Ensaios de usinabilidade dos metais

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Ensaios de Usinabilidade dos Metais

Professora: Maria Adrina Paixão de Souza da Silva, Dra. Eng.

SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁINSTITUTO DE TECNOLOGIA DA UFPA

FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICADISCIPLINA: USINAGEM DOS METAIS

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DEFINIÇÃO

Usinabilidade - De um modo geral, é o grau de dificuldade de se usinar um determinado material.




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DEFINIÇÃO




As propriedades do material que podem afetar a usinabilidade de um material são:

• Dureza

• Taxa de encruamento

• Resistência a tração

• Ductilidade

• Condutividade térmica

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DEFINIÇÃO




Dureza / Resistência a tração ↑

• Dificulta a usinabilidade• Aumenta os esforços de corte

Ductilidade ↑

• Melhora a usinabilidade• Favorece a formação dos cavacos• Diminui os esforços de corte• Tendências a formação de aresta postiça

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DEFINIÇÃO




Condutividade térmica ↑

• Melhora a usinabilidade• Diminui o calor gerado na região de corte

Dentre os tipos de materiais mais usinados, os que têm maior condutividade térmica são:1. Os alumínios2. Os aços não ligados3. Os aços ligados4. Os aços inoxidáveis

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DEFINIÇÃO




Taxa de encruamento ↑

Dificulta a usinagem•Dificulta a formação de cavacos• Aumenta os esforços de corte• Tendências a formação de aresta postiça

Nota: Quando metais são deformados plasticamente, eles aumentam sua resistência. A esse fenômeno dá-se o nome de encruamento.Aços carbono têm baixa taxa de encruamento.Aços inox. Austeníticos têm alta taxa de encruamento.

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OUTROS FATORES IMPORTANTES DE INFLUÊNCIA NA USINABILIDADE




A usinabilidade não depende somente das condições intrínsecas do material (fatores metalúrgicos), mas depende também de:

• Condições de usinagem• Características da ferramenta• Condições de refrigeração• Rigidez do sistema máquina-ferramenta• Tipo de operação (corte intermitente ....)• Etc....

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É comum de se pensar no meio produtivo, que a usinabilidade é uma propriedade intrinsecamente ligada à dureza do material da peça e à sua resistência mecânica.

Assim, segundo este raciocínio, um material mole é de boa usinabilidade e um material duro de baixa usinabilidade.

Verdadeiro ou falso ?

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Exemplo:Comparando os dois aços inox:

- Aço 303- Aço 316

Porém o aço 303 tem maior usinabilidade que o 316 porque ele possui sulfeto de managanês, que melhora a usinabilidade.

Mesma dureza

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ÍNDICE DE USINABILIDADE (IU)




É um valor numérico que serve de comparação.

Assim comparando dois materiais, diremos que aquele que tiver um índice de usinabilidade mais alto é o material mais fácil de se usinar.

Um material pode ter um valor de usinabilidade baixo em certas condições de usinagem e um valor maior em outras condições, por exemplo.

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Com relação aos critérios de usinabilidadebaseados na rugosidade, pode-se dizer que

o alumínio tem uma usinabilidade alta?

Em condições normais de usinagem, o cavaco formado é longo e o acabamento superficial obtido é insatisfatório.

Porém, bons acabamento superficiais podem ser obtidos se a velocidade de corte for suficientemente alta e a geometria da ferramenta adequada.

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ENSAIO DE USINABILIDADE




Existem diversos métodos para medir a usinabilidade de um material.

O método mais aceito é um ensaio chamado de longa duração, onde o material ensaiado e o material tomado como padrão são usinados até o fim da vida da ferramenta ou até um determinado valor de desgaste da ferramenta (VB ou KT).

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ENSAIO DE USINABILIDADE




Existem também os ensaios de curta duração que são utilizados para avaliar

outros fatores como:

• Rugosidade• Força de usinagem• Etc.

Nestes casos normalmente as condições de usinagem são forçadas para justamente para obter o resultado em pouco tempo de ensaio.

