LABORATRIO DE ENSINO E PESQUISA EM USINAGEM FACULDADE DE ENGENHARIA MECNICA UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLNDIA

USINAGEM DOS METAIS

Prof. lisson Rocha Machado, PhD. Prof. Marcio Bacci da Silva, PhD.

8. verso, Abril de 2004

P R E F C I O

A idia de realizar este trabalho surgiu aps o meu retorno da Inglaterra em 1990, onde, durante os 4 anos anteriores, desenvolvi um programa de doutorado no Manufacturing Group da University of Warwick na cidade de Coventry, sob a orientao do prof. Dr. James Wallbank, mesmo pesquisador que veio mais tarde orientar tambm o prof. Marcio Bacci da Silva, com doutorado concludo em outubro de 1998. Assim que reassumi o posto de professor na Universidade Federal de Uberlndia, responsvel pela disciplina de Usinagem na graduao em Engenharia Mecnica e uma outra similar na ps-graduao, senti muita dificuldade de continuar adotando o clssico livro Fundamentos da Usinagem dos Metais do saudoso prof. Dr. Dino Ferraresi, que at ento era o insubstituvel livro texto da disciplina. Esta obra continua sendo uma das mais valiosas referencias sobre o assunto de usinagem convencional na lngua Portuguesa. Entretanto, ele foi elaborado no final da dcada de 60 e editado no incio da dcada seguinte pela Editora Edgard Blcher Ltda. Mais de 30 anos, portanto, j se passaram, e neste perodo, novas tcnicas e mtodos de investigao foram desenvolvidos e importantes contribuies cientficas foram publicadas. Os principais conceitos apresentados na obra do Prof. Ferraresi no mudaram, mas muito se aprendeu neste perodo e estes conceitos foram enriquecidos e, possivelmente, tornaram-se mais compreensveis. Alm disto, tpicos como materiais de ferramentas e fluidos de corte tiveram e vem tendo avanos tecnolgicos considerveis nos ltimos anos o que exige constante atualizao. Aproveitando parte de uma grande reviso bibliogrfica que havia feito na Inglaterra no final da dcada de 80 e tendo como base conceitual os trabalhos do Dr. Trent, orientador de doutorado do prof. Wallbank e autor do livro Metal Cutting, editado pela Butterworths Londres, j na sua terceira edio de 1991, considerado por mim a Bblia dos profissionais da usinagem, resolvi ento produzir algumas notas de aulas que, juntamente com as contribuies do Prof. Marcio Bacci da Silva se tornaram mais tarde este modesto trabalho. Desde o original de 1993, vrias correes foram feitas. Na realidade, a cada nova impresso, corrigimos erros de ortografia e tentamos melhorar a redao. Nesta edio, a grande mudana est no captulo 10 - Materiais para Ferramentas de Corte. O texto foi totalmente substitudo, apresentando uma abordagem mais completa sobre o assunto, que na opinio dos autores, a parte que mais se desenvolve com o avano tecnolgico.

Devo citar que experincias prticas obtidas com profissionais da rea substituiram muitas horas de estudo e consulta, que contriburam sobremaneira pela fidelidade de informaes apresentadas. Entre eles, destaca-se o dinamismo e a perspiccia dos Engos Antnio Maria de Souza Jnior da Fiat Automveis S/A; Achille Sotrios de Liambos Jnior da Shell do Brasil S/A e Francisco Carlos Marcondes e Joo Carocela, da Sandvik do Brasil S/A, Prof. Marcus Antonio Viana Duarte (UFU), Prof. Gilmar Guimares (UFU), Prof. Alexandre Mendes Abro (UFMG) e Prof. Anselmo Eduardo Diniz (Unicamp).

Agradeo muito a contribuio do tcnico do LEPU Laboratrio de Ensino e Pesquisa em Usinagem da Universidade Federal de Uberlndia, Reginaldo Ferreira de Souza, responsvel pela elaborao prtica de todas pesquisas ali desenvolvidas que contriburam para o enriquecimento de formao de idias.

Trabalho importante, tambm, tiveram a Srta. Maria das Graas Daud, na primeira edio deste texto e os tcnicos desenhistas Mrcio Mellazo e Jlio C.R. Ferreira na reproduo em AutoCAD de grande parte das figuras apresentadas.

Finalmente, mas nunca menos importante foram as contribuies dos meus alunos e ex-alunos de graduao e ps-graduao. Todos, sem restries, tm uma parcela de responsabilidade por este trabalho. No poderia deixar, entretanto, de citar alguns nomes, pois eles foram responsveis diretos por parcelas de diferentes contedos e informaes aqui contidas. So eles Wisley Falco Sales, Marcelo Ferreira Motta, Jalon de Morais Vieira, Anderson Clayton Alves de Melo, Estevam Marcos de Souza, Jlio Romero Santos Fernandes, Eurpedes Barsanulpho Luz Jnior e Marcelo Fonseca Barbosa. Este ltimo ainda foi responsvel pelo rduo trabalho de editorao e diagramao desta apostila, tarefa executada com perfeio.

Prof. lisson Rocha Machado

30.03.99

U S I N A G E M D O S M E T A I S

SUMRIO

1. INTRODUO ...................................................................................................... 1

2. GRANDEZAS FSICAS NO PROCESSO DE CORTE ......................................... 7

3. NOMENCLATURA E GEOMETRIA DAS FERRAMENTAS DE CORTE ........... 16

4. FORMAO DO CAVACO ................................................................................ 38

5. CONTROLE DE CAVACO .................................................................................. 49

6. A INTERFACE CAVACO - FERRAMENTA ....................................................... 58

7. FORA, PRESSO ESPECFICA E POTNCIA DE USINAGEM .................... 79

8. TENSES E DEFORMAES EM USINAGEM ................................................ 90

9. TEMPERATURA DE CORTE ............................................................................. 95

10. MATERIAIS PARA FERRAMENTAS DE CORTE ........................................... 108

11. DESGASTE E MECANISMOS DE DESGASTE DAS FERRAMENTAS DE

CORTE .............................................................................................................. 165

12. VIDA DA FERRAMENTA E FATORES QUE A INFLUENCIAM ...................... 206

13. FLUIDOS DE CORTE ....................................................................................... 211

14. INTEGRIDADE SUPERFICIAL ......................................................................... 222

15. ENSAIOS DE USINABILIDADE ....................................................................... 234

16. CONDIES ECONMICAS DE CORTE ....................................................... 240

17. CONSIDERAES AO MATERIAL DA PEA ................................................ 248

1

C A P T U L O 1

INTRODUO

Usinagem um processo de fabricao. Mas o que fabricao e qual a sua importncia? A maioria dos livros especializados da rea define: Fabricar transformar matrias primas em produtos acabados, por vrios processos, seguindo planos bem organizados em todos os aspectos. A importncia da fabricao pode ser melhor entendida ao observarmos que todos os objetos culturais, ao nosso redor, tm formas e dimenses diferentes, com rarssimas excees. Alm disso, todo objeto feito de um ou mais materiais e transformado em produto acabado por uma larga variedade de processos. Portanto, no nenhuma surpresa que nos pases industrializados a fabricao compreende um tero do produto interno bruto [1] (valor de todos os produtos e servios produzidos). A fabricao utilizada desde o incio da civilizao, com a produo de vrios artigos de madeira, pedra, cermica, barro e metal. Houve muito desenvolvimento com o passar dos anos, e nos dias atuais uma grande quantidade de materiais e processos esto disponveis, para fabricar produtos que variam desde um simples componente, como uma esfera de ao, at produtos altamente sofisticados, como computadores, automveis e aeronaves supersnicas.

