PRECISÃO E ERROS DE USINAGEM -...

João Carlos E. FerreiraGRIMA, Dep. Eng. Mecânica, UFSC

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Planejamento do Processo Assistido por Computador - CAPP

PRECISÃO E ERROS DE USINAGEM

• Qualidade de um produto

• Parâmetros geométricos (dimensão, forma, acabamento superficial, etc.),

• Parâmetros físicos (condutividade elétrica, térmica e magnética, etc.),

• Parâmetros químicos (resistência à corrosão, etc.)

• Parâmetros mecânicos (dureza, resistência à fadiga, etc.).

• Determinados pelo projetista

• Parâmetros reais ↔ Parâmetros definidos no projeto ⇒ Qualidade da peça.

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• Precisão de usinagem = grau de coincidência entre os parâmetros macro-geométricos (dimensão e forma) de uma peça

• Qualidade da superfície = grau de coincidência entre os parâmetros micro-geométricos reais (acabamento superficial)

• Erro de usinagem = diferença entre os parâmetros de uma peça usinada e aqueles de uma peça perfeita (absolutamente precisa) especificada no desenho.

• Limites de tolerância

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TOLERÂNCIAS FUNDAMENTAIS PARA DIMENSÕES ATÉ 500mm

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TOLERÂNCIAS FUNDAMENTAIS EM FUNÇÃO DE i PARA AS QUALIDADES DE TRABALHO DE IT5 A IT16

CRITÉRIOS DE ARREDONDAMENTO DOS VALORES DAS TOLERÂNCIAS FUNDAMENTAIS DE 5 a 11

DDi 001,045,0 3 +=

• Cálculo da unidade de tolerância:

onde D (mm) = média geométrica de dois valores extremos de cada grupo de dimensões fixadas na tabela anterior.

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Ajustes com folga Ajustes incertos Ajustes com interferência

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Posições dos campos de tolerância em relação à

linha zero

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Ajustes no sistema eixo-base

Ajustes no sistema furo-base

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• Precisão de usinagem de superfícies da peça:

– Precisão de dimensões de superfícies (p.ex. precisão dos diâmetros de superfícies cilíndricas e esféricas, ângulos de cones)

– Precisão de formas de superfícies (p.ex. planicidade, circularidade, cilindricidade)

• Precisão de usinagem de posições relativas entre superfícies:

– Precisão das dimensões entre superfícies (p.ex. a distância entre dois planos paralelos ou entre os centros de dois furos)

– Precisão de relações posicionais entre superfícies (p.ex. paralelismo e perpendicularismo entre dois planos ou dois eixos)

• Rugosidades

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• Métodos para Obter a Precisão Dimensional Exigida(a) Tentativas

• baixa eficiência, e não éadequado para um volume de produção elevado.

• a máquina-ferramenta não precisa ser preparada anteriormente.

• o efeito da variação dimensional da matéria-prima (forma, tamanho, dureza, etc.) pode ser reduzido nas operações de usinagem.

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Método da tentativa e erro

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• Métodos para Obter a Precisão Dimensional Exigida

(b) Método da dimensão automática

◊ Uso de ferramentas de dimensão e forma fixas

◊ Usinagem em máquinas presetadas.

◊ Uso de dispositivos guia.

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◊ Uso de máquinas de Comando Numérico.

– alta eficiência na produção,

– fornece a possibilidade de alocação racional de mão-de-obra na tarefa difícil de preparação (“set-up”) da máquina,

– pré-requisito para a realização da automação de processos de usinagem.

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◊ Uso de máquinas de Comando Numérico.

Erros de programação revelados por simulação volumétrica NC

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• Fatores que Causam Erros de Usinagem:– Preparação imprecisa da máquina:

posições precisas das peças em relação à máquina (disp.fix.)

posições corretas das ferramentas em relação à máquina

posições relativas entre as ferramentas e as peças

– Fixação imprecisa da peça.

– Processos de usinagem.

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• Fatores que Causam Erros de Usinagem:

– Imprecisão Teórica

• Processo Pfaulter (fresamento com fresa caracol)

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• Fatores que Causam Erros de Usinagem:– Imprecisão Geométrica de Máquinas e Ferramentas

• fabricação imprópria e/ou desgaste.

Erros causados por imprecisões entre o barramento e o eixo de rotação da peça no torneamento

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• Fatores que Causam Erros de Usinagem:

– imprecisão das ferramentas.

◊ Usinagem com ferramentas de tamanho fixo, como brocas, alargadores, bedames e brochas.

◊ Usinagem com ferramentas de forma em operações de torneamento, fresamento e retificação.

