Rigidez da superfície é um importante indicador técnico que reflete o erro microgeométrico da superfície da peça usinada e é a base primária para inspecionar a qualidade da superfície das peças usinadas; seja razoável ou não, está diretamente relacionado à qualidade das peças usinadas, vida útil e custo de produção. A rugosidade da superfície se refere às microirregularidades finamente espaçadas na textura da superfície, que é composta de três elementos: rugosidade, ondulação e forma.
Perfil de rugosidade superficial
O serviço de usinagem de controle numérico computadorizado (CNC) pode manter o controle sobre as tolerâncias das peças. Quanto maiores os padrões de precisão da indústria de manufatura, menor o valor de tolerância. Quanto maior a tolerância, por outro lado, mais ampla e menor a precisão necessária. Quando valores específicos de rugosidade da superfície são necessários, métodos de pós-processamento raramente são usados. Isso ocorre porque esses processos são difíceis de gerenciar e podem influenciar a tolerância dimensional da peça.
Mas, como a rugosidade da superfície e o nível de tolerância se correlacionam entre si na usinagem CNC? Para saber, continue lendo para explorar essa relação. Antes de prosseguirmos, é importante conhecer os métodos para medição da rugosidade da superfície.
Métodos para determinar a rugosidade
Existe uma grande variedade de equipamentos disponíveis para medição de rugosidade. Mas, aqui estão duas técnicas amplas para determinar a rugosidade.
- Tipo de Contato
- Tipo sem contato
Vamos passar para uma análise profunda dessas técnicas. Uma forma de análise de contato na qual um componente do dispositivo de medição realmente entra em contato com a superfície a ser medida durante o experimento. Mas, na medição do tipo contato, uma ponta afiada da caneta pode danificar a superfície, especialmente superfícies macias. As cargas normais devem ser suficientemente baixas para estas medições, de modo que as tensões de contato não ultrapassem a dureza da superfície a ser testada. Os instrumentos tipo caneta de contato com amplificação eletrônica são os mais populares atualmente. A Organização Internacional de Padronização (ISO) recomenda que a técnica da caneta seja comumente usada para fins de referência.
Um perfilador óptico sem contato baseado no princípio da interferometria óptica de dois feixes inventado em 1983 e agora é comumente usado para medir superfícies lisas nos setores eletrônico e óptico. Um microscópio de força atômica, que é essencialmente um nanoperfilador que opera com cargas ultrabaixas, foi criado em 1985. A rugosidade da superfície pode ser medida com resolução lateral variando de escalas microscópicas a atômicas.
Este equipamento é frequentemente usado em pesquisas para quantificar rugosidade de resolução lateral extremamente alta, especialmente rugosidade em nanoescala. Há uma série de outros procedimentos demonstrados em laboratório, mas nunca implantados comercialmente, ou que foram usados em aplicações especializadas. Com base no princípio físico envolvido, classificaremos as várias técnicas em seis categorias:
Agulha mecânica, óptica, microscopia de sonda de varredura (SPM), abordagens de microscopia de fluido, elétrica e eletrônica.
Então, como exatamente funcionam todos esses processos para medição de rugosidade superficial? Vamos discutir isso em detalhes.
Método de caneta mecânica
Esta técnica registra e amplifica o movimento vertical da caneta na superfície a ser medida a uma velocidade constante. Uma cabeça de medição com ponta e um mecanismo de digitalização compõem o instrumento. Adquirir varreduras bidimensionais na direção X enquanto avança 5 m na direção Y com o parafuso de avanço Y. É usado para posicionamento preciso da amostra e produz uma imagem tridimensional.
Método óptico
De acordo com o estudo, vários métodos ópticos são utilizados para rugosidade superficial.
A avaliação global pode ser realizada com um microscópio óptico, que fornece apenas dados qualitativos. Abordagens geométricas e físicas são dois tipos de métodos ópticos. O seccionamento cônico e o seccionamento leve são duas abordagens geométricas. Reflexões especulares e difusas, padrões de manchas e interferência óptica são exemplos de abordagens físicas.
