Sebenta · Aplicar as ferramentas de corte na maquinação (UC03942)

Introdução

Maquinar é retirar material de uma peça em bruto até obter a forma, a dimensão e o acabamento pedidos no desenho. Nesta UC aprendes a preparar esse processo do princípio ao fim: estudar a peça e o material, escolher o suporte e a ferramenta de corte certos, calcular os parâmetros de maquinação (velocidade de corte, rotação, avanço) e, por fim, testar e ajustar tudo isso no torno e na fresadora.

É a competência central de quem produz moldes, cunhos, cortantes ou qualquer componente maquinado: um técnico que não sabe calcular a rotação certa para o material que tem à sua frente estraga peças, parte ferramentas e perde tempo de máquina, que é o recurso mais caro de uma oficina.

Objetivos de aprendizagem (referencial): efetuar o estudo da peça e das propriedades do material a maquinar; selecionar os suportes e as ferramentas de corte; determinar os parâmetros de maquinação e de corte; e realizar testes de maquinação, cumprindo sempre as normas de segurança, saúde no trabalho e proteção ambiental.

1. O posto de trabalho e as operações de maquinação

Antes de qualquer cálculo, há um princípio que atravessa toda a UC: o posto de trabalho organiza-se em função das ferramentas e equipamentos a utilizar, um dos critérios de desempenho do referencial. Um posto desarrumado atrasa o trabalho e é a primeira causa de acidentes.

As duas operações de maquinação convencional

• Torneamento: a peça roda (movimento de corte) e a ferramenta, fixa e parada, avança de forma linear. Máquina: torno. Produz sobretudo peças de revolução (veios, casquilhos, buchas de molde).
• Fresagem: a ferramenta roda (movimento de corte) e a peça, fixa na mesa, avança de forma linear ou em trajetórias complexas. Máquina: fresadora. Produz faces planas, ranhuras, cavidades e perfis, como as cavidades de um molde.

A diferença fundamental está em quem roda: no torno é a peça, na fresadora é a ferramenta. Todas as fórmulas desta UC partem desta distinção.

Boas práticas de organização do posto

• Ferramentas e instrumentos de medição dispostos por ordem de uso, ao alcance da mão dominante.
• Peça em bruto, ficha de fabrico e desenho técnico visíveis e limpos de apara e de óleo.
• Caixote de aparas e recipiente de resíduos de fluido de corte separados e identificados.
• Zona de circulação livre, sem cabos, mangueiras ou ferramentas no chão.

2. Materiais metálicos e não metálicos: classes e normas

Antes de escolher uma ferramenta é preciso estudar o material da peça. É a primeira realização do referencial: sem saber o que se vai cortar, não há parâmetro que se calcule com segurança.

Classes de materiais

Normas de designação

Os aços seguem a norma europeia EN 10027: a designação numérica (ex.: 1.0503 para o C45) ou simbólica (C45, indicando 0,45% de carbono médio). A ficha de fabrico da peça indica sempre a norma e a designação do material: é aí que começa o estudo.

3. Tratamentos térmicos dos aços e a escolha da ferramenta

Um mesmo aço pode comportar-se de forma muito diferente na maquinação consoante o tratamento térmico que já sofreu.

Um aço em bruto de laminação ou recozido maquina-se com uma pastilha de metal duro normal. O mesmo aço temperado exige um grupo de ferramenta diferente (cerâmica ou CBN, ver Capítulo 6), velocidades de corte muito mais baixas e avanços reduzidos, porque a dureza elevada desgasta a aresta de corte muito mais depressa.

4. Acabamento superficial e toleranciamento dimensional e geométrico

O desenho técnico e a ficha de fabrico não pedem só uma forma: pedem uma forma dentro de limites precisos.

Acabamento superficial

O acabamento mede-se sobretudo pela rugosidade Ra (desvio médio do perfil da superfície, em micrómetros, µm). Uma operação de desbaste deixa Ra elevado (6,3 a 12,5 µm); uma operação de acabamento visa valores baixos (0,8 a 3,2 µm). Consegue-se um Ra mais baixo com avanços menores, maior velocidade de corte e uma aresta de corte em bom estado.

