dispositivo fresamento controlado por cnc

CENTRO FEDERAL DE EDUCAO TECNOLGICA CELSO

SUCKOW DA FONSECA CEFET/RJ

Dispositivo de Fresamento Controlado por CNC

Leandro Fbio de Jesus Coutinho

Marcos Thiago Bezerra Santiago

Professor Orientador: Gilberto Castelo Branco

Rio de Janeiro

Maio de 2014

ii

CENTRO FEDERAL DE EDUCAO TECNOLGICA CELSO

SUCKOW DA FONSECA CEFET/RJ

Dispositivo de Fresamento Controlado por CNC

Leandro Fbio de Jesus Coutinho

Marcos Thiago Bezerra Santiago

Projeto final apresentado em cumprimento s

normas do Departamento de Educao Superior

do CEFET/RJ, como parte dos requisitos para obteno

do ttulo de Bacharel em Engenharia Mecnica

Professor Orientador: Gilberto Castelo Branco

Rio de Janeiro

Maio de 2014

iv

DEDICATRIA

Dedicamos esse projeto aos nossos amigos e familiares que nos apoiaram em nossa

trajetria.

v

AGRADECIMENTOS

Gostaramos de agradecer aos nossos familiares e amigos que nos apoiaram, no apenas

durante a execuo desse projeto, mas durante toda a nossa vida acadmica e ao nosso

professor orientador, Gilberto Castelo Branco, por toda a sua ateno e dedicao.

vi

RESUMO

O projeto consiste no desenvolvimento de uma fresadora CNC para fins acadmicos. Para isso

ser possvel pesquisou-se os diferentes tipos de materiais e suas vantagens e desvantagens

estruturais e econmicas para a elaborao de um projeto que pudesse ser mais vivel. Dentre

os materiais pesquisados, o alumnio foi o que apresentou as melhores caractersticas, pois

possui alta resistncia mecnica, mdia usinabilidade e leve, apesar de possuir um custo

mais elevado. Alm disso, um fator importante para a elaborao do projeto consiste em aliar

preciso com rigidez.

Palavras-chave: fresadora, CNC, alumnio.

vii

ABSTRACT

The project consists of the development of a CNC milling machine for academic purposes. To

make this possible it was researched the different types of materials and their economic and

structural advantages and disadvantages for the development of a project that could be more

feasible. Among the materials investigated, aluminum showed the best characteristics because

it has high mechanical resistance, average machinability and is light, despite having a higher

cost. In addition, an important factor in formulating the proposed consists in combining

precision with stiffness.

Keywords: milling, CNC, aluminum.

viii

SUMRIO

1. Introduo.................................................................................................................1

1.1 Motivao................................................................................................1

1.2 Objetivo...................................................................................................1

2. Reviso Bibliogrfica................................................................................................2

2.1 Processo de Usinagem............................................................................2

2.1.1 Parmetros do processo de usinagem.............................................3

2.2 Fresagem................................................................................................5

2.2.1 Fresamento Cilndrico Tangencial..................................................9

2.2.2 Fresamento Frontal.......................................................................10

2.3 Fresa.....................................................................................................10

2.4 Fresadora CNC.....................................................................................11

2.5 Fusos.....................................................................................................12

2.5.1 Fuso Trapezoidal..........................................................................12

2.5.2 Fuso de Esferas Recirculantes......................................................13

2.6 Guias Lineares......................................................................................15

2.7 Acoplamentos.......................................................................................16

2.8 O motor eltrico....................................................................................17

2.8.1 O funcionamento do motor eltrico............................................18

2.8.2 Os tipos de motores.....................................................................18

2.8.3 O motor de passo..........................................................................19

2.8.4 Modos de Acionamento................................................................22

2.8.5 Controladoras de motores de passo..............................................22

3. Desenvolvimento....................................................................................................26

3.1 Projeto Informacional...........................................................................26

3.2 Projeto Conceitual................................................................................27

3.2.1 Anlise Mercadolgica.................................................................28

ix

3.2.2 Clculo da Fora de Corte Para Fresamento................................30

3.2.3 Clculo da potncia de corte e de avano para fresamento..........35

3.2.4 Escolha da Estrutura.....................................................................37

3.2.5 Escolha dos Eixos, Mancais e Acoplamentos..............................38

3.2.6 Escolha da Mesa de Trabalho.......................................................38

3.2.7 Escolha do Spindle (eletromandril)..............................................39

3.2.8 Potncia do Spindle......................................................................43

3.2.9 Escolha dos motores de passo......................................................44

3.2.10 Escolha dos parafusos, porcas e arruelas....................................46

3.3 Projeto Preliminar.................................................................................48

3.4 Projeto Detalhado.................................................................................49

3.4.1 Estrutura........................................................................................49

3.4.2 Mesa de Trabalho.........................................................................50

3.4.3 Fixao do Spindle.......................................................................50

3.4.4 Gaveta do Spindle.........................................................................51

3.4.5 Chapa do Fundo............................................................................52

3.4.6 Chapas laterais..............................................................................52

3.4.7 Chapa Inferior...............................................................................53

3.5 A Montagem.........................................................................................53

3.6 Dimensionamento do projeto...............................................................54

3.7 Anlise de Custos.................................................................................89

4. Concluso..................................................................................................................90

4.1 Trabalhos futuros.................................................................................90

5. Referncia Bibliogrfica...........................................................................................91

6. Anexo........................................................................................................................93

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Sequncia de Usinagem...............................................................................................2

Figura 2: Movimentos e velocidades para fresamento discordante............................................5

Figura 3: Fresamento Cilndrico Discordante.............................................................................5

Figura 4: Fresamento Cilndrico Concordante............................................................................6

Figura 5: Fresadora vertical........................................................................................................7

Figura 6: Fresadora horizontal....................................................................................................8

Figura 7: Fresadora universal com cabeote vertical..................................................................8

Figura 8: Fresadora universal com mandril................................................................................9

Figura 9: Fresa para fresamento cilndrico tangencial................................................................9

Figura 10: Fresa para fresamento frontal..................................................................................10

Figura 11: Tipos de fresas.........................................................................................................11

Figura 12: Fuso trapezoidal.................................................................................................. .....13

Figura 13: Fuso de esferas recirculantes...................................................................................14

Figura 14: Fuso de esferas recirculantes desmontado...............................................................14

Figura 15: Caminho helicoidal..................................................................................................15

Figura 16: Exemplo de guias lineares.......................................................................................16

Figura 17: Exemplo de acoplamento........................................................................................17

Figura 18: Relutncia varivel..................................................................................................20

Figura 19: Im permante...........................................................................................................21

Figura 20: Hbrido.....................................................................................................................22

Figura 21: Elementos de um drive de motor de passo..............................................................23

Figura 22: Controle unipolar bsico..........................................................................................24

Figura 23: Circuito de um drive bipolar....................................................................................24

Figura 24: Exemplo de uma Ponte H........................................................................................25

Figura 25: Fresadora CNC - SIGMA 600 Modelo didtica...................................................29

xi

Figura 26: Fresadora CNC MTC 500x1000..........................................................................29

Figura 27: Fresamento Frontal..................................................................................................30

Figura 28: Fresamento Perifrico..............................................................................................31

Figura 29: Espessura mdia do cavaco.....................................................................................31

Figura 30: Fresa de 4 cortes Topo esfrico............................................................................33

Figura 31: Clculo de Zc...........................................................................................................33

Figura 32: Tipos de perfis extrudados em alumnio.................................................................38

Figura 33: spindle de correia ( esquerda) e spindle com motor integrado ( direita).............39

Figura 34: Spindle TECMAF TAC.2A3M.01..........................................................................42

Figura 35: Esquema do motor de passo acoplado ao fuso e deslocando uma carga.................44

Figura 36: Grfico do movimento.............................................................................................45

Figura 37: Parafuso...................................................................................................................47

Figura 38: Porca........................................................................................................................47

Figura 39: Arruela de presso...................................................................................................48

Figura 40: Desenho CAD da fresadora.....................................................................................48

Figura 41: Desenho CAD da estrutura da mquina..................................................................49

Figura 42: Desenho CAD da mesa de trabalho da fresadora CNC...........................................50

Figura 43: Desenho CAD do sistema de fixao do spindle.....................................................51

Figura 44: Desenho CAD da Gaveta do Spindle......................................................................51

Figura 45: Desenho CAD chapa do fundo................................................................................52

Figura 46: Desenho CAD chapas laterais.................................................................................52

Figura 47: Desenho CAD chapa inferior..................................................................................53

Figura 48: Desenho CAD da montagem...................................................................................54

Figura 49: Diagrama de corpo livre para foras atuantes no eixo Z do suporte do spindle......58

Figura 50: Tenses presentes no suporte do spindle (Fora atuante no eixo Z).......................59

Figura 51: Deslocamentos presentes no suporte do spindle (Fora atuante no eixo Z)............60

Figura 52: Deformaes presentes no suporte do spindle (Fora atuante no eixo Z)...............61

xii

Figura 53: Diagrama de corpo livre para foras atuantes no eixo X do suporte do spindle.....62

Figura 54: Tenses presentes no suporte do spindle (Fora atuante no eixo X).......................63

Figura 55: Deslocamentos presentes no suporte do spindle (Fora atuante no eixo X)...........64

Figura 56: Deformaes presentes no suporte do spindle (Fora atuante no eixo X)..............65

Figura 57: Diagrama de corpo livre para foras atuantes no eixo Y do suporte do spindle.....66

Figura 58: Tenses presentes no suporte do spindle (Fora atuante no eixo Y).......................67

Figura 59: Deslocamentos presentes no suporte do spindle (Fora atuante no eixo Y)...........68

Figura 60: Deformaes presentes no suporte do spindle (Fora atuante no eixo Y)..............69

Figura 61: Diagrama de corpo livre para foras atuantes no eixo Z no conjunto mesa/apoio..70