Para se ter uma idia do nmero de fatores que devem ser considerados num processo de fabricao Kalpakjian [1] usou o exemplo da produo de um simples artigo: o clipe. Primeiro ele deve ser projetado para atender o requisito funcional que segurar folhas de papis juntas. Para tanto, ele deve exercer uma fora suficiente para evitar o deslizamento de uma folha sobre a outra. Eles so, geralmente, feitos de arame de ao, embora hoje se encontra no mercado clipe de plstico. O comprimento do arame requerido para sua fabricao cortado e ento dobrado vrias vezes, para dar a forma final prpria. Por sua vez, o arame feito por um processo de trefilao a frio. Neste processo a seo transversal de uma haste longa reduzida, ao passar por uma matriz de fieira, que tambm confere algumas propriedades mecnicas ao material, como resistncia e dureza. A haste por sua vez, obtida por processos como a trefilao e a extruso de um lingote. Para evitar delongas, nenhuma informao quanto ao processo de obteno deste lingote ser abordada. A fabricao de um simples clipe envolve projeto, seleo de um material adequado e seleo de um mtodo de fabricao para atender os requisitos de servio do artigo. As selees so feitas no somente com base em requisitos tcnicos, mas tambm com base nas consideraes econmicas, para minimizar os custos para que o produto possa ser competitivo no mercado.

O projetista de produtos ou engenheiro projetista, especifica formas e dimenses do produto, sua aparncia, e o material a ser usado. Primeiro so feitos os prottipos do produto. Neste estgio, possvel fazer modificaes, tanto no projeto original como no material selecionado, se anlises tcnicas e/ou econmicas assim indicarem. Um mtodo de fabricao apropriado ento escolhido pelo engenheiro de fabricao. A Figura 1.1 mostra um diagrama do procedimento correto para se chegar etapa de fabricao.

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Fabricao

Desenho

Avaliao Final

Reviso do Projeto o

Avaliao

Teste do Prottipo

Modelos Fsicos e Analticos

Anlise do Projeto

Projeto do conceito

Conceito Original

Necessidade do Produto

Especificao do Material; Seleo do Processo de Fabricao e de Equipamentos; Projeto e Construo de Ferramentas e Matrizes

Figura 1.1. Diagrama mostrando o procedimento requerido para o projeto de um produto, que so etapas que antecedem a fabricao.

A seleo do material requer conhecimentos dos requisitos funcionais e de servio do produto, e dos materiais disponveis para preencher estes requisitos. O tratamento deste assunto requer um passeio nas propriedades dos materiais e envolve tambm consideraes de custo, aparncia, acabamento superficial, resistncia corroso etc., que foge do escopo prtico deste curso, e portanto no sero aqui abordados. Uma vasta bibliografia [1 - 4] porm, est disponvel sobre o assunto.

Nos processos de fabricao, geralmente, haver mais de um mtodo que poder ser empregado para fabricar um componente. A seleo de um mtodo particular sobre outros vai depender de um grande nmero de fatores. Alm disto, o produto final, geralmente, o resultado de muitos processos diferentes. Na seleo do processo, os seguintes fatores devem ser considerados [1]:

Tipo do material e suas propriedades. Propriedades finais desejadas. Tamanho, forma e complexidade do componente. Tolerncias e acabamento superficial requeridos. Processo subsequente envolvido. Projeto e custo de ferramental; efeito do material na vida da ferramenta ou matriz. Sucata gerada e seu valor. Disponibilidade do equipamento e experincias operacionais. Lead time necessrio para iniciar produo. Nmero de partes requeridas e taxa de produo desejada.

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Custo total de processamento.

O engenheiro responsvel, portanto, tem que ter grande conhecimento dos processos e dos materiais envolvidos. Caractersticas especficas de cada processo podem ser encontradas em [1,2,5]. evidente que a fabricao de um produto, seja ele um clipe, uma lmpada, uma calculadora ou um automvel, alm de conhecimentos de projeto, materiais e processos, requer tambm grande interao entre os diversos setores dentro da empresa. E quanto mais complexo o produto, maior a necessidade de comunicao entre eles.

Um fato que no se pode deixar de registrar a utilizao de computadores nos dias atuais, em todas as etapas da manufatura. A automatizao dos processos de fabricao nos leva hoje aos mais sofisticados Sistemas Flexveis de Manufatura FMS (Flexible Manufacturing System), CAD (Computer Aided Design Projeto Assistido por Computador), CAM (Computer Aided Manufacturing Fabricao assitida por Computador), CAE (Computer Aided Engineering Engenharia Assistida por Computador), CAPP (Computer Aided Process Planning Planejamento do Processo Assistido por Computador), CBS (Computer Business Systems Sistemas de Negcios Computadorizados), CIM (Computer Integrated Manufacturing Fabricao Integrada por Computador), entre outras, que so siglas bastante populares que tm como caracterstica comum, o emprego do computador, eliminando falhas comuns do passado e aperfeioando e automatizando as vrias etapas de um processo produtivo.

No meio deste processo existem as mquinas com comando numrico, NC (Numerical Control Controle Numrico), CNC (Computer Numerical Control Controle Numrico Computadorizado) e DNC (Direct Numerical Control Controle Numico Direto), que podem fazer parte de um sistema CAM. O emprego dessas mquinas revolucionou o processo produtivo, tendo impactos nos materiais de ferramentas, projetos de mquinas, mo de obra, qualidade do produto final e custos de fabricao. Entretanto, a discusso detalhada desses sistemas foge dos objetivos deste curso e aprofundamento do assunto encontrado em [6].

A Figura 1.2 mostra a classificao dos processos de fabricao, destacando a USINAGEM.

Ao observar esta Figura uma definio simples de usinagem pode ser gerada: Processo de fabricao com remoo de cavaco. Na realidade, ao consultar a bibliografia, diferentes definies de usinagem sero encontradas. Uma bastante abrangente a seguinte [7]: Operao que ao conferir pea a forma, ou as dimenses ou o acabamento, ou ainda uma combinao qualquer destes trs itens, produzem cavaco. E por cavaco entende-se [7]: Poro de material da pea, retirada pela ferramenta, caracterizando-se por apresentar forma geomtrica irregular.

A usinagem reconhecidamente o processo de fabricao mais popular do mundo, transformando em cavacos algo em torno de 10% de toda a produo de metais, e empregando dezenas de milhes de pessoas em todo o mundo [8].

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Processos deFabricao

SEM remoode cavaco Conformao

Outros

Fundio Soldagem Metalurgia do p

Laminao Extruso Trefilao Forjamento Estampagem

COM remoode cavaco

USINAGEM

No-Convencional

Jato dgua Jato abrasivo Fluxo abrasivo Ultrasom Eletroqumica Eletroeroso Feixe de eltrons Laser Plasma Qumica Fotoqumica

etc......

Convencional

Torneamento Fresamento Furao Aplainamento Mandrilamento Serramento Brochamento Roscamento Retificao

etc......

Figura 1.2. Classificao dos processos de fabricao.

Apesar desta popularidade, trata-se, ainda, de um processo bastante imprevisvel e a definio paradoxal que se segue, relata com preciso toda a sistemtica que envolve o mesmo: um processo, complexo e simples ao mesmo tempo, onde se produzem peas, removendo-se excesso de material, na forma de cavacos. complexo devido s dificuldades em se determinar as imprevisveis condies ideais de corte. simples porque, uma vez determinadas as condies ideais de corte, o cavaco se forma corretamente, dispensando qualquer tipo de ao especial do operador. As condies ideais de corte consistem de: (1) material e geometria adequada da ferramenta de corte; (2) velocidade de corte e avano adequados para uma profundidade de corte pr-determinada; (3) fluido de corte adequado; tudo isto para ser usado em uma mquina-ferramenta pr-escolhida, para usinar um determinado material. Estas condies ideais de corte so aquelas capazes de produzir peas dentro de especificaes de forma, tamanho e acabamento ao menor custo possvel.