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USINABILIDADE DAS LIGAS DE ALUMÍNIO




O alumínio puro é muito fácil de se usinar, mas quando ele é ligado a sua usinabilidade se torna baixa.

Por exemplo, a liga de alumínio-silício contém partículas de silício altamente abrasivas e desgastam rapidamente a ferramenta de metal duro.

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Importante saber que:

As propriedades mecânicas e térmicas do alumínio puro são fatores decisivos nas características de usinagem de suas ligas.

Você sabia que EAÇO= 3EAlumínio ?

Isto significa que, sob a mesma força de corte, o alumínio se deforma 3 vezes mais do que o aço.

Condutibilidade do Al = 2 Aço

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Embora algumas ligas de alumínio apresentem uma resistência equivalente à do aço com baixo carbono em temperatura ambiente, em temperaturas elevadas a sua resistência é bastante reduzida.

O alumínio tem uma elevada condutividade térmica o que faz com que boa parte do calor vá para a peça.

Isto favorece a usinabilidade destas ligas já que a elevação da temperatura é inerente ao processo.

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Propriedade positiva: alta condutividade térmica; Melhora a usinabilidade.

Propriedade negativa: Baixa dureza; Favorece a formação da APC.Prejudica o acabamento da peça e provoca desgaste frontal da ferramenta

A alta condutividade térmica favorece a usinabilidade destas ligas já que a elevação da temperatura é inerente ao processo.

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O material de ferramenta típico para a usinagem de ligas de alumínio (com exceção das ligas de silício) é o metal duro de classe K sem cobertura.

- Temperaturas de corte baixos.- Não há desgaste de cratera incentivado pela difusão.

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CLASSES – NORMA ISO




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CLASSES – NORMA ISO




A classe K é recomendada pois as temperaturas de corte são mais baixas, e por isso a formação do desgaste de cratera via processo difusivo não é um problema.

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ELEMENTOS DE LIGAS E SUAS INFLUÊNCIAS NA

USINABILIDADE DO ALUMÍNIO




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USINABILIDADE DO AÇO




Fatores que afetam a usinabilidade dos Aços:

• Dureza• Microestrutura• Presença de Inclusões• Presença de elementos de liga

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FATORES QUE AFETAM A

USINABILIDADE DOS AÇOS




• DurezaO fator que predominantemente afeta a usinabilidade é sem dúvida a dureza.

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• Dureza200 HB é um bom valor referencial em termo

de dureza.No entanto

Dureza > 200HB Dureza < 200 HB• Aumenta os esforços • Aumenta a dutilidade de corte• Aumenta o desgaste • Tendências APC via abrasão e difusão

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• MicroestruturaA variação da microestrutura ocasionada pelo tratamento térmico afeta a usinabilidade.

Cementita = Ferrita + Perlíta.É uma fase extremamente abrasiva.

Martensita = Carboneto de ferro que se forma na têmpera do aço. (O nome provém de Adolf Martens, engenheiro alemão [1850-1914].)É uma fase extremamamente dura.

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• Microestrutura

1. Quando o material tem uma microestrutura predominantemente martensítica, que é extremamente dura, a vida da ferramenta é reduzida.

2. Quando o teor de cementita, que é uma fase extremamente abrasiva - pois é cheia de carbonetos que são partículas extremamente duras - é predominante, a vida da ferramenta também é reduzida.

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• Presença de InclusõesSão partículas duras presentes no material (óxidos de

ferro, Mn, Si etc.).- Macro inclusões:Presentes em aços de baixa qualidade. São geradas durante a fabricação no forno. São indesejáveis.- Micro inclusões:Presentes em todos os aços.São desejáveis quando ajudam na remoção rápida do material e na formação do cavaco curto, que retarda o desgaste da ferramenta.São indesejáveis quando são duras e abrasivas provocando o desgaste rápido da ferramenta.