Figura 62: Tenses presentes no conjunto mesa/apoio (Fora atuante no eixo Z)...................71

Figura 63: Tenses presentes no conjunto mesa/apoio (Fora atuante no eixo Z)...................72

Figura 64: Deslocamentos presentes no conjunto mesa/apoio (Fora atuante no eixo Z)........73

Figura 65: Deslocamentos presentes no conjunto mesa/apoio (Fora atuante no eixo Z)........74

Figura 66: Deformaes presentes no conjunto mesa/apoio (Fora atuante no eixo Z)...........75

Figura 67: Deformaes presentes no conjunto mesa/apoio (Fora atuante no eixo Z)...........76

Figura 68: Diagrama de corpo livre para as foras atuantes no eixo Z na chapa lateral...........77

Figura 69: Tenses presentes na chapa lateral com furo (Fora atuante no eixo Z).................78

Figura 70: Deslocamentos presentes na chapa lateral com furo (Fora atuante no eixo Z)......79

Figura 71: Deformaes presentes na chapa lateral com furo (Fora atuante no eixo Z).........80

Figura 72: Diagrama de corpo livre para as foras atuantes no eixo Z na chapa do fundo......81

Figura 73: Tenses presentes na chapa do fundo (Fora atuante no eixo Z)............................82

Figura 74: Deslocamentos presentes na chapa do fundo (Fora atuante no eixo Z).................82

Figura 75: Deformaes presentes na chapa do fundo (Fora atuante no eixo Z)....................83

Figura 76: Tenses presentes no conjunto................................................................................84

Figura 77: Deformaes presentes no conjunto........................................................................85

Figura 78: Deslocamentos presentes no conjunto.....................................................................86

Figura 79: Tenses presentes no conjunto................................................................................87

xiii

Figura 80: Deslocamentos presentes no conjunto.....................................................................88

Figura 81: Deformaes presentes no conjunto........................................................................89

xiv

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Fresamento com fresa de metal duro de topo esfrico de 4 cortes...........................32

Tabela 2: Dimenses relativas fresa.......................................................................................33

Tabela 3: Presso especfica de corte e expoente de Kienzle...................................................35

Tabela 4: Valores de kc para alguns materiais..........................................................................36

1

Captulo 1

Introduo

Nesse trabalho ser feito um estudo de uma Fresadora CNC, uma mquina controlada

atravs de comandos numricos computadorizados. Essas mquinas automatizadas so muito

utilizadas na indstria para a usinagem de peas, conseguindo uma maior repetibilidade na

fabricao.

Os materiais que podem ser usinados em uma Fresadora CNC dependero da potncia

do motor, da estrutura da mquina, da ferramenta utilizada para a usinagem, entre outros

fatores. No geral, possvel usinar vrios tipos de materiais como, por exemplo, ligas

metlicas, madeira, uma grande quantidade de materiais polimricos, dentre outros.

As fresadoras CNC tm grande beneficio que a usinagem em 3 dimenses

simultaneamente, ou seja, elas realizam movimentos simultneos em X, Y e Z, por isso

conseguem fazer uma grande variedade de peas que dariam muito trabalho em uma fresadora

comum ou at mesmo seriam impossveis neste tipo de fresadora.

A Fresadora CNC operada atravs do sistema CAD/CAM utilizando softwares

computacionais. Nesses softwares so inseridos comandos para que a mquina opere em

modo automtico da forma desejada, com a finalidade de que seja realizada a usinagem.

1.1 Motivao

A realizao de um projeto baseado no desenvolvimento de uma fresadora CNC j

existente nas dependncias do CEFET/RJ. A fresadora feita de madeira e h muita

trepidao, o que indesejvel para uma fresadora CNC. Com o objetivo de desenvolver uma

mquina com outro tipo de material e que consiga obter uma preciso razovel, iniciou-se o

desenvolvimento desse projeto para fins didticos.

1.2 Objetivo

O projeto de uma fresadora CNC determinando a escolha do material desta fresadora,

a fora de corte da fresa, o modo de acionamento, a anlise mercadolgica e os componentes

a serem utilizados.

2

Captulo 2

Reviso Bibliogrfica

Neste captulo iremos abordar alguns aspectos gerais relacionados ao desenvolvimento

de uma fresadora CNC, tais como o processo de usinagem, o acionamento, o tipo do motor, as

caractersticas da ferramenta de corte, dentre outros.

2.1 Processo de Usinagem

O conceito de usinagem aplica-se aos processos de fabricao onde h retirada de

material sob a forma de cavaco partcula de material da pea extrada atravs da ao da

ferramenta, sendo de forma irregular (no definida).

A remoo de material ocorre atravs da interferncia entre ferramenta e pea, sendo a

ferramenta constituda de um material de dureza e resistncia muito superior a do material da

pea. Abaixo mostra-se um exemplo do passo-a-passo de usinagem (Figura 1).

Figura 1 Sequncia de Usinagem [1]

Existem vrios processos de usinagem, entre eles serramento, aplainamento,

torneamento, fresamento (ou fresagem), furao, brochamento, eletroeroso, entre outros.

3

2.1.1 Parmetros do processo de usinagem

Ponto de referncia

um ponto genrico da aresta cortante, fixado, geralmente, prximo da ponta de

corte, na regio de contato da ferramenta com a pea. Para algumas ferramentas como, por

exemplo, a fresa, ocupa a ponta de corte.

Movimentos Ativos

So aqueles que tomam parte direta na formao do cavaco: movimento de corte,

movimento de avano e movimento efetivo de corte.

Movimento de corte o movimento relativo entre a pea e a ferramenta que, sem o

movimento de avano, origina uma nica remoo de cavaco, durante um ciclo (volta ou

curso).

Movimento de avano o relativo entre a pea e a ferramenta que, juntamente com o

movimento de corte, origina uma retirada contnua ou repetida de cavaco, durante vrios

ciclos (revolues ou cursos).

Movimento efetivo de corte o resultante dos movimentos de corte e de avano,

quando realizados simultaneamente.

Movimentos Passivos

So aqueles que no tomam parte direta na formao do cavaco: movimentos de

posicionamento, de profundidade e de ajuste.

Direes dos Movimentos

Distinguem-se em trs direes.

Direo de corte que a direo instantnea do movimento de corte.

Direo de avano que a instantnea do movimento de avano

Direo efetiva de corte que a instantnea do movimento efetivo de corte.

4

Velocidade de Corte (v m/min)

a velocidade instantnea, do ponto de referncia da aresta cortante, segundo a

direo e o sentido de corte (Figura 2).

Nas mquinas rotativas (torno, furadora, fresadora, etc.), n a rpm, isto , o nmero de

rotaes em um minuto. A Equao 2.1 (em m/min) nesse caso a seguinte:

[m/min] (2.1)

Na frmula, d [mm] o dimetro relativo ao ponto de referncia P.

Nas mquinas alternativas (plaina, limadora, por exemplo), n gpm (golpes por

minuto) ou cpm (cursos duplos ou completos, por minuto) e 2.1 o espao percorrido pela

ferramenta, pois se trata de um movimento de translao em um ciclo (um golpe ou um

curso). A Equao 2.2 nesse caso a seguinte:

[m/min] (2.2)

Na frmula, l [mm] o comprimento de um curso simples, de ida ou volta.

Velocidade de Avano (va mm/min)

a velocidade instantnea, da ferramenta, segundo a direo e o sentido de avano

(Figura 2).

Se o avano a (mm/ciclo) o deslocamento da ferramenta, na direo de avano,

durante um ciclo (rotao, golpe ou duplo-curso), em n ciclos, ou seja, durante minuto, a

ferramenta percorrer o comprimento de a.n, valor equivalente a uma velocidade, por

definio. A Equao 2.3 nesse caso a seguinte:

[mm/min] (2.3)

5

Velocidade Efetiva de Corte (ve m/min)

a velocidade instantnea, do ponto de referncia da aresta, segundo a direo e o

sentido efetivos de corte (Figura 2).

Figura 2 Movimentos e velocidades para fresamento discordante [2]

2.2 Fresagem

Consiste numa operao de usinagem em que o metal removido por uma ferramenta

giratria denominada fresa de mltiplos gumes cortantes. Cada gume remove uma

pequena quantidade de metal em cada revoluo do eixo onde a ferramenta fixada. A

mquina ferramenta que realiza a operao denominada fresadora.

A operao propicia a usinagem de superfcies apresentando qualquer orientao,

porque tanto a pea quanto a ferramenta podem se movimentar em mais de uma direo, ao

mesmo tempo.

Figura 3 - Fresamento

Cilndrico

Discordante [2]

6

Figura 4

Fresamento Cilndrico

Concordante [2]

O movimento discordante (Figura 3) tambm conhecido como movimento

convencional e possui a vantagem de trabalhar com metais forjados ou fundidos, pois no

alteram a vida da ferramenta. Em compensao a ferramenta tem a tendncia em trepidar e a

pea de trabalho deve possuir uma fixao melhor. Isto prejudica o acabamento da superfcie.

No movimento concordante (Figura 4), o deslocamento do avano e a rotao da

ferramenta tm a mesma direo. Este movimento possui a vantagem de gerar menor desgaste

na ferramenta e de produzir um acabamento melhor na superfcie. No adequado para

trabalhar em metais a quente, forjados ou fundidos.

Para realizar as operaes de fresamento utilizamos basicamente trs tipos de

mquinas: fresadora vertical, fresadora horizontal e fresadora universal.

A fresadora vertical (Figura 5) tem esse nome porque o mandril porta fresa se encontra

na vertical. Podemos citar alguns exemplos de operaes de usinagem que podemos executar

com a fresadora vertical:

Fresamento frontal;

Fresamento de cantos a 90;

Fresamento de ranhuras em T;

Fresamento de guias em forma de cauda de andorinha;

Fresamento de canais;

Faceamento.