Usinagem tem ainda a peculiaridade de ser um processo essencialmente prtico, envolvendo um nmero de variveis bastante grande. Shaw [9] resume o problema da seguinte maneira . praticamente impossvel PREVER a performance no corte dos metais. Entretanto, isto no quer dizer que estudos detalhados dos processos de usinagem no tm valor. Cada ponto fundamental que detalhadamente estudado e propriamente interpretado contribui para o

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ENTENDIMENTO do processo, e entendimento o passo mais prximo da capacidade de prever.

A seguir, um exaustivo nmero de definies se faz necessrio, nos captulos: Grandezas Fsicas no Processo de Corte e Nomenclatura e Geometria das Ferramentas de Corte, para compreenso dos captulos subsequentes, que so: Formao do Cavaco, A Interface Cavaco-Ferramenta, Fora, Presso Especfica e Potncia de Usinagem, Tenses e Deformaes em Usinagem, Temperaturas de Corte, Materiais para Ferramentas de Corte, Desgaste e Mecanismos de Desgaste das Ferramentas de Corte, Vida da Ferramenta e Fatores que a Influenciam, Fluidos de Corte, Integridade Superficial, Ensaios de Usinabilidade, Condies Econmicas de Corte e Consideraes ao Material da Pea.

Sem dvidas a abordagem de todos esses tpicos faz deste curso um dos mais completos sobre a usinagem dos materiais metlicos. As maneiras que sero tratadas esses tpicos tm como objetivo oferecer informaes suficientes para que o engenheiro ou o tcnico de usinagem possa compreender de maneira simples, complicadas teorias sobre o processo de usinagem. O entendimento de tpicos importantes, como: O Mecanismo de Formao do Cavaco, Gerao de Calor e Distribuio de Temperatura, Foras de Usinagem e Desgaste das Ferramentas de Corte, coloca o tcnico de Usinagem estimulado e seguro nas tomadas de decises para melhoria do processo produtivo. Pelo menos, este o maior objetivo deste curso. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

1. KALPAKJIAN, S. Manufacturing Processo for Engineering Materials. Addison-Wesley Publixhing Company, 1985, 839 pags, ISBN 0-201-11690-1.

2. DE CARMO, E.P.; BLACK, J.T. and KOHSER, R. Materials and Process in Manufacturing, Macmillan Pub. Com., New york, 7th edition, 1988, 1172 pages, ISBN 0-02-946140-5.

3. ASKELAND, D.R. The Science and Engineering of Materials, PWS Publishers, USA, 1984, 748 pages, ISBN 0-534-02957-4.

4. CHIAVERINE, V. Aos e Ferros Fundidos, ABM, So Paulo, 4a edio, 1979, 504 pags.

5. LINDBERG, R.A. Processes and Materials of Manufacture, Allyn and Bacon, USA, 4th edition, 1990, 864 pags, ISBN, 0-205-12031-8.

6. GROOVER, M.P. Automation, Production Systems, and Computer Integrated Manufacturing, Prentice Hall Int., Ed., USA, 1987, 808 pags, ISBN 0-13-054610-0.

7. FERRARESI, D. Fundamentos da Usinagem dos Metais, Editora Edgard Blcher Ltda, So Paulo, 1970, 751 pags.

8. TRENT, E.M. Metal Cutting 2nd Edition, Butterworths, ISBN 0-408-10856, 245 pags.

9. SHAW, M.C. Metal Cutting Principles, Oxford University Press, 1984, ISBN 0-19-859002-4, 594 pags.

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C A P T U L O 2

GRANDEZAS FSICAS NO PROCESSO DE CORTE

2.1. INTRODUO

O princpio usado em toda mquina ferramenta para se obter a superfcie desejada providenciar um movimento relativo apropriado entre a pea e a ferramenta, escolhida adequadamente. Assim, para o estudo da usinagem necessrio a definio das grandezas fsicas no processo de corte.

A norma ABNT NBR 6162/1989 Movimentos e Relaes Geomtricas na Usinagem dos Metais Terminologia [1], trata justamente destes conceitos. A seguir so apresentadas algumas definies bsicas baseadas nesta Norma.

Os conceitos se referem a um ponto genrico da aresta cortante, dito Ponto de Referncia. Nas ferramentas de barra este ponto fixado na parte da aresta cortante prximo ponta da ferramenta. 2.2. MOVIMENTOS

Os movimentos no processo de usinagem so movimentos relativos entre a pea e a aresta cortante. Se referem pea considerada parada.

Devem se distinguir dois tipos de movimentos, os que causam diretamente a sada de cavaco e os movimentos que no tomam parte diretamente na retirada de cavaco. Movimentos que causam diretamente a sada do cavaco

Movimento de Corte: movimento entre a pea e a ferramenta, o qual sem o movimento de avano origina somente uma nica retirada de cavaco.

Movimento de Avano: movimento entre a pea e a ferramenta, o qual juntamente com o movimento de corte origina retirada contnua de cavaco.

Movimento Efetivo: movimento resultante dos movimentos de corte e avano, realizados ao mesmo tempo.

Movimentos que no tomam parte direta na formao do cavaco

Movimento de Aproximao: movimento entre a pea e a ferramenta, com a qual a ferramenta, antes da usinagem, aproximada pea.

Movimento de Ajuste: movimento entre a pea e a ferramenta para se determinar a espessura de material a ser retirada (ou a profundidade de corte).

Movimento de Correo: movimento de correo entre a pea e a ferramenta para se compensar o desgaste da ferramenta, ou outra variao.

Movimento de Recuo: movimento entre a aresta de corte e a pea, com o qual a ferramenta, aps a usinagem, afastada da pea.

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2.3. DIREES DOS MOVIMENTOS

Deve-se distinguir as direes dos movimentos que causam diretamente a retirada de cavaco.

Direo de Corte: direo instantnea do movimento de corte. Direo de Avano: direo instantnea do movimento de avano. Direo Efetiva: direo instantnea do movimento efetivo de corte.

Definies anlogas so vlidas para os movimentos que no causam a retirada de cavaco diretamente.

As Figuras 2.1, 2.2 e 2.3 ilustram essas direes para o torneamento, furao e fresamento, respectivamente.

Figura 2.1. Direo dos movimentos de corte, de avano e efetivo, no torneamento.

Figura 2.2. Direo dos movimentos de corte, de avano e efetivo, na furao.

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Figura 2.3. Direo dos movimentos de corte, de avano e efetivo, no fresamento discordante.

2.4. PERCURSOS DA FERRAMENTA NA PEA

Percurso de Corte Lc: o espao percorrido pelo ponto de referncia da aresta cortante sobre a pea, segundo a direo de corte.

Percurso de Avano Lf: o espao percorrido pelo ponto de referncia da aresta cortante sobre a pea, segundo a direo de avano. Nos casos em que haja movimento de avano principal e avano lateral, devem-se distinguir as componentes do percurso de avano.

Percurso Efetivo Le: o espao percorrido pelo ponto de referncia da aresta cortante sobre a pea, segundo a direo efetiva do corte.

A Figura 2.4 ilustra os percursos da ferramenta na pea.

ae

Figura 2.4. Percurso de corte Lc, percurso de avano Lf e percurso efetivo Le para o fresamento discordante.

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Definies anlogas so vlidas para os movimentos que no tomam parte diretamente na retirada de cavaco. 2.5. VELOCIDADES

Velocidade de Corte VC : a velocidade instantnea do ponto de referncia da aresta cortante da ferramenta, segundo a direo e sentido de corte. Para processos com movimentos de rotao, a velocidade de corte calculada pela equao 2.1.

V nC = / 1000 [m/min] (2.1)

onde, = dimetro da pea ou da ferramenta em mm; n = nmero de rotaes por minuto.

Velocidade de Avano Vf: velocidade instantnea do ponto de referncia da aresta cortante da ferramenta, segundo a direo e sentido de avano. dada por:

V f nf = [mm/min] (2.2)

onde, f = avano em mm/volta; n = nmero de rotaes por minuto.

