UNIVERSIDADE PAULISTACAMPUS FLAMBOYANTENGENHARIA MECNICA

CARLOS ROSAFREDERICO FIGUEIRAMAYCON DIAS LEMESRENAN FERREIRARODRIGO CRUZRODRIGO ARRUDASEIZON ARIELTIAGO RAFAELVILMAR MOREIRA

MEDIDA DA FORA DE USINAGEM

GOINIA2015

CARLOS ROSAFREDERICO FIGUEIRAMAYCON DIAS LEMESRENAN FERREIRARODRIGO CRUZRODRIGO ARRUDASEIZON ARIELTIAGO RAFAELVILMAR MOREIRA

MEDIDA DA FORA DE USINAGEM

Trabalho apresentado como requisito parcial para a nota do 6 e 7 perodos de Engenharia Mecnica da matria de Processos de Conformao e Usinagem.Orientador: Prof. Eduardo Rodrigues

GOINIA2015SUMRIO3. INTRODUO ............................................................................................. 03 4. MEDIDA DA FORA DE USINAGEM ........................................................ 044.1. Requisitos que Devem Satisfazer os Dinammetros .............. 044.1.1. Sensibilidade .................................................................... 04 4.1.2. Preciso ............................................................................ 044.1.3. Rigidez .............................................................................. 054.1.4. Exatido de reprod. de foras variveis com o tempo ...... 05 4.1.5. Insensibilidade quanto a variao de temperatura e umidade ................................................................................................. 054.2 Princpios de Medidas .................................................................. 054.2.1. Princpio Pneumtico ........................................................ 064.2.2. Princpio Hidrulico ........................................................... 074.2.3. Princpio da Variao da Indutncia ................................. 074.2.4. Princpios da Variao da resistncia Eltrica .................. 084.2.5. Princpios de piezo eletricidade ........................................ 104.2.6 Princpios de Magneto-Extriccao ....................................... 104.3. Dinammetro de Ten Horn e Schurman ..................................... 114.4. Dinammetro de O. Kienzle ......................................................... 114.5. Medida Dinmica da Fora de Usinagem ................................... 124.5.1. Consideraes Gerais ...................................................... 124.5.2. Escolha da frequncia natural Fn e do grau de amortecimento B ................................................................................... 134.6. Dinammetros Empregados na Medida Dinmica da Fora de Torneamento .................................................................................................. 134.6.1. Dinammetro modelo Ferrasi ........................................... 134.6.2. Aferio esttica do dinammetro ................................ 144.6.3. Aferio dinmica para o caso do dinammetro .............. 144.6.4. Dinammetro modelo Ferraresi para a medida de trs componentes da forca de usinagem ..................................................... 154.7. Dinammetro Berthold ................................................................ 16 4.8 Fenmenos Transitrios que Ocorrem Durante a Medida da Fora de Corte na Usinagem dos Metais ..................................................... 164.8.1 Aplicao ........................................................................... 165. CONCLUSO .............................................................................................. 18Referncias Bibliogrficas ................................................................. 19

33. INTRODUONo cotidiano de engenheiros mecnicos, o campo da usinagem se faz presente com uma constncia inimaginvel. Nesse aspecto, se faz necessrio que o mesmo possua uma base slida quanto ao tema. Base essa, que o dar confiana e preciso quanto escolha de processos, materiais, ferramentas e outros fatores essenciais para o desenvolvimento de um produto, pea ou dispositivo.Em diante, sero apresentados conceitos que tem total ligao com esse campo da usinagem, fatores e dispositivos que atuaro diretamente e indiretamente no processo. Quando ligado s foras de usinagem, os estudos mostram uma gama de aplicaes e prottipos, que com o passar do tempo foram desenvolvidos e aprimorados at chegarem ao que temos hoje no mercado.