7

Figura 5 Fresadora vertical [2]

A fresadora horizontal (Figura 6) tem esse nome porque o mandril porta fresa se

encontra na horizontal. Podemos citar algumas operaes de usinagem que podemos executar

na fresadora horizontal:

Fresamento de formas complexas;

Fresamento perifrico ou tangencial;

Fresamento de ranhuras e contornos;

Fresamento de ranhuras (chavetas) Woodruff;

Fresamento de guias prismticas;

Fresamento de ranhuras com perfil constante;

Fresamento de canais;

Fresamento de roscas.

8

Figura 6 Fresadora horizontal [2]

A fresadora universal usada para a usinagem de peas pesadas por oferecer um

suporte mais rgido. Todas as aplicaes citadas anteriormente podem ser executadas na

fresadora universal. Quando realizamos operaes de fresamento com ferramentas usadas na

fresadora vertical, precisamos utilizar o cabeote vertical (Figura 7) acoplado na fresadora

universal para executar o fresamento.

Figura 7 Fresadora universal com cabeote vertical [2]

9

Quando executamos operaes de fresamento com ferramentas usadas na fresadora

horizontal, retiramos o cabeote vertical da mquina e acoplamos o mandril - eixo porta

ferramenta (Figura 8) na fresadora universal.

Figura 8 Fresadora universal com mandril [2]

2.2.1 Fresamento Cilndrico Tangencial

Os dentes ativos encontram-se na periferia (superfcie cilndrica) da ferramenta, e o

eixo da ferramenta paralelo superfcie a ser usinada. As ferramentas usadas no fresamento

tangencial so chamadas de fresas cilndricas ou tangenciais (Figura 9).

Figura 9 Fresa para fresamento cilndrico tangencial [3]

10

2.2.2 Fresamento Frontal

Os dentes ativos esto na superfcie frontal da ferramenta, cujo eixo perpendicular

superfcie a ser usinada. As ferramentas usadas no fresamento frontal so chamadas de fresas

frontais ou de topo (Figura 10).

Figura 10 Fresa para fresamento frontal [3]

2.3 Fresa

Definimos fresas (Figura 11) como ferramentas rotativas para usinagem de materiais,

constitudas por uma srie de dentes e gumes, geralmente dispostos simetricamente em torno

de um eixo. Os dentes e gumes removem o material da pea bruta de modo intermitente,

transformando-a numa pea acabada, isto , com a forma e dimenses desejadas.

11

Figura 11 Tipos de fresas [3]

2.4 Fresadora CNC

Anteriormente automao, as mquinas convencionais dependiam extremamente da

destreza do operador, isso sem levar em conta fatores como sade, estado de esprito, cansao,

etc., com reflexos considerveis sobre a quantidade e qualidade da produo, sem falar sobre

os altos percentuais de refugo. Com a automao esses incmodos ficaram para trs, a atuao

do operador fica agora restrita superviso de uma ou vrias mquinas, sem interferncia

direta no processo de produo. Para que essa evoluo chegasse s mquinas operatrizes,

muitos estudos e desenvolvimentos foram necessrios, desde elementos de mquinas e tipos

de acionamentos at sistemas de controle.

A Fresadora CNC uma mquina de multitarefas CNC que faz operaes como

fresagem, furao e mandrilhamento. Alm disso, uma mquina que possui 3 eixos (X, Y e

Z) controlados por um CNC onde oferece extrema preciso, qualidade e automatizao na

fabricao de peas.

12

A Fresadora CNC uma mquina que faz servios normalmente em peas de ao, ele

possui uma alta rotao em seu spindle para oferecer um melhor arranque de material e

acabamento nas peas, possui um sistema pneumtico eficiente, motores e servo motores de

alta capacidade. Ela equipada com uma ferramenta de corte que atravs do movimento

rotativo do spindle e movimento de seus eixos em determinado ponto da mesa, utilizada

para o arranque do material.

Em geral, esta mquina muito usada nas indstrias para a produo de peas seriadas

e tambm na produo de peas complexas que se tornariam inviveis a produo em uma

fresadora comum.

2.5 Fusos

Um fuso essencialmente uma barra cilndrica rosqueada. Um importante elemento de

unio, o parafuso, representa bem um fuso, porm com uma cabea que limita o movimento

de rotao do fuso. O princpio de funcionamento de um parafuso sendo rosqueado numa

porca permite uma simples analogia do funcionamento dos eixos de uma mquina CNC. De

fato, quando um parafuso rosqueado surge uma converso de movimentos. O movimento

rotacional do parafuso gera um movimento de translao linear na porca.

2.5.1 Fuso Trapezoidal

O fuso trapezoidal (Figura 12), no caso das mquinas operatrizes, trabalha acoplado a

uma porca trapezoidal encaixada mesa que se quer mover, elemento j considerado muito

importante, alcanando preciso de 0,01 milmetros (centsimos de milmetros), ou seja, este

dispositivo possibilita posicionar ou deslocar determinado equipamento com essa preciso.

13

Figura 12 Fuso trapezoidal

2.5.2 Fuso de Esferas Recirculantes

O fuso de esferas recirculantes (Figura 13) realiza o mesmo trabalho que o fuso

trapezoidal, com inmeras vantagens, a comear pela preciso que de 0,001mm (milsimos

de milmetros). Um fuso de esferas um mecanismo que permite converter o movimento de

rotao em translao e vice-versa, um fuso de esferas um conjunto de acionamento que

possui esferas como elementos de giro.

O fuso de esferas recirculantes substitui o fuso trapezoidal muito utilizado em

mquinas operatrizes, responsveis pelo movimento de translao das mesas ou bases, s

quais esto presos os porta-ferramentas ou as peas a serem usinadas.

Os componentes dos fusos de esferas (Figuras 14 e 15) so os seguintes:

Eixo do fuso de esfera

14

Porca do fuso de esfera com esferas integradas

Sistema de recirculao de esfera

Figura 13 Fuso de esferas recirculantes

Figura 14 Fuso de esferas recirculantes desmontado

15

Figura 15 Caminho helicoidal

As vantagens do fuso de esferas:

Alta eficincia

Alta rigidez

Alta preciso

Vida til prolongada

Maior velocidade de translao

Menor aquecimento

Reduo de atrito

Simplificao construtiva

Um fator relevante a simplificao construtiva. Hoje, encontramos no mercado

centenas de mdulos prontos para diversos tipos de mquinas e aplicaes, facilitando

projetos, simplificando montagens e garantindo um menor custo.

2.6 Guias Lineares

A partir dos anos 80 os principais fabricantes de mquinas comearam a empregar as

guias lineares em lugar dos barramentos tradicionais, pois elas possuem alta preciso,

16

excelente rigidez e deslocamentos mais suaves. As guias lineares possuem as mesmas

vantagens sobre os barramentos, que os fusos de esferas recirculantes sobre o fuso

convencional.

As guias lineares (Figura 16) utilizam elementos rolantes, tais como esferas ou rolos

para movimentao linear. Ao utilizar a recirculao de elementos rolantes para o transporte

tradicional, o coeficiente de frico nas guias lineares 50 vezes menor. Devido ao efeito de

reteno entre os trilhos e os blocos, os trilhos lineares podem suportar cargas em diversas

direes. Com esses recursos, os trilhos de guias lineares podem aumentar consideravelmente

a preciso que se deslocam, principalmente, quando acompanhadas com fusos de esferas.

Figura 16 Exemplos de guias lineares

Movimentaes com aplicao de guias lineares oferecem:

Preciso de posicionamento com alta repetibilidade

Baixo atrito com vida til longa

Alta rigidez com 4 carreiras de esferas

Altas velocidades de operao

Facilidade de instalao e intercambiabilidade

Fcil lubrificao

2.7 Acoplamentos

O acoplamento (Figura 17) um elemento de mquina que liga o eixo do motor ao

eixo de uma mquina ou estrutura. As principais funes so compensar os desalinhamentos,

17

no forar os rolamentos dos motores ou mancais e evitar a transmisso de vibraes ou

cargas a equipamentos delicados.

Existem vrios modelos de acoplamentos. Cada um com suas vantagens e desvantagens.

Alguns modelos:

OLDHAM A linha de acoplamentos Flexveis Oldhan so construdos em alumnio e

elastmero no centro. So prticos e resistentes. Ideal para aplicao de Motores de passo e

Servos Motores de at 2 KW. Absorve um desalinhamento angular de at 0.5 e radial/ axial

de at 0.2 mm. Trabalha em rotaes de at 3000 RPM e torque de at 30 N.m.

AF/AS: A linha de acoplamento AS/AF so de membrana e baixo custo. Ideal para aplicaes

de motores de passo Nema 23 ou Encoders. O Torque para Motores de at 1.8 N.m.

Figura 17 Exemplo de acoplamento

2.8 O motor eltrico

Um motor eltrico uma mquina destinada a transformar energia eltrica em

mecnica. o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da energia

eltrica baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando com sua

construo simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptao s cargas dos mais

diversos tipos e melhores rendimentos.

18

2.8.1 O funcionamento do motor eltrico

A maioria de motores eltricos trabalha pela interao entre campos eletromagnticos,

mas existem motores baseados em outros fenmenos eletromecnicos, tais como foras

eletrostticas. O princpio fundamental em que os motores eletromagnticos so baseados

que h uma fora mecnica em todo o fio quando est conduzindo corrente eltrica imersa em

um campo magntico. A fora descrita pela lei da fora de Lorentz e perpendicular ao fio e

ao campo magntico. Em um motor giratrio, h um elemento girando, o rotor. O rotor gira

porque os fios e o campo magntico so arranjados de modo que um torque seja desenvolvido

sobre a linha central do rotor.

