O que é usinagem mesmo?

Introdução

O termo usinagem significa submetar um material a um processo mecânico para se transformar em uma peça.
São muitas empresas espalhadas pelo mundo que realizam este tipo de serviço. Até mesmo em pequenas cidades existem chaveiros que copiam chaves e também estão usinando.
O ato de dar formas aos materiais se tornou amplo e de grande necessidade na industrialização atual.
As primeiras tentativas do ser humano para dar formas aos materiais se iniciaram no fim da pré-história com o cobre e o ouro. Eram metais bem maleáveis e permitia sua modelação com facilidade.
700 anos a. C. o metal mais usado era o ferro. Quase todas as ferramentas eram feitas desse material, sem tratamento especial nenhum. A partir do sécula XVII surgiram novas técnicas que garantiam um ferro mais preparado, o aço.
Mas foi por volta de 1900 que o americano F. W. Taylor desenvolveu o aço rápido que foi determinante para o avanço tecnológico da industrialização.
O aço rápido pode ser composto de até 7 elementos diferentes, em sua maioria metais, em uma mesma liga. São eles: Carbono, Tungstênio, Cobalto, Cromo, Vanádio, Manganês, Molibdênio. Esse metal suporta a uma temperatura, pressão e impactos altíssimos. Por isso são usados frequentemente para a criação de ferramentas que irão usinar outros metais.
Então, se pode notar que se delineia metais com metais. Tudo depende da compactação do que vai usinar e do que será usinado.
Na mesma época da invenção do aço rápido surgem as primeiras máquinas que realizam o trabalho pesado da usinagem braçal. São as máquinas à vapor. Isso mesmo. Além de locomotivas, bombas, bate-estacas, também foram criadas máquinas à vapor para usinagem.
Mas a máquina a vapor não foi a primeira a tornar eficaz o trabalho de dar formas aos materiais.
Apesar da imagem acima apresentar uma usinagem com faíscas, o comum é uma usinagem sem elas devido a adição de óleo refrigerantes durante o atrito da ferramenta com o metal para evitar o desgaste da ferramenta e o superaquecimento da peça e ferramenta.

As Primeiras Ferramentas
No Período Paleolítico (2,5 milhões a 100 mil anos atrás) o homem começa a introduzir em sua vida as primeiras ferramentas onde as ferramentas eram lanças, facas ou machados feitos a partir de pedras lascadas em suas formas originais (Idade da Pedra Lascada).
Já no Período Neolítico (12mil a 4 mil anos a.C.), o homem começa a polir suas ferramentas (Idade da Pedra Polida) dando formas mais interessantes à pedra. Então, bem antes dos metais, o ser humano moldava pedras para sua utilidade. Surge então os primeiros processos de fabricação.
Apesar do ferro ser o metal mais utilizado atualmente, foi o cobre e o ouro os primeiros metais a serem usados pelo homem no fim da pré-história. Devido à dureza do ferro, ele só veio a ser fundido mais tarde com a invenção dos fornos de alta temperatura.
Uma das primeiras ferramentas metálicas criadas foram a punção e a talhadeira (cinzel). Eram úteis na lapidação e quebra ou inscrição de pedras e madeiras. Mais tarde surge a serra, também criada com a ajuda de outras ferramentas metálicas. Além da madeira, também servia para cortar pedras.

História do Torno
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O torno é a mais antiga máquina-ferramenta que o homem criou.
Entende-se por máquina-ferramenta a máquna que produz peças pela movimentação mecânica de um conjunto de ferramentas.
Um torno permite delinear uma peça de forma geométrica através da rotação removendo parte de seu material através de ferramentas adequadas à quantidade de material para ser removido e ao formato e acesso desejado.
Antigas civilizações como os egipcios, os assírios e os romanos já faziam uso de tornos para criarem peças cilíndricas que comporiam cadeiras, rodas, partes de bombas d'água, mesas e vários utensílios domésticos e de construções.
Uma usinagem de torno permite apenas a rotação de um material em bruto que será dada forma e movimentos em dois eixos de algumas ferramentas. Os movimentos das ferramentas dão forma à peça que poderá ter sangramentos, furos, rebaixos ou canais, todas usinagems que possuem uma geometria circular. Até mesmo é possível definir a rugosidade da superfície do material controlando a rotação e o avanço da ferramenta.

