O documento discute as camadas e propriedades da superfície usinada. A superfície é composta por camadas de contaminantes, óxido, deformações plásticas e estrutura cristalina modificada. A textura da superfície inclui rugosidade, ondulação e deformações geométricas. As tensões residuais surgem durante o processo de usinagem e afetam as propriedades mecânicas da peça.

1. Capítulo 9 - Superfície Usinada
Usinagem para Engenharia
A.C. Araujo a
, A.L. Mougo b
e F.O. Campos c
.
a
araujo@insa-toulouse.fr, INSA-Toulouse, Institute Clément Ader, França
b
adriane.mougo@cefet-rj.br, CEFET/RJ, Rio de Janeiro, Brasil
c
fabio.campos@cefet-rj.br, CEFET/RJ, Rio de Janeiro, Brasil
Slides propostos
Setembro de 2020

2. Cap. 9 - Superfície Usinada
I - Contaminantes (gases,
graxa, lubrificantes)
III - Deformações plásticas
V - Camada não modificada
IV - Camada com estrutura
cristalina modificada
II - Camada de óxido
Geometria: Textura da superfície
Figura 1: Representação esquemática das camadas da superfície usinada[Black e Kohser 2017]1
1
BLACK, J. T.; KOHSER, R. A.- DeGarmo’s Materials and Processes in Manufacturing. Wiley, 2017.
1 22

3. Cap. 9 - Superfície Usinada
Camadas da superfície usinada
I Camada de contaminantes: É importante a limpeza com produtos desengraxantes
para uma medida mais precisa;
II Camada de óxido: É formada por um óxido que é resultado da reação química natural
do substrato do material usinado ao ser exposto ao ar;
III Camada de deformações plásticas: Apresentam contornos de forma alterados devido
à ação da ferramenta de corte sobre a peça;
IV Camada com estrutura cristalina modificada: Camada que foi termicamente
afetada, causando o refinamento dos grãos;
V Camada inalterada: Sem alterações decorrentes do processo de usinagem.
2 22

4. Cap. 9 - Superfície Usinada
Integridade de superfície
Geométricos:textura, trincas, microtrincas e formação de rebarbas;
Físicos: microdureza, dureza, tensões residuais e microestrutura;
Químicos: oxidação da camada externa, reações químicas da superfície, polarização
elétrica da superfície e adsorção;
Biológicos: biocompatibilidade, importantes na fabricação de implantes médicos.
A formação da geometria da peça, a microdureza e as alterações químicas são chamadas de
alterações superficiais e as variações causadas pelos efeitos da região terciária de
deformações e pelo aporte térmico são chamadas de alterações sub-superficiais.
3 22

5. Cap. 9 - Superfície Usinada
A textura da superfície descreve as características geométricas comumente utilizadas na
prática de fabricação para qualificar a superfície usinada:
USINAGEM DE ACABAMENTO X USINAGEM DE DESBASTE
Perfis da textura de superfície
Filtros aplicados ao perfil bruto para medir rugosidade e ondulação
Parâmetros derivados do perfil de rugosidade
Valores típicos de rugosidade nos processos de usinagem
Previsão teórica dos parâmetros de rugosidade de superfícies usinadas
4 22

6. Cap. 9 - Superfície Usinada
(a) Simulação da topografia de uma superfície usinada
0 2 4 6 8
localização na direção x (mm)
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Perfil
da
superfície
em
y=5mm
(
m)
Perfil bruto
Perfil de forma
Perfil de ondulação
Perfil de rugosidade
(b) Perfil bruto da superfície simulada
Figura 2: Exemplo esquemático da textura de superfície [Araujo, Mougo e Campos 2020]
5 22

7. Cap. 9 - Superfície Usinada
Cut-off
É o limite de comprimento de onda estabelecido para o corte e filtro dos sinais de perfil. No
caso do perfil de rugosidade, usualmente o cut-off superior é chamado de comprimento de
amostragem, ou simplesmente cut-off.
l l l
s c f
Perfil de rugosidade Perfil de ondulação
100%
Figura 3: Perfil de rugosidade e de ondulação [Araujo, Mougo e Campos 2020]
6 22

