Tema3

1

PROCESSO PARA OBTENÇÃO DE FUROS QUADRADOS UTILIZADO MÁQUINAS
FERRAMENTAS A CNC COM FERRAMENTA ROTATIVA
Trabalho apresentado no evento INOVA SENAI – 2011
1º Colocado na Categoria Processo Inovador – Docentes
Escola SENAI “Mário Dedini” – Piracicaba-SP
Dispensa avaliação de especialista

Marcelo Hirai Castro 1

RESUMO
Os furos poligonais sempre foram um obstáculo para a indústria de usinagem pela
dificuldade de obtenção, apesar dos grandes avanços tecnológicos das últimas
décadas. Os processos utilizados para a obtenção desse tipo de furo são sempre
limitados em algum aspecto. Os furos quadrados podem ser utilizados em uma grande
variedade de aplicações na indústria em geral. Como exemplo, uma das principais
funções de um furo quadrado pode ser o travamento de movimento, que utilizaria
apenas dois elementos, o eixo quadrado (obtido facilmente com os processos
existentes, portanto barato) e o furo quadrado. Estes dois elementos, que são os
elementos principais, não precisariam de mais nenhum outro elemento para o
travamento de movimento. A comparação, principalmente em termos de custo, pode ser
feita com os sistemas chavetados, onde são necessários três elementos: o eixo
“chavetado”, o furo “chavetado” e a chaveta, visto que um furo chavetado tem relativa
inconveniência para ser processado na manufatura. A semelhança do processo
proposto para furos poligonais com a furação cilíndrica convencional, provavelmente
deixará o custo da furação poligonal próximo do custo da furação cilíndrica. Espera-se
que com a facilidade apresentada neste trabalho para a obtenção de furos poligonais, a
indústria em geral utilize largamente os encaixes poligonais e que as empresas
desenvolvedoras de tecnologia CNC possam disponibilizar esse processo de forma
parametrizada em seus controles. As empresas desenvolvedoras de softwares CAM,
também podem permitir o uso bastante facilitado para o usuário final.
Palavras-chaves: Furo quadrado. Furo poligonal.

__________________________________________________________________________________________________________________________________
1

Docente da Escola SENAI “Mário Dedini” – Piracicaba-SP

Revista Eletrônica de Educação e Tecnologia do SENAI-SP. ISSN: 1981-8270. v.6, n.11, mar. 2012.

2

1 INTRODUÇÃO
As aplicações de máquinas ferramentas de usinagem tanto convencionais quanto
a CNC (Comando Numérico Computadorizado) em suas aplicações cotidianas, não
sincronizam o movimento principal com os movimentos secundários: movimentos de
penetração, de avanço e de aproximação. Os equipamentos convencionais possuem
limitações que realmente tornam essa sincronia quase que impraticável, porém nas
máquinas equipadas com CNC, existe grande flexibilidade no acionamento dos eixos
principalmente por serem programáveis.
A sincronia de movimentos dos eixos rotativos e lineares é muito utilizada nas
usinagens com 3,4,5 e até mais eixos, de forma simultânea, porém quando se trata de
simultaneidade entre o movimento principal (spindle) e os eixos lineares,

essa

simultaneidade não é explorada.
Para a obtenção de furos quadrados, apresentado neste trabalho, são necessários
basicamente dois movimentos, o movimento de rotação da própria ferramenta e o
movimento de translação sincronizado com a rotação. Quando estes movimentos são
programados em máquinas a CNC, se faz importante a sincronização do movimento de
rotação com outros movimentos para compor o movimento de translação, podendo este
último ser efetuado através da simultaneidade de dois eixos lineares.
Patentes inglesas do início do século passado já demonstravam que era possível
fazer furos poligonais com a sincronização desses movimentos utilizando uma broca de
três cortes, como o dispositivo mecânico patenteado por Watts.
Hoje em dia, as máquinas a CNC podem fazer posicionamentos extremamente
precisos com controle total dos movimentos, sejam estes paradas precisas ou
movimentos sincronizados. Outro fator muito significativo é a flexibilidade por meio da
programação desses eixos, que possibilita trajetórias complexas com os devidos
controles de velocidade e precisão, até mesmo percorrendo trajetórias definidas por um
modelo matemático.
O objetivo deste trabalho é realizar furos poligonais com uma ferramenta em
rotação, especialmente definida para este fim, utilizando a tecnologia das máquinas a
CNC. A programação da sincronia dos eixos faz com que a ponta da ferramenta

3

descreva uma trajetória quadrada, e à medida que o eixo de profundidade vai sendo
indexado obtém-se o furo poligonal.

