Projeto e construção de dispositivo para medição para ... - LFS - USP

Construção de Dispositivos para Medição para Forças de Usinagem
em Processo de Furação
P. R. P. Pinto Filho
Laboratório de Fenômenos de Superfície – LFS, Departamento de Engenharia
Mecatrônica, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo – USP,
roberto.pinto@poli.usp.br
H. A. B. Sanches
Laboratório de Fenômenos de Superfície – LFS, Departamento de Engenharia
Mecatrônica, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo – USP,
henrique.sanches@poli.usp.br
I. F. Machado
Laboratório de Fenômenos de Superfície – LFS, Departamento de Engenharia
Mecatrônica, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo – USP,
machadoi@usp.br
1. RESUMO
O trabalho objetiva o projeto e a construção de um dispositivo capaz de avaliar
esforços de usinagem no processo de furação de materiais metálicos. Para a construção
do dispositivo de medição foi utilizada uma base de alumínio equipado com
extensômetros, que enviam sinais que são obtidos por um sistema de aquisição de dados.
Foi analisado o correto posicionamento dos extensômetros, estudando a distribuição de
deformações no material e depois procedendo à montagem. Após a montagem foi
construída uma curva de calibração para relacionar as deformações durante o processo
de furação com os esforços de usinagem. Posteriormente serão relacionados os esforços
de usinagem com as características mecânicas dos corpos-de-prova.
Palavras-chave: furação, usinagem, extensometria, forças de corte, aquisição de dados.
RESUMEN
Este trabajo tiene como objetivo el diseño y la construcción de un dispositivo capaz de
evaluar los esfuerzos en el maquinado durante el proceso de taladrado de materiales
metálicos. Para la construcción del dispositivo de medición de fuerzas fue utilizada una
base de aluminio equipada con extensómetros que envían las señales obtenidas al
sistema de adquisición de datos. Se analizó el correcto posicionamiento de los
extensómetros, estudiando la distribución de deformaciones en el material y luego se
realizó el montaje. Después del montaje fue construida una curva de calibración para
relacionar las deformaciones durante el proceso de taladrado con los esfuerzos de
maquinado. Posteriormente serán relacionados los esfuerzos de maquinado con las
propiedades mecánicas de las probetas.
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2. INTRODUÇÃO
O estudo dos processos de usinagem se mostra mais importante atualmente. E isso
devido a busca pela otimização nas linhas industriais de fabricação. Para tal, é necessário
o desenvolvimento de sistemas que nos permitam quantificar parâmetros fundamentais a
esses processos.
Em especial, um método importante por ser eficiente, de simples montagem e de baixo
custo é a medição de forças de corte através de dispositivos equipados com sensores do
tipo extensômetros. O projeto do dispositivo deve gerar as máximas deformações de
forma a facilitar e amplificar as medições.
O projeto para o dispositivo de furação iniciou-se com o cálculo estrutural dos esforços
os quais o dispositivo estaria exposto, e passou-se para a escolha do material da base.
Ele deveria ser resistente o suficiente para suportar as forças durante a usinagem e para
fixar bem o conjunto, e elástico o suficiente para amplificar as tensões, que seriam
captadas pelos extensômetros. Escolheu-se o alumínio, que além de apresentar as
características desejadas, é um metal leve, o que facilitaria o transporte do dispositivo.
A seguir, buscou-se um cilindro de alumínio que correspondesse com o diâmetro
mínimo de projeto. Passado essa fase, iniciou-se a fabricação do mesmo.
O primeiro problema foi a fixação do corpo-de-prova no dispositivo. O sistema pensado
inicialmente, baseado no uso de braçadeiras, mostrou-se ineficaz, pois não foi possível
deformar as paredes de alumínio o suficiente para tensionar a peça. Enquanto pensavase
nesse problema, passou-se para a colagem dos extensômetros, onde encontramos
outro problema, o posicionamento dos mesmos. Tal problema foi resolvido com o uso do
riscador, com que se marcou as posições corretas. Foram perdidos alguns
extensômetros, pois a superfície lisa da base não estava se mostrando eficaz para a
colagem. O problema foi solucionado com a lixamento das paredes com uma lixa com
granulação maior.