8. Cap. 9 - Superfície Usinada
Parâmetros quantitativos da textura da superfície
Parâmetros de amplitude (Ra, Rt, Rz)
Parâmetros de espaçamento
Parâmetros híbridos
Rugosidade (Ra): Média aritmética
dos desvios absolutos do perfil de
rugosidade |dy|
Ra =
R lm
0 |dy|dx
lm
(1) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Distância medida (mm)
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Perfil
de
Rugosidade
(
m)
Linha Média
Perfil de rugosidade
Rugosidade média (Ra)
dy
Rt
Figura 4: [Araujo, Mougo e Campos 2020]
7 22

9. Cap. 9 - Superfície Usinada
Rugosidade total máxima (Rt): distância entre o pico mais alto e o vale mais profundo.
Rugosidade total média (Rz): média das distâncias entre o maior pico e o maior vale.
Table 1: Valores típicos de Rugosidade para diferentes processos de fabricação
Processos de Fabricação (exemplos)
Eletroretif. Retificação Fresamento Forjamento Fundição em areia
Superacabam. Brunimento Furação Serramento Laminação a quente
Polimento Torneam. precisão EDM Aplainamento Oxicorte
Valores típicos de Rugosidade (em µm)
Ra < 0,02 de 0,02 a 0,1 de 0,1 a 2 de 2 a 10 > 10
Rt < 0,1 de 0,1 a 0,5 de 0,5 a 10 de 10 a 50 > 50
Cut-off λc e comprimento de medida recomendados lm (mm)
λc 0,08 0,25 0,8 2,5 8
lm 0,4 1,25 4 12,5 40
8 22

10. Cap. 9 - Superfície Usinada
Previsão teórica dos parâmetros de rugosidade de superfícies usinadas
É possível realizar uma previsão da rugosidade de superfície teórica para operações de
torneamento e fresamento baseada na geometria da ferramenta e nos valores de avanço por
rotação (ou por dente).
f
kr Rt
r
e
(a) Superfície usinada
f
Rt
re
re-Rt
re
f 2
(b) Aproximação geométrica
Figura 5: Geometria da superfície e cálculo da rugosidade Rt [Araujo, Mougo e Campos 2020]
9 22

11. Cap. 9 - Superfície Usinada
Se Rt ≈ r, então é possível calcular o valor de Rt utilizando o triângulo retângulo formado
por f
2 :
r2
=
f
2
2
+ (r − Rt)2
(2)
Se Rt r (ambos em mm), então:
r2
=
f2
4
+ r2
− rRt −→ Rt =
f2
8r
(3)
A partir do perfil teórico, é possível também determinar o cálculo para Ra:
Ra =
f2
18
√
3r
(4)
10 22

12. Cap. 9 - Superfície Usinada
20 40 60 80 100
Velocidade de corte (m/min)
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4
Razão
de
rugosidade
r
r
Ferro fundido
Materiais dúcteis
Ligas de usinagem fácil
Figura 6: Curva da razão de correção teórica para a rugosidade [Groover 2014]2
2
GROOVER, M. P. - Introdução aos Processos de Fabricação. Editora LTC, 2014.
11 22

13. Cap. 9 - Superfície Usinada
P
Ferramenta
Cavaco
A
B
Formação
da rebarba
na saída da
ferramenta
(a) Rebarba de encurvamento
Ferramenta
Rebarba
de Poisson Cavaco
Ff
(b) Rebarba de Poisson
12 22

14. Cap. 9 - Superfície Usinada
Cavaco
Rebarba de
Estiramento
(c) Rebarba por estiramento
N
Vf
Inicio do sangramento Fim do sangramento
(Perpectiva)
Rebarba de ruptura
D D
(d) Rebarba por ruptura
Figura 7: Representação dos mecanismos de formação de rebarba [Araujo, Mougo e Campos 2020]
13 22