Métodos de microscopia de varredura por sonda (SPM)
As microscopias de varredura por sonda (SPM) são um grupo de equipamentos baseados em microscopia de varredura por tunelamento (STM) e microscopia de força atômica (AFM). A primeira técnica utilizada para obter uma imagem tridimensional de uma superfície sólida com resolução atômica é a microscopia de varredura por sonda.
Microscopia de Varredura por Tunelamento (STM)
STM opera de forma simples. Uma ponta de metal afiada (um eletrodo da junção do túnel) é aproximada o suficiente da superfície a ser sondada (segundo eletrodo) para que a corrente de tunelamento varie de 0.2 a 10 nA, que é quantificável em uma tensão de trabalho conveniente (10 mV a 2 V). A uma distância de 0.3 a 1 nm, a ponta é escaneada através de uma superfície enquanto a corrente do túnel entre a ponta e a superfície é medida.
Microscopia de Força Atômica (AFM)
O AFM combina o STM com os princípios do perfilador de agulha. Para perceber a proximidade da ponta à amostra no AFM, a força entre a amostra e a ponta é detectada em vez da corrente de tunelamento. Mover a amostra usando scanners piezoelétricos coloca uma ponta afiada na extremidade de um cantilever em contato com uma superfície de amostra. Isso modo de funcionamento é conhecido como "modo repulsivo" ou "modo de contato". A microscopia de força atômica é um nano-profiler que pode trabalhar com amostras muito pequenas. Esta abordagem determina a rugosidade da superfície com resolução lateral variando de escalas microscópicas a atômicas. Este método é mais comumente usado para dimensionar a rugosidade com uma resolução lateral muito alta, como a rugosidade em nanoescala.
Métodos Fluidos
Essas técnicas são empregadas principalmente em serviços para operações de avaliação constante (controle de qualidade). Pois funcionam sem tocar na superfície e são extremamente rápidos. Isso fornece dados numéricos que podem se correlacionar empiricamente com a rugosidade. Os métodos de medição hidráulica e pneumática são as duas técnicas mais amplamente utilizadas.
Método Elétrico
Esta técnica utiliza a abordagem de capacitância com base na ideia de capacitor paralelo. A capacitância entre dois elementos condutores está relacionada à sua área e à constante dielétrica do meio, mas é inversamente proporcional à sua separação. É bastante simples calcular a capacitância efetiva entre uma superfície áspera e um disco de superfície lisa para vários modelos determinísticos. É pensado como a soma de uma série de pequenas áreas elementares em alturas variadas. A rugosidade da superfície afeta a capacidade entre uma superfície lisa do disco e a superfície a ser medida. Com base nesta premissa, está disponível um instrumento comercial. Os processos de inspeção contínua também empregam o método de capacitância.
Microscópio eletrônico
Tanto a microscopia eletrônica de reflexão quanto a de réplica podem revelar características da superfície. No entanto, apresentam duas desvantagens principais: primeiro, é difícil obter dados quantificáveis; e segundo, devido ao seu campo de visão intrinsecamente limitado, eles exibem apenas algumas asperezas, enquanto o ponto importante sobre o contato superficial é que ele envolve vastas populações de asperezas em interação.
O método de medição escolhido depende muito da aplicação do usuário. Métodos de medição baseados em reflexão especular, reflexão difusa ou padrão de manchas são utilizados para operações de inspeção em processo. Tecnologias de fluidos ou elétricas poderiam ser empregadas para atividades de inspeção contínua (controle de qualidade) que necessitam de informações mínimas.
Padrão Nacional para Tolerância de Usinagem CNC
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Variações podem acontecer devido a uma variedade de causas, que vão do material da peça ao processo de usinagem utilizado. É por isso que as peças recebem tolerâncias de usinagem durante a fase de projeto – uma quantidade de variação permitida na dimensão de uma peça.
Então, o que são tolerâncias de usinagem e por que são significativas? Continue lendo para descobrir como escolher a tolerância que se refere ao princípio da usinagem CNC.
Cada recurso em um componente possui um tamanho e uma forma geométrica. A função da peça envolve restrições de variação de tamanho e atributos geométricos (forma, orientação e posicionamento), que quando ultrapassadas prejudicam esta função. A maioria dos inspetores utiliza a solução de zona mínima para calcular tolerâncias de forma, o que minimiza o erro máximo entre os pontos de dados e um recurso de referência.
