precisão e erros de usinagem

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PRECISÃO E ERROS DE
USINAGEM
• Qualidade de um produto
• Parâmetros geométricos (dimensão, forma, acabamento superficial,
etc.),
• Parâmetros físicos (condutividade elétrica, térmica e magnética, etc.),
• Parâmetros químicos (resistência à corrosão, etc.)
• Parâmetros mecânicos (dureza, resistência à fadiga, etc.).
• Determinados pelo projetista
• Parâmetros reais ↔ Parâmetros definidos no projeto ⇒ Qualidade da
peça.
Planejamento do Processo
Assistido por Computador - CAPP
João Carlos E. Ferreira
GRIMA, Dep. Eng. Mecânica, UFSC
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USINAGEM
• Precisão de usinagem = grau de coincidência entre os parâmetros
macro-geométricos (dimensão e forma) de uma peça
• Qualidade da superfície = grau de coincidência entre os parâmetros
micro-geométricos reais (acabamento superficial)
• Erro de usinagem = diferença entre os parâmetros de uma peça usinada
e aqueles de uma peça perfeita (absolutamente precisa) especificada no
desenho.
• Limites de tolerância
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TOLERÂNCIAS FUNDAMENTAIS PARA
DIMENSÕES ATÉ 500mm
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TOLERÂNCIAS FUNDAMENTAIS EM FUNÇÃO DE i PARA AS
QUALIDADES DE TRABALHO DE IT5 A IT16
CRITÉRIOS DE ARREDONDAMENTO DOS VALORES DAS
TOLERÂNCIAS FUNDAMENTAIS DE 5 a 11
• Cálculo da unidade de tolerância:
i = 0,45 3 D + 0,001 D
(µm)
onde D (mm) = média geométrica de dois valores extremos de cada
grupo de dimensões fixadas na tabela anterior.
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Ajustes com folga
Ajustes incertos
Ajustes com
interferência
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Posições dos campos de
tolerância em relação à
linha zero
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Ajustes no sistema furo-base
Ajustes no sistema eixo-base
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USINAGEM
• Precisão de usinagem de superfícies da peça:
– Precisão de dimensões de superfícies (p.ex. precisão dos diâmetros
de superfícies cilíndricas e esféricas, ângulos de cones)
– Precisão de formas de superfícies (p.ex. planicidade, circularidade,
cilindricidade)
• Precisão de usinagem de posições relativas entre superfícies:
– Precisão das dimensões entre superfícies (p.ex. a distância entre
dois planos paralelos ou entre os centros de dois furos)
– Precisão de relações posicionais entre superfícies (p.ex.
paralelismo e perpendicularismo entre dois planos ou dois eixos)
• Rugosidades
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USINAGEM
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USINAGEM
• Métodos para Obter a Precisão Dimensional Exigida
(a) Tentativas
•
•
•
baixa eficiência, e não é
adequado para um volume de
produção elevado.
a máquina-ferramenta não
precisa ser preparada
anteriormente.
o efeito da variação
dimensional da matéria-prima
(forma, tamanho, dureza,
etc.) pode ser reduzido nas
operações de usinagem.
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USINAGEM
Método da tentativa e erro
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USINAGEM
(b) Método da dimensão automática
◊ Uso de ferramentas de dimensão e forma fixas
◊ Usinagem em máquinas presetadas.
◊ Uso de dispositivos guia.
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USINAGEM
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USINAGEM
◊ Uso de máquinas de Comando Numérico.
– alta eficiência na produção,
– fornece a possibilidade de alocação racional de mão-de-obra na
tarefa difícil de preparação (“set-up”) da máquina,
– pré-requisito para a realização da automação de processos de
usinagem.
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USINAGEM
◊ Uso de máquinas de Comando Numérico.
Erros de programação revelados
por simulação volumétrica NC
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USINAGEM
• Fatores que Causam Erros de Usinagem:
– Preparação imprecisa da máquina:
posições precisas das peças em relação à máquina (disp.fix.)
