Apostila FRESAGEM - Hudson Xavier

Fundação de Educação para o Trabalho de Minas Gerais
CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA INDUSTRIAL
HUDSON FABRÍCIO XAVIER PEREIRA
Vespasiano-2012
FRESAGEM
Apostila elaborada para a disciplina de Fresagem para
o Curso Técnico de Mecânica Industrial da Fundação
de Educação para o Trabalho de Minas Gerais –
UTRAMIG - Unidade de Vespasiano/MG.
1 Hudson Fabrício Xavier Pereira, Graduado em Tecnologia Mecatrônica, Professor Epecializado da
Utramig e Instrutor do Senai-Vespasiano - Fone (031) 86071935 [email protected]
hudsonxavier.webnode.com.br
Vespasiano – 2012
História da Usinagem
Os processos de usinagem começaram a ser desenvolvidos quando o homem descobre que
pode transformar movimentos lineares em movimentos de rotação e realizar deteminadas tarefas
com maior precisão e menor esforço físico.
Já a 701 anos antes de Cristo, o homem já trabalhava os materiais brutos, onde praticamente
todas as ferramentas eram executadas em ferro. E a partir do século XVII surgiram novas formas
de melhorar o processo de fabricação do ferro e na siderurgia do aço.Os primeiros metais
conhecidos foram o cobre e o ouro. O homem utilizava tais metais na fabricação de armas e
ferramentas já no fim da pré-história.
Estudos mais aprofundados sobre a usinagem iniciaram-se somente no início do século XIX e
em 1900, o americano F. W. Taylor descobriu o aço rápido, determinando um passo marcante no
desenvolvimento tecnológico da usinagem.
Definições
- Processo Mecânico de Usinagem
É o processo que, mediante a remoção de cavaco por determinada ferramenta, visa conferir à
uma peça a forma, as dimensões ou o acabamento especificados, ou ainda uma combinação
qualquer destes três itens.
-Outras definições
É um processo de usinagem com retirada de cavacos que permitem modificar as superfícies das
peças. Para tanto, emprega-se uma ferramenta multicortante (fresa) que gira enquanto a peça se
desloca segundo uma trajetória qualquer.
A Fresagem é um processo de usinagem feito por máquinas denominadas fresadoras e
ferramentas chamadas fresas. A fresagem consiste na remoção do excesso de metal da
superfície de uma peça para que esta tenha forma e acabamentos desejados.
Na Fresagem, a retirada do sobremetal da peça é feita pela combinação de dois movimentos
simultâneos: o movimento de rotação da ferramenta (fresa) e o movimento 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
possibilita a usinagem.
Fig
ura ― Processo de Fresagem
-Cavaco
Porção de material removida da peça pela ferramenta, podendo apresentar forma geométrica
regular ou irregular.Esta remoção representa aproximadamente 10% do material.
-Fabricar
Fabricar é transformar matérias-primas em produtos acabados, por uma variedade de processos.
Os processos de transformação de metais e ligas metálicas em peças para a utilização em
conjuntos mecânicos são inúmeros e variados: você pode fundir, soldar, utilizar a metalurgia em
pó ou usinar o metal afim de obter a peça desejada. Evidentemente, vários fatores devem ser
considerados quando se escolhe um processo de fabricação. Como por exemplo:
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forma e dimensão da peça;
material a ser empregado e suas propriedades;
quantidade de peças a serem produzidas;
tolerâncias e acabamento superficial requerido;
custo total do processamento.
Prazo Desejado
Equipamento e mão de obra qualificada
Nas fresadoras com sistemas de avanço da mesa com porca e parafuso, o ideal é usar o
movimento discordante, pois a folga (que surge com o tempo e desgaste da máquina) não influi
no deslocamento da mesa, resultando em um movimento de avanço mais uniforme e em melhor
acabamento da peça. Se o movimento concordante for usado, a folga será empurrada pelo dente
da fresa no mesmo sentido de deslocamento da mesa, fazendo com que a mesa execute
movimentos irregulares, que prejudicam o acabamento da peça e podem quebrar o dente da
fresa.
Formas de fresamentos –Algumas Operações
Generalidades
O fresamento é a operação de usinagem com formação de cavaco que se caracteriza por:
1.1.1. Utilizar ferramenta multi-cortante (fresa) provida de arestas cortantes dispostas
simetricamente ao redor de uma eixo;
1.1.2. Movimento de rotação da ferramenta ao redor de seu eixo, permitindo assim que cada uma
das arestas cortantes (dentes da fresa) retire a parte de material que lhe compete fazê-lo.
1.1.3. O movimento de avanço, que permite o prosseguimento da operação, é geralmente feito
pela própria peça em usinagem, que está fixada na mesa da máquina.
