9.2 – Guias

Guias são elementos estruturais que permitem a um componente deslizar ao longo de outro em um padrão dado. Em guias lineares, o padrão de movimento é retilíneo e geralmente restrito a um grau de liberdade.

As guias são um dos elementos fundamentais, tal qual a árvore e outros sistemas, em uma máquina-ferramenta e constituem uma parte delicada da máquina As guias são responsáveis por guiar a ferramenta na região de corte. Como todas as demais partes de uma máquina-ferramenta, estas devem ser construídas suficientemente rígidas, para que as variações de forma que se originam da ação de forças estáticas e dinâmicas, ou dos movimentos, não venham a exceder limites estabelecidos, prejudicando tanto a exatidão geométrica quanto dimensional (Stoeterau, 1992).

As guias podem ser classificadas de quatro formas distintas:

·        Quanto à forma da seção transversal;

·        Quanto à forma de movimento;

·        Quanto aos graus de liberdade;

·        Quanto à forma de restrição à rotação ao longo do eixo de translação.

Quanto à forma, as guias são classificadas em cilíndricas ou prismáticas. Independente da seção transversal ao eixo, o elemento móvel pode envolvê-la completa ou parcialmente, o que complementa a classificação de forma através da denominação guia aberta ou fechada. O envolvimento completo assegura que este não seja arrancado da guia quando da translação por meio de uma rotação indesejada do elemento móvel (Stoeterau, 1992).

As guias cilíndricas são as formas mais simples de guias lineares e encontram várias aplicações em mecânica de precisão, tais como em unidades de disco flexíveis, impressoras e outros periféricos de computadores, bem como em máquinas-ferramentas e sistemas de medição (Stoeterau, 1992; Thyer, 1991).

As primeiras aplicações de guias prismáticas em duplo V em tornos são atribuídas ao francês Vaucanson em 1765, mas só encontraram grande aceitação no século seguinte, por intermédio de Mausdlay em 1800 (Moore, 1989; Thyer, 1991). As guias lineares de seção transversal prismática ou angular foram, e ainda são, amplamente utilizadas em máquinas-ferramenta, e suas formas construtivas variam de fabricante para fabricante. Observando a evolução das máquinas-ferramentas através dos anos, pode-se concluir que quase sempre se utilizaram guias prismáticas para absorção de forças, independente da posição plana ou inclinada. O deslizamento entre o carro-porta-ferramentas e as guias é garantido por um filme lubrificante, que pode ser líquido ou sólido (Stoeterau, 1992).

Da mesma forma que os mancais rotativos foram classificados na figura 15, as guias também apresentam os mesmos princípios construtivos. Alguns desses princípios construtivos serão avaliados de acordo com alguns requisitos funcionais utilizados na seleção de guias, os quais são:

• Custo;
• Capacidade de carga;
• Facilidade de fabricação;
• Rigidez;
• Precisão de deslocamento, o que engloba a suavidade de movimento;
• Desgaste com o uso. Isto define a freqüência com guia deve sofrer manutenção para poder operar corretamente.

O primeiro sistema de guias baseado em elementos rolantes lineares, de que se têm notícias foi desenvolvido por Gretsh e patenteado na França em 1932. Tratava-se de uma guia com duas carreiras de esferas recirculantes montadas em um bloco que deslizava sobre um trilho com canais em forma circular (Guimenes, 1988; Motion & Control, 1994).

As guias de elementos rolantes em máquinas-ferramenta apresentam como principais vantagens a maior precisão de posicionamento e a maior velocidade de avanço, permitindo um aumento de produtividade de 20 a 30% em relação às guias de deslizamento.

Os bons resultados apresentados pelas guias lineares com elementos rolantes devem-se às forças de suporte puramente elásticas, as quais são produzidas por deformação elástica de contato das esferas. Contudo, estas guias apresentam um campo de utilização limitado, tanto pela rigidez possível de se obter quanto pelo baixo ou inexistente amortecimento, o que diminui sua precisão no deslocamento (Guimenes, 1988; Motion & Control, 1994). Nas tabelas 3 e 4 são feitas comparações entre os tipos de guias de elementos rolantes.

Tabela 3 - Matriz de comparação das guias de rolamento.

    Tabela 4 - Matriz de comparação das guias de rolamento com elementos externos.

As guias lubrificadas a filme fluido foram desenvolvidas como alternativas às guias de escorregamento e de elementos rolantes, como resultado da demanda por maiores precisões e velocidades de deslocamento. As primeiras guias lubrificadas a filme fluido utilizavam-se de lubrificação hidrodinâmica, sendo aprimoradas a partir das guias de escorregamento com a adição de rebaixos que retinham o fluido lubrificante, formando bolsas de lubrificação. As guias hidrostáticas surgiram quando se percebeu que a lubrificação hidrodinâmica era falha e provocava instabilidades.

