Redtificador Controlado Trifasico de Media Onda y Onda Completa
Dispositivo Fresamento Controlado Por CNC
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Transcript of Dispositivo Fresamento Controlado Por CNC
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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
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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
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DEDICATRIA
Dedicamos esse projeto aos nossos amigos e familiares que nos apoiaram em nossa
trajetria.
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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Figura 80: Deslocamentos presentes no conjunto.....................................................................88
Figura 81: Deformaes presentes no conjunto........................................................................89
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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
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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.
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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.
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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.
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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)
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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]
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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.
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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.
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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]
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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]
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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,
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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,
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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.
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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.
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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)
Fa = Fora de avano = 34,3 N
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
Fa = Fora de avano = 34,3 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