A maioria de motores magnticos so giratrios, mas existem tambm os tipos

lineares. Em um motor giratrio, a parte giratria (geralmente no interior) chamada de rotor,

e a parte estacionria chamada de estator. O motor constitudo de eletroms que so

posicionados em ranhuras do material ferromagntico que constitui o corpo do rotor e

enroladas e adequadamente dispostas em volta do material ferromagntico que constitui o

estator.

2.8.2 Os tipos de motores

Motores de corrente contnua

Precisam de uma fonte de corrente contnua, neste caso pode ser necessrio utilizar um

circuito retificador para converter a corrente alternada, corrente fornecida pela concessionria

de energia eltrica, para corrente contnua. Podem funcionar com velocidades ajustveis entre

amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e preciso. Por isso seu uso

restrito a casos especiais em que estas exigncias compensam o custo muito mais alto da

instalao.

Motores de corrente alternada

So os mais utilizados, porque a distribuio de energia eltrica feita normalmente em

corrente alternada. Seu princpio de funcionamento baseado no campo girante, que surge

quando um sistema de correntes alternadas trifsico aplicado em polos defasados

fisicamente de 120. Dessa forma, como as correntes so defasadas 120 eltricos, em cada

instante, um par de polos possui o campo de maior intensidade, cuja associao vetorial
http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletromagnetismohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Forahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Corrente_eltricahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Campo_magnticohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Fora_de_Lorentzhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Rotorhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Estatorhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Retificadorhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Corrente_alternadahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Corrente_contnua

19

possui o mesmo efeito de um campo girante que se desloca ao longo do permetro do estator e

que tambm varia no tempo.

Os principais tipos so os motores:

1. Motor sncrono: funciona com velocidade constante; utiliza-se de um induzido que

possui um campo constante pr-definido e, com isso, aumenta a resposta ao processo

de arraste criado pelo campo girante. geralmente utilizado quando se necessita de

velocidades estveis sob a ao de cargas variveis. Tambm pode ser utilizado

quando se requer grande potncia, com torque constante.

2. Motor de induo: funciona normalmente com velocidade estvel, que varia

ligeiramente com a carga mecnica aplicada ao eixo. Devido a sua grande

simplicidade, robustez e baixo custo, o motor mais utilizado de todos, sendo

adequado para quase todos os tipos de mquinas acionadas encontradas na prtica.

Atualmente possvel controlarmos a velocidade dos motores de induo com o

auxlio de inversores de frequncia.

2.8.3 O motor de passo

O motor de passo um tipo de motor eltrico de corrente alternada, sncrono e

monofsico que pode ser controlado por sinais digitais, tornando-o preciso e de recomendvel

utilizao em aplicaes que venham a requerer um ajuste fino de posicionamento. O preciso

controle sobre seus movimentos o que mais o diferencia dos demais motores eltricos.

O motor de passo um transdutor que converte energia eltrica em movimento

controlado atravs de pulsos, o que possibilita o deslocamento por passo, onde o passo o

menor deslocamento angular. Com o passar dos anos houve um aumento na popularidade

deste motor, principalmente pelo seu tamanho e custo reduzidos e tambm a total adaptao

por controle digitais. Outra vantagem do motor de passos em relao aos outros motores a

estabilidade. Quando quisermos obter uma rotao especfica de um certo grau, calcularemos

o nmero de rotaes por pulso, o que nos possibilita uma boa preciso no movimento. Os

antigos motores passavam do ponto e ento para voltar precisavam de uma alimentao

negativa. Por no girar por passos a inrcia destes maior e assim so mais instveis. Por

esses motivos, os motores de passo so largamente utilizados nas mquinas CNC.

20

A forma com que o motor ir operar depender bastante do que se deseja controlar. H

casos em que o torque mais importante, em outros a preciso ou a velocidade. Essas so

caractersticas gerais dos motores de passos. Ao trabalhar com motores de passos, precisamos

saber algumas caractersticas de funcionamento como a tenso de alimentao, a mxima

corrente eltrica suportada nas bobinas, o grau de preciso. As caractersticas mais

importantes que devemos ter ateno para controlar um motor de passo so a tenso de

alimentao e a corrente eltrica que suas bobinas suportam.

Existem 3 tipos bsicos de motores de passo: relutncia varivel (Figura 18), m

permanente (Figura 19) e hbrido (Figura 20).

A) Relutncia Varivel

Esse tipo de motor usado frequentemente em aplicaes como mesas de micro

posicionamento. Possui um rotor com vrias polaridades feito com ferro de baixo teor de

carbono e um estator laminado. Geralmente operam com ngulos de passo de 5 a 15 graus, a

taxas de passo relativamente altas e, por no possuir im, quando energizado apresenta torque

esttico nulo. Quando a fase A energizada, quatro dentes de rotor se alinham com os quatro

dentes do estator da fase A atravs de atrao magntica. O prximo passo dado quando a

fase A desligada e na fase B energizada fazendo o rotor girar 15 graus direita.

Continuando a sequncia, a fase C energizada e depois a fase A novamente.

Figura 18 Relutncia Varivel [4]

21

B) m Permanente

Os motores desse tipo possuem baixo custo, baixo torque e baixa velocidade. So

ideais para uso em perifricos de informtica. Devido a sua caracterstica construtiva, o motor

resulta em ngulos de passos relativamente grandes, porm seu controle mais fcil de ser

implementado.

Possui rotores de material alnico ou ferrite sem dentes e magnetizado

perpendicularmente ao eixo. Seu torque esttico no nulo. Energizando as quatro fases em

sequncia, o rotor gira, pois atrado aos polos magnticos. O motor mostrado dar um passo

de 90 graus quando os enrolamentos ABCD forem energizados em sequncia. Geralmente

tem ngulos de passo de 45 ou 90 graus a taxas de passo relativamente baixas, mas eles

exibem torque alto.

Figura 19 m Permanente [4]

C) Hbrido

Possui algumas das caractersticas desejveis de cada um. Tm alto torque, no

apresenta torque esttico nulo e podem operar em velocidades de passo altas. Tm ngulos de

passo que variam de 0.9 a 5 graus. So providos de plos que so formados por dois

enrolamentos (como mostrado na figura ao lado), de forma que uma nica fonte pode ser

usada. Se as fases so energizadas uma de cada vez, na ordem indicada, o rotor gira em

incrementos de 1.8 graus. Este motor tambm pode ser controlado de forma a usar duas fases

de cada vez, para obter maior torque, ou alternadamente, ora uma ora duas fases de cada vez,

a fim de produzir meio-passos ou incrementos de 0.9 grau.

22

Figura 20 Hbrido [4]

2.8.4 Modos de Acionamento

O motor pode mover rotaes especficas de um certo grau, apenas calculando o

nmero de rotaes por pulsos. Existem tambm os seguintes tipos bsicos de acionamento:

passo normal, e meio passo tanto para o unipolar como o bipolar.

H dois tipos de passo normal: com excitao nica de fase e com excitao dual.

Com excitao nica de fase, o motor operado com s uma fase energizada de cada vez. S

deve ser usada onde o torque e a velocidade no so importantes. Problemas de ressonncia

podem impedir operao em baixa velocidade. Este modo requer uma quantia de potncia

menor do que os demais modos de excitao.

Com excitao dual, o motor operado com as fases energizadas duas de cada vez.

Proporciona bom torque e velocidade com poucos problemas de ressonncia. Prov

aproximadamente 30 a 40% de mais torque do que a excitao nica, mas requer o dobro da

fonte.

O meio passo a excitao nica e dual alternada que resulta em passos com a metade

de um tamanho de um passo normal. Esse modo dobra a resoluo. O torque no motor varia a

alternar o passo, isto , compensado pela necessidade de se usar um passo com metade do

ngulo normal. Este modo reduz a ressonncia do motor, mas pode fazer este protelar em

frequncias ressonantes particulares. Pode operar motores em uma grande faixa de velocidade

e com quase qualquer carga encontrada comumente.

2.8.5 Controladoras de motores de passo

As controladoras, tambm conhecidas por drive, so dispositivos eletrnicos que

interligam a mquina CNC ao controle de posic

23

interfaces se apresentam, geralmente, na forma de circuitos eletrnicos (placas de

acionamento). O grau de complexidade destes circuitos varia na exata medida com que

variam as caractersticas das mquinas a serem c

controladora nada mais que uma fonte de corrente. A Figura 21 esquematiza as entradas e

sadas dos sinais de um drive.

Figura 21 Elementos de um drive de motor de passo

A entrada de um drive um trem de pulsos digitais e um sinal de direo. A cada

pulso refere-se a um passo, seja o dispositivo configurado para passo completo, meio passo ou

micro passo. Portanto, o drive pode exigir entre 200 e 100000 pulsos para uma nica rotao

do rotor.

Tipos de controladoras de motores de passo:

As controladoras so desenvolvidas de acordo com as necessidades da aplicao do

motor de passo. J foi visto anteriormente que os motores so divididos em motores de passo

com im permanente, relutncia varivel e hbrido. Cada tipo destinado aos seus requisitos de

torque, velocidade, preciso e custo. Assim, para garantir que os requisitos sejam respeitados,

existem controladoras unipolares e bipolares.

Controladora Unipolar:

O drive unipolar o arranjo mais simples de estgio de potncia para alimentar o

motor de passo. Sua principal caracterstica est relacionada corrente eltrica que flui em

uma direo atravs de um nico terminal do motor. A Figura 22 esquematiza um circuito

simples de controle unipolar.

24

Figura 22 Controle unipolar bsico

No caso deste simples drive, a corrente eltrica para polarizao das bobinas

determinada apenas pela resistncia da bobina e pela tenso eltrica aplicada. Portanto, este

circuito funciona bem para baixas velocidades, pois medida que a velocidade aumenta o

torque cai rapidamente devido indutncia do enrolamento.