44. MEDIDA DA FORA DE USINAGEM4.1. Requisitos que Devem Satisfazer os DinammetrosOs aparelhos de usinagem assim como vrios outros aparelhos mecnicos, tem uma forma de se medir a fora de trabalho, sendo essa fora a recebida pela ferramenta durante o processo de torneamento. A medio de fora em um componente mecnico serve nada mais nada menos para saber se o mesmo esta com funcionamento ideal, se no esta havendo perda e se tem possibilidades de melhorar o funcionamento.Em operaes de usinagem no geral, o melhor que a fora medida quanto menor melhor, pois assim no consome tanto das ferramentas e nem da maquina. Tendo a medio da fora durante o trabalho possvel fazer mudanas de tal forma a diminuir a fora usada, algumas coisas a se fazer trocar ou mudar a posio da ferramenta usada, usar fluido ideal entre outras formas.Para fazer a medio e necessrio de um dinammetro adequado para situao, dinammetro a ferramenta usada medir fora. O mtodo de medida desses dinammetros por deslocamento de molas.Mas para que o instrumento de medio atenda necessrio que sigam alguns requisitos bsicos : Sensibilidade Preciso Rigidez exatido de fora de reproduo de foras variveis com o tempo insensibilidade quanto a variao de temperatura e a umidade4.1.1. Sensibilidade Sensibilidade a capacidade de resposta rpida do dinammetro em relao ao deslocamento da ferramenta ao receber uma fora X. possvel fazer um calculo da sensibilidade pela formula :S = L/PS = sensibilidadeL = deslocamento do ponteiro medidorP = fora X aplicada4.1.2. PrecisoA preciso para o dinammetro e divida em dois tipos "a priori" e "a posteriori".

5A preciso"a posteriori" medida atravs de clculos de probabilidades a partir de varias medidas.A preciso "a priori" a qualidade de fazer a medio varias vezes e coincidir com a medio real conhecida. Nesse mtodo acarretado alguns tipos de erro, sendo eles : erro de leitura; dissociao de leitura escala-ponteiro ou papel-marcador, exemplo clssico o erro paralaxe. erro de fidelidade; a metade da diferena da marcao mxima entre duas medidas feitas para mesma grandeza. erro de mobilidade; uma mudana de leitura no dinammetro, no causada pela aplicao de fora , mas por outros fatores. erro de histerese; uma diferena de leitura no dinammetro em relao a deformao da ferramenta na aplicao da fora e o retorno aps retirado a fora. erro sobre zero; acontece quando se inicia a leitura sem zerar o instrumento de medida, ou seja, j comea a medir por um ponto de partida falso.4.1.3. RigidezO requisito rigidez de certa forma, vem contrariando um pouco da sensibilidade e preciso, pois a ferramenta tambm requer rigidez, que a capacidade do medidor no se deslocar por qualquer interferncia. A rigidez o aumento da constante K da mola do dinammetro, fazendo com que ele fique mais rgido e no d leitura falsa como em vibraes, descontinuidades, etc.4.1.4. Exatido de reproduo de foras variveis com o tempo O instrumento de medio deve conservar a mesma leitura com o passar do tempo executando o trabalho, tendo somente, no mximo, uma variao dentro do especificado.4.1.5. Insensibilidade quanto a variao de temperatura e umidadeOs dinammetros sofrem alteraes nas medidas por causa da mudana de temperatura, durante o processo no possvel manter sempre uma temperatura constante, porem pode ser amenizado, em alguns modelos pode ser pelo uso de liquido refrigerante, em outros por uma vedao especial.4.2 Princpios de MedidasA medida de fora de usinagem, medida de duas formas, dependendo do aparelho, a de forma direta e indireta. Na atuao do dinammetro de medida indireta feito pelo deslocamento de molas, podendo ser por meio mecnico, hidrulica, pneumtico ou eltrico, sendo que o eltrico medido por variao da indutncia, da capacitncia e da resistncia eltrica.