O instituto nacional americano de padrões (ANSI Y14.5M-1982), estabeleceu uma abordagem padronizada para o Padrão Nacional de Dimensionamento e Tolerância conhecido como Dimensão Geométrica e Tolerância (Padrão GD&T Y14.5). Uma abordagem padronizada para mostrar padrões de tolerância em desenhos de engenharia é estabelecida para aumentar o uso de especificações de tolerância como ferramenta de comunicação.
Para garantir que os aspectos de tamanho e geometria de todas as características sejam regulamentados, as tolerâncias no desenho devem ser completas, ou seja, nada deve ser assumido ou deixado ao critério da oficina ou do departamento de inspeção. O uso de tolerâncias gerais de tamanho e geometria torna mais fácil garantir que esse requisito seja atendido.
Os padrões de tolerância de forma são usados para regular os itens derivados porque os pontos do recurso derivado não podem ser amostrados diretamente. Esses pontos devem ser calculados usando pontos amostrados de fora. Mas como escolher a tolerância para usinagem CNC?
Bem, a dimensão geométrica e tolerância (padrão GD&T Y14.5) é útil para projetistas e fabricantes comunicarem informações de tolerância. Infelizmente, atualmente não existe um padrão para verificar especificações de tolerância.
Conforme dito anteriormente, diferentes materiais e processos de usinagem necessitam de várias tolerâncias. Isso significa que as tolerâncias de usinagem não são exatamente "padrão". No entanto, alguns fabricantes estabeleceram regras para aplicações específicas.
Algumas oficinas mecânicas exigem tolerâncias dos clientes e, se estas não forem fornecidas, eles se recusarão a trabalhar no componente ou usarão uma tolerância padrão de, digamos, ±0.005'' (0.127 mm). A tolerância pode ser maior ou menor que 0.005.
Tolerância geométrica permitida ISO 2768
Precauções de tolerância
Além disso, quais são os cuidados de tolerância que devem ser considerados para usinagem CNC? Existem vários aspectos significativos a serem considerados ao calcular as tolerâncias. Estes são discutidos abaixo;
- Material: Não há dois materiais semelhantes, e alguns são mais fáceis de trabalhar do que outros. Para definir tolerâncias, é crucial examinar a estabilidade térmica, dureza, rigidez e abrasividade do material.
- Técnica de usinagem: Como certos procedimentos são mais precisos que outros, o tipo de usinagem empregado pode ter um impacto significativo no resultado final.
- Acabamento e chapeamento: Pequenas quantidades de material são adicionadas à superfície de uma peça durante o chapeamento e acabamento, o que pode alterar as dimensões da peça apenas o suficiente para exigir uma tolerância diferente.
- Custo: A técnica é mais cara se você restringir a tolerância estritamente. É essencial manter uma tolerância precisa para permanecer econômico. É essencial garantir que sua tolerância seja precisa, mas não excessivamente.
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Tipos de Tolerância
Você conhece as categorias ASME de diferentes tipos de tolerância para fins de usinagem?
O Dimensionamento Geométrico e Tolerância (GD&T) especifica cinco tipos de tolerâncias em geral:
- Tolerâncias de forma: Uma tolerância geométrica fundamental que determina o formato da peça.
- Tolerâncias para perfis: define um limite ao redor de uma superfície dentro do qual os constituintes da superfície devem estar contidos.
- Tolerâncias para orientação: determina a orientação do formulário em relação a uma referência.
- Tolerâncias de localização: indica a posição do recurso em relação a uma referência.
- Desvio: quando uma peça é girada em um eixo, a flutuação de desvio do recurso de um alvo é especificada.
Rugosidade superficial para usinagem CNC
Há vários elementos a serem considerados ao escolher a rugosidade de superfície apropriada para seu projeto. Dependendo da aplicação do produto, da durabilidade desejada, se o item será polido ou pintado, da importância de dimensões precisas e do orçamento do projeto, a média de rugosidade (Ra) pode precisar ser maior ou menor.
Sob as mesmas tolerâncias dimensionais, os requisitos para rugosidade de superfície de suas peças de usinagem CNC variam dependendo da máquina. Esta é a questão da estabilidade da cooperação. Os critérios para a estabilidade e intercambialidade de peças usinadas variam no projeto e na fabricação de peças mecânicas para vários tipos de máquinas.