1.1.4. O movimento de avanço obriga a peça passar sob a ferramenta que lhe dá a forma e
dimensão desejada.
1.1.5. O fato do fresamento utilizar-se de ferramenta multi-cortante (fresa) e esta poder se
apresentar sob as mais variadas formas, confere a esta operação um caráter de versatilidade em
face das varias superfícies necessárias numa peça em usinagem. Assim o fresamento pode
competir com o furacão, com o alargamento, e o aplainamento.
Partes da fresadora
As principais partes da fresadora são:
a) base: é o componente responsável por suportar toda a máquina e, muitas vezes,
funciona também como reservatório de fluido refrigerante. Normalmente os apoios possuem
ajustes para nivelamento da máquina no piso;
b) coluna: é a estrutura principal da máquina. Costuma ser o alojamento do sistema de
acionamento e também dos motores. Possui as guias (barramento) do movimento vertical;
c) eixo principal: é um dos órgãos essenciais da máquina, pois serve de suporte à
ferramenta e lhe dá movimento. Este eixo recebe o movimento através da caixa de velocidade;
d) mesa: é o órgão que sustenta as peças que serão usinadas, diretamente montadas
sobre ela ou através de acessórios de fixação (morsa, cantoneira, aparelho divisor, calços
reguláveis), razão pela qual a mesa tem ranhuras destinadas a alojar os parafusos de fixação;
e) carro transversal: é uma estrutura de ferro fundido de forma retangular, em cuja parte
superior se desliga e gira a mesa em um plano horizontal. Na base inferior, por meio de guias, o
carro transversal está acoplado ao suporte da mesa, sobre o qual desliza, por meio de fuso e
porca, podendo ser acionado manual ou automaticamente através da caixa de avanços. Um
dispositivo adequado pode imobilizá-lo;
f) suporte da mesa: é o órgão que sustenta a mesa e seus mecanismos de acionamento.
É uma peça de ferro fundido que se desliza verticalmente no corpo da máquina através de guias,
por meio de um parafuso telescópico e uma porca fixa. Quando necessário, para alguns
trabalhos, imobiliza-se por meio de um dispositivo de fixação;
g) caixa de velocidades do eixo principal: é formada por várias engrenagens que podem
acoplar-se com diferentes relações de transmissão, para permitir uma grande variedade de
velocidades do eixo principal. Normalmente encontra-se alojada internamente na parte superior
do corpo da máquina. O acionamento é independente da caixa de avanço, o qual permite
determinar criteriosamente as melhores condições de corte;
h) caixa de velocidades dos avanços: é um mecanismo formado por várias engrenagens
montadas no interior do corpo da fresadora, próximo a sua parte central. Em geral, recebe o
movimento diretamente do acionamento principal da máquina. Através de acoplamentos de rodas
dentadas que se deslizam axialmente, podem ser estabelecidas diversas velocidades de
avanços. Em algumas fresadoras, a caixa de velocidades dos avanços está colocada no suporte
da mesa com um motor especial e independente do acionamento principal da máquina.
Figura 3 ― Partes da fresadora
Figura 4 ― Partes da fresadora
2.1.3 Tipos de fresadoras
As fresadoras geralmente são classificadas quanto à posição do eixo-árvore. São elas:
a) fresadora horizontal: o eixo árvore é paralelo à mesa da máquina;
b) fresadora vertical: o eixo árvore é perpendicular à mesa da máquina;
c) fresadora universal: possui 2 eixos-árvores, um horizontal e outro vertical. O eixo
horizontal localiza-se no corpo da máquina, enquanto o eixo vertical situa-se no cabeçote, parte
superior da máquina. A fresadora universal pode ser usada tanto na posição vertical quanto no
horizontal.
Figura 5 ― Fresadora horizontal
Figura 6 ― Fresadora vertical
Figura 7 ― Fresadora universal
Existem outros tipos de fresadoras que tomaram como modelo as fresadoras verticais e
horizontais, mas que funcionam de modo diferente.
A fresadora copiadora trabalha com uma mesa e dois cabeçotes: o cabeçote apalpador e
o de usinagem. A fresadora copiadora tem a função de usinar copiando certo modelo.
A fresadora pantográfica (ou pantógrafo) também permite a cópia de um modelo; mas ao
contrário da fresadora copiadora, a transmissão do movimento é coordenada manualmente pelo
operador, o que torna possível trabalhar detalhes como canais e pequenos raios, que são mais
difíceis de serem obtidos numa fresadora copiadora.
Figura 8 ― Fresadora copiadora
Figura 9 ― Fresadora pantográfica
Os modelos podem ser confeccionados em material metálico, como aço ou alumínio, ou
em resina. Os modelos de aço, devido à sua resistência, são usados quando é necessário fazer
muitas cópias; enquanto os modelos de resina são recomendados quando são feitas poucas
cópias (duas ou três, por exemplo).