6O mtodo direto e mais preciso a medio baseada na piezo-eletricidade e magneto-estrico.O principio de medio simples, sendo um dinammetro situado para medir cada tipo de fora, exemplo: fora de corte e profundidade. Da ento ao iniciar o servio a ferramenta sofre deformao pela fora de trabalho, ento essa deformao e sentida pelo dinammetro, que far a leitura.4.2.1. Princpio Pneumtico A medida pneumtica da fora de usinagem est baseada no principio Solex. Provoca a deformao de uma mola pela fora de usinagem que da o deslocamento de duas paredes P1 e P2, tem se uma variao de ar em S, que da uma variao de presso, medida em um monmetro sensvel M.O ar proveniente de um compressor C injetado em um reservatrio R, cuja finalidade manter a presso constante H.Em seguida o ar atravessa um orifcio calibrador G, para expandir-se em uma cmera A, antes de escapar pelo orifcio S.Quando a sada de ar em S livre, a presso h da cmara A, medida pelo monmetro M, Praticamente nula. Porm quando se dificulta a sada de ar em S, a presso h aumenta progressivamente na cmara A. Logo as variaes da espessura de lmina de ar entre as paredes P1 e P2 provocam variaes correspondentes do nvel de gua. Quando o orifcio G for pequeno, necessita-se uma variao muito pequena de espessura e para que a presso h varie dentro de propores bastante grandes, tendo-se grande sensibilidade.Esta pratica de medidas se aplica preferencialmente nas medidas estticas, onde no h necessidade do registro das leituras.

74.2.2. Princpio Hidrulico O primeiro dinammetro para a medida da fora de corte foi construdo por Johnt.Nicolson Em Manchester, no ano de 1904. Nicolson baseou-se no principio hidrulico, no qual uma ferramenta de barra transmitia a fora de corte atravs de um sistema de alavancas a um membrana, que comprimia o leo de um reservatrio a um manmetro.Este principio de medida apresenta o incoveniente de permitir grandes deslocamentos da ponta da ferramenta ( de 0,2 a 1mm) alterando enormemente 08 resultados da medida. Hoje esses dinammetros s tem valor histrico.4.2.3. Princpio da Variao da Indutncia Consiste na variao da indutncia de duas bobinas, pela mudana de posio de um ncleo de ferro no seu interior. O desequilbrio da ponte de medio diretamente proporcional variao de induo das bobinas e pode ser lido num instrumento de medida. Esta proporcionalidade entre o deslocamento do ncleo de maneira que este processo de medida satisfaz plenamente, no so medida esttica como tambm a medida dinmica da fora de usinagem.Este princpio atualmente muito usado.

O emprego de um sistema diferencial constituido por duas bobinas,ligadas em meia ponte. Este sistema permite a obteno de boa sensibilidade na construo de dinammetro, alm da leitura da ponte amplificadora ser linear com o deslocamento. As bobinas podem ser de tamanho reduzido, facilitando a construo dos aparelhos de medida.

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Diferentes aplicaes das bobinas de medida de deslocamento por induo.4.2.4. Princpios da Variao da resistncia EltricaUm mtodo de medida das deformaes, que tem sido aplicado cotidianamente, o da variao da resistncia eltrica de um fio, proveniente da variao de seu comprimento sob a variao de uma fora. Descoberto pelo Lord Kelvin em 1856, s teve aplicao prtica em 1939 nos EUA com os engenheiros A. Ruge e E. Simmons, que desenvolveram o extensmetro eltrico. Dessa forma, sua utilizao se propagou para quase todos os ramos da engenharia.Esse dispositivo, constitudo principalmente e um fio metlico, disposto delgadamente, colado entre duas lminas de papel, baquelite ou qualquer outro material com caractersticas mecnicas e eltricas apropriadas.

Os extensmetros so encontrados em trs tipos caractersticos:

9A empregada determinar a tenso de trao ou compresso de um pea;B permite, atravs das medidas das deformaes em 3 direoes a 120, a determinao das tenses principais locais;C permite determinar a tenso de toro de um eixo, atravs do extensmetro colocado a 45 com o eixo geomtrico;

No mercado, so disponveis trs tipos de extensmetros quanto sua resistncia hmica: 120 Ohms, 300 Ohms e 600 Ohms. Os mesmos, possuem uma gama de particularidades que definem tenses de trabalho e outros.Constante de sensibilidade KEssa constate definida pelo seguinte quociente:

Esse, representa a variao da resistncia em relao ao alongamento. Quando em faixas normais de alongamento, em trabalho, o fator K definido como constante. Conforme os materiais dos fios, existem as seguintes definies:Cromo, nquel vandio: 2,1 < k < 2,4 Platina: 3,5 < k < 3,9