2 REVISÃO DA LITERATURA

O estudo da usinagem com sincronia do movimento principal de corte tem sido
objeto de estudo desde 1891 com registros sob patentes de dispositivos e ferramentas.
O mais antigo registro encontrado sob o número da patente 456258 é de David Brown
Hutton e Archibald Frederick George Daniels, onde está registrado que uma broca é
capaz de realizar furos quadrados. Demonstra que é possível conseguir furos de
secção quadrada com movimentos laterais da broca guiados por máscaras com tal
formato. Na descrição de sua patente, apresenta um dispositivo para obtenção de furos
quadrados com ferramentas de três cortes. Em 1916 também, outro registro de patente
por Richard Henry Harris, onde é apresentada uma melhoria para aplicações de
furação, demonstrando um dispositivo capaz de fazer furos quadrados e hexagonais
com brocas de 3 e 5 cortes respectivamente.
Logo em seguida, em 25 de setembro de 1917, Harry J. Watts patenteou 3
inventos, todos eles relacionados à obtenção de furos poligonais. Patenteado sob o
número 1.241.175, um dispositivo titulado como “Floating Tool Chuck”, que era capaz
de guiar a ferramenta através de um tipo de máscara para que esta percorresse a
trajetória correta a fim de se obter o furo poligonal. Logo em seguida, patenteou uma
broca para obtenção de furos poligonais sob o número 1.241.176, e no mesmo dia,
patenteou um dispositivo titulado como “Floating Tool Chuck” sob o número 1.241.177,
que seria outra versão da primeira patente dele.
Hoje em dia temos esses dispositivos sendo oferecidos ao mercado, praticamente
com a mesma configuração de componentes da patente em 1917 de Harry J. Watts,
com um prato guia com o formato do polígono do qual se tem interesse, normalmente
sextavados ou quadrados e as brocas oferecidas, sempre com o número de cortes
sendo igual ao número de lados do polígono menos um, portanto no caso citado,
ferramentas com número de cortes três e cinco. A empresa inglesa DS atualmente

4

oferece estes acessórios para obtenção de furos poligonais. Interessante citar que o
nome de todos os acessórios recebe o nome Watts na frente, como uma demonstração
de reconhecimento a Harry J. Watts (Ex: Watts Floating Chuck, Watts Hexagonal Drill,
Watts Square Drill, Watts Guide Plate e assim por diante).
Abaixo estão alguns dispositivos oferecidos comercialmente pela empresa inglesa
DS:

Fig. 1 – Dispositivo para furos poligonais
Fonte: Disponível em http://www.drill-service.co.uk/Tools.asp?Tool=020660000000
Data 26/04/10

Fig. 2 – Broca para furo quadrado
Fonte: Disponível em http://www.drill-service.co.uk/Tools.asp?Tool=020660000000Data 26/04/10