Velocidade Efetiva de Corte ve: velocidade instantnea do ponto de referncia da aresta cortante da ferramenta, segundo a direo e o sentido efetivo do corte. calculada vetorialmente como se segue: ! ! !V V Ve C f= + [m/min] (2.3)

Alm destas podemos ter tambm as velocidades de aproximao, de ajuste, de correo e de recuo. 2.6. CONCEITOS AUXILIARES

Para melhor compreender os conceitos relacionados aos diferentes processos de usinagem so necessrios alguns conceitos auxiliares.

Plano de Trabalho Pfe: o plano que contm as direes de corte e de avano, passando pelo ponto de referncia da aresta cortante. Neste plano se realizam os movimentos que tomam parte na retirada de cavaco, Figuras 2.5 e 2.6.

No plano de trabalho interessante ainda definir os ngulos da direo de avano e da direo efetiva de corte.

ngulo da Direo de Avano : o ngulo entre a direo de avano e a direo de corte. Nem sempre a direo de avano perpendicular direo de corte, assim por exemplo no fresamento este ngulo varia durante o corte.

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ngulo da Direo Efetiva de Corte : o ngulo da direo efetiva de corte e a direo de corte.

Figura 2.5. Plano de trabalho Pfe, ngulo da direo de avano e ngulo da direo efetiva no torneamento.

Figura 2.6. Plano de trabalho Pfe, ngulo da direo de avano e ngulo da direo efetiva no fresamento concordante ( > 90o).

Considerando a Figura 2.5, pode-se desenvolver a seguinte expresso:

tgv

v v v vf

f c c f

=

+=

+

sen.cos

sencos /

(2.4)

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Nota-se que, como na maioria dos casos vf

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Figura 2.8. Avano por dente fz, avano de corte fc e avano efetivo fe no fresamento discordante.

Avano de Corte fc: a distncia entre duas superfcies consecutivas em usinagem medida na direo perpendicular direo de corte no plano de trabalho.

f fc z= .sen (2.6)

Avano Efetivo de Corte fe: a distncia entre duas superfcies consecutivas em usinagem medida na direo perpendicular direo efetiva de corte no plano de trabalho.

( )f fe z= .sen (2.7)

Profundidade ou Largura de Usinagem (ou de corte) ap: a profundidade ou largura de penetrao da ferramenta na pea, medida numa direo perpendicular ao plano de trabalho.

Penetrao de Trabalho ae: de importncia predominante no fresamento e na retificao. a penetrao da ferramenta em relao pea, medida no plano de trabalho e numa direo perpendicular direo de avano, Figura 2.9.

Penetrao de Avano af: grandeza de penetrao da ferramenta, medida no plano de trabalho e na direo de avano.

Figura 2.9. Largura de usinagem ap, penetrao de trabalho ae e penetrao de avano af, no fresamento perifrico.

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2.8. GRANDEZAS RELATIVAS AO CAVACO

So grandezas derivadas das grandezas de corte, e so obtidas atravs de clculos, Figura 2.10.

Figura 2.10. Grandezas relativas ao cavaco, para arestas de corte retilneas.

Largura de Corte b: a largura calculada da seo transversal de corte a ser retirada, medida na superfcie em usinagem principal, segundo a direo normal direo de corte. Em ferramentas com aresta cortante retilnea e sem curvatura na ponta, tem-se:

bap

r=sen

(2.8)

r o ngulo de posio da aresta principal de corte.

Largura Efetiva de Corte be: a largura calculada da seo transversal efetiva de corte a ser retirada, medida na superfcie em usinagem principal, segundo a direo normal direo efetiva de corte. Pela Figura 2.10, tm-se:

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( )b be r= . sen .cos/

1 2 21 2

(2.9)

Espessura de Corte h: a espessura calculada da seo transversal de corte a ser retirada, medida normalmente superfcie em usinagem principal e segundo a direo perpendicular direo de corte. Em ferramentas com aresta de corte retilneas:

rc sen.fh = (2.10)

Espessura Efetiva de Corte he: a espessura calculada da seo transversal efetiva de corte a ser retirada, medida normalmente superfcie em usinagem principal e segundo a direo perpendicular direo efetiva de corte.

( ) 2/12r2e

tg.sen1

hh+

= (2.11)

Seo Transversal Efetiva de Corte A: a rea calculada da seo transversal de um cavaco a ser retirado, medida no plano normal direo de corte.

Seo Transversal de Corte Ae: a rea calculada da seo transversal efetiva de um cavaco a ser retirado, medida no plano normal direo efetiva de corte.

Na maioria dos casos:

A a fp c= . (2.12)

A a fe p e= . (2.13)

Em ferramentas sem arredondamento na ponta da aresta cortante:

A b h= . (2.14)

A b he e e= . (2.15)

Para maiores informaes deve ser consultada a norma NBR 6162. REFERNCIA BIBLIOGRFICA

1. ABNT, NBR 6162, Movimentos e Relaes Geomtricas na Usinagem dos Metais -Terminologia,1989.

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C A P T U L O 3

NOMENCLATURA E GEOMETRIA DAS FERRAMENTAS DE CORTE

3.1. INTRODUO

A geometria da ferramenta de corte exerce influncia, juntamente com outros fatores, na usinagem dos metais. necessrio, portanto, definir a ferramenta atravs dos ngulos da cunha cortante.

A norma brasileira que trata desse assunto a norma da ABNT NBR 6163/80 Conceitos da Tcnica de Usinagem Geometria da Cunha Cortante Terminologia [1]. As definies apresentadas a seguir so baseadas nesta norma. 3.2. DEFINIES

As seguintes definies adotadas so necessrias para a determinao dos ngulos da cunha cortante de uma ferramenta de usinagem. As definies so melhores compreendidas atravs das Figuras 3.1 a 3.12.

Cunha de Corte: a cunha formada pelas superfcies de sada e de folga da ferramenta. Atravs do movimento relativo entre a pea e a ferramenta, formam-se os cavacos sobre a cunha de corte.

Superfcie de Sada A: a superfcie da cunha de corte sobre a qual o cavaco se desliza.

Superfcie de Folga: a superfcie da cunha de corte, que determina a folga entre a ferramenta e a superfcie em usinagem. Distinguem-se a superfcie principal de folga A e a superfcie secundria de folga A.

Arestas de Corte: so as arestas da cunha de corte formada pelas superfcies de sada e da folga. Deve-se distinguir a aresta principal de corte S e a aresta secundria de corte S:

- Aresta Principal de Corte S: a aresta de corte cuja cunha de corte, observada no plano de trabalho, e para um ngulo da direo de avano = 90o, indica a direo de avano. - Aresta Secundria de Corte S: a aresta de corte cuja cunha de corte, observada no plano de trabalho, e para o ngulo da direo de avano = 90o, indica a direo contrria a direo de avano.

Ponta de Corte: parte da cunha de corte onde se encontram as arestas principal e secundria de corte.

Ponto de Corte Escolhido: ponto destinado determinao das superfcies e ngulos da cunha de corte, ou seja as definies se referem a um ponto da ferramenta, dito ponto de corte escolhido ou Ponto de Referncia.

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Figura 3.1. Cunha de Corte da Ferramenta.

Figura 3.2. Arestas de corte e superfcies da cunha de corte de uma ferramenta de torno.

Figura 3.3. Arestas de corte e superfcies da cunha de corte de uma fresa frontal.

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Figura 3.4. Arestas de corte e superfcies da cunha de corte de uma broca helicoidal.

3.3. SISTEMAS DE REFERNCIA UTILIZADOS NA DETERMINAO DOS NGULOS DA CUNHA CORTANTE.

Para a determinao dos ngulos na cunha de corte necessrio empregar um sistema de referncia. Normalmente so empregados dois sistemas de referncia, para um estudo racional dos ngulos da ferramenta e dos ngulos efetivos ou de trabalho:

- SISTEMA DE REFERNCIA DA FERRAMENTA - SISTEMA EFETIVO DE REFERNCIA

O sistema de referncia da ferramenta necessrio para a determinao da geometria da cunha de corte da ferramenta, durante o projeto, execuo e controle da mesma. O sistema efetivo de referncia necessrio para a determinao da geometria da cunha de corte da ferramenta, durante o processo de usinagem. Alm destes, outro sistema de referncia poder ser necessrio para a determinao do posicionamento da ferramenta em relao mquina.