10Sensibilidade TransversalDevido ao fio metlico no estar unicamente disposto o sentido longitudinal do extensmetro, existe uma pequena sensibilidade para as tenses perpendiculares ao eixo longitudinal do extensmetro. Essa sensibilidade representada pelo quociente da constante de sensibilidade transversal e longitudinal, gerando um fator de correo que est em torno de 0,3% a 1,4%.Quanto aos extensmetros do tipo lmina, h uma grande quantidade de material na curvatura dos fios, o que acaba por eliminar praticamente a sensibilidade transversal.Coeficiente de TemperaturaQuando ocorre de variar a temperatura no momento do teste, ocorre uma variao na medida do dispositivo. Nesse momento ocorrem simultaneamente trs fenmenos:1) Expanso linear do material sob teste;2) Expanso linear do fio do extensmetro;3) Variao da resistncia especfica do extensmetro; O efeito da temperatura ser sempre que possvel compensado, atravs de estudos que possibilitaram montagens especiais.4.2.5. Princpios de piezo eletricidadeDenomina-se piezo eletricidade a propriedade que possuem certos cristais que se polarizarem eletricamente, quando submetidos a esforos mecnicos e inversamente, de se deformarem elasticamente quando submetidos a uma polarizao eltrica.Esta polarizao consiste na liberao no cristal de cargas eltricas iguais ou diferentes e contrarias. A sua soma algbrica nula.Os cristais mais sensveis a esta propriedade so o quartzo e a turmalina.H tambm certos sais com propriedades anlogas como o sal de Rochele NaKC4H4O6.4H2O, O tartarato de potssio K2C4H4O6. O titanato de brio BaTIO3,este usado pela Philips para a construo de Pick-ups de rugosimetros.4.2.6 Princpios de Magneto-ExtriccaoA Magneto-Extriccao ou magneto-elasticidade consiste na variao da permeabilidade de certos materiais ferro magnticos sob ao de solicitaes mecnicas.

11Atravs da variao da permeabilidade magntica pode-se determinar o valor da forca perturbadora.Um exemplo deste principio pode ser feito construindo-se uma bobina ao redor de um corpo do material Ni-Fe, pode-se medir a forca de trao, compresso ou toro aplicada a um material magneto-elastico.Outro exemplo seria um dinammetro construdo pela Siemes. O mesmo consiste numa caixa cilndrica de permaloy, onde colocado duas bobinas em forma de anel.Uma das bobinas a de medio e a segunda bobina para imantar a caixa cilndrica, permitindo assim maior sensibilidade dinammetro.O sistema fechado com uma rgida tampa de ao onde aplicada a forca a se medir.4.3. Dinammetro de ten horn e schurmanO DINAMOMETRO DE Tem Horn consta essencialmente de um tubo que se deforma sob aplicao da forca de usinagem.Neste tubo esto colados diametralmente opostos os extensometros R1 E R2, que peritem a medida da forca de corte PC, e os estensometros r1e r2, que permite a determinao da forca de avano PA ou de penetrao pn, conforme a posio relativa do minamometro em relao a peca.Para manter a temperatura dos estensometros aproximadamente constante durante o trabalho o tubo refrigerado com gua.4.4. Dinammetro de O. KienzleEste modelo de dinammetro mede a forca de corte PC, obtida atravs do momento de toro transmitido pela peca de ensaio.Costa essencialmente de uma placa co um disco mvel D, o qual permite aplicar a uma barra as forcas provenientes do momento de toro da peca.Sob a ao desta peca a barra B se flete, medindo-se a deformao atravs de dois estensometros E colados na mesma.O s estensometros esto ligados em circuitos de meia ponte WHEATST TONE, atravs das escovas captadoras c, o circuito completado numa ponte amplificadora.O sistema previamente aferido de maneira que cada leitura da ponte corresponda a um momento de toro na peca de ensaio.

