7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
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7 BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING
20 a 24 de maio de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - Brasil
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May 20 to 24 , 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil
DESENVOLVIMENTO DE NOVO MECANISMO QUICK-STOP GENÉRICO
PARA ESTUDO DA FORMAÇÃO DE CAVACOS NO TORNEAMENTO
Rodrigo Henriques Lopes da Silva, [email protected],2
Marcelo Shinji Otsuka, [email protected]
Janaina Fracaro de Souza, [email protected]
Júlio César de Souza Francisco, [email protected]
1
Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Cornélio Procópio, Avenida Alberto Carazzai 1640, CEP
86300-000, Cornélio Procópio, Paraná.
2
Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP, Departamento de Engenharia de Fabricação – Faculdade de
Engenharia Mecânica, Rua Mendeleiev s/n, Caixa Postal 6122, CEP 13083-970, Campinas, São Paulo.
Resumo: Este trabalho faz uma breve revisão na literatura a respeito do assunto, em seguida apresenta uma proposta
de novo mecanismo quick-stop para estudo da formação de cavacos no torneamento, possibilitando também estudos
relacionados à interface cavaco-ferramenta na usinagem. Para tanto, o projeto do quick-stop foi desenvolvido de
maneira a propiciar a versatilidade dos testes com diferentes ferramentas, a fim de que o corte ocorra bem próximo a
uma situação real. O dispositivo possibilita a troca de suporte e inserto, com a realização de testes em diferentes
condições de usinagem, geometria e materiais de ferramenta. Além disso, há uma redução significativa no impacto
sobre o dispositivo, já que ele utiliza mola e um atuador para controlar o movimento de afastamento da ferramenta em
relação à peça, preservando a raiz do cavaco, ao contrário de outros tipos de quick-stop que são acionados por
impacto advindo de golpe, choque ou explosão. Cálculos teóricos e simulações do dispositivo em software específico
demonstram a proximidade de resultados em relação a trabalhos já desenvolvidos e que levam em consideração a
velocidade de recolhimento da ferramenta e a viabilidade do conceito proposto.
Palavras-chave: quick-stop, formação de cavacos, interface cavaco-ferramenta, simulação.
1. INTRODUÇÃO
A formação do cavaco pela ação da deformação nos planos de cisalhamento é um dos aspectos do corte dos metais
que atrai grande atenção daqueles que se dedicam ao estudo da usinagem. Para o entendimento da usinabilidade e
performance das ferramentas outro tema tem igual importância, o movimento do cavaco e do material de trabalho sobre
as superfícies e arestas de corte da ferramenta Wright e Trent (2000). Além disso, o processo de formação do cavaco, na
chamada interface cavaco-ferramenta, terá influência decisiva no comportamento das forças, temperaturas e taxa de
desgaste.
O estudo da formação dos cavacos e dos fenômenos que ocorrem na interface cavaco-ferramenta passa,
necessariamente, pela análise do cavaco. Esse estudo tem proporcionado grandes avanços nos processos de usinagem e
contribuído para o aperfeiçoamento das arestas de corte, com quebra-cavacos cada vez mais eficientes, além de novos e
mais eficazes materiais para ferramentas e a possibilidade de usinar os mais variados tipos de materiais Machado et al
(2009).
Durante a usinagem de um material ocorrem altíssimas deformações, em velocidades extremamente altas e pode-se
considerar que, as leis convencionais de atrito não são apropriadas Wright e Trent (2000). Estudos sobre esse tema têm
se mostrado um grande desafio, principalmente, por conta das altas velocidades de saída dos cavacos, e pelas
reduzidíssimas áreas de contato entre ferramenta e cavaco Machado et al (2009).