Fig. 3 Prato guia para obtenção do polígono

5


Fig. 4 Broca de 5 cortes para obtenção de furo sextavado
Depois destes registros, muitos outros inventores desenvolveram patentes
semelhantes às anteriores com algumas variações ou melhorias, podem-se citar alguns
inventores como Charles Wolkerstorfer em 1926, Rudolf Bartholomäus em 1930 e Paul
Harraser em 1931. Os inventores citados assim como outros, sempre desenvolveram
dispositivos mecânicos, porém em 13/06/2002, os inventores Takahiro Funaki e Tomoo
Hayashi, apresentam uma patente de um dispositivo controlado por um Comando
Numérico acoplado a dois servomotores capazes de eliminarem cantos arredondados
pela trajetória controlada, de uma mesa XY, com uma ferramenta rotativa. Este é o
registro mais próximo com este trabalho, principalmente pelos servomotores e o
contolador NC.
Logo em seguida, quatro inventores, Kouichi Katoh, Takamasa Ito, Nobuyuki Endo
e Makoto Sagara, patentearam a ferramenta utilizada no dispositivo de Takahiro Funaki
e Tomoo Hayashi para obter cantos retos.
Em 2002, um inventor brasileiro, Antônio César da Costa Barros patenteou um
dispositivo (fig. 5) para obter furos quadrados sob número da patente brasileira
PI0700981-0, com um diferencial em relação àqueles mecânicos patenteados no início
do século XX. Este dispositivo não precisa de uma máscara para que a broca percorra
a trajetória para a obtenção do furo quadrado. A trajetória a ser percorrida pelo centro
da ferramenta, na verdade é elíptica, deduzida pelo próprio inventor e demonstrada em
seu trabalho “O uso da computação gráfica no ensino de curvas de largura constante,


6

lugares geométricos e envolventes” apresentado em Belo Horizonte de 14 a 18 de
outubro de 2002 na Bienal da Sociedade Brasileira de Matemática.
O detalhe é que no dispositivo mecânico patenteado por Barros a trajetória é
circular, mais aproximada possível à trajetória elíptica perfeita, visto a dificuldade de se
obter esta trajetória em conjuntos puramente mecânicos. O trabalho aqui apresentado
busca a eliminação deste erro utilizando a tecnologia da máquina a CNC.

Fig. 5 Dispositivo para obtenção de furo quadrado sem utilizar máscara guia

3 MATERIAIS E MÉTODOS

Para que um furo poligonal possa ser obtido, no caso deste trabalho, um furo
quadrado, são necessários três movimentos, rotação da ferramenta, translação da
ferramenta e profundidade.
Os movimentos de rotação e de translação necessariamente devem estar
sincronizados, sendo que o de profundidade pode ser dado a qualquer momento de
forma independente.


7

Para a execução do furo poligonal em uma máquina a CNC, se faz necessária a
ferramenta com sua geometria especialmente definida para este fim e uma máquina
com controlador capaz de prover simultaneidade em pelo menos 3 eixos lineares e 1
eixo rotativo.
O eixo rotativo é para prover o movimento de rotação, dois eixos lineares têm a
função de determinar o movimento de translação da ferramenta e o terceiro eixo linear
tem a função de dar a profundidade para a formação do furo.
Abaixo temos as etapas demonstradas no trabalho de Barros para que a ponta da
ferramenta possa ter uma resultante quadrada com cantos mínimos de arcos de elipse
quando comparado ao tamanho do quadrado. Estes arcos, para um entendimento mais
prático, podem ser aproximados para círculos, que representariam 8% do lado do
quadrado.

Fig. 6 Etapas de formação do quadrado
(Fonte: BARROS, O uso da computação no ensino de curvas)
O movimento de translação apontado no centro da ferramenta será determinado
pelos dois eixos lineares. Ao girar apenas 120 graus, com três cortes, a ferramenta é
capaz de percorrer o polígono.
3.1 Construção da Ferramenta
A ferramenta é construída tomando como base o triângulo de Reuleaux, também é
a partir dela que será determinado o tamanho do quadrado. A distância em linha reta de
um vértice ao outro do triângulo de Reuleaux será o tamanho do quadrado a ser obtido,
no caso da figura abaixo, segmentos de reta AB, BC ou AC.

8

C

C

A
A

B
B
Fig. 7 Triângulo de Reuleaux

A área do triângulo não pode ser ultrapassada na construção da ferramenta, caso
contrário, irá encostar-se ao quadrado provocando a quebra. Sendo assim, para que os
cortes da ferramenta sejam definidos, utiliza-se como base o triângulo de Reuleaux e
aplicam-se os cortes assim como se faz nas fresas de topo, usinando os sulcos para
saídas de cavaco e a afiação de corte do topo da ferramenta com os ângulos de saída,
de incidência e principal.