◊ Parâmetros de geometria ou forma de ferramenta de tornear ⇒desgaste da ferramenta será maior do que o esperado

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• Deformação do Sistema de Usinagem sob forças externas:

◊ Um sistema de usinagem ⇒ máquina, dispositivo de fixação, ferramenta e peça (“MFFP”, ou “MFTW” em inglês).

◊ Deformação no sistema de usinagem sob as forças de corte, fixação, gravitacionais e inerciais altera a posição relativa entre a ferramenta e a peça que foi presetada corretamente, e portanto causa erros de usinagem.

◊ A rigidez de um sistema MFTW = capacidade deste sistema de resistir à ação de uma força externa causando deformação ⇒quociente entre a força radial exercida sobre a peça (perpendicular à superfície da peça), e o deslocamento da aresta de corte em relação à superfície da peça, medida na mesma direção da força.

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– Variação da força de corte:

Reprodução do erro

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– Variação da posição de atuação da força:

Erros de forma causados pela

variação da rigidez ao longo da peça

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– Exemplo de peça longa que pode resultar em erro se a dureza ao longo do comprimento da matéria-prima varia:

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– Efeitos de outras forças externas:

Erros de forma causados por

forças de fixação

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– Exemplos de castanhas especiais comerciais:

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• Deformação Térmica de Sistemas de Usinagem:

• Ferramenta:

◊ dilatação da ferramenta:

• onde: τc = constante relativa à massa da ferramenta, ao calor específico, à área da seção do corpo da ferramenta, e o coeficiente de transferência de calor (em minutos)

• 3 < τc < 6 minutos.

– Na usinagem contínua, τ=4τc (ξ=0.98ξmax).

ξ ξτ

τ= −−

max e c( )1

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– Deformação Térmica de Sistemas de Usinagem :

Curvas de dilatação da ferramenta sob

a presença de altas temperaturas

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• Peça:

– ∆L = a × L × ∆t

• ∆L - deformação térmica da peça (mm)

• a - coef. exp. linear do material da peça (para o aço, a = 1,17 × 10-5/°C)

• ∆t - aumento da temperatura da peça (°C)

• L - dimensão da peça na direção da deformação térmica (mm)

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– Na retificação de uma superfície cilíndrica de uma luva com diâmetro externo de 112mm, a temperatura da peça aumenta de 18°C até 37°C uniformemente, então a deformação térmica pode ser calculada como se segue:

∆d = 1,17 × 10-5 × 112 × (37-18) = 0,025mm

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Erro de forma causado pela deformação

térmica quando da retificação de uma luva de paredes

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• Deformação da Peça Devido a Tensões Internas:

– Processos a quente (p.ex. fundição, forjamento, soldagem)

◊ diferentes taxas de resfriamento em vários pontos, e a transformação na estrutura metalográfica do material.

– Processos a frio (p.ex. usinagem, estampagem).

◊ deformação plástica da peça a baixa temperatura, e também devido ao calor da usinagem.

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• Estado de equilíbrio

◊ Se uma camada de metal é removida (p.ex. por usinagem), estas tensões internas são redistribuídas, causando distorções na peça.

◊ Tensões internas na camada superficial > limite de ruptura ⇒trincas

∗ arranjo de operações apropriadas de tratamento térmico (especialmente antes ou depois de operações de desbaste)

∗ dividir de forma apropriada os processos de usinagem em estágios

∗ seleção de parâmetros apropriados de usinagem

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• Erros de Medição

– imprecisão dos instrumentos, medições executadas de forma inadequada, influência da temperatura ambiente.

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• Exemplo de Parâmetros de Precisão e Erros no Fresamento

Um exemplo do processo de fresamento

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Diâmetro adequado da fresa

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Diâmetro inadequado da fresa (igual àlargura da peça):

(1) cavaco fino (não levam o calor gerado) → falha prematura da ferramenta;

(2) encruamento nas áreas de entrada e saída da peça.

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Diâmetro e posicionamento

adequado da fresa

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Situações ilustrando problemas na fixação de peças prismáticas para efetuar operações de fresamento

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Situações ilustrando problemas na fixação de peças prismáticas para efetuar operações de fresamento

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Ângulo de posição 0o

no fresamento

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a 20o no fresamento

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no fresamento

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Influência do ângulo de posição da fresa sobre as forças de usinagem na peça e no dispositivo de fixação

axiais

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Efeito do ângulo de saída nas forças resultantes do processo de fresamento

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Efeito do raio de quina na rugosidade superficial no processo de fresamento

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O parâmetro Ra depende da distância entre as marcas do

avanço no fresamento

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Cristas produzidas com uma pastilha com raio de quina (acima) comparadas com

cristas produzidas por uma pastilha com uma cunha

(abaixo)

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Marcas do avanço produzidas com uma pastilha com um raio de quina

(A) comparadas àquelas produzidas pela pastilha com uma

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Causas para rugosidade superficial ruim, e possíveis soluções

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Se os processos de fabricação fossem perfeitos, não existiria o CQ! Entretanto, todos os processos estão sujeitos a variações requerendo um controle periódico dos mesmos.