A visualização do processo de usinagem é algo muito complicado, mesmo nos dias atuais, como já mostrava
Ferraresi (1970) em seu capítulo de mecanismo de formação do cavaco. A maioria das teorias modernas disponíveis
derivou-se de estudos da interface após o corte ter sido interrompido utilizando-se dispositivos quick-stop, nos quais a
ferramenta de corte é retraída com velocidade superior à velocidade de corte (de duas a três vezes maior), deixando a
raiz do cavaco em condições de análise detalhada por meio de microscópios Machado et al (2009), esta análise é feita
removendo parte do corpo de prova onde se encontra a raiz do cavaco e submetendo este, à metalografia e análises por
microscopia ótica e eletrônica.
A maioria dos dispositivos quick-stop, como pode ser visto nos trabalhos de (Childs et al, 2000; Nabhani, 2001;
Lucas e Weingaerner, 2005; Reis et al, 2007 e Luiz et al, 2008), são baseados no rompimento de um pino de aço
endurecido que serve de apoio ao suporte da ferramenta, após este sofrer um impacto repentino por meio do disparo de
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uma arma de fogo, por exemplo. Entretanto, esse tipo de método traz dois problemas, o primeiro é a possibilidade de
deformação do dispositivo por ação do impacto e o outro a impossibilidade de que se utilize diferentes tipos de suportes
e ferramentas durante a usinagem e testes laboratoriais.
2. OBJETIVOS
Desenvolver um projeto de quick-stop de maneira a propiciar versatilidade aos testes com diferentes ferramentas, a
fim de que o corte ocorra bem próximo a uma situação real de torneamento. Além disso, possibilitar a troca de suporte e
inserto, com a realização de testes em diferentes condições de usinagem, geometria e materiais de ferramenta. Por fim,
propiciar uma redução significativa no impacto sobre o dispositivo, já que ele utiliza mola e atuador para controlar o
movimento de afastamento da ferramenta em relação à peça, preservando a raiz do cavaco, ao contrário de outros tipos
de quick-stop que são acionados de impacto.
3. DISPOSITIVO QUICK-STOP
São vários os tipos de dispositivos quick-stop existentes, com aplicação em diferentes tipos de operação de corte.
No de torneamento, em sua maioria, a ferramenta de corte possui em uma de suas extremidades um pino fusível que
mantém a ferramenta em sua posição de trabalho, enquanto na outra extremidade há um pino pivô que terá a função de
realizar suporte e afastar a ferramenta da zona de corte Fig. (1), após o rompimento do pino fusível por impacto,
advindo de um golpe, choque ou explosão, direta ou indiretamente sobre a ferramenta Lucas (2003).
Figura 1. Esquema de funcionamento de um dispositivo Quick-Stop, Lucas (2003).
Os dispositivos quick-stop para torneamento diferem-se principalmente pelo modo que se faz o impacto sobre a
ferramenta para quebrar o pino fusível. Feita a interrupção do corte, a raiz do cavaco permanece intacta na peça,
possibilitando a análise para estudo do processo. A repetibilidade dos ensaios depende: da rigidez estrutural do
dispositivo, intensidade do impacto e a conformidade do pino fusível.
A fabricação do pino fusível é trabalhosa, havendo a necessidade de usinagem e tratamento térmico adequado. A
intensidade do impacto pode ser perigosa, principalmente quando da utilização de explosivos, ou de difícil
repetibilidade (quando se trata da força do impacto) por meio da utilização de massas para o impacto manual. Ademais,
a necessidade de impacto para romper o pino fusível torna necessária uma estrutura com alta rigidez.
4. PROJETO
A fase de desenvolvimento do dispositivo teve como base uma série de quick-stops já existentes, (Childs et al,
2000; Nabhani, 2001; Lucas e Weingaerner, 2005; Reis et al, 2007; Luiz et al, 2008; Carvalho et al, 2013), onde foram
avaliados seus prós e contras. Após análise, algumas limitações foram encontradas nos mecanismos convencionais, tais
como:
 Necessidade de utilização de pino fusível.
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
Grande impacto recebido pelo dispositivo.

Possibilidade de deformação de sua estrutura.

Baixa versatilidade durante testes.

Impossibilidade de utilização de diferentes tipos de suportes e insertos.

Dificuldades em se garantir a repetibilidade nos ensaios.