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• Presença de elementos de liga

- Alguns elementos de liga têm efeito positivo na usinabilidadeChumbo, Fósforo, Enxofre.- Alguns outros têm efeito negativo na usinabilidade (duros e abrasivos)Vanádio, Molibdênio, Tungstênio, Manganês, Níquel, Cobalto, Cromo etc- O carbono quando presente em teor entre 0.3 e 0.6% tende a melhorar a usinabilidade.Quando C< 0.3%: material dúctil, formação APC+dificuldade de quebra do cavacoQuando C> 0.6: material duro e abrasivo, desgaste rápido da ferramenta.

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AÇO INOX




São ligas ferrosas que possuem um mínimo de 12% Cr para aumentar a resistência à corrosão.Eles contém também outros elementos de liga como o Ni, Cu, Al,Si e Mo.

Três classes: • Ferrítico (cromo principal elemento) • Austenítico (série 300) (presença da

austenita à Temp. ambiente faz que tenha maior deformabilidade, podendo ser conformado a frio e a quente)

• Martensítico (400) (presença da austenita a Temp > 723°C)

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AÇO INOX




Características

Aço Martensítico- Muito duro- Alto teor de carbono- Formação de partículasduras e abrasivas decarbonetos de cromo- Gera elevados esforçosde corte

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AÇO INOX




Características

Aço Austenítico-Não muito duro - Baixa cond. Térmica -Alta taxa de encruamento (retém calor na região- Grande zona de plasticidade de corte) -Formação de cavacos longos - Alto coeficiente de que tendem a empastar sobre atrito (aumenta os a superfície de saída esforços de corte) - Formação da APC - Alto coeficiente de

dilatação térmica (dificuldade de obtenção de tolerâncias apertadas)

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AÇO INOX




Os aços inox normalmente têm uma usinabilidde baixa, no entanto a usibilidade pode ser melhorada adicionando elementos de liga como o Manganês e o Enxofre, que combatem o encruamento do material durante a usinagem

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AÇO INOX




ESTUDO DE CASO

Influência da Microestrutura na Usinabilidade dosAços Inoxidáveis AISI 630 com e sem Adição de

CálcioH. Matsumoto , J. Minatogawa , J. Gallego .

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ESTUDO DE CASO




Motivação

• Redução de custo de fabricação- Maior taxa de remoção de material- Maior vida útil da ferramenta

Nota: Sem acarretar prejuízo nas propriedadesmecânicas.

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ESTUDO DE CASO




A adição de cálcio provoca uma modificação da natureza e da morfologia das inclusões e é uma técnica já conhecida pelas aciarias modernas.

O cálcio é adicionado geralmente em forma de fios de Ca-Si durante o refino do aço líquido, transformando as inclusões de alumina em aluminatos de cálcio.

Enquanto as inclusões de alumina são duras e abrasivas, com ponto de fusão de 2045oC, compostos do sistema SiO2-CaO-Al2O3, apresentam ponto de fusão bem mais baixo, de até cerca de l300oC.

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ESTUDO DE CASO




A formação de tais compostos gera inclusões globulares, geralmente envolvida por uma camada de sulfetos de cálcio e de manganês e conferem melhoria de usinabilidade, principalmente a altas velocidades de corte.

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ESTUDO DE CASO




MATERIAIS E MÉTODOS

Para a realização dos ensaios de usinabilidade foi utilizado um torno CNC de 5,6 kW de potência e rotação máxima de 4000 rpm. A ferramenta de corte utilizada foi um inserto de metal duro, intercambiável, ISO WNMG-06T308-TF-IC907, com cobertura PVD de TiAlN, comprimento da aresta de corte de 6,52 mm, espessura de 3,9 mm;raio de ponta de 0,8 mm e ângulo de saída de 13°. Porta ferramenta ISO PWLNR 20X20-K-08, ângulo de posição 90° e ângulo de folga 6°.

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ESTUDO DE CASO





A rugosidade da peça usinada foi medida com um rugosímetro Taylor/Robson “Surtronic 3”, digital de 0,01μm e o desgaste da ferramenta foi medido com o auxílio de um microscópio.

Os materiais ensaiados foram os aços inoxidáveis AISI 630 convencional e modificado com adição de cálcio (AISI 630UF), não endurecidos, ambos com dureza aproximada de 33 HRC, com as principais composições químicas apresentadas na tabela.