Por que é necessário o controle da qualidade?

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• Métodos para Determinar a Precisão de Usinagem:

– Erros sistemáticos.

◊ Furos de 10mm de diâmetro ← alargador de 10,02mm de diâmetro

– Erros aleatórios.

◊ Furos de 10mm de diâmetro ← alargador de 10,00 mm de diâmetro

∗ variações irregulares dos tamanhos dos furos produzidos antes desta operação, as variações na dureza da peça, e muitos outros fatores.

◊ método estatístico.

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Quando utilizar inspeção 100%?

• No caso de sistemas ou peças que podem produzir falhas críticas, com perda de vidas humanas;

• No caso de processos de fabricação não capazes ou instáveis;

• Para cumprir exigências legais ou normativas;

• Quando é a opção mais econômica (ex. inspeção automática).

A inspeção não melhora a qualidade do produto, mas protege o cliente das conseqüências de receber produtos não-conformes!

Fonte: Donatelli, G.D. [9]

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• Controle de Qualidade:◊ Inspeção 100% é lenta, cara, e não elimina todas as peças

defeituosas.

◊ Operadores sofrem fadiga; e os instrumentos de medição desgastam-se mais frequentemente.

◊ O risco da passagem de peças defeituosas é variável e de magnitude não definida, enquanto que através do procedimento de amostragem este risco pode ser calculado.

◊ Fusíveis ou palitos de fósforo não podem sofrer inspeção de 100%

◊ A inspeção tem um custo, e não agrega valor ao produto que foi produzido de acordo com as especificações.

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Investimentos inadequados em CQ poderão levar a empresa a ter problemas significativos de qualidade

Medição manual de grandes lotes

Falta de capacitação

Uso de equipamento inadequado

A Importância do Planejamento do CQ:

Fonte: Oliveira, A.L. [11]

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O CQ deve ser planejado para fornecer informações confiáveis, senão:

Fonte: Oliveira, A.L. [10]

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• Manufatura intercambiável → peças a serem montadas devem ser selecionadas aleatoriamente de um grande número de peças.

◊ Um equilíbrio deve ser estabelecido entre o custo de manufatura e a facilidade de montagem.

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• Análise Estatística de Erros de Usinagem:

◊ Modelos matemáticos descrevendo curvas de distribuição reais são construídos.

◊ De acordo com a teoria da probabilidade, a curva de distribuição é a soma de um elevado número de variáveis independentes, e sempre aproxima-se à distribuição normal.

◊ Já foi provado que durante a operação de usinagem em máquinas automáticas, com uma baixa taxa de desgaste, e também sem nenhum fator predominante afetando a precisão de usinagem, que a distribuição das dimensões da peça após a usinagem apresenta-se segundo a distribuição normal.

◊ erros sistemáticos → ≠ distribuição normal.

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Influência de erros sistemáticos constantes na curva de distribuição

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Deformação térmicaDesgaste da ferramenta

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Porcentagem das áreas da curva de distribuição normal

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• Capacidade do Processo:

– Estudo da capacidade aplica-se a um processo, máquina: ou dispositivo de inspeção

– Capacidade de qualquer máquina ou processo for superestimada ⇒ perda financeira imediata e contínua

– Capacidade de qualquer máquina ou processo for subestimada ⇒ capital foi gasto adquirindo-se capacidade excedente e não pode ser investida em outros lugares.

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• Aplicações:

– Seleção de máquinas baseadas na sua capacidade em relação aos requisitos de produto

– Máquinas com faixas do processo ≤ 50 a 75% da tolerância da peça, permitindo um controle razoável das variações e uma pequena quantidade de desgaste para que procedimentos econômicos de manutenção possam ser estabelecidos.

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Condição onde a especificação da peça é menor que a capacidade da máquina ou processo

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Condição onde a especificação da peça é maior que a capacidade da máquina ou processo

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• Estabelecimento de programas de manutenção preventiva:

◊ Estudos de capacidade de máquina contínuos → estabelecer agendas de manutenção preventiva.

◊ Capacidade da máquina ↓ devido ao desgaste ⇒ novas agendas

◊ Máquina próxima de manutenção ou substituição não deve ser selecionada

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• Métodos para Determinar Capacidades

– O uso da amplitude de dispersão R como fator determinante (método da amplitude)

– O uso da média X¯ e da amplitude R como fatores determinantes (método da média).