Toleranciamento dimensional e geométrico

• Tolerância dimensional: intervalo admissível para uma medida (ex.: Ø40 h7 significa um diâmetro nominal de 40 mm com um campo de tolerância normalizado ISO h7, sempre abaixo do nominal).
• Tolerância geométrica: limita desvios de forma, orientação, posição ou batimento (ex.: circularidade, perpendicularidade), representada no desenho por símbolos normalizados dentro de um retângulo de controlo.

Quanto mais apertada a tolerância, menor o avanço e maior o cuidado na fixação da peça: são exigências que se refletem diretamente nos parâmetros de corte escolhidos no Capítulo 8.

5. Fixação de peças e suportes de ferramentas

Selecionar suportes e ferramentas de corte é a segunda realização do referencial, e começa por saber como se prende a peça e onde se monta a ferramenta.

Sistemas de fixação de peças

Suportes de ferramentas

• Torno: torre porta-ferramentas (revólver ou de posição fixa) e suporte de pastilha, identificado por um código normalizado (ex.: PCLNR, indicando forma da pastilha, ângulo de posição e sentido de corte).
• Fresadora: cone porta-ferramentas normalizado (ISO 40, ISO 50, BT ou HSK, consoante a máquina), pinça de aperto ER para fresas de haste, e mandril para fresas com furo.

O suporte tem de ser rígido: uma fixação frouxa gera vibração, mau acabamento e desgaste acelerado da ferramenta.

6. Ferramentas de corte: materiais e a norma ISO 513

Materiais de corte

A norma ISO 513: grupos de aplicação

A ISO 513 classifica as pastilhas de corte por grupo de material a maquinar, cada um com uma cor normalizada, usada em todos os catálogos de ferramentas:

Esta tabela é a que consultamos sempre que escolhemos uma ferramenta e a que dá as velocidades de corte de referência usadas em toda a UC (Capítulo 8):

7. Geometria da ferramenta e tecnologia do corte

Os ângulos da ferramenta de corte

A aresta de corte de uma ferramenta é definida por três ângulos, medidos num plano perpendicular à aresta, que somam sempre 90°:

• Ângulo de saída (γ): positivo, negativo ou nulo; afeta a facilidade com que a apara sai e o esforço de corte.
• Ângulo de folga / incidência (α): evita que a face de folga da ferramenta roce na peça já maquinada.
• Ângulo de cunha (β): o que sobra entre os dois anteriores; β = 90° − γ − α. É quem dá resistência mecânica à aresta.

Exemplo resolvido: uma pastilha tem ângulo de saída γ = 8° e ângulo de folga α = 6°. O ângulo de cunha é β = 90° − 8° − 6° = 76°. Quanto maior o ângulo de saída, mais "afiada" e frágil a aresta; quanto maior o ângulo de cunha, mais robusta e mais indicada para materiais duros ou desbaste pesado.

Outros dois parâmetros geométricos completam a ferramenta:

• Ângulo de posição (κr): o ângulo entre a aresta principal de corte e a direção de avanço; influencia a espessura da apara e o esforço radial.
• Raio de quina (rε): o arredondamento da ponta da ferramenta; um raio maior melhora o acabamento mas aumenta o esforço de corte.

Profundidade e largura de corte

• Profundidade de corte (ap): a espessura de material removida numa passada, medida perpendicularmente à superfície maquinada, em mm.
• Largura de corte (ae): em fresagem, a penetração lateral (radial) da fresa na peça, em mm.

Regra geral: no desbaste, usa-se ap (e ae) elevados e avanço elevado, para remover material depressa; no acabamento, ap e avanço baixos, para garantir dimensão e rugosidade.

8. Fórmulas fundamentais: velocidade de corte, rotação e avanço

Esta é a terceira realização do referencial: determinar os parâmetros de maquinação e de corte. É também o núcleo de cálculo de toda a UC. Vamos fixar a regra de arredondamento antes de qualquer exemplo.

Velocidade de corte (Vc)

A velocidade de corte é a velocidade linear do ponto da aresta de corte em contacto com a peça, em metros por minuto (m/min). Relaciona-se com o diâmetro D (mm) e a rotação n (rpm) por:

Vc = π · D · n / 1000

Rotação (n)

Isolando n na fórmula anterior:

n = (Vc · 1000) / (π · D)

Exemplo resolvido (torneamento): tornear um veio de aço C45 (não temperado) com D = 40 mm, em acabamento. Da tabela do Capítulo 6, Vc = 200 m/min para o grupo P.