Torno de Vara
Os primeiros tornos surgiram há muito tempo, sendo o clássico "torno de vara", o torno mais lembrado na história dos tornos. Era muito utilizado por artesãos da Idade Média e meados do século XIX. No entanto há indícios de que egipcios já o usavam cerca de 300 anos a. C.
Era uma máquina verstátil e leve em comparação com os tornos atuais que chegam a pesar toneladas. Era composto de uma vara que ficava presa sobre o artesão que ia puxando uma corda presa à vara através de um pedal para que a peça girasse e fosse desbastada. Quanto a vara estava tensa, a mesma realizava uma rotação inversa liberando o operador da ação de giro. A desvantagem é que o sistema não permitia uma rotação contínua e os materiais deveriam ser de fácil modelação como madeiras. Por isso esse torno produzia peças para a montagem de móveis como cadeiras, mesas e alguns utensílios domésticos. Quando o artesão precisava viajar para um lugar distante em busca de negócios e matéria-prima poderia desmontar e levar sua máquina consigo. Tal equipamento não oferecia medidas precisas como hoje em dia.
Essa máquina era uma nova idéia que permitia a usinagem através de um movimento de translação e um dos principais trabalhos realizados nela era a Furação de Corda Puxada.
Vale lembrar que os antigos romanos lançavam mão de um torno ainda mais antigo, chamado de torno de arco. Eis um esboço da evolução dos primeiros tornos, sendo eles (na ordem): Torno de Arco, Torno de Vara e Torno de Fuso.

Mais tarde surgiu o torno fuso onde duas pessoas operavam simultaneamente. Enquanto um servo girava o fuso, o artesão usinava. No século XVIII Henry Moudslay lançou o torno à vapor e nele apenas uma pessoa podia operar. Sua invenção permitia que um operador não fosse habilidoso como um artesão.
No último século, o torno passou por várias trasnformações, todas com o objetivo de tornar o trabalho mais automático e mais rápido.

• 1906 - Entra em cena os tornos com motores.
• 1925 - Primeiro torno com motor elétrico.
• 1960 - Surge o torno automático
• 1978 - Pode parecer precoce demais para quem está acostumado com máquinas CNC. Mas o primeiro torno controlado por um programa eletrônico surge neste ano. São os chamados tornos CNC.

Moudslay e Witworth são nomes comuns na estória da engenharia. Foram eles os responsáveis por introduzirem máquinas em fábricas com diversos funcionários trabalhando conjuntamente. Devido aos seus tornos de fácil operação, os caros serviços de artesães foram sendo rejeitados e funcionários sem grande especialização e mão-de-obra barata foram substituindo-os tornando as peças mais baratas também. Witworth em 1860 tinha 700 funcionários e 600 máquinas ferramentas.

Usinabilidade de Materiais

A usinabilidade nada mais é do que o grau de dificuldade que um material oferece ao ser usinado. O principal fator de usinabilidade é o tipo de material usinado. Quanto mais compacto e menos maleável material, mais difícil é sua usinagem. Por isso os metais mais maleáveis e as madeiras foram os primeiros materiais a serem moldados pelo ser humano. Mas muitos materiais dependeram de outros fatores para seu uso durante a evolução das ferramentes. O plástico é um material maleável e leve, porém só foi usado para a criação de produtos com o advento do petróleo e as técnicas científicas. Mas os metais também apresentam diferentes condições de corte.

Os resultados de uma usinagem sem os parâmetros adequados são:

Empastamento, desgaste rápido da ferramenta, mau acabamento, travamento e, dependendo do material, combustão por superaquecimento.

Dependendo das condições da máquina ou ferramenta, um mesmo material pode ter diferenças de usinabilidade. Se a máquina não oferecer o avanço, rotação, rigidez, material da ferramenta e refrigeração adequados uma usinagem pderá ter grandes variações.

Critérios para Determinação da Usinabilidade de um Material

Atualmente contamos com uma variedade de máquinas, ferramentas e materiais enorme. A combinação entre eles e os parâmetros de usinagem geram uma usinagem perfeita quando tudo é bem calculado. Todos são expressos em valores numéricos e através de algumas fórmulas como velocidade de corte e algumas constantes é possível chegar aos valores adequados para uma boa usinagem.

Os principais critérios são:

Vida de ferramenta, força de corte e potência consumida.

A partir dessas três condições, são complementadas vários outros critérios e parâmetros de usinagem com velocidade de corte, avanço da ferramenta, rotação, material da ferramenta, tipo de insertos, refrigeração, etc.
A escolha de uma combinação errada resulta em desperdício de ferramentas, honorários e tempo de produção. Além disso, a manutenção de uma máquina ou dispositivo onde existe uma usinagem desengrenada é mais frequente e a peça produzida não possui uma boa qualidade.

Vida da ferramenta: Uma ferramenta tem um tempo certo para se desgastar e oferecer uma má usinabilidade. Quanto menos se afia ou se troca uma ferramenta, mais economia.
Força e potência: A escolha do tipo de máquina define o trabalho a ser feito. Cada tipo de ferramenta e material exige uma potência e força máxima que reflete na quantidade de material removido que determinará na hora-máquina. A máquina usada deve suprir essas condições. Mas nem sempre se pode trabalhar no limite de corte de uma máquina a fim de se obter uma produção mais acelerada. Muitos tipos de peças requerem uma qualidade de superfície e isso exige uma usinagem com parâmetros mais reduzidos e um tempo maior. Com isso o produto se torna mais caro para atender as exigências da empregabilidade da peça.