Mas quais são os diferentes tipos de usinagem e como você pode começar? Vamos dar uma olhada nesse campo em expansão. Os três tipos a seguir são representados no manual de design de peças mecânicas existente:
A rugosidade da superfície na usinagem CNC tem um impacto em como o objeto criado interage com seus arredores. Um acabamento típico de usinagem CNC 'como usinado' é suave ao toque com uma rugosidade média (Ra3.2), mas linhas de usinagem visíveis da ferramenta de corte são visíveis. A maioria das peças pode ser feita com essa quantidade de rugosidade, embora em alguns casos uma superfície mais lisa seja necessária. Ao desenvolver peças deslizantes, uma superfície mais lisa pode ser vantajosa, pois reduz o atrito entre as peças e melhora o desempenho do desgaste.
O primeiro é empregado principalmente em máquinas de precisão que exigem um alto nível de estabilidade de ajuste. Durante o serviço ou após montagem contínua, o limite de desgaste das peças usinadas não deve exceder 10% da tolerância dimensional das peças. Isso é utilizado principalmente nas superfícies de atrito de peças usinadas extremamente essenciais, como a superfície interna do cilindro, o pescoço do fuso de máquinas-ferramentas de precisão, o pescoço do fuso de mandriladoras coordenadas e brocas mais precisas que atendem a requisitos altamente específicos.
O outro é usado em equipamentos típicos de precisão que exigem alta estabilidade de ajuste, um limite de desgaste de componentes mecânicos não superior a 25% da precisão dimensional da peça usinada e uma superfície de contato muito próxima. Máquinas, ferramentas, superfícies que trabalham com rolamentos, furos cônicos e superfícies de contato que se movem em velocidades bem rápidas são todos exemplos de sua aplicação.
O terceiro tipo é usado principalmente em máquinas em geral onde o limite de desgaste das peças mecânicas não deve exceder 50% do valor de tolerância dimensional e não há superfícies de contato para peças móveis relativas, da mesma forma superfícies apertadas, chaves e superfície de trabalho de rasgos de chaveta; superfície de contato com baixa velocidade de movimento relativo, bem como um furo de suporte, bucha, superfície de trabalho com um furo para o eixo da roda, redutor e assim por diante.
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Relacionamento entre Rugosidade e Tolerância
Agora, como a rugosidade e a tolerância se relacionam na usinagem por controle numérico computadorizado (CNC)?
A rugosidade superficial compatível com o nível de tolerância é a mais utilizada.
Se quanto menores forem os requisitos de precisão dimensional para componentes mecânicos, menor será o valor da rugosidade superficial das peças mecânicas. No entanto, não existe qualquer ligação funcional estabelecida entre eles em circunstâncias normais. Algumas máquinas e instrumentos exigem superfícies muito lisas, por exemplo; cabos, volantes, equipamentos sanitários, máquinas alimentícias e peças mecânicas com superfície alterada.
Isso significa que os requisitos de rugosidade superficial são altos, mas os requisitos de tolerância dimensional são baixos. Em circunstâncias típicas, o nível de tolerância e o valor da rugosidade superficial dos itens de usinagem CNC com requisitos de tolerância dimensional têm uma relação razoável.
De acordo com alguns manuais e monografias de projeto de componentes mecânicos, existem muitas fórmulas de cálculo disponíveis. Representa a relação entre a rugosidade da superfície e as tolerâncias dimensionais das peças mecânicas. Você pode ler a lista de fórmulas para escolher.
Quando você realmente lê. Você notará que a mesma fórmula empírica é usada com valores diferentes. Pode causar confusão para as pessoas que têm conhecimentos muito limitados nesta área. Simultaneamente, torna mais complexa a seleção da rugosidade superficial no trabalho de peças mecânicas.
Seleção do Princípio de Tolerância para Máquina CNC
A usinagem por Controle Numérico Computadorizado (CNC) exige extrema precisão. Nesta profissão, mesmo milímetros podem levar a erros graves. Infelizmente, nenhuma máquina pode garantir 100% de precisão o tempo todo.
Portanto, qual princípio básico de tolerância deve ser adotado para usinagem CNC? Vamos explorar isso juntos.