Fig.8 Etapas do desenho da ferramenta obtido em software CAD
Depois do modelamento da ferramenta em software CAD, com as devidas
medidas no desenho detalhado, obtém-se a ferramenta propriamente dita através de
processo de afiação em máquinas convencionais e CNC, neste caso, a ferramenta de
aço rápido obtida em máquinas convencionais e a ferramenta de metal duro obtida em
máquinas de afiação CNC.


9

3.2 Máquina
Como já foi dito anteriormente, para se fazer um furo poligonal quadrado, se faz
necessário o movimento de rotação sincronizado com o movimento de translação. Para
o movimento de rotação é necessário um eixo rotativo e para o movimento de
translação, dois eixos lineares. Ainda assim, mais um eixo linear é necessário para que
se possa dar a profundidade no furo.

3.2.1 Máquina Tipo Centro de Usinagem Vertical ou Horizontal
Qualquer máquina a CNC que tenha essas condições poderá executar a furação
quadrada, até mesmo poligonal, sendo que a configuração mecânica mais conveniente
é a apresentada abaixo, tanto na versão vertical, como na versão horizontal.

Movimento de profundidade Z

Movimento SincronizadoY
Movimento de rotação sincronizado

Mesa da máquina

Movimento Sincronizado X


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Esta conveniência se dá em função das fixações da ferramenta e da peça, de
forma que não se fazem necessárias adaptações para conseguir a operação de furação
poligonal, ou seja, pode-se prender a ferramenta no porta ferramenta e a peça na
morsa, ou na mesa com grampos.
Com a configuração acima, O movimento de rotação da ferramenta será dado pelo
eixo spindle e o movimento de translação será definido através da combinação de
movimentos dos eixos X e Y, sincronizados com o eixo spindle. Analogamente para
uma máquina ferramenta horizontal.

3.2.2 Máquina Tipo Centro de Usinagem Vertical com 4º Eixo
No caso de uma máquina tipo centro de usinagem vertical com quatro eixos,
também é possível fazer a furação poligonal caso o eixo spindle não funcione como
eixo. No esquema abaixo, temos a ferramenta fixada no eixo rotativo A, e a peça fixada
no eixo spindle travado.

Z

A

Y

X = Profundidade do Furo


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Esta não é uma situação ideal uma vez que as posições de fixação estão
invertidas, porém não deixa de ser uma alternativa, principalmente se o esforço de corte
não for significativo (furação em plástico ou madeira).
O movimento de rotação da ferramenta será dado pelo 4º eixo (A) e o movimento
de translação será definido através da combinação de movimentos dos eixos Y e Z,
sincronizados com o eixo A.

3.2.3 Máquina Tipo Torno com 5 eixos
No caso de um torno 5 eixos por exemplo, também é possível se fazer a furação
poligonal, porém é preciso fixar a ferramenta no eixo árvore e a peça no porta
ferramentas, semelhante à situação da máquina 4 eixos.

3.3 Experimentos
Os experimentos foram executados em três máquinas: Centro de Torneamento 5
eixos,

Centro de Usinagem Vertical três eixos e um Centro de Usinagem Vertical

equipado com o quarto eixo.
No Centro de Torneamento 5 eixos foram obtidos furos quadrados, assim como no
Centro de Usinagem Vertical 3 eixos. No Centro de Usinagem Vertical foi executado
apenas um teste de velocidade.
As programações foram desenvolvidas e digitadas nos próprios comandos de
cada máquina, mesmo porque não existem softwares CAM com estes comandos (furos
poligonais, ou algo parecido), assim como não existem estes comandos nos CNC´s,
nem mesmo nos softwares comerciais Guide da Fanuc, ou Shopmill da Siemens, ou
similares


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3.3.1 Centro de Torneamento 5 Eixos

Equipamento: Torno 5 Eixos
Fabricante: ROMI
Modelo: E280
Fig.9 Centro de Torneamento 5 eixos
Comando: Fanuc
Localização: Escola SENAI de Santa
Bárbara d´Oeste


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A fixação da ferramenta é feita na placa hidráulica do eixo spindle e a peça fixada
no porta ferramenta da torre traseira.