+
posições corretas das ferramentas em relação à máquina
=
posições relativas entre as ferramentas e as peças
– Fixação imprecisa da peça.
– Processos de usinagem.
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• Fatores que Causam Erros de
Usinagem:
– Imprecisão Teórica
• Processo Pfaulter (fresamento
com fresa caracol)
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USINAGEM
– Imprecisão Geométrica de Máquinas e Ferramentas
• fabricação imprópria e/ou desgaste.
Erros causados por imprecisões entre o barramento e o eixo de rotação da peça no torneamento
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USINAGEM
– imprecisão das ferramentas.
◊ Usinagem com ferramentas de tamanho fixo, como brocas,
alargadores, bedames e brochas.
◊ Usinagem com ferramentas de forma em operações de
torneamento, fresamento e retificação.
◊ Parâmetros de geometria ou forma de ferramenta de tornear ⇒
desgaste da ferramenta será maior do que o esperado
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USINAGEM
• Deformação do Sistema de Usinagem sob forças externas:
◊ Um sistema de usinagem ⇒ máquina, dispositivo de fixação,
ferramenta e peça (“MFFP”, ou “MFTW” em inglês).
◊ Deformação no sistema de usinagem sob as forças de corte,
fixação, gravitacionais e inerciais altera a posição relativa entre a
ferramenta e a peça que foi presetada corretamente, e portanto
causa erros de usinagem.
◊ A rigidez de um sistema MFTW = capacidade deste sistema de
resistir à ação de uma força externa causando deformação ⇒
quociente entre a força radial exercida sobre a peça (perpendicular
à superfície da peça), e o deslocamento da aresta de corte em
relação à superfície da peça, medida na mesma direção da força.
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USINAGEM
– Variação da força de corte:
Reprodução
do erro
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USINAGEM
– Variação da posição de atuação da força:
Erros de forma
causados pela
variação da rigidez
ao longo da peça
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– Exemplo de peça longa que pode resultar em erro se a
dureza ao longo do comprimento da matéria-prima varia:
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USINAGEM
– Efeitos de outras forças externas:
Erros de forma
causados por
forças de fixação
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USINAGEM
– Exemplos de castanhas especiais comerciais:
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USINAGEM
• Deformação Térmica de Sistemas de Usinagem:
• Ferramenta:
◊ dilatação da ferramenta: τ
ξ = ξ max (1 − e
−
τc
)
• onde: τc = constante relativa à massa da ferramenta, ao
calor específico, à área da seção do corpo da ferramenta,
e o coeficiente de transferência de calor (em minutos)
• 3 < τc < 6 minutos.
– Na usinagem contínua, τ=4τc (ξ=0.98ξmax).
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USINAGEM
– Deformação Térmica de Sistemas de Usinagem :
Curvas de dilatação
da ferramenta sob
a presença de
altas temperaturas
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USINAGEM
• Peça:
– ∆L = a × L × ∆t
onde:
• ∆L - deformação térmica da peça (mm)
• a - coef. exp. linear do material da peça (para o aço, a =
1,17 × 10-5/°C)
• ∆t - aumento da temperatura da peça (°C)
• L - dimensão da peça na direção da deformação térmica
(mm)
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USINAGEM
– Na retificação de uma superfície cilíndrica de uma luva com
diâmetro externo de 112mm, a temperatura da peça aumenta
de 18°C até 37°C uniformemente, então a deformação
térmica pode ser calculada como se segue:
∆d = 1,17 × 10-5 × 112 × (37-18) = 0,025mm
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Erro de forma
causado pela
deformação
térmica quando da
retificação de uma
luva de paredes
finas
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USINAGEM
• Deformação da Peça Devido a Tensões Internas:
– Processos a quente (p.ex. fundição, forjamento, soldagem)
◊ diferentes taxas de resfriamento em vários pontos, e a
transformação na estrutura metalográfica do material.
– Processos a frio (p.ex. usinagem, estampagem).
◊ deformação plástica da peça a baixa temperatura, e
também devido ao calor da usinagem.