Controladora Bipolar

Com o objetivo de aumentar o desempenho e a eficincia, usa-se uma controladora

bipolar. Este drive permite controlar os sentidos da corrente eltrica em cada bobina do

estator, portanto pode-se energizar vrias bobinas simultaneamente. Esta condio

proporciona ao motor um torque relativamente maior em relao s controladoras unipolares.

O arranjo padro de um drive bipolar esquematizado na Figura 23.

Figura 23 Circuito de um drive bipolar

25

Ponte H

um circuito eletrnico que permite que um motor rode tanto para um sentido quanto

para o outro. Estes circuitos so geralmente utilizados em robtica e esto disponveis em

circuitos prontos ou podem ser construdos por componentes.

O nome ponte H dado pela forma que assume o circuito quando montado. O circuito

-S4) que so acionadas de forma alternada (S1 e S4 ou

assim como as chaves S3 e S4 no podem ser ligadas ao mesmo tempo, pois podem gerar um

curto circuito. Para construo da ponte H (Figura 24) pode ser utilizado qualquer tipo de

componente que simule uma chave liga-desliga como transistores, rels, mosfets.

Figura 24 Exemplo de uma Ponte H

26

Captulo 3

Desenvolvimento

Apresentaremos, neste captulo, uma metodologia para o desenvolvimento de uma

mquina CNC didtica. A diviso deste captulo ser feita da seguinte forma: projeto

informacional, projeto conceitual, projeto preliminar, projeto detalhado, montagem e

dimensionamento.

3.1 Projeto Informacional

Neste primeiro tpico apresentado o passo inicial para o desenvolvimento da

fresadora CNC didtica. Ele consiste na apresentao do problema e das necessidades bsicas,

na definio dos requisitos de projeto e na especificao do projeto.

O levantamento das necessidades bsicas para o desenvolvimento da mquina

baseada em alguns atributos bsicos de projetos:

Funcionamento: O operador deve ser capaz de operar de forma precisa uma mquina

sem vibraes;

Vibrao: A mquina dever vibrar o mnimo possvel para no comprometer sua

preciso;

Ergonomia: necessrio espao suficiente para o usurio controlar a mquina e

verificar os movimentos da mquina;

Esttica: desejvel a pintura da mquina, mas por haver alguns componentes de

alumnio, no h a necessidade de se pintar toda a estrutura, pois o alumnio forma

uma camada apassivadora de xido de alumnio;

Economia: No realizar gastos desnecessrios;

Os requisitos de projetos podem ser formados pelas necessidades mais bsicas e os

seguintes atributos:

Confiabilidade: A mquina tem que demonstrar que foi desenvolvida por profissional;

27

Baixo custo: O projeto deve racionalizar o uso de recursos e deve-se evitar gastos

desnecessrios na compra de materiais;

Operao: A fresadora deve ser de fcil manuseio. Fcil fixao da pea e troca de

ferramentas;

Resistncia: Deve ter alta robustez e durabilidade;

Fabricao: Devem-se utilizar as instalaes do Laboratrio de Usinagem para

fabricao de peas (se possvel).

Aps a verificao dos requisitos de projeto, deve ser escolhido um modelo de

referncia mais prximo do projeto idealizado. Esta deciso est fundamentada nos tipos de

fresadoras existentes e foi apresentada no captulo anterior. Estas mquinas podem diferir

entre si segundo as seguintes caractersticas funcionais:

Quantidade de eixos: 3, 4 ou 5;

Movimentao do eixo rvore: vertical, horizontal ou universal;

Movimentao dos demais eixos: convencional ou portal.

Neste projeto, escolheu-se construir uma fresadora com 3 eixos (suficientes para

demonstrao didtica e possui menor custo), com movimentao do eixo rvore na vertical

(mais simples de ser implementado e maior disponibilidade de ferramentas) e a

movimentao dos demais eixos do tipo convencional devido disponibilidade de

construo de uma futura fresadora do tipo portal com outros materiais j adquiridos.

3.2 Projeto Conceitual

O Projeto Conceitual consiste em transformar as ideias do Projeto Informacional em

um projeto mais tangvel, ou seja, ser apresentada neste tpico uma anlise mercadolgica

das mquinas CNC. Em seguida, o funcionamento da fresadora CNC didtica idealizada e,

por fim, revela algumas solues obtidas a partir dos requisitos descritos no tpico anterior.

28

3.2.1 Anlise Mercadolgica

A anlise de mercado um ponto importante para um projeto de Engenharia.

Neste assunto sero analisados 3 tpicos: o cliente ou pblico-alvo, os concorrentes e os

fornecedores.

O estudo do pblico-alvo um ponto fundamental nos negcios, pois sem clientes,

no existe empresa.

Precisa-se conhecer muito bem para quem vamos oferecer o produto ou servio. Em

muitos casos, existe mais de um segmento de pblico-alvo. necessrio elencar aqueles que

so considerados os mais importantes. Certamente, quanto mais soubermos sobre os nossos

clientes potenciais, em melhor situao estaremos.

Para isso temos como pblico-alvo as universidades pblicas e particulares

interessadas neste projeto.

Com seu pblico-alvo conhecido e estudado, hora de partir para o passo seguinte:

anlise dos concorrentes.

Observar a concorrncia fundamental, pois assim ser capaz de identificar as

deficincias e as vantagens dela e determinar os possveis pontos fracos e fortes do seu

negcio, alm de no cometer os erros que j foram cometidos por outras empresas do mesmo

ramo de atividade que a sua.

Pode-se citar algumas das empresas que atuam no ramo de vendas de fresadoras CNC

didticas:

Fresadora CNC Sigma 600 da Tecnodrill (Figura 25);

Fresadora CNC 500x1000 da MTC (Figura 26).

29

Figura 25 Fresadora CNC - SIGMA 600 Modelo didtica [5]

Figura 26 Fresadora CNC MTC 500x1000

O terceiro item da anlise de mercado o estudo dos fornecedores.

necessrio iniciar essa anlise, identificando quem sero seus fornecedores, onde se

localizam, tempo para o produto chegar, frete, custos em geral e condies de pagamento.

Essas informaes so importantes para determinar o investimento inicial necessrio e

algumas das despesas do negcio. Para cada item, escolha trs potenciais fornecedores e

mantenha sempre contato com todos independente de escolher apenas um para te abastecer.

Escolhemos como nossos possveis fornecedores as empresas: Tekkno Mecatrnica

(os mancais e os acoplamentos), WGB (os fusos e as guias lineares), Kalatec (o motor de

passo), OSG (a fresa), Tecmaf (o porta-fresa e as pinas), Ciser (parafusos, porcas e arruelas),

OBR (perfil de alumnio extrudado).

30

3.2.2 Clculo da Fora de Corte Para Fresamento

No fresamento temos os seguintes fatores que podem ocasionar problemas:

Espessura do cavaco varivel (clculo de h)

Diferena entre o fresamento frontal e o perifrico (clculo de s)

Ferramenta multicortante (vrios dentes, clculo de Zc)

Variedade de geometrias de ferramenta e de gume (clculo de b)

Clculo de s

H duas Equaes s, a Equao 3.1 para o fresamento frontal

(Figura 27) e a Equao 3.4 para o fresamento perifrico (Figura 28). A Equao 3.1 a

seguinte:

(3.1)

As Equaes 3.2 e 3.3 so necessrias para descobrir os valores de 1 e 2.

(3.2)

(3.3)

Figura 27 Fresamento Frontal [6]

31

(3.4)

Figura 28 Fresamento Perifrico [6]

Vamos considerar o caso onde toda a ferramenta penetra na pea, ou seja, a penetrao

de trabalho igual ao dimetro da fresa (consideramos para efeitos de clculo a fresa da

Tabela 1 com dimetro de 4mm). Com isso, podemos considerar o ngulo s = 180.

Clculo de h

Para levar em conta a variao da espessura do cavaco usa-se a sua espessura mdia

(Figura 29). A Equao 3.5 a seguinte:

(3.5)

Figura 29 Espessura mdia do cavaco [6]

hm : espessura mdia do cavaco [mm]

fz : avano por dente [mm/dente]

ae : penetrao de trabalho [mm]

s : ngulo de contato ferramenta pea [graus]

D : dimetro da fresa [mm]

kr : ngulo de direo do gume principal [graus]

32

A Equao 3.6 e a Equao 3.7 explicitam o avano por dente e a velocidade de

avano respectivamente.

(3.6)

(3.7)

As equaes 3.8 e 3.9 demonstram o avano por dente em funo da velocidade de

avano.

(3.8)

(3.9)

a: avano [mm]

va: velocidade de avano [mm/min]

n: nmero de rotaes por minuto [rot/min]

z: nmero de dentes

Tirando os valores para Alumnio de va (1800 mm/min), z (4 dentes) e n (13535

rot/min) da Tabela 1 e da Figura 30 de fresamento com fresa de metal duro de topo esfrico

de 4 navalhas, encontramos o valor de fz igual a aproximadamente 0,033 mm/dente. A Tabela

2 nos mostra as dimenses da fresa escolhida.

Simplificando a Equao 3.5 acima, temos uma nova equao, a Equao 3.10:

(3.10)

Sendo este valor igual a aproximadamente 0,02 mm.

Tabela 1 Fresamento com fresa de metal duro de topo esfrico de 4 cortes [7]

33

Figura 30 Fresa de 4 cortes Topo esfrico [7]

Tabela 2 Dimenses relativas fresa [7]

Clculo de Zc

A fora de corte depende do nmero de dentes em contato com a pea. Se Zc (Figura

31) no for um nmero inteiro, significa que, enquanto a fresa gira, o nmero de dentes em

contato oscila entre dois valores inteiros. Assim a fora de corte tambm oscila. Usa-se ento

o maior dos dois valores. A Equao 3.11 demonstra a frmula para o nmero de dentes em

contato com a pea.