– A tolerância natural encontrada por estes dois métodos é a estimativa 6σ para a máquina ou processo no teste.

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Gráfico de análise de médias e

faixas

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Diagrama de médias e

amplitudes

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Fatores para o cálculo dos limites de controle e

capabilidade de máquina

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Gráfico de análise de médias e amplitudes

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• Índices de Capabilidade do Processo: Cp

– Processo considerado estável ⇒ média do processo centrada no valor nominal da faixa de tolerância (isto é, na média do projeto da peça):

LTILTSCp

−= Cp >1,33 ou 1,5 ou 1,66

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• Índices de Capabilidade do Processo: Cpk

– Processo não necessariamente estável:

),( pipspk CCMinC =

xLTSC ps

LTIxC pi

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• Índices de Capabilidade do Processo:

<1<30501501500

Cpk: ppm acima ou abaixo da faixa de tolerâncias

<10-5<1<601003003000Cp: ppm fora da tolerância

2,001,661,331,301,201,00Valor de Cp ou Cpk

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• Exercício: Para uma determinada peça, a especificação de uma cota de projeto é de 20±0.3 mm. Tem-se à disposição três máquinas, cujos dados a respeito da média das médias e média das amplitudes estão tabelados abaixo.

Faça uma análise de quais destas máquinas é a mais conveniente para a obtenção daquela cota de projeto.

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Medições obtidas em três turnos (A, B, C)

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Medições obtidas em três turnos (A, B, C)

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Matriz de capacidade de processos de furação (1)

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Matriz de capacidade de processos de furação (2)

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Matriz de capacidade de processos de usinagem de furos

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Matriz de capacidade de processos de usinagem de superfícies externas

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• Qualidade Superficial

◊ Acabamento superficial e ao estado físico-mecânico da camada superficial.

◊ Funcionamento apropriado e a vida em serviço das peças.

• Acabamento Superficial

◊ geometria e material da ferramenta;

◊ condições de usinagem;

◊ deformação plástica do material na superfície;

◊ vibração do sistema MFTW durante a usinagem.

◊ material da peça.

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• Estado Físico-Mecânico da Camada Superficial

– Usinagem → material mais próximo da superfície deforma-se plasticamente. → superfície da peça tem um comportamento diferente do material interno.

– Investigação experimental.◊ Encruamento;

◊ Mudanças metalográficas;

◊ Tensões residuais.

∗ Expansão e Contração Térmica ⇒ tensão residual de tração na superfície da peça

∗ Deformação plástica da superfície devido à extrusão e atrito da ferramenta ⇒ tensão residual, normalmente compressiva;

– Variação metalográfica → alteração volumétrica (ou expansão ou contração) ⇒ tensão residual (compressiva ou trativa).

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Retificação de um furo Detalhe de um rebolo

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• Influência da Qualidade Superficial no Desempenho de Peças

Usinadas

◊ Falha durante o serviço → desgaste, fadiga, corrosão → superfície da peça na maioria dos casos.

• Influência sobre o Ajuste das Peças

◊ Ajuste deslizante → micro-irregularidades ⇒ folga ↑, desgaste rápido.

◊ Ajuste prensado → cristas das irregularidades são extrudadas ⇒interferência↓, resistência do ajuste↓.

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Os contatos e desgaste de

peças num ajuste

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• Influência na Resistência ao Desgaste das Superfícies

◊ Área real de contato (superfícies torneadas ou fresadas) = 15 a 20% da área total

◊ Área real de contato (superfícies finamente retificadas) = 30-50% da área total

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Evolução do desgaste ao longo

do tempo

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Relação entre a rugosidade e o

desgaste: A→ condições leves; B→ condições

pesadas

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• Influência na Resistência à Corrosão

• Influência na Resistência à Fadiga

Esquema simplificado do processo de corrosão

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• Métodos para Melhorar a Precisão de Usinagem◊ Redução ou eliminação dos erros de usinagem

◊ Identificação das causas dos erros para aquela operação.

◊ Melhorar a precisão geométrica das peças no sistema MFTW.

◊ Minimizar a deformação de cada componente do sistema MFTW, especialmente quando usinando peças de pouca rigidez.

◊ Selecionar de maneira apropriada as condições de usinagem

◊ Melhorar a precisão de preparação da máquina

◊ Minimizar os erros de posicionamento da peça através da seleção apropriada das referências de posição, e o projeto racional dos dispositivos de fixação.

◊ Gerar a sequência de operações de forma a reduzir ou eliminar alguns erros de usinagem.

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Torno com lunetas

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