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USINAGEM
• Estado de equilíbrio
◊ Se uma camada de metal é removida (p.ex. por usinagem),
estas tensões internas são redistribuídas, causando distorções
na peça.
◊ Tensões internas na camada superficial > limite de ruptura ⇒
trincas
∗ arranjo de operações apropriadas de tratamento térmico
(especialmente antes ou depois de operações de desbaste)
∗ dividir de forma apropriada os processos de usinagem em
estágios
∗ seleção de parâmetros apropriados de usinagem
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USINAGEM
• Erros de Medição
– imprecisão dos instrumentos, medições executadas de forma
inadequada, influência da temperatura ambiente.
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USINAGEM
• Exemplo de Parâmetros de Precisão e Erros no Fresamento
Um exemplo do
processo de fresamento
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USINAGEM
Diâmetro
adequado da fresa
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Diâmetro inadequado
da fresa (igual à
largura da peça):
(1) cavaco fino (não
levam o calor gerado)
→ falha prematura da
ferramenta;
(2) encruamento nas
áreas de entrada e
saída da peça.
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Diâmetro e
posicionamento
adequado da fresa
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USINAGEM
Situações ilustrando
problemas na fixação
de peças prismáticas
para efetuar operações
de fresamento
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Situações ilustrando
problemas na fixação
de peças prismáticas
para efetuar operações
de fresamento
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Ângulo de posição 0o
no fresamento
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a 20o no fresamento
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no fresamento
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axiais
Influência do ângulo de posição da fresa sobre as forças de usinagem na
peça e no dispositivo de fixação
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Efeito do ângulo de saída nas forças resultantes do processo de fresamento
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Efeito do raio de quina na
rugosidade superficial no
processo de fresamento
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USINAGEM
O parâmetro Ra depende da
distância entre as marcas do
avanço no fresamento
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Cristas produzidas com uma
pastilha com raio de quina
(acima) comparadas com
cristas produzidas por uma
pastilha com uma cunha
(abaixo)
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USINAGEM
Marcas do avanço produzidas com
uma pastilha com um raio de quina
(A) comparadas àquelas
produzidas pela pastilha com uma
cunha
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USINAGEM
Causas para rugosidade superficial ruim, e possíveis soluções
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Por que é necessário o controle da qualidade?
Se os processos de fabricação fossem perfeitos, não existiria o
CQ! Entretanto, todos os processos estão sujeitos a variações
requerendo um controle periódico dos mesmos.
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USINAGEM
• Métodos para Determinar a Precisão de Usinagem:
– Erros sistemáticos.
◊ Furos de 10mm de diâmetro ← alargador de 10,02mm de
diâmetro
– Erros aleatórios.
◊ Furos de 10mm de diâmetro ← alargador de 10,00 mm de
diâmetro
∗ variações irregulares dos tamanhos dos furos
produzidos antes desta operação, as variações na
dureza da peça, e muitos outros fatores.
◊ método estatístico.
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Quando utilizar inspeção 100%?
• No caso de sistemas ou peças que podem produzir falhas
críticas, com perda de vidas humanas;
• No caso de processos de fabricação não capazes ou instáveis;
• Para cumprir exigências legais ou normativas;
• Quando é a opção mais econômica (ex. inspeção automática).
A inspeção não melhora a qualidade
do produto, mas protege o cliente das
conseqüências de receber produtos
não-conformes!
Fonte: Donatelli, G.D. [9]
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USINAGEM
• Controle de Qualidade:
◊ Inspeção 100% é lenta, cara, e não elimina todas as peças
defeituosas.
◊ Operadores sofrem fadiga; e os instrumentos de medição desgastamse mais frequentemente.
◊ O risco da passagem de peças defeituosas é variável e de magnitude
não definida, enquanto que através do procedimento de amostragem
este risco pode ser calculado.
◊ Fusíveis ou palitos de fósforo não podem sofrer inspeção de 100%
◊ A inspeção tem um custo, e não agrega valor ao produto que foi
produzido de acordo com as especificações.