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Tais limitações, no mecanismo quick-stop convencional para torneamento, levaram à ideia conceito e
desenvolvimento de novo dispositivo. Para tanto, esse dispositivo não poderia ser acionado como os outros (por meio de
impacto), não possuiria o pino fusível e deveria ser facilmente utilizado com diferentes tipos de suportes e insertos. A
Fig. (2) apresenta uma imagem do quick-stop proposto.
Figura 2. Concepção do dispositivo Quick-Stop.
A principal diferença, entre o quick-stop proposto e os demais já existentes, está no fato de o pino-fusível ter sido
retirado, assim não há a necessidade de impacto sobre o suporte. Para tanto, optou-se por um sistema com mola para o
armazenamento de energia e garantia de realização do movimento de afastamento da ferramenta, em relação à zona de
corte, e um atuador para a liberação do movimento.
4.1. Estrutura
Tendo em vista as dificuldades de fabricação, optou-se por desenvolver uma estrutura modular para o novo
dispositivo. Dessa forma, toda a estrutura será dividida em diferentes peças, que serão usinadas e parafusadas,
facilitando eventual substituição ou manutenção.
As dimensões utilizadas foram pensadas para utilização do dispositivo em torno mecânico comum, substituindo o
carro porta-ferramenta, como ilustrado na Fig. (3).
Figura 3. Imagem ilustrativa do carro porta-ferramentas – adaptado de Clark.
O dispositivo possui uma inclinação de 7º, prevista de forma a evitar o contato (raspagem) da aresta de corte da
ferramenta na peça durante a interrupção do corte Fig. (4). A compensação da inclinação da base é feita também na base
de assento da ferramenta, de forma a assegurar a geometria de corte e teve como base o trabalho de Lucas (2003).
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Figura 4. Detalhe da inclinação do dispositivo Quick-Stop.
Rolamentos de roletes foram previstos na peça em que o suporte estará fixado Fig. (5 – rolamento A), para
minimizar o efeito do atrito e facilitar a aceleração, que tem que ser muito alta. Entre o parafuso-eixo e os rolamentos há
uma bucha para facilitar a montagem e desmontagem e também aumentar a rigidez do eixo.
Também foram previstos rolamentos no eixo da haste de acionamento Fig. (5 – rolamento B), que libera o
movimento da ferramenta, e em sua extremidade Fig. (5 – rolamento C), visando o menor esforço do atuador e menor
atrito.
Figura 5. Rolamentos de rolete: (A) Rolamentos NU-2304 da peça onde a ferramenta é fixada; (B) Rolamentos
NU- 2204 da haste de acionamento; (C) Rolamento NKI 30/30 da extremidade da haste de acionamento.
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4.2. Principio de acionamento
Para que a ferramenta saia da zona de corte com aceleração suficiente, uma mola é utilizada para armazenar
energia. Um parafuso comprime a mola contra a peça que assenta a ferramenta. Esta peça fica apoiada em sua
extremidade por uma haste, que é movimentada com ajuda de um atuador liberando o movimento do dispositivo. A
Figura (6) mostra, de forma esquemática, o funcionamento do dispositivo.
Figura 6. Esquema do funcionamento do dispositivo Quick-Stop.
5. RESULTADOS
Com o intuito de validar a aplicabilidade do quick-stop, mesmo antes de sua fabricação, foram realizadas
simulações em software específico. Os resultados obtidos demonstram proximidade de resultados entre a proposta atual
e outros trabalhos já desenvolvidos, que levam em consideração a velocidade de recolhimento da ferramenta e a
viabilidade do conceito proposto.
Os resultados obtidos por Luiz et al. (2008), em que determina de forma experimental a velocidade instantânea de
retração e o deslocamento da ferramenta, são mostrados nas Fig. (7) e Fig. (8). Para tanto, utiliza-se um dispositivo
quick-stop acionado por um revólver no torneamento. A avaliação da velocidade de retração foi realizada por meio de
uma câmera de alta velocidade em uma situação real de usinagem. Esses resultados serão utilizados posteriormente
como padrões de comparação com as simulações realizadas para o presente trabalho.