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ESTUDO DE CASO




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ESTUDO DE CASO





Parâmetros de corteVc = 250 m/min, ap = 1,0 mm, avanço f = 0,25 mm.

Em cada caso, após duas passadas da ferramenta ao longo da peça, foi retirada a pastilha para avaliação e medição do desgaste máximo de flanco (VBBmáx) e da rugosidade.

Como critério de fim de vida foi adotado VBBmáx = 0,3 mm ou tempo de corte = 25 minutos, prevalecendo o que ocorresse primeiro, ou seja, os ensaios eram finalizados quando ocorresse qualquer um dos casos, salvo acidentes de percurso como trincas ou lascamento da pastilha, os quais finalizaram automaticamente o ensaio.

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ESTUDO DE CASO




RESULTADOS

Os resultados serão apresentados em dois subtítulos:

- a usinabilidade dos aços em relação ao desgaste da ferramenta de corte e acabamento superficial.- a microestrutura dos materiais ensaiados.

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ESTUDO DE CASO




RESULTADOS

Até o fim de vida da aresta de corte, preestabelecida em VB=0.30 mm, o aço modificado proporcionou um aumento de produtividade de 15 a 20%.

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ESTUDO DE CASO




O acabamento superficial do aço modificado foi cerca de 30% melhor.

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ESTUDO DE CASO




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ESTUDO DE CASO




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ESTUDO DE CASO




CONCLUSÕES DO ESTUDO

Após usinagem, não houve alteração nas propriedadesmecânicas dos 2 materiais que pudesse ser atribuída à presença de Calcio e Enxofre.

A melhoria da usinabilidade observada no aço modificado foi promovida pela presença de um maior número de inclusões bem próximas entre elas e que contribuiram para a propagação das microfissuras responsáveis pela quebra do cavaco.

A formação de cavacos descontínuos (curtos) no aço modificado, proporcionou um menor desgaste da ferramenta econtribui para a melhoria do acabamento superficial (rugosidade).

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USINABILIDADE DO FERRO FUNDIDO




Ferros fundidos são ligas ferro-carbono com porcentagem de carbono entre 2 e 4%, contendo ainda outros elementos de liga como o silício, o manganês, o fósforo e o enxofre, além do níquel, cromo, molibdênio e cobre.

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Principais propriedades:

• Boa rigidez

• Resistência à compressão

• Baixo ponto de fusão

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USINABILIDADE DOS DIVERSOS TIPOS DE

FERRO FUNDIDO




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USINABILIDADE DO FoFo




O Silício influencia significativamente a usinabilidade.

FoFo com 12% de Silício ou mais são praticamente impossíveis de serem usinados.

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Além da influência do silício na usinabilidade, outros elementos de liga também influem na usinabilidade dos ferros fundidos

A influência dos elementos pode ser dividida em 2 tipos:Os formadores de carboneto (cromo, cobalto, manganês, molibdênio e vanádio), que prejudicam a usinabilidade devido ao fato de que os carbonetos são partículas muito duras e abrasivas.

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Os grafitizantes (silício, níquel, alumínio e cobre) auxiliam na usinabilidade.

O sulfeto de manganês também é utilizado nos ferros fundidos para melhorar a usinabilidade.

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Conclusão:

Em termos gerais podemos dizer que quanto maior a dureza e a resistência de um tipo de ferro fundido pior é a sua usinabilidade.

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USINABILIDADE DO FoFo CINZENTO




O FoFo Cinzento pode conter até 3% de Si.

No ferro fundido cinzento com alto teor de silício apresentará muito carbono livre e quase nenhuma cementita (O silício é um poderoso grafitizante).

É de boa usinabilidade.

O FoFo cinzento forma cavacos de ruptura, enquanto que os maleáveis e nodulares formam cavacos longos.

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USINABILIDADE DO FoFo BRANCO




O FoFo Branco contém de 2.5 a 3.5% C apresenta baixo teor de Silício, alto teor de carbeto de ferro e pouco grafite livre.

O resultado é uma estrutura muito dura, resistente, quebradiça e sua usinabilidade é dificílima.