12Conhecendo-se o dimetro da peca tem se a forca de corte PC.Este modelo de dinammetro apresenta a vantagem de permitir o emprego de ferramentas reais de trabalho, fixadas diretamente no suporte do torno com ngulos variveis vontade.Porem a inrcia do sistema peca / dinammetro relativamente grande, contribuindo para o abaixamento da frequncia natural.Igualmente o dinammetro anterior no permite a medida dinmica da forca de corte, e sim a determinao de um valor mdio.4.5. Medida Dinmica da Fora de Usinagem4.5.1. Consideraes GeraisSabemos que um dos requisitos que um dinammetro deve satisfazer e a reproduo sem distoro da lei de variao de forca com o tempo, dentro de um erro especificado. Para os instrumentos cujo sistema de medida seja constitudo com massa , forca e amortecimento, esta exigncia nem sempre e satisfeita.De acordo com o estudo da dinmica, tem se a equao... M . Y + C . Y + K . Y= P(t)Onde M = massa reduzida do sistema C = constante de amortecimento K = constante elstica da mola Y = deslocamento da massa reduzida m, P(t) = forca peridica a ser medida.Medindo-se o deslocamento Y por meios eltricos, pode-se facilmente determinar as grandezas T e d atravs de um oscilgrafo. Conhecendo-se T e d, calcula-se o grau de amortecimento B e a frequncia natural Fn.A oscilao transitria pode durar poucos instantes, permanecendo porem o fenmeno permanente. A deformao esttica As1 e a deformao sofrida pela mola sob ao da forca externa mxima P1.O fator de amplificao representa o fator que deve ser multiplicado a deformao esttica, para obter-se a amplitude da oscilao forada.

134.5.2. Escolha da frequncia natural Fn e do grau de amortecimento BQuando a funo e peridica P(t) e constituda de varias harmnicas. Diz-se que a reproduo Y da funo P(t) no apresenta distoro quando todas as harmnicas da funo P(t) so reproduzidas na mesma escala e apresentam o mesmo deslocamento em relao ao eixo dos tempos. Esta definio abrange dois tipos de distoro. Distoro em amplitude e distoro em fase. Distorao em amplitude= A exigncia e satisfeita quando o fator de amplificao for o mesmo para todas as harmnicas que se deseja reproduzir. Distorao em fase= suponhamos por exemplo que reproduo da funo P(t) seja atravs da funo Y num osciloscpio ou oscilgrafo. Neste caso, a exigncia quanto a exatido de reproduo consiste no mesmo deslocamento das funes Y1, ou seja, o mesmo retardamento ou adiantamento na reproduo das harmnicas P(t).isso naturalmente no significa que todas as harmnicas Y1 tenham a mesma diferena de fase,Conclui-se assim que as duas exigncias, menor distoro em amplitude e menor distoro em fase, conduzem a valores diferentes do grau de amortecimento timo. Desta forma no projeto de um dinammetro deve ser estudado de acordo com a funo P(t) que se queira reproduzir, isto e, de acordo com as harmnicas que se queira registrar com o menor erro possvel. Quanto a frequncia natural do dinammetro, no h duvida que esta devera ser a maior possvel.4.6. Dinammetros Empregados na Medida Dinmica da Fora de TorneamentoPara medida esttica e dinmica da fora de torneamento foram executados dois dinammetro.4.6.1. Dinammetro modelo FerrasiPrincipais caractersticas do dinammetro Ferrasi: Capacidade Fora de medidas Deslocamento relativo Frequncia natural mais baixo Grau de amortecimento 14Vazo de agua de refrigeraoConsiste em principio numa alavanca cujo centro este suspenso por meio de quatro elementos elsticos, trabalhando a flexo de toro, e disposto em cruz, uma das metades da alavanca-Cabeote-forma o dispositivo que prende a pastilha cortante (de metal duro), enquanto a outra metade da alavanca dos medidores deslocamento por induo. Estes receptores indutivos esto localizados na zona de influenciado pelo calor de usinagem. Para evitar dilatao trmica da lana usou se a refrigerao a gua. gua entra na traseira do cabeote e lana diretamente na laa. Calculo da frequncia natural mais baixa para o dinammetro oscilando livremente:F=w/2piA frequncia natural mais baixa do cabeote da lana foi estimada atravs do processo de Rayleigh. Admitiu-se para tanto que a flexo dos elementos do cabeote e lana, durante a vibrao, apresenta a mesma forma da linha elstica devido ao peso prprio dos elementos. Esta suposio e admissvel, uma vez que a influncia da deformao do cabeote e da lana sobre a frequncia prpria mais baixa do dinammetro e pequena.4.6.2. Aferio esttica do dinammetroPara aferio esttica construiu-se um dispositivo que permite solicitar o dinammetro com duas foras independentes, uma no sentido vertical e outra no sentido horizontal.Utiliza para aferio uma pastilha padro temperada, presa ao cabeote medidor no qual se apoiam dois cutelos de aferio na alavanca articulada em mancais de rolamentos, permite a aplicao da carga vertical atravs do cutelo da aferio. A alavanca tambm articula em mancais de rolamentos, permite a aplicao da carga na horizontal.Durante a aferio do dinammetro mediu-se no somente a indicao da ponte amplificadora como tambm os deslocamentos da pastilha-padro por meio de relgios comparadores, verificou que com aplicao da carga vertical, No ha deslocamento no cabeote da lana na direo horizontal.Aferio fornece a concordncia com o calculo do deslocamento esttico com fim de verificar se a fora de penetrao (em direo do eixo da ferramenta).4.6.3. Aferio dinmica para o caso do dinammetro