1. n em bruto = (200 × 1000) / (π × 40) = 200 000 / 125,66 ≈ 1 591,5 rpm.
2. O torno disponível tem, na sua gama de rotações, o escalão de 1 550 rpm, imediatamente abaixo do valor bruto. Escolhe-se este.
3. Velocidade de corte real com essa rotação: Vc real = π × 40 × 1 550 / 1 000 = 194,8 m/min (ligeiramente abaixo dos 200 m/min de referência, como é suposto pela regra de arredondamento).

Avanço (f) e avanço de trabalho (Vf)

Em torneamento, o avanço f (mm/rot) é o deslocamento da ferramenta por cada rotação da peça. O avanço de trabalho (velocidade de avanço), em mm/min, é:

Vf = f · n

Continuação do exemplo: com acabamento, f = 0,25 mm/rot. Vf = 0,25 × 1 550 = 387,5 mm/min.

Em fresagem, o avanço define-se por dente (fz, mm/dente), porque cada dente da fresa corta uma vez por rotação. O avanço por rotação é fn = fz · z (z = número de dentes/arestas), e o avanço de trabalho:

Vf = fz · z · n

Exemplo resolvido (fresagem): fresar de topo uma placa de liga de alumínio com uma fresa de D = 50 mm e z = 4 dentes. Da tabela, Vc = 500 m/min (grupo N).

1. n em bruto = (500 × 1000) / (π × 50) = 500 000 / 157,08 ≈ 3 183,1 rpm.
2. Rotação disponível na máquina, imediatamente abaixo: 3 000 rpm.
3. Vc real = π × 50 × 3 000 / 1 000 = 471,2 m/min.
4. Com fz = 0,15 mm/dente: avanço por rotação fn = 0,15 × 4 = 0,6 mm/rot.
5. Avanço de trabalho: Vf = 0,15 × 4 × 3 000 = 1 800 mm/min.

9. Tempo de maquinação e preparação da máquina-ferramenta

Tempo de maquinação (tm)

Conhecido o avanço de trabalho Vf e o percurso L (comprimento a percorrer pela ferramenta, incluindo uma pequena entrada/saída de segurança), o tempo de uma passada é:

tm = L / Vf

Continuação do exemplo de torneamento: peça com 120 mm de comprimento útil, mais 3 mm de entrada de segurança: L = 123 mm.

tm (1 passada) = 123 / 387,5 = 0,317 min (≈ 19,0 s).

Se for preciso remover 3 mm de profundidade total em passadas de 1 mm cada (3 passadas):

tm total = 0,317 × 3 = 0,952 min (≈ 57,1 s).

Continuação do exemplo de fresagem: percurso da fresa de 300 mm mais 50 mm de entrada/saída (aproximadamente o raio da fresa em cada lado): L = 350 mm.

tm = 350 / 1 800 = 0,194 min (≈ 11,7 s).

Preparação e operação da máquina-ferramenta

Antes de correr o programa ou a passada manual:

1. Montar e apertar a peça no sistema de fixação escolhido (Capítulo 5), verificando o batimento com um comparador quando a tolerância o exigir.
2. Montar a ferramenta no suporte, com o balanço (saliência) mínimo indispensável, para reduzir a vibração.
3. Definir a origem de peça (zero-peça) no torno ou fresadora, referenciando-a ao desenho.
4. Introduzir os parâmetros calculados (n, f ou Vf, ap) no comando da máquina.
5. Testar em vazio (sem contacto) o percurso programado, antes do primeiro corte real.

10. Testes de maquinação e ajuste de parâmetros

A quarta realização do referencial, realizar testes de maquinação, existe porque o cálculo teórico é sempre um ponto de partida, não a palavra final. O comportamento real da ferramenta corrige a teoria.

Sinais a observar num teste

Técnicas de teste específicas

• Torneamento: corre-se uma passada curta de teste, mede-se a peça e o acabamento, e ajusta-se f e Vc antes da passada de produção completa.
• Fresagem: testa-se primeiro com uma penetração ae reduzida, sobretudo em cavidades fechadas, porque o contacto da fresa é maior e o risco de vibração e de quebra da aresta é mais elevado.

O ajuste é sempre iterativo: medir, comparar com o previsto, corrigir um parâmetro de cada vez, para se perceber qual foi realmente a causa.