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No sistema de referncia da ferramenta, os planos so identificados pela palavra ferramenta e recebem o smbolo P, com um ndice para a sua diferenciao. No sistema de referncia efetivo, os planos so identificados pela palavra efetivo e os mesmos smbolos do sistema de referncia da ferramenta, alm do ndice e. 3.3.1. Planos do Sistema de Referncia

As definies dadas a seguir correspondem s figuras 3.5 e 3.6.

Plano de Referncia: Plano de Referncia da Ferramenta - Pr: plano que passando pelo ponto

de corte escolhido, perpendicular direo admitida de corte. Esta escolhida de maneira que o plano de referncia da ferramenta seja o mais possvel paralelo ou perpendicular uma superfcie ou eixo de ferramenta.

Plano de Referncia Efetivo - Pre: plano que passando pelo ponto de corte escolhido, perpendicular direo efetiva.

Nas ferramentas de torneamento e aplainamento, o plano de referncia da ferramenta Pr um plano paralelo ou perpendicular superfcie de apoio do cabo. Nas ferramentas de fresamento ou furao, ele um plano que contm o eixo de rotao das mesmas.

Plano de Corte: Plano de Corte Principal da Ferramenta - Ps: plano que passando pelo

ponto de corte escolhido, tangente aresta de corte e perpendicular ao plano de referncia da ferramenta.

Plano de Corte Secundrio da Ferramenta Ps': plano que passando pelo ponto de corte escolhido, tangente aresta secundria de corte e perpendicular ao plano de referncia da ferramenta.

Plano de Corte Efetivo - Pse: plano que passando pelo ponto de corte escolhido, tangente aresta de corte e perpendicular ao plano de referncia efetivo Pre.

Plano Ortogonal: Plano Ortogonal da Ferramenta - Po: plano que passando pelo ponto de

corte escolhido, perpendicular aos planos de referncia e de corte da ferramenta.

Plano Ortogonal Efetivo - Poe: plano que passando pelo ponto de corte escolhido, perpendicular aos planos de referncia e de corte efetivos.

O plano ortogonal conhecido na maioria das literaturas como PLANO DE MEDIDA.

Plano de Trabalho: Plano Admitido de Trabalho - Pf: plano que passando pelo ponto de corte

escolhido, perpendicular ao plano de referncia e paralelo direo admitida de avano. escolhido de tal forma que fique o mais possvel paralelo ou perpendicular uma superfcie ou eixo da ferramenta, respectivamente.

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Plano de Trabalho Efetivo - Pfe: plano que passando pelo ponto de corte escolhido, contm as direes de corte e de avano. Neste plano se realizam os movimentos responsveis pela retirada de cavaco, como definido no Captulo 2.

Plano Dorsal: Plano Dorsal da Ferramenta - Pp: plano que passando pelo ponto de

corte escolhido, perpendicular aos planos de referncia da ferramenta e admitido de trabalho.

Plano Dorsal Efetivo - Ppe: plano que passando pelo ponto de corte escolhido, perpendicular aos planos de referncia efetivo e de trabalho.

Alm destes planos so definidos ainda no sistema de referncia da ferramenta:

Plano Normal a Aresta de Corte Pn (ou PLANO EFETIVO NORMAL ARESTA DE CORTE Pne): plano que, passando pelo ponto de corte escolhido, perpendicular aresta de corte S.

Plano Ortogonal Superfcie de Sada Pg: plano que passando pelo ponto de corte escolhido, perpendicular superfcie de sada e ao plano de referncia da ferramenta.

ngulo de Posio do Plano Ortogonal Superfcie de Sada r: ngulo entre o plano admitido de trabalho e plano ortogonal superfcie de sada, medido no plano de referncia da ferramenta.

Plano Ortogonal Superfcie de Folga Pb: plano que passando pelo ponto de corte escolhido, perpendicular superfcie de folga e ao plano de referncia da ferramenta.

ngulo de Posio no Plano Ortogonal Superfcie de Folga r: ngulo entre o plano admitido de trabalho e o plano ortogonal superfcie de folga, medido no plano de referncia da ferramenta.

Veja a seguir as figuras 3.5 a 3.12.

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Figura 3.5. Planos do Sistema de Referncia da Ferramenta.

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Figura 3.6. Planos do Sistema de Referncia Efetivo.

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Figura 3.7. Planos do Sistema de Referncia da Ferramenta numa ferramenta de torneamento.

23

Figura 3.8. Planos do Sistema de Referncia Efetivo numa ferramenta de torneamento.

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Figura 3.9. Planos do Sistema de Referncia da Ferramenta numa fresa cilndrica.

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Figura 3.10. Planos do Sistema de Referncia Efetivo numa fresa cilndrica.

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Figura 3.11. Planos do Sistema de Referncia da Ferramenta numa broca helicoidal.

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Figura 3.12. Planos do Sistema de Referncia Efetivo numa broca helicoidal.

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3.3.2. ngulos da Cunha Cortante

Os ngulos da cunha cortante destinam-se determinao da posio e da forma da cunha de uma ferramenta.

Devem-se distinguir os ngulos do sistema de referncia da ferramenta dos ngulos do sistema de referncia efetivo. No primeiro, os ngulos so identificados com o acrscimo da palavra ferramenta e os smbolos representativos com o ndice identificador do plano no qual so medidos, no segundo, adicionada a palavra efetivo, e acrescenta-se ainda o ndice e no smbolo.

Se o ngulo for referente uma aresta secundria de corte, os smbolos recebem um apstrofo ().

As definies apresentadas a seguir so mostradas nas figuras 3.13 a 3.18.

ngulos Medidos no Plano de Referncia ngulo de Posio da Ferramenta r: ngulo entre o plano de corte da

ferramenta Ps e o plano admitido de trabalho Pf, medido no plano de referncia da ferramenta. sempre positivo e situa-se sempre fora da cunha cortante, de forma que o seu vrtice indica a ponta de corte. Este ngulo indica a posio da aresta de corte.

ngulo de Posio Efetivo re: ngulo entre o plano de corte efetivo Pse e o plano de trabalho efetivo Pfe, medido no plano de referncia efetivo Pre.

ngulo de Posio Secundrio da Ferramenta r: ngulo entre o plano de corte secundrio da ferramenta Ps e o plano admitido de trabalho Pf, medido no plano de referncia da ferramenta. sempre positivo e situa-se sempre fora da cunha cortante, de forma que o seu vrtice indica a ponta de corte. Este ngulo indica a posio da aresta secundria de corte.

ngulo de Posio Secundrio Efetivo re: ngulo entre o plano de corte secundrio efetivo Pse e o plano de trabalho efetivo Pfe, medido no plano de referncia efetivo Pre.

ngulo de Ponta da Ferramenta r: ngulo entre os planos principal de corte Ps e secundrio de corte Ps medido no plano de referncia da ferramenta.

Vale portanto a seguinte relao:

r r ro+ + =| 180 (3.1)

ngulos Medidos no Plano de Corte: ngulo de Inclinao da Ferramenta s: ngulo entre a aresta de corte e

o plano de referncia da ferramenta Pr, medido no plano de corte da ferramenta Ps.

ngulo de Inclinao Efetivo se: ngulo entre a aresta de corte o plano de referncia efetivo Pre, medido no plano de corte efetivo Pse.

O ngulo de inclinao sempre um ngulo agudo, cujo vrtice indica a ponta de corte. Ele positivo quando, observando-se a partir da ponta de corte, a aresta de corte encontra-se na regio posterior em relao ao plano de referncia, orientando-se para tanto segundo o sentido de corte.