Para a fixação do corpo-de-prova, foi decidido o uso de chavetas. Para tal, fez-se oito
rasgos passantes nas paredes do cilindro superior do dispositivo, e rasgos superficiais
(com aproximadamente 2mm de profundidade) no corpo-de-prova. Placas pequenas e
finas de aço são utilizadas. Esse procedimento garantiu ótima fixação contra a rotação da
peça, além de transmitir de maneira homogênea as tensões para os sensores instalados
na base inferior do cilindro.
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3. OBJETIVOS
Os objetivos deste trabalho são: projetar, instrumentar, calibrar, testar e colocar
disponível para ensaios um dispositivo munido de extensômetros, para ser usado em
furadeiras industriais, onde esse dispositivo estará ligado a um sistema para aquisição
dos dados, de forma a avaliar as forças resultantes da furação em corpos-de-prova de um
aço utilizado em construção mecânica (ABNT 1045) após diferentes tratamentos térmicos;
além disso, desenvolver uma metodologia de ensaios que visa aprimorar o conceito de
usinabilidade, relacionando-o com parâmetros que permitam avaliá-lo, e relacioná-lo de
forma mais precisa com as propriedades mecânicas e com a microestrutura do material
usinado.
4. MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 Forças de usinagem
A força de usinagem no processo de furação é dada pela resultante dos esforços que
atuam sobre a ferramenta de corte - a broca. Na verdade, não se trabalha com a força de
usinagem propriamente dita, mas sim com suas componentes, a força de penetração (Fp)
e o momento de torção (Mt). A Figura 1 ilustra a força as componentes da força de
usinagem na operação de furação. O conhecimento ou mesmo a estimativa dos esforços
de usinagem máximos é utilizado, de um modo geral, para o dimensionamento do
equipamento de usinagem e projeto de ferramentas e dispositivos de usinagem. No
entanto, esses esforços variam durante o processo de usinagem e podem ser utilizados
para estudar os mecanismos de formação de cavaco.
4.2 Dispositivos de medição
Para o dispositivo de medição, foi necessário projetar uma base de alumínio cilíndrica,
onde o corpo de prova é fixado, e que por sua vez é fixado na mesa da máquina,
conforme esquematizado na Figura 2. Oito extensômetros, divididos em duas Pontes de
Wheatstone, são responsáveis pela medição das forças de penetração (gages A, C, E, G)
e de torção (B, D, F, H), respectivamente. A posição dos strain gages pode ser
claramente vista na Figura 3.
Esse arranjo tem duas importantes vantagens e uma desvantagem: aumento da
sensibilidade e compensação de temperatura, já que se encontram na mesma posição
longitudinal; porém, para garantir isso, foi necessário o uso de um gabarito e muito zelo
na hora da colagem dos extensômetros.
Para a calibração foi usinado um corpo-de-calibração, que é um cilindro de aço
equipado com um parafuso sextavado. Esse aparato foi fixado no dispositivo, e aplicouse
com um torquímetro momentos de torção. Os sinais foram aquisitados e plotados em
um gráfico (ver figura 2).
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Figura 1. Dispositivo para medição de forças para furação (esquerda); disposição dos
sensores – vista superior (direita).
Figura 2. Esquema das forças de usinagem para furação (esquerda); Curva de Calibração do
dispositivo (direita).
5. AGRADECIMENTOS
À Aços Villares Sidenor S.A pelo apoio (projeto CONSTRUMEC (FINEP-FIPT-Aços
Villares S.A, Processo no 01.04.087.00), à FAPESP pelo apoio no que se refere a boa
parte dos equipamentos utilizados (processo 03/05490-4), ao Laboratório de Fenômenos
de Superfície (LFS) da Escola Politécnica da USP, à Iscar do Brasil S.A., pelas

ferramentas de corte e ao Sr. Francisco dos Reis Faustino pelo auxílio na parte
experimental.
6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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Peckener, D.; Bernstein, I.M. Handbook of Stainless Steels. USA. McGraw Hill, 1977. Cap.
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Ferraresi, D. Fundamentos da Usinagem dos Metais.São Paulo. Edgard Blücher
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Mecânica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. 2000.
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