11. Fluidos de corte, manutenção e vida da ferramenta

Fluidos lubrificantes e refrigerantes

A escolha depende do material: em alumínio, o corte a seco ou com MQL evita a aderência da apara à aresta; em ferro fundido, evita-se o fluido líquido, porque mistura com o pó de grafite e forma uma pasta abrasiva que acelera o desgaste.

Manutenção de suportes e ferramentas

• Limpar suportes e pastilhas no fim de cada turno; verificar folgas nos porta-ferramentas.
• Substituir a pastilha ou afiar a ferramenta ao primeiro sinal de desgaste visível na aresta, não só quando a peça já sai fora de tolerância.
• Guardar as ferramentas identificadas, por grupo ISO 513, evitando misturas que levem a um erro de seleção.

Vida da ferramenta

A vida da ferramenta (T), o tempo de corte até à aresta deixar de cumprir o critério de desgaste aceite, relaciona-se com a velocidade de corte pela equação de Taylor:

Vc · T^n = C

em que n é um expoente característico do par ferramenta/material (valor de catálogo do fabricante da pastilha) e C uma constante do mesmo par.

Exemplo resolvido: uma pastilha de metal duro revestido, a cortar aço C45, tem uma vida de referência T1 = 20 min a Vc1 = 200 m/min, com um expoente de catálogo n = 0,25.

1. Constante: C = Vc1 · T1^n = 200 × 20^0,25 = 200 × 2,1147 ≈ 422,9.
2. Se aumentarmos a velocidade de corte 25%, para Vc2 = 250 m/min, a nova vida é: T2 = (C / Vc2)^(1/n) = (422,9 / 250)^4 ≈ 8,2 min.
3. A vida caiu de 20 min para 8,2 min: uma queda de (20 − 8,2) / 20 × 100 ≈ 59%, para um aumento de apenas 25% na velocidade de corte.

12. Segurança, EPI e proteção ambiental

O último critério de desempenho do referencial resume tudo o que se segue: cumprir as normas de segurança e saúde no trabalho e de proteção ambiental, em todas as fases anteriores.

Enquadramento legal

• Lei n.º 102/2009: regime jurídico da promoção da segurança e saúde no trabalho; obriga o empregador a avaliar riscos e o trabalhador a cumprir os procedimentos e a usar o EPI fornecido.
• Decreto-Lei n.º 50/2005: prescrições mínimas de segurança e de saúde na utilização de equipamentos de trabalho (transpõe a diretiva europeia sobre máquinas), aplicável diretamente a tornos e fresadoras.

EPI por exposição concreta

Remoção de apara e limpeza

A apara, sobretudo em torneamento, sai frequentemente quente e cortante. Nunca se remove com a mão: usa-se um gancho ou ancinho de apara, uma escova de cerdas rígidas, ou aspiração, sempre com a máquina parada e óculos de proteção postos (a apara pode saltar ao ser deslocada). A limpeza do posto de trabalho faz parte da própria operação, não é uma tarefa à parte.

Emergência

Todo o posto tem de ter um botão de paragem de emergência acessível e identificado. Em caso de acidente: parar a máquina de imediato, prestar os primeiros socorros possíveis, e contactar o 112. Reportar sempre o incidente, mesmo sem lesão aparente, para se corrigir a causa.

Proteção ambiental

• Fluidos de corte usados, óleos e aparas contaminadas são resíduos perigosos: recolhem-se em recipientes próprios e identificados, nunca no lixo comum nem no esgoto.
• Reduzir o consumo de fluido (MQL, corte a seco quando aplicável) diminui também o resíduo a tratar.
• Cumprir os procedimentos internos de separação e encaminhamento de resíduos para operadores licenciados.

Erros comuns

• Escolher a ferramenta só pelo nome do material, ignorando se está temperado ou não (Capítulo 3).
• Arredondar a rotação para cima, ultrapassando a velocidade de corte de referência e encurtando drasticamente a vida da ferramenta (Capítulos 8 e 11).
• Confundir avanço por dente (fz) com avanço por rotação (fn) em fresagem: fn = fz × z, não são o mesmo valor.
• Ignorar sinais de teste (apara azulada, vibração) e continuar com os mesmos parâmetros até partir a ferramenta ou estragar a peça.
• Usar fluido de corte líquido em ferro fundido, criando pasta abrasiva com o pó de grafite.
• Remover apara à mão ou operar o torno com luvas vestidas.
• Misturar ferramentas de grupos ISO 513 diferentes sem etiquetagem, provocando seleções erradas.