Corpo de Prova

Ferramenta

O movimento de rotação é dado pelo eixo árvore, programado como eixo C e o
movimento de translação é executado pela combinação dos eixos X e Y, em sincronia
com o eixo C.

3.3.2 Centro de Usinagem Vertical 3
Eixos
Equipamento: Centro de Usinagem
Fabricante: ROMI
Modelo: Discovery 760
Fig.10 Centro de Usinagem 3 Eixos
Comando: Siemens 810D
Localização: Escola SENAI de Piracicaba


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A fixação da ferramenta é feita no próprio spindle e a peça a ser usinada pode ser
fixada na morsa, ou na mesa diretamente. Esta situação é considerada ideal porque
está de acordo com a fixação padrão, tanto a ferramenta quanto a peça.
Neste caso, o movimento de rotação é dado pelo spindle, programado como eixo
C, e o movimento de translação é executado pela combinação dos eixos X e Y em
sincronia com o eixo C.

3.3.3 Centro de Usinagem Vertical com
4º Eixo

Equipamento: Centro de Usinagem
Fabricante: ROMI
Modelo: Discovery 1250
Fig.11 Centro de Usinagem 4 Eixos
Comando: Fanuc 21i 0 Mb
Localização: Centro de Produtividade Sandvik – São Paulo

A fixação da ferramenta seria feita na placa do 4º eixo, semelhante à fixação no
torno, e a peça fixada no eixo spindle, o que não é recomendável, porém foi executado
apenas um teste de velocidade uma vez que este comando possui o recurso Ainano da
Fanuc, comercialmente batizado pela empresa ROMI como “Moldes e Matrizes”.
Neste caso, o movimento de rotação é dado pelo quarto eixo, programado como
eixo rotativo A, e o movimento de translação é executado pela combinação dos eixos Y
e Z em sincronia com o eixo A.


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3.4 Modelo Matemático e Programação
A programação para todos os tipos de máquina são regidas por um modelo
matemático deduzido por Barros em seu trabalho “O uso da computação gráfica no
ensino de curvas de largura constante”, onde é apresentado em 1.4.2 o subtítulo
“Identificando a trajetória do eixo da broca”.
Abaixo são apresentas as paramétricas em função do ângulo de rotação “c”:

Na 1ª fase (1.15) reduz-se a:

9


1
1
sen ( c )
 x  cos( c ) 
2
2 3



 y  3  1 cos( c )

2
3



,

0  c 


6

(1.16)

Na 2ª fase a:

10


1
1
sen ( c )
 x  cos( c ) 
2
2 3



 y  3  1  1 sen ( c )  1 cos( c )

2
2
2 3



,



 c 
6
3

,



 c 
3
2

(1.17)

Na 3ª fase a:

11


1
sen ( c )
 x  1 
3



 y  3  1  1 sen ( c )  1 cos( c )

2
2
2 3



(1.18)


16

E na 4ª fase a:

12


1
sen ( c )
 x  1 
3



 y  3  1 sen ( c )  1 cos( c )

2
2
2 3



,


2
 c 
2
3

(1.19)

As fases por ele citadas estão relacionadas ao gráfico abaixo que mostra a
trajetória do que chamamos aqui de movimento de translação.
N
11

10

P

M
12

9
Q

Figura 1.14
(Fonte: BARROS, O uso da computação no ensino de curvas)

Na figura anterior, Barros define a origem do sistema de coordenadas no canto
inferior esquerdo do que seria a ferramenta.