Figura 7. Gráfico de velocidade (m/s) instantânea de retração da ferramenta em função do tempo (ms) –
Adaptado de Luiz et al (2008).
O dispositivo quick-stop utilizado por Luiz et al (2008) é acionado e, logo em seguida, a velocidade aumenta
consideravelmente, depois é possível perceber a redução progressiva da velocidade de retração. Essa variação ocorre,
pois existem dois momentos distintos durante a execução da retração da ferramenta, no primeiro há a aceleração do
dispositivo para que ele se afaste da peça e no segundo momento, haverá a sua desaceleração em uma massa (por
exemplo, massa de vidraceiro) até que a ferramenta pare, como pôde ser visto na Fig. (7).
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Figura 8. Gráfico de deslocamento (mm) da ferramenta em função do tempo (ms) – Adaptado de Luiz et al
(2008).
As simulações do dispositivo proposto foram feitas através do software Solidworks® e os resultados se assemelham
bastante aos encontrados por Luiz et al. (2008) apresentados nas Fig. (7) e Fig. (8), como pode ser visto nas Fig. (9) que
mostra o gráfico de velocidade instantânea e na Fig. (10), o gráfico de deslocamento, referentes ao projeto.
Figura 9. Gráfico de velocidade (mm/s) instantânea de retração da ferramenta em função do tempo (s).
Figura 10. Gráfico de deslocamento (mm) da ferramenta em função do tempo (s).
A Tabela (1) apresenta um comparativo entre os resultados obtidos no trabalho de Luiz et al. (2008) e o presente
trabalho, é importante ressaltar que no trabalho utilizado a nível de comparação, o dispositivo foi construído e avaliado
experimentalmente. Já no caso da proposta, aqui estabelecida, trabalhou-se em nível de simulação.
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Tabela 1. Comparativo entre resultados obtidos por um quick-stop acionado por revólver e o quick-stop proposto.
0,002 s
Comparativo de Resultados
Quick-stop acionado por revólver
Quick-stop proposto
Dados obtidos experimentalmente
Dados obtidos por simulação
Velocidade [m/s] Deslocamento [mm] Velocidade [m/s] Deslocamento [mm]
5,7
10
5,5
12
A análise da Tab. (1) mostra que os resultados obtidos via simulação são muito semelhantes aos observados na
prática. Ambos os dispositivos atingiram velocidade próximas a 5,5 m/s, aproximadamente no tempo de 0,002 s. Além
disso, tiveram praticamente os mesmos deslocamentos para o tempo considerado.
6. CONCLUSÕES
Teoricamente o dispositivo proposto tem uma série de vantagens sobre os demais utilizados como parâmetros para
o desenvolvimento do projeto, dentre elas: não é utilizado o pino fusível; redução ou eliminação do impacto no
dispositivo; redução de possíveis deformações da estrutura; possibilidade de utilização de diferentes suportes e insertos
no torneamento; aumento da repetibilidade dos ensaios.
No entanto, chegou-se apenas à fase de simulações e maiores testes deverão ser realizados para a validação dos
resultados obtidos em simulação. Para tanto, um protótipo deverá ser desenvolvido com o intuito de confirmar a
viabilidade de sua construção e aplicação em pesquisas na área de usinagem.
Apesar disso, foi possível observar que a simulação computacional do dispositivo quick-stop desenvolvido alcançou
resultados muito semelhantes aos encontrados por Luiz et al. (2008), em que registrou velocidade de retração acima de
5m/s (300m/min) próximo a de 2 ms, com deslocamento de aproximadamente 10 mm. Assim, acredita-se que o
dispositivo desenvolvido também seja apto a trabalhar de maneira confiável com velocidades de corte abaixo dos 300
m/min, como o estudado no referido trabalho.
7. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao apoio institucional da Universidade Tecnológica Federal do Paraná e a Universidade
Estadual de Campinas pela infraestrutura para a conclusão do trabalho.