(3.11)

Figura 31 Clculo de Zc [6]

34

Zc : nmero de dentes em contato com a pea [dentes]

Z : nmero (total) de dentes da fresa [dentes]

Substituindo- s na frmula, temos que Zc = 2 dentes.

Clculo de b

A Fora de Corte diretamente proporcional ao comprimento do gume ativo. Ocorre

que a variedade de geometrias de ferramenta dificulta o clculo de b. Como simplificao,

demonstramos a Equao 3.12 para uma ferramenta de gumes (ou dentes) retos:

(3.12)

Se kr = 90 s = 0 b = ap

b: comprimento do gume ativo [mm]

s: ngulo de inclinao do gume principal [graus]

ap: profundidade de corte [mm]

De acordo com a tabela 1, ap igual a 0,3D, logo, ap igual a 1,2 mm. Sendo,

portanto, b igual a 1,2 mm.

A equao da fora de corte no fresamento (Equao 3.14) , ento, modificada a

partir da equao do torneamento (Equao 3.13), para levar em conta as particularidades do

processo.

Torneamento

(3.13)

Fresamento

(3.14)

Reunindo as equaes mostradas chega-se frmula para a fora de corte no

fresamento.

(3.15)

Substituindo-se os valores de kc1.1 (N/mm), 1-mc (Tabela 3), b, zc e hm, temos que:

Fc = 600 x 1,2 x 2 x 0,020,75

= 76,58 N

35

Tabela 3 Presso especfica de corte e expoente de Kienzle [8]

3.2.3 Clculo da potncia de corte e de avano para fresamento

Potncia de Corte (Pc) o produto da fora de corte com a velocidade de corte v. Para

Fc e v em mm/min tem-se a Equao 3.16:

(CV) (3.16)

Fc 76,58 N = 7,81 kgf

v = 170 m/min

Pc = 7,81 x 170 / 60 x 75 = 0,29 CV = 0,28 HP

A Potncia de avano (Pa) Equao 3.17 o produto da fora de avano (Equao

3.18) com a velocidade de avano va. Tem-se:

(CV) (3.17)

(3.18)

fn = va

Dc = 4 mm

fz = 0,033 mm/dente

kr = 90

36

Da Tabela 4, temos que:

kc = 1050 N/mm

Fa

va = 1800 mm/min

Pa = 3,5 x 1800 / 1000 x 60 x 75 (CV)

Pa = 1,4 x 10-3

CV

Tabela 4 Valores de kc para alguns materiais [9]

A Potncia efetiva de corte Pe (Equaes 3.19 e 3.20): o produto da fora efetiva de

corte Fe pela velocidade efetiva de corte ve. portanto igual soma das potncias de corte e

avano.

(3.19)

Pe = 0,29 + 1,4 x 10-3

29 CV

Para Fe em kgf e ve em m/min tem-se:

(CV) (3.20)

37

Relao entre a potncia de corte e de avano (Equao 3.21):

(3.21)

3.2.4 Escolha da Estrutura

A definio da estrutura da mquina o ponto inicial para o desenvolvimento do

projeto, pois influenciar na resistncia da mquina, no peso, na montagem, na usinagem e no

custo.

Para um projeto ideal de uma mquina fresadora CNC devemos obter um material que

possua principalmente alta resistncia, baixo peso e um custo mdio. A partir dos materiais

disponveis, podemos avaliar os 3 materiais mais comuns, de acordo com os requisitos que

necessitamos: madeira, ao e alumnio.

A madeira leve, possui baixo custo, fcil usinabilidade, fcil montagem, porm

possui uma baixa resistncia mecnica. O ao possui alta resistncia mecnica, tem um custo

mdio, mas possui difcil usinabilidade e montagem e pesado. J o alumnio tem uma alta

resistncia mecnica, uma mdia usinabilidade e montagem, leve, mas possui um custo mais

elevado.

A partir desse estudo, escolhemos uma estrutura em alumnio por possuir uma maior

quantidade de requisitos relevantes para um bom desenvolvimento do projeto. Para a mesa de

trabalho escolhemos os perfis em alumnio.

Os perfis de alumnio (Figura 32) possuem montagens rpidas, prticas e versteis de

estruturas de mquinas, dispositivos mecnicos, linhas de produo, mesas de trabalho, entre

outros. Sua montagem feita atravs de parafusos e conexes, dispensando o uso de solda,

garantindo uma unio segura e resistente, suficientes para os esforos estticos e dinmicos

em qualquer aplicao. Os perfis dispensam pintura, pois so anodizados conferindo um

belssimo acabamento com alta resistncia abraso e corroso.

38

Figura 32 Tipos de perfis extrudados em alumnio [10]

3.2.5 Escolha dos Eixos, Mancais e Acoplamentos

Os eixos escolhidos para a fresadora CNC proposta sero compostos, cada um, por um

fuso de esferas recirculantes e por duas guias lineares. As principais caractersticas do fuso de

esferas recirculantes so alta eficincia, alta preciso, alta rigidez e reduo de atrito. As guias

lineares possuem as mesmas caractersticas e isso permite o uso dos componentes mecnicos

neste projeto.

As guias lineares escolhidas so as do modelo BRH25B (Anexo C) e os fusos de

esferas recirculantes escolhidos so do modelo SFW1605-3 (Anexo D).

Para os mancais escolheu-se o modelo BK12 e BF12 (Anexo E) e para os

acoplamentos escolheu-se o modelo AF25 (Anexo F). A Linha de acoplamento AS/AF so de

membrana e Baixo custo. Ideal para aplicaes de motores de passo Nema 23 ou Encoders.

O Torque para Motores de at 1.8 N.m.

3.2.6 Escolha da Mesa de Trabalho

As mesas de trabalho das fresadoras convencionais so grandes blocos em ao usinado

com fresas especiais. Essas fresas criam vrios rasgos no bloco e permitem fixar uma pea na

mesa com maior segurana, alm de proporcionar o escoamento do lquido refrigerante.

No caso da fresadora CNC didtica no h necessidade de pesados blocos em ao, mas

alguns requisitos devem ser obedecidos.

Fcil montagem e usinagem;

Segurana na fixao da pea;

Fcil limpeza;

39

Alta resistncia mecnica;

Baixo peso e;

Baixo custo.

A construo da mesa de trabalho proposta ser com a unio de vrias partes de perfis

em alumnio extrudado, pois possui as caractersticas citadas acima, logo, no h a

necessidade de se fabricar uma a partir de um bloco de alumnio.

3.2.7 Escolha do Spindle (eletromandril)

O spindle se caracteriza por fornecer o movimento de rotao necessrio ferramenta

de corte, bem como a potncia necessria para a operao.

As caractersticas mais importantes para caracterizar um spindle so:

a) Potncia Nominal e Binrio

b) Mxima e Mnima Velocidade de Rotao

c) Tipo e Tamanho de Ferramenta a utilizar

d) Tipo de refrigerao

e) Peso

Existem basicamente dois tipos de spindles: os de motor integrado (Integrated Motor

Spindle - Figura 33) e os acionados por correias (Belt Driven Spindle - Figura 33).

Figura 33 - spindle de correia ( esquerda) e spindle com motor integrado ( direita) [11]

Os spindles acionados por correias so normalmente constitudos por um eixo apoiado

num sistema de rolamentos que so introduzidos dentro de um corpo, normalmente metlico.

40

O eixo do spindle incorpora tambm o sistema de fixao da ferramenta. O sistema que

possibilita a mudana da ferramenta , geralmente, montado externamente.

A potncia e o momento de rotao so fornecidos ao spindle por meio de um motor

externo. O motor transmite o binrio usualmente atravs de correntes dentadas ou correias em

V.

As principais vantagens deste tipo de spindles so:

Custo reduzido: como o eletromandril constitudo por um nmero menor de

componentes, o seu custo reduzido quando comparado com os de motor integrado.

Grande variedade possvel de caractersticas: como a potncia, o binrio e a

velocidade mxima so muito dependentes do motor externo, possvel variar os

valores destas caractersticas simplesmente alterando este ltimo, o que no possvel

num spindle com motor integrado.

Grande potncia e binrio disponvel: uma vez que o motor montado externamente

ao eixo do spindle, muitas vezes possvel utilizar motores de grandes dimenses.

Motores de grandes dimenses possuem habitualmente grandes potncias e binrios

que podem ser transmitidos ao spindle. No caso dos spindles com motor integrado, o

espao livre limitado, o que impede o uso de motores de grandes dimenses.

Este tipo de spindle est geralmente limitado a uma velocidade mxima entre 12000 e

15000 rotaes por minuto e podem encontrar-se no mercado com potncias at cerca de 30

HP.

Nos spindles com motor integrado, o motor montado dentro da estrutura e

acoplado ao eixo do spindle. Isto permite que o eletromandril atinja velocidades elevadas sem

problemas adicionais relacionados com os esforos induzidos pelas correias ou rodas

dentadas. O eixo do eletromandril posicionado por um conjunto de rolamentos de preciso.

Estes rolamentos podem necessitar de manuteno frequente.

Neste caso, as caractersticas do spindle esto diretamente ligadas s do motor. A

potncia e velocidades mximas do spindle esto limitadas s caractersticas do motor, no

sendo geralmente possvel a substituio deste por um de caractersticas diferentes. Assim, o

motor utilizado um dos critrios mais importantes neste tipo de equipamento.

Nestes equipamentos necessrio providenciar o arrefecimento do motor interno. Este

arrefecimento efetuado geralmente por ar ou gua.