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ngulos Medidos no Plano Ortogonal ngulo de Sada da Ferramenta o: ngulo entre a superfcie de sada A

e o plano de referncia da ferramenta Pr, medido no plano ortogonal da ferramenta Po.

ngulo de Sada Efetivo oe: ngulo entre a superfcie de sada A e o plano de referncia efetivo Pre, medido no plano ortogonal efetivo Poe.

O ngulo de sada sempre um ngulo agudo. Ele positivo quando, a interseo entre a superfcie de sada e o plano ortogonal encontra-se na regio posterior em relao ao plano de referncia, orientando-se para tanto segundo o sentido de corte.

ngulo de Cunha da Ferramenta o: ngulo entre as superfcies de sada A e de folga A, medido no plano ortogonal da ferramenta Po.

ngulo de Cunha Efetivo oe: ngulo entre as superfcies de sada A e de folga A, medido no plano ortogonal efetivo Poe.

ngulo de Folga da Ferramenta o: ngulo entre a superfcie de folga A e o plano de corte da ferramenta Ps, medido no plano ortogonal da ferramenta Po.

ngulo de Folga Efetivo oe: ngulo entre a superfcie de folga A e o plano de corte efetivo Pse, medido no plano efetivo ortogonal Poe.

Vale a seguinte relao:

o o oo+ + = 90 (3.2)

Estes ngulos definidos anteriormente podem ser medidos tambm em outros planos. As definies apresentadas aqui so consideradas as mais importantes, para maiores informaes deve-se consultar a norma NBR 6163.

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Figura 3.13. ngulos da Ferramenta numa ferramenta de torneamento.

31

Figura 3.14. ngulos Efetivos numa ferramenta de torneamento.

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Figura 3.15. ngulos da Ferramenta numa fresa de faceamento.

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Figura 3.16. ngulos Efetivos numa fresa de faceamento.

34

Figura 3.17. ngulos da Ferramenta numa broca helicoidal.

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Figura 3.18. ngulos Efetivos numa broca helicoidal.

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3.4. FUNES E INFLUNCIA DOS NGULOS DA CUNHA CORTANTE.

ngulo de Folga (o) Evitar atrito entre a pea e a superfcie de folga da ferramenta. Se o pequeno, a cunha no penetra convenientemente no material, a

ferramenta perde o corte rapidamente, h grande gerao de calor e prejudica o acabamento superficial.

Se o grande, a cunha da ferramenta perde resistncia, podendo soltar pequenas lascas ou quebrar.

o depende principalmente de: resistncia do material da ferramenta e da pea a usinar. Geralmente 2o 14o.

ngulo de Sada (o) Influi decisivamente na fora e na potncia necessria ao corte, no acabamento

superficial e no calor gerado. Quanto maior o menor ser o trabalho de dobramento do cavaco. o depende principalmente de:

resistncia do material da ferramenta e da pea a usinar. quantidade do calor gerado pelo corte. velocidade de avano (vf).

o negativo muito usado para corte de materiais de difcil usinabilidade e em cortes interrompidos, com o inconveniente da necessidade de maior fora e potncias de usinagem e maior calor gerado na ferramenta.

Geralmente -10o o 30o.

ngulo de Inclinao (s): Controlar a direo de sada do cavaco. Proteger a quina da ferramenta contra impactos. Atenuar vibraes. Geralmente -4o s 4o.

ngulo de Posio ( r): Distribui as tenses de corte favoravelmente no incio e no fim do corte. Aumenta o ngulo de ponta (r), aumentando a sua resistncia e a capacidade de

dissipao de calor. Influi na direo de sada do cavaco. Produz uma fora passiva na ferramenta, reduzindo vibraes. Geralmente 30o r 90o. Em perfilamento pode ser maior que 90o. REFERNCIA BIBLIOGRFICA

1. ABNT NBR 6163, Conceitos da Tcnica de Usinagem - Geometria da Cunha Cortante Terminologia, 1980.

37

C A P T U L O 4

FORMAO DO CAVACO

Uma maneira de estudar a formao do cavaco durante a usinagem fazer simplificaes em relao ao processo de fabricao. Isto feito no corte ortogonal [1,2]. um procedimento universal e as consideraes que se seguem caracterizam a operao. 4.1. O CORTE ORTOGONAL

No Corte Ortogonal a aresta cortante reta, normal direo de corte e normal tambm direo de avano, de maneira que a formao do cavaco pode ser considerada como um fenmeno bidimensional, o qual se realiza num plano normal aresta cortante, ou seja, no Plano de Trabalho, Figura 4.1. Esta Figura ilustra alguns exemplos de usinagens que se aproximam do corte ortogonal no torneamento.

Figura 4.1. Exemplos de Corte Ortogonal [2].

Alm das simplificaes citadas, so feitas as seguintes consideraes que permitem um tratamento matemtico simplificado do corte ortogonal e que pode ser estendido para outras operaes de usinagem [2]:

o tipo de cavaco formado contnuo, sem formao da aresta postia de corte. no existe contato entre a superfcie de folga da ferramenta e a pea usinada. a espessura de corte h (igual ao avano) pequena em relao largura de corte

b. a aresta de corte maior que a largura de corte b. a largura de corte b e a largura do cavaco b so idnticas.

Com todas estas simplificaes e consideraes o corte ortogonal costuma ser representado como mostra a Figura 4.2.

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Figura 4.2. O Corte Ortogonal.

Este modelo usado para estudadar o mecanismo de formao do cavaco, os fenmenos envolvidos e as foras atuantes no processo. Os resultados assim obtidos podem ser estendidos ao corte tridimensional, s vezes, com algumas ressalvas. 4.2. MECANISMO DA FORMAO DO CAVACO

O mecanismo de formao do cavaco pode ser explicado considerando o volume de metal representado pela seo klmn, da Figura 4.3, se movendo em direo cunha cortante.

Figura 4.3. Diagrama da cunha cortante [1].

A ao da ferramenta recalca o volume klmn. Neste ponto o metal comea a sofrer deformaes elsticas. Com o prosseguimento do processo o limite de escoamento vencido e o material passa a se deformar plasticamente.

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Deformaes plsticas continuam acontecendo at que as tenses no so mais suficientes para manter este regime. Assim fica definido uma zona de cisalhamento primria (Figura 4.4), que para facilitar o estudo ela representada por apenas um plano, definido pela linha OD da Figura 4.3.

Aps o material entrar no regime plstico, o avano da ferramenta faz com que as tenses ultrapassem o limite de resistncia do material, ainda dentro da zona de cisalhamento primria, promovendo a ruptura, que se inicia com a abertura de uma trinca no ponto O (Figura 4.3) e que pode se estender at o ponto D, segundo o plano definido pela linha OD. A extenso de propagao da trinca, que depende principalmente da ductilidade (ou fragilidade) do material da pea, vai determinar o tipo do cavaco, isto , contnuo ou descontnuo.

Aps passar pela regio de cisalhamento primria, ao volume de material klmn s resta movimentar-se por sobre a superfcie de sada da ferramenta e sair como um componente, ou lamela do cavaco. Entretanto, ao atravessar a zona de cisalhamento primria ele se deforma plasticamente para um novo formato pqrs (Figura 4.3). Poder ser encontrado na literatura, o tratamento desta etapa de movimento por sobre a superfcie de sada como sendo um sistema simples de atrito de Coulomb, sem maiores conseqncias para o processo. Isto no correto. O cavaco, na maioria dos casos, ao atravessar a superfcie de sada da ferramenta sofre ainda altssimas deformaes plsticas cisalhantes, numa pequena regio junto interface com a ferramenta, desenvolvendo ali altssimas temperaturas, o que compromete a resistncia das ferramentas. Esta regio definida como zona de cisalhamento secundria (plano definido pela linha OB da Figura 4.3) e pode ser vista na Figura 4.4.