A fresadora CNC não tem manípulos nem alavancas, mas possui uma tela em um painel
repleto de teclas e botões e um grande armário de metal, onde estão localizados os componentes
elétricos e eletrônicos que são responsáveis pelo controle da operação da máquina. Entre esses
componentes, encontra-se o CNC (comando numérico computadorizado), que é um computador
responsável principalmente pelos movimentos da máquina.
Figura 10 ― Fresadora CNC
Tipos de fresas
A fresa é dotada de facas ou dentes multicortantes, o que lhe confere uma vantagem sobre
outras ferramentas, pois, quando os dentes não estão cortando, eles estão refrigerando-se. Isto
contribui para um menor desgaste da ferramenta.
A escolha da fresa é uma das etapas mais importantes da fresagem e está relacionada
principalmente com o material a ser usinado.
Uma das formas de classificação das fresas é quanto ao ângulo de cunha (β) dos dentes
da fresa. Quanto maior for o ângulo β, menos resistente a fresa será. Assim, podemos classificar
as fresas em 3 tipos: W, N e H.
a) fresa tipo W (β = 57°): é a fresa que possui o menor ângulo de cunha, sendo também a
menos resistente. É recomendada para a usinagem de materiais não-ferrosos de baixa dureza,
como o alumínio, o bronze e os plásticos.
b) fresa tipo N (β = 73°): é mais resistente que a fresa tipo W. É recomendada para usinar
materiais de média dureza, como o aço até 700 N/mm2 de resistência à tração.
c) fresa tipo H (β = 81°): é mais resistente que as fresas anteriores. É recomendada para usinar
materiais duros e quebradiços, como o aço acima de 700 N/mm2 de resistência à tração.
Quanto maior for o ângulo de cunha, maior será o número de dentes da fresa. Isso ocorre
porque, se fresarmos um material muito duro, menor volume dele será cortado por dente da fresa.
Portanto, menos cavaco será produzido por dente, menos espaço para a saída será necessário.
Quando fresamos materiais mais moles, pode ser retirado um volume maior de material.
Nesse caso, mais espaço será necessário para a saída de cavaco e, conseqüentemente, a fresa
terá menos dentes.
Obs.: não devemos usar fresa com muitos dentes para usinar materiais moles, pois o
cavaco fica preso entre os dentes, que são refrigerados inadequadamente; ocasionando um
desgaste dos dentes e um mau acabamento da peça.
Figura 11 ― Fresas tipo W, N e H
As fresas também podem ser classificadas de acordo com seu formato e suas aplicações.
A primeira delas seria quanto à forma geral. As fresas podem ser cilíndricas, cônicas ou ainda de
forma. As fresas cilíndricas mais estreitas são também chamadas de fresas de disco, enquanto as
que possuem haste própria são denominadas de fresas de haste ou fresas de topo.
Figura 12 ― 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.
Figura 13 ― 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 engrenagem (fresa módulo), superfícies côncavas ou convexas,
raios de concordância e outras formas específicas de cada caso, e são denominadas fresas
especiais. 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.
Figura 14 ― Fresas para perfis côncavo, convexo, fresa módulo 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 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 1.26. Os dentes helicoidais têm como vantagem uma menor vibração durante a usinagem,
ou seja, o corte é mais suave porque 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 1.26 – Fresas de dentes retos, helicoidal e bihelicoidal.
As fresas bihelicoidais só podem ser usadas 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 1.27.
Figura 1.27 – Montagem bihelicoidal.
Quanto à construção, pode-se classificar as fresas como inteiriças, 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 1.28 apresenta exemplos destas fresas.
Figura 1.28 – Fresa calçada, fresa de dentes postiços e detalhe da fixação da pastilha.
Mais exemplos de fresas
1. Fresa cilíndrica de dentes helicoidais tipo normal.
2. Fresa cilíndrica de dentes helicoidais para materiais duros.
3. Fresa cilíndrica de dentes helicoidais para materiais de resistência média.
4. Fresa cilíndrica de dentes helicoidais para materiais ligados.
5. Fresa cilindro-frontal. Serve para fresar superfícies planas e perpendiculares entre si, tanto em
fresadoras horizontais como verticais. Com chaveta longitudinal.
6. Fresa cilindro-frontal de alto rendimento para materiais moles ou médios. Com chaveta
longitudinal.
7. Fresa cilindro-frontal com chaveta transversal, tipo alto rendimento.
8. Fresa ângulo para fresar guias.
9. Fresa de disco de três cortes com dentes helicoidais. Os dentes u inclinam alternadamente à
direita ou à esquerda.