As principais vantagens deste equipamento em comparao com os eletromandris

acionados por correia so:

41

Velocidades mximas mais elevadas: a utilizao de correias ou correntes traz alguns

problemas associados. Em primeiro lugar, os problemas de escorregamento das

correias impossibilitam que se use toda a energia fornecida. Alm disso, as

temperaturas geradas pelo atrito de contato da correia com o eixo do spindle a

elevadas velocidades pode danificar as correias. A utilizao de rodas dentadas e

correntes elimina estes problemas, mas induz vibraes prejudiciais ao tipo de

operao que estes equipamentos realizam. Nos spindles com motor integrado, o

motor acoplado diretamente ao eixo do spindle, eliminando os problemas

anteriormente apresentados e permitindo que velocidades superiores sejam atingidas.

Esforos menores nos rolamentos: as correias necessitam de estar tensionadas para

funcionarem. Este tensionamento vai exercer uma fora radial nos rolamentos onde o

eixo do spindle est apoiado. Esta fora radial aumenta com a potncia e velocidade

transmitida, o que poder danificar os rolamentos se velocidades ou potncias muito

elevadas forem atingidas. Nos spindles com motor acoplado, o acoplamento do motor

ao eixo no ir exercer foras radiais significativas nos rolamentos. Este fato pode

reduzir a necessidade de manutenes frequentes.

Tendo em vista o correto funcionamento e longevidade destes spindles, existem alguns

parmetros de segurana que tem de ser, obrigatoriamente, levados em conta. A temperatura

no interior do spindle (no caso, o de motor integrado) e o bloqueio/desbloqueio da ferramenta

so apenas dois dos parmetros que tm de ser monitorados durante o funcionamento do

equipamento. Durante as operaes de manipulao, manuteno e reparao do spindle

indispensvel que o mesmo esteja parado e, preferencialmente, desconectado da corrente

eltrica.

Existem spindles com uma potncia desde 100 W at 35 KW e com velocidades de

rotao at cerca de 50000 rpm. Existem ainda spindles especiais para maquinagem de pedra

ou vidro.

Ao fazer essa anlise sobre os dois tipos de eletromandris, optamos por escolher o

eletromandril com motor integrado, pois mesmo tendo um custo elevado, possui velocidade

mxima mais elevada e contribui para uma menor vibrao, alm de possuir esforos menores

nos rolamentos, o que reduz a necessidade de manutenes frequentes.

O spindle escolhido foi o TECMAF TAC.2A3M.01 por apresentar as caractersticas

necessrias ao projeto. Ele possui uma rotao acima da necessria e peso de 5,1 Kg. O

spindle possui um custo de R$7490,00. O desenho tcnico pode ser visto no Anexo A.

42

Figura 34 Spindle TECMAF TAC.2A3M.01 [12]

Caractersticas do Spindle:

Cabeote Spindle de Alta Frequncia

- Refrigerao Ar Comprimido

- Rotao Nominal: 18.000 / 24.000 rpm

- Frequncia Nominal: 300 / 400 Hz

- Tenso Nominal: 220 ou 380V

- Potncia Nominal: 1,5 Kw (2 HP)

- Amperagem: 5,3 / 3,1 A

- Peso: 5,1 Kg

- Nmero de Plos: 02 Plos

- Fixao da Ferramenta: Porta Pina ER-20 (Ferramenta com haste at 13mm)

- Classe IP: 65

- Classe de Isolao: H

43

- Temperatura de Trabalho: 55 C

- Conector Eltrico: Harting Tipo Plug

- Rolamentos Dianteiros: Contato Angular Cermico de super preciso

- Rolamento Traseiro: Ao

- Preciso de Usinagem: 0,005 mm

-Rendimento: 0,75

3.2.8 Potncia do Spindle

Potncia fornecida pelo motor (Equao 3.22):

(3.22)

80%. No caso de haver um motor

para cada movimento, o clculo parcelado das potncias fornecidas pelos motores pode ser

realizado com um rendimento maior.

Para o spindle escolhido:

c / Pm 0,75 = Pc / 2

Pc = 1,5 HP > 0,72 HP

Sendo assim, a potncia de corte do motor escolhido est adequada ao projeto.

44

3.2.9 Escolha dos motores de passo

A deciso correta do modo de acionamento deve ser baseada no torque exigido ao

motor. A partir do conhecimento do torque, pode-se escolher tanto o melhor motor indicado

como tambm a controladora de motores de passo adequada.

Para o clculo do torque necessrio realizar algumas consideraes e obter alguns

dados tcnicos a respeito do fuso de esferas recirculantes, do motor de passo e da carga que

ser submetida ao fuso. Inicialmente, considera-se o motor acoplado ao fuso que por sua vez

desloca uma carga, como mostra a Figuras 35.

Figura 35 Esquema do motor de passo acoplado ao fuso e deslocando uma carga [13]

Segundo Parker Automation [13], o torque necessrio ao motor definido pela

Equao 3.23:

(3.23)

Na Equao 3.23, o torque o produto da inrcia e da acelerao, T em N.m e J em

kg.m.

A inrcia (J) referente soma das inrcias do rotor, do fuso e da carga. A acelerao

uma estimativa do valor esperado para a aplicao e portanto escolhida pela experincia do

projetista.

Segundo o Anexo B, o rotor tem inrcia igual 480 g.cm. Este valor equivalente

48.106 kg.m.

45

Segundo Parker Automation [13], a inrcia do fuso pode ser estimada pela Equao

3.24:

(3.24)

Na Equao 3.24, a inrcia de uma barra cilndrica em ao, onde D em m, L em m e J em

kg.m.

Se D = 16 x 103 m e L=0,69 m, temos J = 34,41 x 10

6 kg.m.

A carga tambm estimada de acordo com a experincia do projetista e para o pior

caso pode-se considerar igual a 10 kg. Segundo [4], para um sistema de parafuso, a inrcia

referente carga estimada pela Equao 3.25:

(3.25)

Equao 3.25: Inrcia igual ao produto da massa (kg) e o passo do fuso (mm).

Portanto, Jw = 6,25.106 kg.m, visto que W=10 kg e p=5 mm.

A inrcia total igual soma das trs parciais j calculadas pelas Equaes 3.24 e 3.25

e ainda a inrcia especificada na nota tcnica do motor de passo. Portanto, J = 88,66 x 106

kg.m. Considera-se ainda que a eficincia do fuso, o coeficiente de atrito dos rolamentos e o

desalinhamento do eixo do motor e fuso aumentem a inrcia em at 60%. Temos uma inrcia

total (Jt): Jt = 141,856 x 10-6

kg.m.

O parmetro que ainda resta definir a acelerao. Com base nos modelos de

mquinas vendidas comercialmente, encontram-se uma velocidade mxima de trabalho na

ordem de 3500 mm/min para motores semelhantes ao KTC-HT23-401. Esse valor

corresponde a 5 mm em 85 ms, ou seja, 1 passo a cada 85ms. O movimento do eixo parte de

uma velocidade nula e aumenta linearmente at a velocidade mxima, em seguida mantm a

velocidade constante at comear a decair linearmente e parar. Atravs disso possvel

determinar a acelerao pela Equao 3.26. A Figura 36 mostra um grfico do movimento:

Figura 36: Grfico do movimento [13]

46

O dimensionamento do motor para aplicaes de alta velocidade frequentemente

baseado em perfis trapezoidais de i nos quais a acelerao,

movimento de velocidade constante e desacelerao ocupam cada qual, um tero do

tempo de movimento.

Segundo Parker Automation [13], a acelerao para um movimento com perfil

trapezoidal definida pela Equao 3.26.

(3.26)

Ac = 4,5 x 1/ (0,085)2

Ac = 622,83 rot/s2

Equao 3.26: Acelerao para um movimento com perfil trapezoidal, D em rotaes e t em

segundos.

Se a carga deve mover 5mm em 85ms, temos: Ac = 622,83 rot/s

Substituindo os valores encontrados na Equao 3.23, encontra-se o valor do torque

esttico exigido ao motor: T = 0,663 N.m.

o torque necessrio no motor para cumprir os requisitos da

mquina.

Portanto, o motor escolhido pode ser usado no projeto, visto que a necessidade do

projeto de 0,663 N.m e a capacidade do motor em modo bipolar 1,80 N.m.

3.2.10 Escolhas dos parafusos, porcas e arruelas

Parafuso

O parafuso tem por finalidade ser o elemento de fixao de duas ou mais superfcies,

combinadas ou em junes diferentes.

O parafuso um rgo que tem por fim transformar um movimento de rotao em

torno do seu eixo num movimento de translao segundo esse eixo.

Os parafusos escolhidos foram os mtricos da linha MA: 145 da Ciser (Figura 37) com

as dimenses M5, M6 e M8 mm de dimetro e 25, 30, 35 e 40 mm de altura, conforme Anexo

G.

47

Figura 37: Parafuso de cabea sextavada [14]

Porca

As porcas so elementos de fixao em conjunto com um parafuso. Seus tipos variam

de acordo com as roscas (que correspondem a do parafuso) e formato.

As porcas escolhidas foram as mtricas sextavadas auto travantes com inserto de nylon

da linha MA: 618 da Ciser (Figura 38) com as dimenses M5, M6 e M8 mm de dimetro,

conforme Anexo H.

Figura 38: Porca sextavada inox de inserto de nylon [14]

Arruela

Uma arruela um disco fino com um furo, geralmente no meio. Ela utilizada

normalmente para suportar a carga de um parafuso. As arruelas tambm so importantes para

evitar a corroso galvnica, particularmente isolando parafusos de ao de superfcies

de alumnio.

Arruela de presso

utilizada para evitar que a porca escape do parafuso com a trepidao.

As arruelas de presso escolhidas foram as mtricas da linha 801 da Ciser (Figura 39)

com as dimenses de 5, 6 e 8 mm de bitola, conforme Anexo I.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Roscahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Parafusohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Corros%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Alum%C3%ADniohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Porca

48

Figura 39: Arruela de presso [14]

3.3 Projeto Preliminar

Este tpico apresenta o projeto idealizado para a construo da fresadora CNC

didtica. Cabe a este tpico descrever o projeto a partir dos resultados obtidos com o projeto

informacional e o projeto conceitual.