Como sabemos, tolerância é o controle da exatidão das peças usinadas CNC. Existem tolerâncias padrão para itens usinados CNC, como roscas, cortes e tubos. Tolerâncias padrão são necessárias para peças usinadas controladas numericamente para uma variedade de aplicações. Quando o cliente não seleciona o nível de tolerância, a maioria dos serviços de fresamento CNC fornece ±0.1 mm, que também é o padrão típico de tolerância de componente de usinagem CNC especificado pelo engenheiro mecânico. As organizações padrão mundiais mais frequentes que definem tolerâncias de usinagem CNC são (ISO) Organização Internacional de Padronização, (ASME) Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos e outras. Agora discuta-os em profundidade.
Basicamente, a Organização Internacional de Normalização (ISO 2768) a norma é dividida em duas partes, cada uma delas visando simplificar os desenhos, estabelecendo níveis de precisão como regras gerais:
- Tolerância geral: Seus níveis são descritos como f-fino, m-médio, c-grosso e v-muito grosso para dimensões lineares e angulares.
- Tolerância geométrica; As classes de tolerância H, K e L estabelecem tolerâncias geométricas para recursos com diferentes níveis de precisão.
A título de ilustração, um desenho poderia ser designado como Organização Internacional de Padronização ISO 2768-mK, o que significa que ele deve aderir aos limites de tolerância para as classes de tolerância "média" da Parte 1 e "K" da Parte 2. Você pode simplificar seu desenho incluindo a especificação ISO 2768 e evitar especificar tolerâncias para cada dimensão e recurso.
A norma é formada por diretrizes gerais porque há situações em que uma dimensão de uma peça requer uma tolerância mais restrita do que aquelas definidas pela ISO 2768. Tais ocorrências são comuns, portanto, revise o bloco de título do desenho para obter requisitos de tolerância geral e anote quaisquer requisitos especiais. especificações de peças ou requisitos de projeto.
Considerando que a Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos(ASME Y14. 5) padrão especifica símbolos, definições e regulamentações de dimensionamento e tolerância geométrica. O propósito do padrão é garantir que informações detalhadas sejam fornecidas claramente em todo o processo de projeto e fabricação de componentes mecânicos.
Basicamente, informa ao pessoal e ao equipamento de fabricação o quão exato e preciso cada recurso regulamentado da peça precisa ser. Em desenhos de engenharia e modelos sólidos tridimensionais gerados por computador, a Tolerância Geométrica e de Dimensões (GD&T) utiliza uma linguagem simbólica que expressa a geometria nominal e sua variação permitida.
Quadro de controle de recursos
As tolerâncias são escolhidas de acordo com o processo de produção. Normalmente, quanto maior a tolerância, menor o custo. Excessivo seleção de tolerância carrega o risco de falhas de desempenho reais e futuras, deterioração do serviço, inconveniência funcional e aparência ruim. Limitar tolerância é o mais prático e amplamente utilizado. Permite a seleção arbitrária de tolerâncias para uma cadeia de medições e garante um bom ajuste, mas não leva em consideração os custos de produção.
Os métodos padrão para determinar tolerâncias não maximizam diretamente custos e tolerâncias. Seu foco principal é definindo tolerâncias para que o design funcione primeiro e, de preferência, seja o mais barato.
A linha inferior
Conseqüentemente, qual é exatamente a relação entre rugosidade superficial e nível de tolerância na usinagem CNC?
A textura média da superfície de uma peça é medida pela rugosidade da superfície. A rugosidade da superfície que é compatível com o nível de tolerância é a mais comumente usada. Quanto menores os requisitos de precisão dimensional para componentes mecânicos, menor o valor de rugosidade da superfície das peças mecânicas, no entanto, não há um vínculo de função permanente entre elas em circunstâncias normais.
A International Organization for Standardization (ISO) e a American Society of Mechanical Engineers (ASME) são as duas organizações de padrões internacionais mais comuns que determinam tolerâncias de usinagem CNC. Um acabamento de usinagem CNC comum 'como usinado' é suave ao toque com uma rugosidade média (Ra3.2). Se estes não estiverem disponíveis, uma tolerância padrão é usada como ± 0.005" (0.127 mm).