Esta origem não é conveniente para a programação, portanto desloca-se esta
origem para o centro do quadrado:

17

Na 1ª fase alterada reduz-se a:

9

1
1
1

 x  2 cos(c)  2 3 sen(c)  2


, 0c

6
 y  3  1 cos(c)  1  3

2
2
3

L

Na 2ª fase alterada a:

10

1
1
1

 x  2 cos(c)  2 3 sen(c)  2


 y  3  1  1 sen(c)  1 cos(c)  1  3

2
2
2
2 3




,

6

c


3

Na 3ª fase alterada a:
1
1

 x  1  3 sen(c)  2


 y  3  1  1 sen(c)  1 cos(c)  1  3

2
2
2
2 3


11

,


3

c


2

E na 4ª fase alterada a:

12

1
1

 x  1  3 sen(c)  2


 y  3  1 sen(c)  1 cos(c)  1  3

2 2
2
2 3


,


2

c

2
3

Com a origem deslocada para o centro do quadrado, os pontos da trajetória
podem ser gerados. A programação foi feita ponto a ponto com indexação do eixo


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rotativo de 3 em 3 graus uma vez que não existe nenhum comando parametrizado no
comando nem nos softwares CAM.

3.5 Material
O corpo de prova foi feito em material plástico, PP branco, com um pré-furo
cilíndrico. O movimento de translação não permite o corte no centro, devendo então, o
centro do furo estar previamente removido.
Este material foi escolhido por ser um material que não daria problemas com
refrigeração de corte, geração de cavaco, entupimento das saídas de material, esforços
de corte, vibração, etc.
O objetivo dos testes é observar a dinâmica da máquina assim como o contorno
gerado pela ponta da ferramenta.
No caso de materiais ferrosos acredita-se que seria apenas uma questão de
desenvolvimento de ferramenta e não do método apresentado. Mesmo com estas
ferramentas preparadas para este teste especificamente, provavelmente não teriam
problemas maiores para fazer a usinagem de furos quadrados em materiais como aço,
alumínio e latão, uma vez que foram confeccionadas em aço rápido e metal duro, com
ângulos de afiação para metais.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os corpos de prova analisados mostraram que é perfeitamente possível obter
furos quadrados em máquinas a CNC, fazendo com que a ferramenta percorra a
trajetória modelada, a fim de obter o contorno perfeito do polígono controlando as
variáveis do processo.
Este processo apresentou diversas vantagens sobre os existentes que estão
basicamente relacionados a dispositivos mecânicos. Os processos de obtenção de


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furos quadrados com dispositivos mecânicos apresentam diversos problemas como
folgas, desgastes, vazamentos, repetibilidade deficiente e pouca versatilidade.
Ao implementar o processo em máquinas CNC, os ganhos são diversos como
grande versatilidade, compensação eletrônica de medidas e trajetória perfeita a ser
percorrida. Como não existe o dispositivo mecânico eliminam-se os problemas com
desgastes e folgas. Essas vantagens, na verdade, são herdadas da precisão e
versatilidade das máquinas ferramentas CNC.

4.1 Velocidade
O grande desafio para este processo é a velocidade com que os posicionamentos
são executados, os pequenos incrementos dos movimentos lineares que compõem o
movimento de translação não permitem que os motores desenvolvam alta velocidade.
Isto se deve ao fato do motor acelerar e desacelerar quase que ao mesmo tempo, não
permitindo atingir velocidade máxima, ou uma velocidade mais satisfatória para a
usinagem.
O problema é que se o movimento de translação não acontece de forma rápida, o
movimento de rotação também não, uma vez que são simultâneos e dependentes,
conseqüentemente gerando uma baixíssima velocidade de corte para a ferramenta,
algo em torno de 50 rpm na velocidade máxima dos controladores testados.
Os testes foram executados para quadrados de 10mm, ao aumentar o tamanho do
quadrado, os deslocamentos também o são, porém o desenvolvimento principal
realmente deve acontecer nos controladores, não se pode aumentar o tamanho dos
furos para obter velocidades satisfatórias de corte.
Em um primeiro momento, os incrementos angulares haviam sido definidos em 3
graus, com a baixa velocidade desenvolvida pelo sistema como um todo, este
incremento angular foi passado para 10 graus, porém sem melhora significativa alguma.
Um teste foi executado considerando um furo de 100 mm com o intuito de
aumentar os deslocamentos dos eixos X e Y a cada três graus de rotação. A velocidade