Figura 4.4. Esquema mostrando as zonas de cisalhamento primria e secundria.

40

O entendimento das condies dessa interface cavaco-ferramenta de importncia capital para a anlise do processo de corte, e ser tratado em separado no captulo 6.

Ao imaginarmos que adjacente ao volume de material representado por klmn da Figura 4.3, existe outro volume de material similar, e subsequente a este, existe outro, e assim sucessivamente, verificamos que o mecanismo de formao do cavaco um processo cclico, com cada ciclo dividido em 4 (quatro) etapas, bem definidas (j discutidas anteriormente), a saber:

1. Recalque (deformao elstica) 2. Deformao plstica. 3. Ruptura. 4. Movimento sobre a superfcie de sada da ferramenta.

Cada volume de material que passar por um ciclo, formar uma lamela de cavaco. 4.3. NGULO DE CISALHAMENTO E GRAU DE RECALQUE

Durante um ciclo de formao do cavaco, definido no item anterior, a etapa de deformao plstica (etapa no 2) acontece por um determinado perodo, o que define uma zona de cisalhamento primria (Figura 4.4). Foi observado tambm, que para simplificar o estudo, esta zona representada por um plano (linha OD da Figura 4.3), denominado plano de cisalhamento primrio. O ngulo definido como sendo o ngulo formado entre esse plano de cisalhamento primrio e o plano de corte (Figura 4.3).

Verifica-se experimentalmente, que a espessura do cavaco, h, maior que a espessura do material a ser removido, h (espessura de corte), ver Figura 4.5a, e o comprimento de cavaco correspondente por conseguinte, mais curto. Da mesma maneira a velocidade de sada do cavaco, vcav, menor que a velocidade de corte, vc (Figura 4.5b).

O grau de recalque, Rc, definido pela relao:

cav

cc v

vh'hR == (4.1)

Considerando a Figura 4.5a, o ngulo de cisalhamento pode ser determinado pela medio direta da espessura do cavaco, h, assim:

tgRc

n

n

=

cossen

(4.2)

onde n o ngulo de sada normal, neste caso igual a o.

O valor do grau de recalque, Rc, e portanto do ngulo de cisalhamento, , uma boa indicao da quantidade de deformao dentro da zona de cisalhamento

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primria. Pequenos valores de (altos valores de Rc) significaram grande quantidade de deformao no plano de cisalhamento primrio, e vice-versa.

VCAV

a) b)

Figura 4.5. a) Espessura de corte h, espessura do cavaco h e ngulo de cisalhamento ;

b) Tringulo de velocidades no corte ortogonal. Vc = velocidade de corte; Vcav = velocidade de sada do cavaco; Vz = velocidade de cisalhamento.

As condies da interface cavaco-ferramenta exercem papel importante no processo, influenciando diretamente o valor do ngulo .

Nesta interface, est localizada a zona de cisalhamento secundria, que oferece resistncia ao movimento do cavaco, onde uma grande quantidade de energia consumida. Grande resistncia ao movimento do cavaco gera baixos valores de , e aumenta o comprimento da zona (plano) de cisalhamento primria [3]. e Rc dependem, portanto, das condies da interface cavaco-ferramenta, e isto funo do material da pea, material da ferramenta, condies de corte e do emprego ou no de fluido de corte.

O ngulo de cisalhamento difcil de ser medido, entretanto, pode ser determinado pela equao 4.2. A direo definida por este ngulo, representa a direo de cisalhamento mximo e pode portanto ser estimado. Vrios pesquisadores fizeram tentativas de estimar o valor terico deste ngulo, e duas delas so apresentadas abaixo.

Teoria de Ernest e Merchant [4]:

2 + =ne arc g kcot ( ) (4.3)

onde: = ngulo de atrito mdio entre o cavaco e a ferramenta. k = constante do material da pea. ne = ngulo de sada normal efetivo.

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Teoria de Lee e Shaffer [5]:

+ =ne 4 (4.4)

4.4. TIPOS DE CAVACO

Durante a usinagem uma nova superfcie gerada na pea, ou pela formao de um cavaco contnuo, quando se usina materiais dcteis, ou pela formao de um fluxo de elementos de cavacos quebrados em pedaos, quando se usina materiais frgeis. Existem vrias vantagens de produzir cavacos curtos, como se ver no prximo captulo. A quebra dos cavacos pode ocorrer naturalmente durante a sua formao, como no caso de usinagem de bronze e ferro fundido, ou sua quebra pode ser promovida ao se usar quebra-cavacos. Neste caso, provavelmente, apenas a forma do cavaco ir se alterar. Quanto ao tipo existem pelo menos trs possibilidades: cavacos contnuos, descontnuos e segmentados. Entretanto, numa classificao mais detalhada, os tipos de cavacos so:

a. Cavaco contnuo b. Cavaco parcialmente contnuo c. Cavaco descontnuo d. Cavaco segmentado.

Para os trs primeiros tipos (a, b e c), a classificao depende muito da ductilidade (ou fragilidade) do material da pea e das condies de corte. O ltimo tipo (d) so cavacos produzidos geralmente na usinagem de materiais de baixa condutividade trmica, na presena de cisalhamento termoplstico catastrfico (ou adiabtico) [6].

a. Cavacos Contnuos.

Sero formados na usinagem de materiais dcteis, como aos de baixa liga, alumnio e cobre (ver Figura 4.6 a). O metal cisalha na zona de cisalhamento primrio com grande quantidade de deformaes (da ordem de 2 a 5 mm/mm), permanecendo em uma forma homognea, sem se fragmentar. Apesar da forma de fita desses cavacos no apresentar, normalmente, nenhuma evidncia de fratura ou trinca, uma nova superfcie est sendo gerada na pea e isto tem que envolver fratura. Cook et al [7] explica a formao do cavaco contnuo da seguinte maneira: um campo de tenso de trao se desenvolve na ponta da ferramenta, como resultado da curvatura imposta pela cunha cortante, produzindo a trinca necessria para separar o material. Depois desse campo de tenso de trao, o material est sujeito a elevada tenso de compresso, e a propagao da trinca ser interrompida ao chegar nesta regio, garantindo a formao de cavaco contnuo.

A tenso normal no plano de cisalhamento primrio ser, portanto, uma importante varivel para determinar se o cavaco ser contnuo ou descontnuo, e ela fortemente influenciada pelo ngulo de cisalhamento, , e pelas condies da interface cavaco-ferramenta (zona de cisalhamento secundria).

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A anlise do problema, entretanto, deve levar em considerao dois importantes fatores: primeiro que deve existir uma tenso cisalhante no plano primrio suficientemente elevada para garantir a abertura e propagao da trinca na aresta de corte da ferramenta; segundo que o nvel da tenso de compresso que atua no plano de cisalhamento primrio pode (ou no) interromper a propagao dessa trinca. A complexidade da anlise se deve ao fato de que tanto o primeiro como o segundo fatores so dependentes das condies da interface cavaco-ferramenta, isto , quem promove a tenso cisalhante no plano primrio, necessria para a abertura da trinca, a restrio que o cavaco tem ao se movimentar na superfcie de sada da ferramenta, e quanto maior esta restrio, maior ser essa tenso. tambm esta mesma restrio que vai promover a tenso de compresso no mesmo plano primrio, que poder congelar a propagao da trinca, e quanto maior a restrio, maior ser esta tenso.

Algumas variveis podem atuar no sentido de favorecer a propagao da trinca, por diminuir a restrio ao movimento do cavaco no plano secundrio e, por conseguinte, a tenso normal que tende a congel-la e ao mesmo tempo reduzir a tenso cisalhante responsvel pela abertura da trinca. Isto pode ser conseguindo, por exemplo, pela adio de elementos de livre-corte, como o chumbo, telrio, selnio, enxofre (com mangans) etc., ao material da pea. Estas adies, alm de reduzir as tenses normais de compresso no plano primrio pelas suas aes lubrificantes, reduz a tenso cisalhante necessria para a abertura de trinca e fragiliza o material, facilitando ainda mais a propagao da mesma. A geometria da ferramenta, principalmente o ngulo de sada, a velocidade de corte, o avano, a profundidade de corte, incluses no material (quantidade, forma, tamanho e dureza) e a rigidez da ferramenta so tambm variveis importantes no processo de formao do cavaco.