De forma mais tcnica, o funcionamento da fresadora CNC didtica possui o seguinte

comportamento:

Os motores de passo geram um torque capaz de rotacionar os fusos de esferas

recirculantes, que juntos s guias lineares movimentam a mesa de trabalho e/ou

o spindle;

Os movimentos dos eixos criam os movimentos de usinagem, que produzem

sada de cavacos ou no.

O projeto CAD mostrado na Figura 40 e facilita a compreenso do funcionamento do

sistema.

Figura 40: Desenho da fresadora

49

Os trs eixos se movimentam ortogonalmente, o eixo horizontal X movimenta a

gaveta do spindle e o eixo horizontal que podemos chamar de Y movimenta a mesa de

trabalho. O terceiro eixo, Z, movimenta o suporte que por sua vez estar rotacionando a

ferramenta de corte. Os eixos so formados por fusos de esferas e guias lineares. A

transmisso do movimento de rotao do motor de passo para o fuso de esferas feita por

meio de acoplamentos do tipo AS/AF.

Por fim, a mesa de trabalho projetada em alumnio e possui vrios rasgos

longitudinais para fixao de grampos, isto garante melhor fixao da pea a ser usinada.

3.4 Projeto Detalhado

Neste tpico possvel compreender o desenvolvimento de todos os elementos

mecnicos projetados.

3.4.1 Estrutura

Inicialmente, montou-se uma estrutura em alumnio 6061-T6 (solubilizado e

envelhecido). Essa estrutura tem o objetivo de apoiar os trs eixos da fresadora e garantir a

ortogonalidade entre eles. Os parafusos que sero utilizados so de ao 1020 laminado a

quente. A Figura 41 esquematiza o projeto CAD da estrutura da mquina.

Figura 41: Desenho CAD da estrutura da mquina

50

3.4.2 Mesa de Trabalho

A mesa de trabalho a parte da fresadora responsvel, junto com os grampos, pela

fixao da pea a ser usinada. A mesa constituda por um conjunto de perfis em alumnio

fixado a um apoio. A ideia de construir uma mesa a partir de perfis em alumnio deve-se ao

fato de aproveitar os rasgos disponveis nos perfis e fixar os grampos que so responsveis

pela fixao do material a ser usinado e a mesa de trabalho. A fixao entre os perfis em

alumnio e o apoio por meio de solda. Esta mesa de trabalho tem dimenses de 400 mm x

420 mm. A Figura 42 mostra o desenho CAD da mesa de trabalho.

Figura 42: Desenho CAD da mesa de trabalho da fresadora CNC

3.4.3 Fixao do Spindle

A placa de fixao do spindle constituda por uma chapa de alumnio com espessura

de 15 mm. Como pode ser visto na Figura 43, a placa de fixao prende o spindle em oito

pontos, evitando que o spindle se mova em relao ao sistema de fixao.

51

Figura 43: Desenho CAD da placa de fixao do spindle

3.4.4 Gaveta do Spindle

A gaveta do spindle constituda por quatro chapas de 15 mm tendo uma delas um

rebaixo centralizado de 8 mm para acomodar os mancais. Como pode ser visto na Figura 44,

ela possui um par de guias lineares e 1 motor de passo que serviro para a movimentao

vertical do spindle e possui dois patins responsveis por realizarem a movimentao

horizontal da gaveta.

Figura 44: Desenho CAD da Gaveta do Spindle

52

3.4.5 Chapa do Fundo

Esta chapa (Figura 45) possui 15 mm de espessura com um rebaixo centralizado de

8mm para a fixao dos mancais que juntamente com as guias lineares garentem a

movimentao da gaveta no eixo horizontal.

Figura 45: Desenho CAD chapa do fundo

3.4.6 Chapas laterais

Cada uma dessas chapas (Figura 46) possui um par de patins responsveis pela

movimentao da mesa de trabalho e uma delas possui um motor de passo responsvel pela

movimentao de um dos fusos.

Figura 46: Desenho CAD chapas laterais

53

3.4.7 Chapa Inferior

Essa chapa da Figura 47 contm um suporte para a castanha do fuso da mesa que

auxilia no movimento da mesa. Ela fixa por parafusos s chapas laterais.

Figura 47: Desenho CAD chapa inferior

3.5 A Montagem

Este tpico consiste em descrever o passo a passo na montagem da mquina.

Inicialmente foram soldados 10 perfis de alumnio de dimenses 40 mm x 40 mm x

420 mm centralizadas numa chapa de espessura 15 mm, a essa chapa denominamos por apoio.

Ela ir se movimentar no eixo y e para isso foi necessrio colocar 1 par de guias lineares nas

suas laterais, da mesma maneira foram colocados dois pares de patins nas chapas laterais.

Essas chapas laterais devero estar precisamente montadas, pois qualquer desvio

implicar numa dificuldade de movimentao do apoio e consequentemente da mesa de

trabalho. Essas chapas laterais para serem amarradas estrutura sero aparafusadas a duas

novas chapas, uma ficar na parte traseira da estrutura e recebeu a denominao de chapa do

fundo.

Nessa nova etapa da montagem, a chapa do fundo ser aparafusada a essas duas

chapas laterais, ela ser responsvel pela movimentao no eixo x da gaveta do spindle e para

isso recebe um par de guias lineares.

A chapa inferior aparafusada logo em seguida s chapas laterais e nela estar o

suporte para a castanha que facilitar a movimentao do apoio da mesa de trabalho no eixo y.

Na ltima etapa da montagem a gaveta do spindle recebe dois pares de patins que

deslizaro nas guias lineares da chapa do fundo. Em seguida recebe dois pares de guias

54

lineares para realizar a movimentao do suporte do spindle no eixo Z, esse suporte ser

responsvel por levar o spindle at o contato direto com a pea a ser trabalhada. O suporte

recebe 2 pares de patins para realizar essa movimentao. A montagem completa pode ser

vista na Figura 48.

Figura 48: Desenho CAD da montagem

3.6 Dimensionamento do projeto

Neste subcaptulo calculou-se o dimensionamento de parafusos atravs dos

conhecimentos adquiridos em sala de aula. Para o clculo das chapas da fresadora CNC

utilizou-se o programa SolidWorks 2013 para calcular as tenses, deslocamentos e

deformaes de cada chapa.

Clculos de resistncia dos materiais

Clculo da tenso de cisalhamento (Equao 3.27) para as foras atuantes no eixo z:

(3.27)

Para os parafusos do suporte do Spindle, utilizando-se as Equaes 3.28 e 3.29, temos:

(3.28)

55

P + Fa = 8V

V = (50 + 34,3)/8 V = 10,54 N

(3.29)

-3)

2 / 4 = 2,375 x 10

-5 m

2

-5 = 4,44 x 10

5 Pa < 125 MPa

P = Peso do Spindle = 50 N

Fa = Fora de avano = 34,3 N

V = Esforo cortante

A = rea da seo transversal do parafuso

D = Dimetro da seo transversal do parafuso

Para os parafusos da chapa do fundo, utilizando-se as equaes 3.30 e 3.31, temos:

(3.30)


P1 = Peso do Spindle = 50 N

P2 = Peso do Suporte do Spindle = 25,51 N

P3 = Peso da gaveta do Spindle = 57,88 N

P4 = Peso da chapa do fundo = 49,54 N

FT = 217,23 N

(3.31)

FT = 8V V = FT/8 V = 27,15 N

-3)

2 / 4 = 1,96 x 10

-5 m

2

-5 = 13,85 x 10

5 Pa < 125 MPa

56

Obs1: Para as guias lineares da chapa do fundo calcula-se da mesma maneira excluindo-se P4

do clculo e adicionando-se mais parafusos, logo a solicitao mecnica ser menor.

Para os parafusos dos patins localizados nas chapas laterais:

Considerando uma carga de 10kg aplicada sobre a mesa e as Equaes 3.32 e 3.33, temos:

(3.32)

P1 = Peso da carga aplicada = 98,1 N

P2 = Peso das 10 barras extrudadas = 91,43 N

P3 = Peso do apoio da mesa = 408,47 N


FT = 632,3 N

(3.33)

FT = 16V V = 632,3 / 16 = 39,52 N

-3)

2 / 4 = 2,83 x 10

-5 m

2

-5 = 13,96 x 10

5 Pa < 125 MPa

Obs2: Para os parafusos das guias lineares do apoio da mesa, calcula-se adicionando mais

parafusos, logo a solicitao mecnica ser menor.

Obs3: Para os parafusos da chapa inferior a nica solicitao mecnica o peso da prpria

chapa, o que irrelevante.

Clculo da tenso de cisalhamento para as foras atuantes no eixo x:

Para os parafusos do suporte do Spindle, utilizando-se as Equaes 3.34 e 3.29:

(3.34)

Fc = 8V

V = 193/8 V = 24,125 N

(3.29)

57

-3)

2 / 4 = 2,375 x 10

-5 m

2

-5 = 10,16 x 10

5 Pa < 125 MPa

Fc = Fora de corte

V = Esforo cortante

A = rea da seo transversal do parafuso

D = Dimetro da seo transversal do parafuso

Clculo da tenso normal no eixo y para as foras atuantes nos parafusos

Para os parafusos do suporte do Spindle, utilizando-se as Equaes 3.35 e 3.29, temos:

(3.35)

Fc = 8N

N = 193/8 N = 24,125 N

(3.29)

-3)

2 / 4 = 2,375 x 10

-5 m

2

-5 = 10,16 x 10

5 < 210 MPa

Fc = Fora de corte

N = Esforo normal

A = rea da seo transversa

dispositivo fresamento controlado por cnc

Documents

cnc milling machine

gilberto castelo branco

fresamento frontal

fonseca cefetrj dispositivo

educao tecnolgica celso

in addition

educao superior

centro federal