20

aumentou significativamente, comprovando que os deslocamentos mínimos para o
quadrado de 10mm têm forte influência na velocidade da operação.
Outro teste foi executado com a modificação da trajetória de translação. Nos
testes anteriores a trajetória foi composta por microsegmentos de reta. Estes
segmentos foram substituídos por quatro arcos de circunferência programados a cada
30º de rotação, desenvolvendo uma velocidade muito maior do que as condições
anteriores, porém com perda significativa de geometria.

Velocidade com microsegmentos
para quadrado de 10mm –
Comando Siemens 810D

Velocidade com arcos de
circunferência de raio 0.77mm para
quadrado de 10mm – Comando
Siemens 810D

Avanço programado em XY:
3000mm/min

Avanço programado em XY: 3000
mm/min

Avanço máximo real em XY:
621mm/min

Avanço máximo real em XY: 2359
mm/min

RPM obtido: 45

RPM obtido: 162

4.2 Geometria
Com a programação da trajetória em função do incremento angular, a precisão
obtida passa a depender da precisão da construção da ferramenta e dos sistemas de
fixação.
Necessariamente o sentido de rotação deve ser ao contrário do sentido do
movimento de translação, caso estes sentidos sejam iguais, o quadrado sofrerá um
grande aumento da medida com o abaulamento dos lados (Fig. 12).


21

Fig.12 Abaulamento do lado do quadrado quando os sentidos de rotação e
translação são iguais
Outro fator determinante no abaulamento do lado do quadrado é a excentricidade
da ferramenta, embora seja um abaulamento menor.
O quadrado passa a perder perpendicularidade e a característica linear do lado, a
partir do momento que a posição inicial da ferramenta não está na perpendicular exata.
Quanto mais desvio na posição inicial, mais o lado do quadrado fica sinuoso.
Com a ferramenta fixada de forma concêntrica no eixo spindle, na melhor
configuração encontrada (Centro de Usinagem Vertical 3 Eixos), foram obtidos os
melhores resultados em relação à geometria e medida do quadrado obtido (Fig. 13).


22

Fig.13 Furo obtido em Centro de Usinagem Vertical 3 Eixos
4.3 Geometria x Velocidade
Com o intuito de aumentar a velocidade obtida do eixo árvore de 45 rpm, a
trajetória de translação foi substituída por uma trajetória circular, de forma que o eixo C
é programado de 30 em 30º ao invés de 3 em 3º . Como visto na tabela anterior, a
velocidade teve um aumento significativo, porém a geometria obtida ficou comprometida
pela perda de contorno e conseqüente variação de medida.
Foram formados 4 arcos de circunferência de raio 0.7735, sendo programados a
cada 30º . A geometria que foi executada com velocidade de 162rpm e avanços de
2359mm/min, ficou com um quadrado obtido de 10.5mm, lado abaulado e erros de
concordância.

5. CONCLUSÃO
A proposta deste trabalho teve como objetivo apresentar um processo para a
obtenção de furos quadrados em máquinas a CNC, a partir de uma ferramenta rotativa
com movimentos sincronizados de translação, demonstrando a possibilidade de

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utilização tanto do processo, quanto do produto gerado. Com este processo
consolidado, o preço de furos poligonais poderá ser drasticamente barateado, pois hoje
são relativamente caros em relação ao furo cilíndrico, utilizando processos como
brochamento, estapagem, forjamento, eletro erosão, corte por jato d´água e LASER
para serem confeccionados.
Importante evidenciar de que esta tecnologia já está instalada nas máquinas a
CNC, basta utilizar este recurso, ou melhorar e disponibilizar esta tecnologia já
instalada para o usuário final.
Esta disponibilização pode ser feita através de comandos já pré-programados para
utilização pelo usuário final, assim como existem hoje, os ciclos para desbaste,
rosqueamento, furação, bolsas, etc.
Os softwares CAM também poderiam desenvolver este comando, a fim de facilitar
e disponibilizar o uso para o usuário final.
Com a facilidade que este processo pode oferecer, espera-se que a utilização de
furos poligonais possa ser aumentada significativamente pelas indústrias mecânicas e
outras. Segue abaixo uma sugestão na substituição do sistema de travamento do
movimento, hoje largamente utilizada pela indústria mecânica, a chaveta.