8. REFERÊNCIAS
Childs, T.; Maekawa, K.; Obikawa, T.; Yamane, Y., 2000, “Metal Machining: Theory And Applications”, Ed. Arnold,
London.
Carvalho, M. V; Montenegro, D. M.; GOMES, J. O. 2013, “An analysis of the machinability of ASTM grades 2 and 3
austempered ductile iron”, Journal of Materials Processing Technology, V. 213, pp. 560-573.
Ferraresi, D., 1970, “Fundamentos Da Usinagem Dos Metais”, Ed. Edgard Blücher, São Paulo, Brasil.
Lucas, E. O.; Weingaertner, W. L., 2005, “Um Dispositivo Quick-Stop Com Acionamento Mecânico”, Máquinas E
Metais, V. 469, pp. 119-129.
Lucas, E. O., 2003, “Desenvolvimento de um dispositivo Quick-Stop e sua aplicação no estudo da formação do cavaco
na usinagem do ferro fundido nodular ferrítico”, Tese de Doutorado, Universidade Federal de Santa Catarina,
Brasil.
Luiz, N. E.; Naves, V. T. G.; Machado, A. R.; Vilarinho, L. O., 2008, “Determinação Da Velocidade De Retração Em
Dispositivo Quick-Stop Com Uma Câmera De Alta Velocidade”, Máquinas E Metais, V. 512, pp. 270-280.
Machado, A. R.; Coelho, R. T.; Abrão, A.M.; Silva, M.B., 2009, “Teoria Da Usinagem Dos Materiais”, Ed. Edgard
Blücher, São Paulo, Brasil.
Nabhani, F., 2001, “Machining Of Aerospace Titanium Alloys”, Robotics And Computer Integrated Manufacturing, V.
17, pp. 99-106.
Reis, L. L. G.; Da Silva Jr., W. M.; Machado, A. R., 2007, “Effect Of Cutting Speed And Cutting Fluid On The Bue
Geometry Of A Sae 12l14 Free Machining Steel”, Journal Of The Brazilian Society Of Mechanical Sciences And
Engineering, V. 29, N. 2, pp. 196-201.
Trent, E. M.; Wright, P. K., 2000, “Metal Cutting”, 4th Ed. Butterworth - Heinemann, Oxford, 446 p.
9. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no seu trabalho.
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DEVELOPMENT OF NEW GENERIC QUICK-STOP DEVICE FOR STUDY
OF CHIP FORMATION IN TURNING
Rodrigo Henriques Lopes da Silva, [email protected],2
Marcelo Shinji Otsuka, [email protected]
Janaina Fracaro de Souza, [email protected]
Júlio César de Souza Francisco, [email protected]
1
Federal Technological University of Paraná, Campus Cornélio Procópio, Av. Alberto Carazzai 1640, CEP 86300-000,
Cornélio Procópio, Paraná, Brazil.
2
University of Campinas – UNICAMP, Department of Manufacturing Engineering - Mechanical Engineering Faculty,
Mendeleev Street s/n, PO Box 6122, CEP 13083-970, Campinas, São Paulo, Brazil.
Abstract. This study briefly reviews the literature on the subject, then proposes a new quick-stop device for study of
chip formation in turning, also enabling studies related to the chip-tool interface in machining. Thus, the quick-stop
design was developed in order to provide the versatility of tests with different tools, so that cutting occurs close to a
real situation. The device enables the exchange of support and insert with the testing of different machining conditions,
tool geometry and materials. Furthermore, there is a significant reduction in the impact device, since it uses spring and
an actuator for controlling the movement of the removal tool to the workpiece, maintaining the root of the chip, unlike
other types of quick-stop which are triggered by impact from a blow, shock or explosion. Theoretical calculations and
simulations of the device-specific software demonstrate the closeness of results in relation to work already and that
take into account the recoil speed of the tool and the feasibility of the proposed concept.
Keywords: quick-stop device, chip formation, chip-tool interface, simulation.
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