, dentes de engrenagens e especiais
Quanto ao sentido de corte a classificação é simples, pois trata do sentido de giro da ferramenta, observado do lado do acionamento (de cima para baixo). Tem-se as fresas de corte à direita (horário) e as fresas de corte à esquerda (anti-horário). Obviamente esta classificação só se emprega em fresas fixas de haste fixa. As fresas que não possuem haste podem, normalmente, ser fixadas tanto em um sentido como em outro. Quanto aos dentes estes podem ser retos, helicoidais ou bihelicoidais, como mostra a Figura 2.26. Os dentes helicoidais tem como vantagem uma menor vibração durante a usinagem, ou seja, o corte é mais suave pois o dente não atinge a peça de uma só vez como acontece com os dentes retos. Os dentes helicoidais geram uma força axial, e para compensar esta força pode-se recorrer a uma fresa bihelicoidal, ou seja, uma ferramenta que possui um dente afiado em um sentido e o dente seguinte afiado no sentido inverso.
Figura 2.26: Fresas de dentes retos, helicoidal e bihelicoidal Mas fresas bihelicoidais só são possíveis em espessuras relativamente pequenas e com ângulos reduzidos de hélice. Para possibilitar usinagem de grandes superfícies sem o efeito da força axial deve-se recorrer a uma montagem de duas fresas de mesmo diâmetro e número de dentes, mas com hélices invertidas, como na Figura 2.27.
Figura 2.27: Montagem bihelicoidal Quanto à construção pode-se classificar as fresas como inteririças, onde toda a ferramenta é construída de um mesmo material. As mais comuns são as de aço rápido e metal duro. Há também a fresa
calçada onde o corpo da ferramenta é de um material mais simples e os gumes de corte, soldados ao corpo, são de um material mais nobre, como aço rápido ou metal duro. Finalmente há as fresas com dentes postiços que são similares as fresas calçadas. A diferença é que os dentes de aço rápido, metal duro, diamante ou cerâmicos podem ser trocados em caso de quebra ou desgaste. A Figura 2.28 apresenta exemplos destas fresas.
Figura 2.28: Fresa calçada, fresa de dentes postiços e detalhe da fixação da pastilha As fresas também podem ser classificadas quanto às faces de corte ( o número de superfícies com afiação) e que definem em que direção a ferramenta pode avançar, ou seja, se poderá executar uma fresagem tangencial (eixo paralelo à peça) e/ou uma fresagem frontal (eixo perpendicular à peça). Tem-se fresas de um, dois e três cortes. A fresa de um corte possui em uma de suas faces e em sua superfície cilíndrica. Uma fresa de três cortes possui afiação nas duas faces e também na superfície cilíndrica. A Figura 2.29 ilustra uma fresa de dois cortes.
Figura 2.29: Fresa de dois cortes e os sentidos em que pode usinar
Quanto a aplicação as fresas são classificadas em tipo W ( =8º, =57º e =25º) indicada para materiais de baixa dureza como alumínio, bronze e plásticos. O tipo N ( =7º, =73º e =10º) é indicada para materiais de média dureza, como os aços até 700N/mm2. As fresas do tipo H ( =4º, =81º e =4º) são indicadas para materiais duros, como os aços acima de 700N/mm2. A Figura 2.30 apresenta uma comparação entre estas fresas
Figura 2.30: Tipos de fresas Observa-se que fresas para materiais mais macios podem ter dentes menos resistentes, o que significa possuir um ângulo de cunha menor. Isto permite colocar menos dentes na ferramenta. Em uma fresa para materiais de alta dureza cada dente remove pouco material. Desta forma é necessário que a fresa possua muitos dentes que, em uma volta, remova uma quantidade significativa de material. Além disto os dentes deverão ter um ângulo de cunha maior para lhes conferir maior resistência. Quanto a fixação pode-se ter fresas de haste cilíndrica ou cônica e fresas para mandril com chaveta longitudinal ou transversal. A Figura 2.31 apresenta algumas delas.
Figura 2.31: Fresas de haste (cônica e cilíndrica) e de chaveta (transversal e longitudinal)
4.0 Bibliografia
Diniz, Anselmo Eduardo; Marcondes, Francisco Carlos; Coppini, Nivaldo Lemos. Tecnologia da Usinagem dos Materiais. Artliber. 4a ed. (2003) São Paulo.
Ferraresi, Dino. Usinagem dos Metais. Edgard Blücher. (1977) São Paulo. www.em.pucrs.br www.iem.efei.br