Quando a sua dureza é da ordem de 300 HB, a usinagem é praticamente impossível.

Ele é utilizado para a moldagem de peças que não devem ser usinadas como:Tubos para abastecimento de água ou gás.

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USINABILIDADE DO FoFo MALEÁVEL




O FoFo Maleável é um FoFo recozido. Esse tratamento reduz a quantidade de grafite lamelar e transforma uma quantidade considerável de carbeto de ferro em ferro dútil, mole e grafite esferoidal.

O resultado é uma estrutura com uma certa ductilidade e tenacidade, de boa usinabilidade.

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USINABILIDADE DO FoFo NODULAR




O FoFo Nodular também chamado às vezes de FoFo ductil é obtido pelo adição de pequena

quantidade de magnésio ou de cério no FoFo de alto carbono em estado líquido.

A estrutura resultante após resfriamento da solução e apresenta o carbeto de ferro e grafite em forma esferoidal (nodular).

A normalização e o revenimento do FoFo nodular aumenta sua resistência, mas o torna mais quebradiço.

Apesar de ser mais resistente, ele é usinável.

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LIGAS RESISTENTES AO CALOR




Muitas aplicações industriais atuais, assim como as construções aeronáuticas, requerem materiais mais tenazes com maior resistência às altas temperaturas.

A esta demanda respondem os aços inox e uma grande variedade de ligas resistentes ao calor, compostas de Ni, Mo,Co, W, Titânio, ferro e outros elementos.

Algumas dessas ligas eram tidas como impossíveis de usinar-se.

Todavia as conquistas no domínio da teoria da usinagem e dos fluídos de corte permitem hoje o uso extenso dessas ligas nas variadas construções.

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LIGAS RESISTENTES AO CALOR




Por exemplo, na usinagem do titânio, o seguinte quadro é encontrado:

• grau de dificuldade da usinagem é muito grande• vida da ferramenta curta• calor desenvolvido muito alto

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Bibliografias• ABREU FILHO, Carlos. Tornearia Mecânica – Notas de

Aula, Belém, 2007.

• AGOSTINHO, Oswaldo Luis. VILELLa, Ronaldo Castro (In Memoriam), BUTTON, Sérgio Tonini. Processos de Fabricação e Planejamento de Processos. Universidade Estadual de Campinas - Faculdade de Engenharia Mecânica - Departamento de Engenharia de Fabricação - Departamento de Engenharia de Materiais. Campinas, SP. 2004

• BRAGA, Paulo Sérgio Teles, CPM - Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção – Mecânica - Processos de Fabricação, SENAI/CST, Vitória, ES. 1999.

• COSTA, Éder Silva & SANTOS, Denis Júnio. Processos de Usinagem. CEFET-MG. Divinópolis, MG. março de 2006




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Bibliografias• DINIZ, A. E., Tecnologia da Usinagem dos Materiais. 3 ed.

São Paulo: Artliber Editora, 2003.

• FERRARESI, Dino. Fundamentos da Usinagem dos Metais. Editora Edgard Blücher LTDA. São Paulo, SP, 1977

• INMETRO. SISTEMA Internacional de Unidades – SI (tradução da 7ª edição do original francês “Le Système International d’Unités”, elaborada pelo Bureau International des Poids et Mesures - BIPM). 8ª edição Rio de Janeiro, 2003. 116 p.

• INMETRO. Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia – VIM – Portaria Inmetro 029 de 1995. 3ª edição, Rio de Janeiro, 2003. 75p.

• reimpressão.




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Bibliografias• PALMA, Flávio. Máquinas e Ferramentas. Apostila,

SENAI-SC, Blumenau, 2005.

• SECCO, Adriano Ruiz; VIEIRA, Edmur & GORDO, Nívia. Módulos Instrumentais – Metrologia. Telecurso 2000. São Paulo, SP, 2007

• VAN VLACK, L. H., Princípios da Ciência e Tecnologia dos Materiais. Tradução Edson Carneiro. Rio de Janeiro: Elsevier, 1970 – 4ª reimpressão.




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