Tabelas e Gráficos de Usinabilidade

Com o passar do tempo, após muito suor derramado, tudo foi registrado e organizado para que os conhecimentos de usinabilidade não fossem perdidos e pudessem ajudar novas usinagens. Para isso existem tabelas e gráficos que demonstram os parâmetros necessários para a qualidade desejada num produto usinado. Embora não seja possível alcançar a usinagem perfeita porque as máquinas e ferramentas sofrem desgastes diferentes, as tabelas e gráficos com as informações preestabelecidas são de grande ajuda. Através de ensaios e experimentações os conhecimentos sobre o comportamento dos materiais são aprimorados e os registros são atualizados frequentemente.

Propriedades dos Materiais

Os materiais possuem propriedades específicas que determinam a forma como serão trabalhados para se obter a melhor usinagem. Dentre os mais importantes valores dos materiais estão:

Dureza e resistência mecânica, Ductibilidade, Condutividade Térmica e Taxa de Encruamento.

Quando os valores de cada propriedade estão autos a usinabilidade é favorecida. Exceto a condutividade térmica que deve possuir um valor baixo para uma boa usinabilidade.

Movimentos de Usinagem

A usinagem deve possuir movimentos que possibilitarão a retirada de material de uma peça em bruto. Esses movimentos são importantes e são empregados desde as primeiras usinagens. No início usavasse a rotação e o movimento de uma ferramenta segura com a mão para usinar. Então pode-se considerar uma usinagem primitiva que não oferecia uma precisão adequada. Posteriormente as máquinas foram sendo aprimoradas e a própria ferramenta passou a ser fixa na máquina sendo movimentada por guias fixas. Atualmente as máquinas possuem vários sentidos de movimentos através de diferentes rotações e eixos. Por isso é importante conhecer cada movimento e qual sua importância durante uma usinagem.

Movimento de Corte: É o movimento entre a ferramenta e a peça que permite a retirada de material em uma única rotação ou, menos frequênte, através do curso da ferramenta. Lembrando que a rotação pode ser da peça (tornos) ou da ferramenta (fresadoras).
Movimento Efetivo de Corte: Permite o processo de usinagem. Resultante da soma dos movimentos de corte e avanço quando o avanço é contínuo.
Movimento de Avanço: Também é um movimento entre a ferramenta e a peça. Porém nesse caso o movimento de avanço depende do movimento de corte para um avanço contínuo. Define qual a velocidade em que a ferramenta se movimentação e não determina sozinho quanto material será retirado por rotação.
Movimento de Ajuste ou Penetração: Define qual será a espessura do material (sobrematerial) que será retirada por passada.
Movimento de Correção: Um dos menores movimentos em uma usinagem. Compensa alterações de posicionamento causado por desgastes da ferramenta. Usado para ajustar medidas.
Movimento de Aproximação: Movimento feito em alta-velociade (geralmente) para posicionar a ferramenta próxima à peça antes da usinagem que será feita em um movimento mais lento. Definido pelo avanço.
Movimento de Recuo: Como o próprio nome diz, é o movimento contrário da aproximação. Tem a finalidade de recuar a ferramenta da peça para liberar espaço para a troca da mesma. Movimento rápido cuja velocidade também é definida pelo avanço.

Cavaco

São os resíduos liberados da peça durante a usinagem.

Importância: O cavaco possui um impacto no processo da usinagem que implica na qualidade da usinagem, na limpeza da máquina ou setor da máquina, segurança para operador, desgaste de ferramenta ou máquina. A forma de coleta e armazenamento (que podem ser automáticas através de esteiras) permitem uma área limpa, livre de interferências mecânicas.. Por isso existem estudos voltados para o controle do cavaco com o objetivo de reduzir tempo e, consequentemente, custos envolvidos na usinagem.
Cavacos longos resultantes de materiais de baixa ruptura, ou seja, resíduos que não se rompem facilmente, formam longas tiras de material (como o cavaco de nylon ou aço mais puro) provocam o entupimento das esteiras de coleta da máquina ou permanecem se acumulando em determinados locais, como próximo à peça e ferramenta e podem causar uma repentina rotação de todo o cavaco emaranhado junto com a peça danificando a máquina, ferramenta e colocando em risco a saúde do trabalhador.
Além disso, os pontos mais importantes com relação ao cavaco é o alcance do óleo refrigerante até a área de contato com a superfície da peça, o calor gerado e o desgaste da ferramenta.
O cavaco deve ser retirado de uma forma adequada para evitar o desgaste rápido da ferramenta, evitar um calor demasiado e permitir que o óleo alcance a área de atrito para refrigerar tanto a peça quanto a ferramenta.

Apostila de Usinagem - DISCIPLINA: PROCESSOS DE USINAGEM