15. Cap. 9 - Superfície Usinada
Rebarba
ab
h
b
rb
br
h
r
Peça
Figura 8: Dimensões observadas na geometria da rebarba [Araujo, Mougo e Campos 2020]
Valor de rebarba g: altura ab, espessura hb, raio de arredondamento da raiz rb, espessura da
raiz hr e ângulo da raiz βr.
g =
4 hr + 2 rb + hb + ab
8
(5)
14 22

16. Cap. 9 - Superfície Usinada
Vc
Ferramenta
Peça
A1-E
A2-E
A1-T
A1-S
A2-S
A2-T
(a) Aplainamento
A1-S
A1-E
Vf
A2-E
A1-T
A1-S
A2-S
A1-T
(b) Fresamento de topo
Figura 9: Localização da rebarba em cada processo de usinagem
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17. Cap. 9 - Superfície Usinada
A1-T
(a) Torneamento
Broca
Vf
Peça
A1-I
A1-I
Broca
Vf
Peça
A1-I
A1-I
A2-I A2-I
Calota
(b) Furação
Figura 10: Localização da rebarba em cada processo de usinagem
16 22

18. Cap. 9 - Superfície Usinada
Conceito de tensões residuais: São definidas como tensões auto-equilibradas existentes
em um corpo, em condições de temperatura uniforme e sem carregamento externo.
Momento fletor
Momento fletor
Sem carregamento
Sem carregamento
Cilindro livre de tensões Cilindro com deformação
plástica e elástica
de tração
Tensão
de tração
Tensão
compressão
Tensão de Tensão
compressão
residual
residual de
Cilindro com deformação
plástica residual
(A)
(B)
(A)
(B)
Figura 11: Tensões residuais durante a flexão [Araujo, Mougo e Campos 2020]
17 22

19. Cap. 9 - Superfície Usinada
Tipos de tensões residuais:
Tensões residuais do tipo I: tensões a níveis macroscópicos, consideradas quase
homogêneas na escala de vários grãos e equilibradas nos limites de todo o material.
Tensões residuais do tipo II: tensões microscópicas, consideradas quase homogêneas
na escala de um grão e equilibradas nos limites dos contornos de alguns grãos do
material.
Tensões residuais do tipo III: tensões submicroscópicas, heterogêneas na escala de
algumas distâncias interatômicas e equilibradas nos limites de algumas células unitárias.
18 22

20. Cap. 9 - Superfície Usinada
s0
s0
y
0
ymin
LN
-100
60
Tensões residuais na Viga
ymax
s0
s0
y
0
ymin
LN
-30
Tensões de flexão pura
ymax
s0
s0
y
0
ymin
LN
-130
60
Tensões residuais +
tensôes de flexão na viga
ymax
30 -70
Figura 12: Exemplo de soma de tensões residuais em serviço [Araujo, Mougo e Campos 2020]
19 22

21. Cap. 9 - Superfície Usinada
Cavaco
Ferramenta
P Pus
P0
Vc
Peça
(a) Pontos de referência
s0
s0
e
P0
P
Pus
Peça
(b) Carregamento mecânico
s0
s0
T
P0
P
Pus
(c) Temperatura
Figura 13: Tensões Residuais em usinagem
20 22

22. Cap. 9 - Superfície Usinada
0 50 100 150
Profundidade ( m)
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
Tensão
Residual
(MPa)
Vc
=200 m/min
Vc
=400 m/min
Figura 14: Tensões residuais no aço AISI H13 [Fonseca et al. 2010]3
3
FONSECA, M. C. et al. Comportamento das tensões residuais geradas no torneamento do aço AISI H1. VI Congresso
Nacional de Engenharia Mecânica, 2010
21 22

23. Cap. 9 - Superfície Usinada
Parâmetros que influenciam as tensões residuais na usinagem
Profundidade de corte: contribui para a introdução de tensões residuais mais
compressivas na superfície;
Velocidade de corte e velocidade de avanço: aumenta a geração de calor no
processo e promove o surgimento de tensões residuais trativas;
Geometria da ferramenta: ferramentas com maior raio de ponta resultam em maior
geração de calor e promovem surgimento de tensões residuais mais trativas devido;
Fluidos de corte: influenciam diretamente na temperatura da região de corte e
consequentemente nas tensões residuais geradas.
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