10. Fresa de disco de três cortes, de tipo normal, de dentes retos.
11. Fresa cilíndrico-frontal de dentes helicoidais com haste cônica Morse e fixação por rosca.
12. Fresa para ranhuras com cone Morse e arraste.
13. Fresa para ranhuras T com dentes helicoidais alternados com haste cônica e fixação por
roscas.
14. Fresa de forma (formato cônico).
15. Fresa de forma (formato cônico).
16. Fresa cilíndrico-frontal ou de topo.
2.2 Principais Acessórios
Os principais acessórios utilizados em operações de fresagem relacionam-se à fixação da
peça na mesa de trabalho. São eles:
● Parafusos e grampos de fixação (figura 1.10);
● Calços (figura 1.11);
● Cantoneiras de angulo fixo ou ajustável (figura 1.12);
● Morsas (figura 1.13);
● Mesa divisora (figura 1.14);
● Divisor universal e contraponto (figura 1.15).
2.2.1 Figura 1.10 – Parafusos e grampos de fixação.
2.2.2
2.2.3
Figura 1.11 – Calços.
Figura 1.12 – Cantoneiras (de ângulo fixo e ajustável).
2.2.4 Figura 1.13 – Morsas.
2.2.5 Figura 1.14 – Mesa divisora.
2.2.6
Figura 1.15 – Divisor universal e contraponto.
Mandris
É muito importante ressaltar que a instalação de alguns acessórios, na mesa de trabalho
da fresadora, deve ser realizada 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 o seu
alinhamento, com o 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.
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
eixo-árvore, 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 pela figura 1.16. Nesta
mesma figura pode-se observar na ponta do mandril a rosca onde se fixa a haste roscada.
Figura 1.16 – Mandril adaptador para ferramentas de haste cônica.
Com relação ao mandril, pode-se ter três tipos: universal (Jacobs), porta-pinça e portaferramenta. 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 de fixação não será suficiente. A figura
1.17 apresenta um mandril Jacobs.
Figura 1.17 – 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 uma 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 porca e é rosqueada no mandril. A figura 1.18 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 à forma cônica, obriga a pinça a se fechar e fixar a ferramenta.
Figura 1.18 – Mandril porta pinça e dois modelos de pinças.
Para ferramentas de maior porte, e conseqüentemente, 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 1.19 apresenta alguns modelos de mandril.
Figura 1.19 – Alguns modelos de mandril.
Figura 1.20 – Mandril porta-fresa curto com chaveta longitudinal.
Figura 1.21 – Mandril porta-fresa curto com chaveta transversal.
Figura 1.22 – Mandril porta-fresa longo com chaveta longitudinal.
2.2.8 Cabeçote divisor
O cabeçote divisor é um dos principais acessórios da fresadora. Sua finalidade é a de
dividir uma circunferência em n partes iguais. Sendo assim, pode-se usinar peças com seções na
forma de polígonos regulares (quadrados, hexágonos, etc.), executar sulcos regularmente
espaçados (canais de lubrificação, dentes de engrenagem, etc.), usinar cavidades circulares, etc.
Os dois principais modos de divisão são a divisão direta e a divisão indireta.
Divisão direta: Esta forma de divisão recebe este nome porque é feita diretamente no eixo
onde está fixada a peça. É a forma mais simples e limitada. A figura 1.36 ilustra este divisor.
Utiliza um disco perfurado denominado disco divisor que possui o número de furos necessários
para girar a peça e executar a divisão desejada.
Figura 1.36 – Divisor universal para divisão direta.
O disco divisor pode conter mais de uma carreira de furos e furos em ambas as faces, de
modo a ter maior flexibilidade, pois só é permitida a divisão em números que sejam submúltiplos
do número de furos de cada carreira. Por exemplo, supondo um disco que tenha uma carreira de
24 furos pode-se executar as seguintes divisões: 2, 3, 4, 6, 8, 12 e 24.
Divisão indireta: A relação de transmissão ocorre por meio de parafuso sem-fim e coroa,
como mostra a figura 1.37 Como a divisão não ocorre diretamente no eixo onde a peça é fixada
esta divisão recebeu o nome de indireta.
Figura 1.37 – Detalhe da transmissão do divisor universal.
Este sistema permite obter uma maior série de divisões com o mesmo disco divisor. Podese tomar, como exemplo de disco divisor, um que possui as seguintes carreiras de furos: face A
(15, 18, 20, 23, 27, 31, 37, 41 e 47) e face B (16, 17, 19, 21, 29, 33, 39, 43 e 49).
O parafuso sem-fim é comandado por uma manivela, ou manípulo, que contém um pino
que ajusta-se aos furos do disco divisor. Por sua vez o sem-fim comanda uma coroa que está
ligada diretamente à árvore onde se fixa a peça.