15Estes experimentos foram executados em condies semelhantes s de ensaios de usinagem.com a vazo de agua da refrigerao em 20 l/min, colocou-se o cabeote para oscilar tanto horizontal como vertical. Pelo clculo da frequncia natural e com a anlise do filme podemos calcular a vibrao do amortecimento do dinammetro, que tem extrema importncia na curva de ressonncia e de diferenas de fases, com as amplitudes podemos calcular o decremento logartmico. Para analise em curvas de usinagem com frequncia acima de 1000 c.p.s interessante usar um grau de amortecimento maior, com auxlio do grau de amortecimento.Para determinar por meio de experimentos a frequncia natural mais baixa de vibrao deste equipamento, utilizou-se de um cabeote que foi posto para oscilar em dois mtodos diferentes, no primeiro o mesmo foi apoiado sobre dois pinos denominados s1 e s2 ambos com pontas arredondadas, colocados um acima do outro com um ponto de contato entre eles, com um leve golpe libera o cabeote que comea a oscilar, No segundo coloca-se o mesmo para oscilar com um golpe de martelo. Para visualizar a oscilao livre amortecida, foi usado um osciloscpio e uma cmera para fazer o registro das oscilaes e a velocidade do filme foi aferido por um gerador de frequncia. Para calcularmos a frequncia de vibrao Fn multiplicamos o nmero de oscilaes por centmetro do filme e multiplicou-se pela velocidade do filme. (Fn=n.v). Na curva de usinagem, com o auxlio do grau de amortecimento , calcula-se o fator de amplificao , j na diferena de fase calcula-se atravs da equao, para frequncia at Fc=5000 c.p.s, Ti 2%. Notamos que a frequncia natural de um dinammetro em trabalho em uma operao de torneamento relativamente menor que a frequncia do mesmo oscilando em vazio, com base nisso conclumos que a formao do cavaco que desliza na ponta da ferramenta aumenta o momento de inrcia do sistema oscilante do dinammetro. O grau de amortecimento varia quando em trabalho, o atrito que se forma entre a ferramenta e o cavaco e a pea, pois aumenta o valor de , a frequncia natural e o grau de amortecimento varia de acordo com o matria da pea e das condies de usinagem, para medir a forca esttica da usinagem precisa-se apenas do dinammetro e das pontes amplificadoras a leitura e feita no mostrador da ponte que por sua vez possui um sistema interno de amortecimento, no caso da oscilao do ponteiro do mostrador do mostrador costuma-se utilizar filtros eletrnicos. 4.6.4. Dinammetro modelo Ferraresi para a medida de trs componentes da forca de usinagemNos permite medir a esttica das componentes de forca na usinagem, mede foras de corte at 700kg com frequncia natural mais baixa em torno de 7200 c.p.s. A diferena do atual modelo com os anteriores est na implantao de mais elemento de medida, que tem por funo medir a forca de penetrao Pp.com entrada lateral da lana para agua que faz a refrigerao

164.7. Dinammetro Berthold Tem a funo de analisar a influncia da frequncia natural do dinammetro na medida de forca de usinagem, berthold fez sete dinammetros com frequncias naturais diferentes os dinammetros de 1 a 4 realiza apenas as medidas esttica de forca de torneamento devido baixa frequncia natural Fn