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A Importância do Planejamento do CQ:
Investimentos inadequados em CQ poderão levar a
empresa a ter problemas significativos de qualidade
Falta de
capacitação
Medição manual
de grandes lotes
Uso de equipamento
inadequado
Fonte: Oliveira, A.L. [11]
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O CQ deve ser planejado para fornecer informações confiáveis, senão:
Fonte: Oliveira, A.L. [10]
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USINAGEM
• Manufatura intercambiável → peças a serem montadas devem ser
selecionadas aleatoriamente de um grande número de peças.
◊ Um equilíbrio deve ser estabelecido entre o custo de
manufatura e a facilidade de montagem.
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USINAGEM
• Análise Estatística de Erros de Usinagem:
◊ Modelos matemáticos descrevendo curvas de distribuição
reais são construídos.
◊ De acordo com a teoria da probabilidade, a curva de
distribuição é a soma de um elevado número de variáveis
independentes, e sempre aproxima-se à distribuição normal.
◊ Já foi provado que durante a operação de usinagem em
máquinas automáticas, com uma baixa taxa de desgaste, e
também sem nenhum fator predominante afetando a precisão
de usinagem, que a distribuição das dimensões da peça após a
usinagem apresenta-se segundo a distribuição normal.
◊ erros sistemáticos → ≠ distribuição normal.
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USINAGEM
Influência de erros sistemáticos constantes na curva de distribuição
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USINAGEM
Desgaste da ferramenta
Deformação térmica
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USINAGEM
Porcentagem das áreas da curva de distribuição normal
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USINAGEM
• Capacidade do Processo:
– Estudo da capacidade aplica-se a um processo, máquina: ou
dispositivo de inspeção
– Capacidade de qualquer máquina ou processo for
superestimada ⇒ perda financeira imediata e contínua
– Capacidade de qualquer máquina ou processo for
subestimada ⇒ capital foi gasto adquirindo-se capacidade
excedente e não pode ser investida em outros lugares.
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USINAGEM
• Aplicações:
– Seleção de máquinas baseadas na sua capacidade em relação
aos requisitos de produto
– Máquinas com faixas do processo ≤ 50 a 75% da tolerância
da peça, permitindo um controle razoável das variações e uma
pequena quantidade de desgaste para que procedimentos
econômicos de manutenção possam ser estabelecidos.
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USINAGEM
Condição onde a especificação da peça é menor que a
capacidade da máquina ou processo
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Condição onde a especificação da peça é maior que a
capacidade da máquina ou processo
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USINAGEM
• Estabelecimento de programas de manutenção preventiva:
◊ Estudos de capacidade de máquina contínuos → estabelecer
agendas de manutenção preventiva.
◊ Capacidade da máquina ↓ devido ao desgaste ⇒ novas
agendas
◊ Máquina próxima de manutenção ou substituição não deve
ser selecionada
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USINAGEM
• Métodos para Determinar Capacidades
– O uso da amplitude de dispersão R como fator determinante
(método da amplitude)
– O uso da média X¯ e da amplitude R como fatores
determinantes (método da média).
– A tolerância natural encontrada por estes dois métodos é a
estimativa 6σ para a máquina ou processo no teste.
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Gráfico de análise
de médias e
faixas
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Diagrama de
médias e
amplitudes
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Fatores para o cálculo dos
limites de controle e
capabilidade de
máquina
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Gráfico de análise de
médias e amplitudes
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• Índices de Capabilidade do Processo: Cp
– Processo considerado estável ⇒ média do processo centrada no
valor nominal da faixa de tolerância (isto é, na média do projeto
da peça):
LTS − LTI
Cp =
6σ
Cp >1,33 ou 1,5 ou 1,66
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• Índices de Capabilidade do Processo: Cpk
– Processo não necessariamente estável:
C pk = Min (C ps , C pi )
LTS − x
C ps =
3σ
x − LTI
C pi =
3σ
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USINAGEM
• Índices de Capabilidade do Processo:
Valor de Cp ou Cpk
Cp: ppm fora da
tolerância
Cpk: ppm acima ou
abaixo da faixa de
tolerâncias
1,00
1,20
1,30
1,33
1,66
2,00
3000
300
100
<60
<1
<10-5
1500
150
50
<30
<1
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<10-5
USINAGEM
• Exercício: Para uma determinada peça, a especificação de uma cota de
projeto é de 20±0.3 mm. Tem-se à disposição três máquinas, cujos dados
a respeito da média das médias e média das amplitudes estão tabelados
abaixo.