Eixos de motores


24

Os eixos de motores, em sua grande maioria são acoplados a algum
elemento mecânico através de chavetas, e este elemento por sua vez também
deverá ter uma chaveta no furo para encaixe desta chaveta. Quando o sistema
está montado, toda a potência do sistema é transmitida através deste componente
chaveta. Veja uma nova configuração para este tipo de acoplagem, onde temos a
eliminação do componente chaveta.

Hoje em dia este tipo de encaixe se torna inconveniente pela fabricação do furo
quadrado da polia.
Uma comparação no tempo de processo de confecção do sistema atual pelo
proposto poderia ser facilmente estimada e certamente o sistema proposto teria um
tempo relativamente reduzido, conseqüentemente mais barato.
A ferramenta apresentada também é um foco de melhoria, pois se comparar a
ferramenta atual com a de 1913, as semelhanças são grandes para não dizer iguais,
com melhorias a fazer, pois com o movimento de translação necessário ao furo
quadrado, a ferramenta, mesmo que tenha o corte de uma aresta prolongado até o
centro, não consegue fazer uma furação sem o pré-furo, portanto, a necessidade de
desenvolvimento destas arestas de corte centrais da ferramenta.


25

Como visto, a furação quadrada pode ser realizada com velocidades baixas em
máquinas a CNC atuais, provavelmente satisfatórias para a usinagem de aço com
ferramentas de aço rápido, mas a exigência em processos industriais requer operações
com altas velocidades de corte, desafiando fabricantes de controladores numéricos
computadorizados para este processo.
Um caminho provável seria o ajuste de arcos de circunferência que possam
resultar em geometrias obtidas, com erros controlados para determinadas aplicações,
fazendo uma relação de velocidade x geometria satisfatória, sempre buscando um
maior incremento angular do eixo árvore.


26

PROCEDURE FOR OBTAINING SQUARE HOLES USED FOR CNC MACHINE
TOOLS WITH ROTARY TOOL
The polygon holes have been for a long time an obstacle in the machining
industry by difficult to get them, in spite of great advance technologies on last decade.
The process used to get holes like that one are always at least limited in a point. The
square holes can be used in a big number of applications in the general industry. For
example, one of the main functions of a square hole could be the lock of the circular
movement, which would use just two elements, the square shaft (it´s easy to get this
kind of shaft) and the square hole. It´s not necessary another element beside the main
elements to get the movement locked. The comparison, mainly in terms of cost can be
done with the shafts that use any kind of clench, and normally this kind of holes are
inconvenient in the manufacture process. The proposed process to square holes looks
like the drilling operation (cylindrical), probably the cost will be around the cost of
cylindrical drilling. The expectative is that because of easily of the process to get square
hole, the industry in general use a lot the polygon fit and the companies which develop
CNC commands let available the process in easy to use in your controllers. The CAM
developers can available this process, like a command, in easy to use to the final user.
Keywords: Square Hole. Polygonal Hole


27

REFERÊNCIAS

BARROS, Antônio César da Costa. O uso da computação gráfica no ensino de
curvas de largura constante, lugares geométricos e envolventes. Belo Horizonte,
14 a 18 de outubro de 2002.
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square holes. In Scientific American, Feb., 1963: 148-156.
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square holes. United States Patent Office, No 456,258, Patented July 21,1891.
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Máquinas Ferramentas – Tecnologia Mecânica – HEMUS Livraria Editora Ltda –
Colaboração de Edson Bini, Ivone D. Rabello e Márcio Pugliesi (Supervisor) –
Editoração de Maxim Behar, Copyright 1975 – páginas 7 e 8.
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