Os principais fluidos em uso atualmente são óleo e ar, e apresentam as mesmas vantagens e desvantagens do seu emprego em mancais a filme fluido. Contudo, publicações recentes apontam para o uso de água como fluido lubrificante em guias. O uso da água como fluido lubrificante remonta aos trabalhos pioneiros de Maxwell. Apesar de suas vantagens frente aos óleos, esta foi preterida em relação aos últimos devido à corrosão associada a ela, problema só superado com a introdução de elementos de máquinas em materiais cerâmicos, naturalmente resistentes à corrosão.

As guias lubrificadas a filme fluido proporcionam características superiores, sendo as que mais se destacam:

• Deslocamento suave, isento de stick-slip;
• Possibilidade de deslocamentos rápidos;
• Capacidade de carga alta para as guias a óleo e baixa para as guias a ar;
• Elevada precisão de posicionamento, devido à inexistência de atrito;
• Baixo amortecimento e elevada rigidez (Stoeterau, 1992).

Guias lubrificadas a filme fluido e que são empregadas em máquinas-ferramentas de ultraprecisão e instrumentos de medição requerem um projeto específico e uma fabricação precisa, o que as tornam elementos caros. A tabela 5 compara estas guias.

Tabela 5 - Matriz de comparação das guias a filme fluido.

FORMA	CILÍNDRICAS			PRISMÁTICAS
TIPO	PARCIAL
REBAIXO	SEM	COM	RESTR. EXT.		SEM	COM
Custo	MÉDIO	ALTO	ALTO		MUITO ALTO	MUITO ALTO
Capacidade de carga	MÉDIA	ALTA	ALTA		ALTA	ALTA
Fabricação	FÁCIL	MÉDIA	MÉDIA		DIFÍCIL	DIFÍCIL
Rigidez	MÉDIA	MÉDIA	MÉDIA		MÉDIA	MÉDIA
Amortecimento	MÉDIO	MÉDIO	MÉDIO		MÉDIO	MÉDIO
Precisão de deslocamento	MÉDIA	ALTA	ALTA		ALTA	ALTA
Desgaste	NÃO	NÃO	NÃO		NÃO	NÃO

TIPO	COMPLETA
REBAIXO	SEM	COM	RESTR. EXT.	SEM	COM
Custo	MÉDIO	ALTO	ALTO	MUITO ALTO	MUITO ALTO
Capacidade de carga	MÉDIA	ALTA	ALTA	ALTA	ALTA
Fabricação	FÁCIL	MÉDIA	MÉDIA	DIFÍCIL	DIFÍCIL
Rigidez	MÉDIA	MÉDIA	MÉDIA	MÉDIA	MÉDIA
Amortecimento	ALTO	ALTO	ALTO	ALTO	ALTO
Precisão de deslocamento	MÉDIA	ALTA	ALTA	ALTA	ALTA
Desgaste	NÃO	NÃO	NÃO	NÃO	NÃO

Outro tipo distinto de guias existentes é o das guias especiais ou mancais barra de torção, que são aqueles capazes de realizar movimentos de rotação ou translação limitada, através da torção de uma barra de tensão. Os mancais barra de tensão e pivotados são amplamente utilizados em aplicações de mecânica de precisão, em especial aquelas que necessitam de pequenas rotações ou deslocamentos, ou onde os requisitos de paralelismo no deslocamento linear ou precisão no deslocamento angular são necessários. Esses mancais utilizam as características elásticas dos componentes para promoverem pequenos deslocamentos. A Figura 25 mostra alguns exemplos de guias especiais.

Figura 25 – Guias especiais.

A seleção de uma guia deve ser fundamentada em uma série de fatores, como custo, dimensões, curso, tipo de carregamento, grau de precisão desejado, tipo de movimento, ambiente de operação, entre outros. Em geral, embora existam princípios construtivos distintos, variando de fabricante para fabricante, as guias mantêm as concepções gerais apresentadas anteriormente, sendo as formas mais simples de guias lineares as de seção normal angular e as cilíndricas.

As guias de escorregamento ou com lubrificação hidrodinâmica, de forma geral, não são utilizadas em máquinas-ferramentas para usinagem de precisão e ultraprecisão, em função do stick-slip elevado que apresentam. No entanto, tradicionais fabricantes como empresa Moore Tools Co. obtiveram excelentes resultados com a utilização de guias prismáticas com lubrificação hidrodinâmica em suas máquinas-ferramentas de alta precisão (Patterson, 1986).

As guias com elementos rolantes, ou pré-formados, são utilizadas com restrições porque as diferenças geométricas e dimensionais entre os elementos rolantes são uma importante fonte de vibrações e imprecisões durante o deslocamento.

Como os esforços de usinagem em máquinas-ferramentas de alta e de ultraprecisão são pequenos, a utilização da lubrificação a ar proporciona características superiores, que vêm a se somar às vantagens encontradas nas guias com elementos rolantes.

Atualmente se observa uma tendência entre os fabricantes de máquinas-ferramentas de ultraprecisão, no sentido de adotar guias hidrostáticas em substituição das guias aerostáticas, em função da alta rigidez e capacidade de carga que estas proporcionam (König, 1991; Slocum et al, 1995; Sakai, 1984; Donaldson e Maddux, 1984; Bispink, 1992; Weck et al, 1998).

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