Faça uma análise de quais destas máquinas é a mais conveniente para a
obtenção daquela cota de projeto.
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USINAGEM
Medições obtidas em três turnos (A, B, C)
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Medições obtidas em três turnos (A, B, C)
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USINAGEM
Matriz de capacidade de processos de furação (1)
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Matriz de capacidade de processos de furação (2)
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Matriz de capacidade de processos de usinagem de furos
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Matriz de capacidade de processos de usinagem de superfícies externas
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USINAGEM
• Qualidade Superficial
◊ Acabamento superficial e ao estado físico-mecânico da camada
superficial.
◊ Funcionamento apropriado e a vida em serviço das peças.
• Acabamento Superficial
◊ geometria e material da ferramenta;
◊ condições de usinagem;
◊ deformação plástica do material na superfície;
◊ vibração do sistema MFTW durante a usinagem.
◊ material da peça.
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USINAGEM
• Estado Físico-Mecânico da Camada Superficial
– Usinagem → material mais próximo da superfície deforma-se
plasticamente. → superfície da peça tem um comportamento diferente do
material interno.
– Investigação experimental.
◊ Encruamento;
◊ Mudanças metalográficas;
◊ Tensões residuais.
∗ Expansão e Contração Térmica ⇒ tensão residual de tração na superfície
da peça
∗ Deformação plástica da superfície devido à extrusão e atrito da
ferramenta ⇒ tensão residual, normalmente compressiva;
– Variação metalográfica → alteração volumétrica (ou expansão ou
contração) ⇒ tensão residual (compressiva ou trativa).
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USINAGEM
Retificação de um furo
Detalhe de um rebolo
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USINAGEM
• Influência da Qualidade Superficial no Desempenho de Peças
Usinadas
◊ Falha durante o serviço → desgaste, fadiga, corrosão → superfície
da peça na maioria dos casos.
• Influência sobre o Ajuste das Peças
◊ Ajuste deslizante → micro-irregularidades ⇒ folga ↑, desgaste
rápido.
◊ Ajuste prensado → cristas das irregularidades são extrudadas ⇒
interferência↓, resistência do ajuste↓.
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USINAGEM
Os contatos e
desgaste de
peças num ajuste
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USINAGEM
• Influência na Resistência ao Desgaste das Superfícies
◊ Área real de contato (superfícies torneadas ou fresadas) = 15 a 20%
da área total
◊ Área real de contato (superfícies finamente retificadas) = 30-50%
da área total
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USINAGEM
Evolução do
desgaste ao longo
do tempo
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Relação entre a
rugosidade e o
desgaste: A→ condições
leves; B→ condições
pesadas
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USINAGEM
• Influência na Resistência à Corrosão
Esquema simplificado do
processo de corrosão
• Influência na Resistência à Fadiga
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USINAGEM
• Métodos para Melhorar a Precisão de Usinagem
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
◊
Redução ou eliminação dos erros de usinagem
Identificação das causas dos erros para aquela operação.
Melhorar a precisão geométrica das peças no sistema MFTW.
Minimizar a deformação de cada componente do sistema MFTW,
especialmente quando usinando peças de pouca rigidez.
Selecionar de maneira apropriada as condições de usinagem
Melhorar a precisão de preparação da máquina
Minimizar os erros de posicionamento da peça através da seleção
apropriada das referências de posição, e o projeto racional dos dispositivos
de fixação.
Gerar a sequência de operações de forma a reduzir ou eliminar alguns erros
de usinagem.
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USINAGEM
Torno com lunetas
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