Glossário

• Vc: velocidade de corte, em metros por minuto (m/min).
• n: rotação do fuso, em rotações por minuto (rpm).
• f: avanço em torneamento, em mm por rotação da peça.
• fz: avanço por dente em fresagem, em mm por dente.
• fn: avanço por rotação em fresagem, fn = fz × z.
• Vf: avanço de trabalho (velocidade de avanço), em mm/min.
• ap: profundidade de corte, em mm.
• ae: largura de corte (penetração radial em fresagem), em mm.
• tm: tempo de maquinação de uma passada.
• T: vida da ferramenta, tempo de corte até ao critério de desgaste aceite.
• ISO 513: norma que agrupa as ferramentas de corte por material a maquinar (grupos P, M, K, N, S, H).
• Ra: rugosidade média, medida do acabamento superficial, em micrómetros (µm).
• HRC: dureza Rockwell C, usada para aços tratados termicamente.
• CBN: nitreto de boro cúbico, material de ferramenta para materiais muito duros.
• PCD: diamante policristalino, material de ferramenta para não ferrosos.
• MQL: mínima quantidade de lubrificante.
• Chatter: vibração de maquinação, visível e audível, que degrada o acabamento.

Síntese

Aplicar as ferramentas de corte na maquinação segue sempre a mesma sequência: estudar a peça e o material (classe, tratamento térmico, tolerâncias) → selecionar o suporte e a ferramenta (fixação, ISO 513, geometria) → calcular os parâmetros (Vc, n, f, Vf, tm, com a regra de arredondamento) → preparar a máquina → testar e ajustar com base no comportamento real da ferramenta → manter suportes e ferramentas e cumprir segurança e proteção ambiental em cada etapa. Este ciclo repete-se sempre que muda o material, a operação ou a ferramenta, e é a espinha dorsal de qualquer oficina de maquinação de moldes.

Exercícios resolvidos

1. Um veio em aço C45 recozido, D = 60 mm, vai ser torneado em desbaste. Da tabela do Capítulo 6, Vc = 200 m/min. Calcula a rotação a usar.

Resolução: n bruto = (200 × 1000) / (π × 60) = 200 000 / 188,50 ≈ 1 061,0 rpm. Escolhendo, na gama da máquina, a rotação imediatamente abaixo, por exemplo 1 000 rpm, a Vc real fica em π × 60 × 1 000 / 1 000 = 188,5 m/min, dentro da regra de nunca ultrapassar a referência.

2. Uma fresa de topo com D = 32 mm e z = 3 dentes maquina ferro fundido cinzento (Vc = 150 m/min, grupo K). Escolhida a rotação de 1 400 rpm (abaixo do valor bruto), com fz = 0,1 mm/dente, calcula fn e Vf.

Resolução: fn = fz × z = 0,1 × 3 = 0,3 mm/rot. Vf = fz × z × n = 0,1 × 3 × 1 400 = 420 mm/min.

3. Com os dados do exercício anterior, e um percurso de fresagem de 250 mm (já incluindo entrada e saída), calcula o tempo de maquinação.

Resolução: tm = L / Vf = 250 / 420 ≈ 0,595 min (≈ 35,7 s).

4. Numa passada de teste em aço inoxidável austenítico, a apara sai azulada e com cheiro a queimado. O que se conclui e o que se ajusta?

Resolução: conclui-se que a velocidade de corte está demasiado alta para o material e a ferramenta (a apara azulada indica excesso de calor de corte). Ajusta-se reduzindo Vc (e recalculando n) antes de repetir o teste.

5. Explica porque uma pastilha de metal duro revestido não deve ser usada, sem mais, num aço temperado a 55 HRC.

Resolução: o metal duro convencional foi pensado para materiais na gama de dureza do grupo P (aços não temperados). A 55 HRC, a dureza do próprio material aproxima-se da dureza da ferramenta, desgastando a aresta muito depressa. Para aços temperados usa-se o grupo H, tipicamente com cerâmica ou CBN, capazes de manter dureza a temperaturas de corte mais altas.