Os cavacos contnuos so indesejveis pois eles podem causar muitos problemas, e se eles no quebram naturalmente, um quebra-cavaco deve ser usado para promover a sua fragmentao. O cavaco ser ento fragmentado, mas no da mesma maneira daqueles do tipo c abaixo.

Uma variao do tipo de cavaco contnuo, o cavaco contnuo na presena da aresta-postia-de-corte (APC) [8] (ver Figura 4.6b). Esse fenmeno ser discutido com detalhes no captulo 6, e um fator importante que afeta o acabamento superficial e desgaste da ferramenta.

b. Cavacos parcialmente contnuos

um tipo intermedirio entre os cavacos contnuos e descontnuos, onde a trinca se propaga s at uma parte do plano de cisalhamento primrio. muitas vezes [2] denominado de cavaco de cisalhamento. Sugere-se [7] que dois fatores so importantes: (i) a energia elstica acumulada na ferramenta pode no ser suficiente para continuar a propagao da trinca. O cavaco perder contato com a ferramenta, interrompendo assim, o crescimento (propagao) da trinca; (ii) a presena de grande tenso de compresso no plano de cisalhamento primrio, um pouco alm da ponta da ferramenta, que supressa a propagao da trinca.

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c. Cavacos descontnuos.

Os cavacos descontnuos so mais comuns quando usinando materiais frgeis, como o bronze e os ferros fundidos cinzentos, que no so capazes de suportarem grandes quantidades de deformaes sem fratura. Entretanto, baixas velocidades, ngulo de sada pequeno e grandes avanos podem tambm gerar cavacos descontnuos em certos materiais semi-dcteis. Com o aumento da velocidade de corte o cavaco tende a se tornar mais contnuo, primeiro porque a gerao de calor maior e o material por conseguinte mais dctil, segundo porque mais difcil a penetrao de contaminantes na interface cavaco-ferramenta ou plano de cisalhamento secundrio (pois o tempo disponvel diminui) para reduzir a tenso normal ao plano de cisalhamento primrio que permitiria a propagao da trinca.

A Figura 4.6c mostra o cavaco descontnuo. A trinca, neste caso, se propaga por toda a extenso do plano de cisalhamento primrio, promovendo a fragmentao do cavaco. A zona de cisalhamento secundria (interface cavaco-ferramenta) tambm tem influncia no processo. Inicialmente, a componente de fora tangencial superfcie de sada menor do que a fora necessria para promover o escorregamento do cavaco. Haver ento, o desenvolvimento de uma zona de material esttica, e separao do cavaco ocorrer com o aumento da relao fora tangencial/fora normal.

Figura 4.6. Tipos de cavacos: (a) cavaco contnuo; (b) cavaco contnuo com APC; ( c) cavaco descontnuo [8].

Estudando a formao de cavacos descontnuos, Palmer e Riad [9] filmaram o corte ortogonal de aos carbono, ligas de cobre, alumnio e titnio, a velocidades de corte muito baixas. Simultaneamente, as foras de corte e avano foram monitoradas. Os autores variaram avano, profundidade de corte e ngulo de sada da ferramenta. Alm de observarem uma relao direta do comportamento das componentes de fora de usinagem com a formao do cavaco, eles construram curvas que identificam o tipo do cavaco com os parmetros variados como ilustra a Figura 4.7 (usinagem do lato).

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Figura 4.7. Tipo de cavaco em funo da profundidade de corte e do ngulo de sada. x = cavacos contnuos; = cavacos parcialmente contnuos; o = cavacos descontnuos [9].

d. Cavacos segmentados.

Os cavacos segmentados so caracterizados por grandes deformaes continuadas em estreitas bandas entre segmentos com muito pouca, ou quase nenhuma deformao no interior destes segmentos. um processo totalmente diferente daquele verificado na formao do cavaco contnuo. Cook [10] e Shaw et alli [11] explicaram qualitativamente as caractersticas de segmentao dos cavacos. Em seus modelos, a taxa de diminuio na resistncia do material, devido ao aumento local da temperatura (devido s deformaes plsticas) iguala ou excede a taxa de aumento da resistncia devido ao encruamento, no plano de cisalhamento primrio. Isto peculiar a certos materiais com pobres propriedades trmicas, como o titnio e suas ligas. O cisalhamento para formar o cavaco comea a ocorrer em um plano de cisalhamento primrio particular, quando as tenses impostas pelo movimento da ferramenta contra a pea excedem o limite do escoamento do material. A energia associada com esta deformao convertida em calor imediatamente, e devido as pobres propriedades trmicas do material, altas temperaturas so desenvolvidas, localmente. Isto vai provocar o amolecimento localizado do material e, portanto as deformaes continuam na mesma faixa (plano) de material, ao invs de se mudarem para novo plano de material adjacente, medida que o material se movimenta, como ocorre na formao dos cavacos contnuos [11, 12]. Com o prosseguimento da deformao, existe uma rotao no plano de cisalhamento, que comea a se afastar da ponta da ferramenta e se movimenta por sobre a superfcie de sada. Esta rotao vai prosseguindo at que o aumento de fora devido a esta rotao excede a fora necessria para deformar plasticamente material mais frio, em outro plano mais favorvel. Este processo j foi referido como cisalhamento termoplstico catastrfico [6] ou cisalhamento adiabtico [13] e resulta num processo cclico de produo de cavacos na forma de uma serra dentada (ver Figura 4.8).

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Figura 4.8. Cavaco segmentado [14].

verificado experimentalmente que muitos materiais podem sofrer cisalhamento termoplstico catastrfico, dependendo da temperatura desenvolvida durante a usinagem (velocidade de corte) e de suas propriedades trmicas. Recht [6] apresentou o critrio para um material sofrer cisalhamento termoplstico catastrfico (efeito do amolecimento devido ao aumento de temperatura superar o efeito de encruamento) e a velocidade de corte acima do qual ele ocorre foi denominada de velocidade de corte crtica. Para o Inconel 718 esta velocidade de 61 m/min e para o ao AISI 4340 a velocidade crtica encontrada foi de 275 m/min [15,16]. 4.5. FORMAS DE CAVACOS

Quanto forma, os cavacos so classificados como: - cavaco em fita. - cavaco helicoidal. - cavaco espiral. - cavaco em lascas ou pedaos.

Entretanto, a norma ISO [17] faz uma classificao mais detalhada da forma dos cavacos, de acordo com a Figura 4.9.

fragmentado

Figura 4.9. Formas de cavacos produzidos na usinagem dos metais [17].

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O material da pea o principal fator que vai influenciar na classificao quanto forma dos cavacos. Logicamente o tipo do cavaco tambm vai influenciar. Cavacos contnuos, parcialmente contnuos e segmentados podem cair em qualquer forma da Figura 4.9, dependendo das condies de corte e do uso ou no de quebra-cavacos. O tipo de cavacos descontnuos s podem ser classificados quanto a forma, como lascas e pedaos.

Quanto as condies de corte, em geral, um aumento da velocidade de corte, uma reduo no avano ou um aumento no ngulo de sada, tende a mover a forma do cavaco para a esquerda da Figura 4.9, isto , produzir cavacos em fitas (ou contnuos, quanto ao tipo). O avano o parmetro que mais influencia e a profundidade de corte o que menos influencia na forma dos cavacos. A Figura 4.10 mostra como as formas dos cavacos so afetadas pelo avano e pela profundidade de corte [18].

Figura 4.10. Efeito do avano e da profundidade de corte na forma dos cavacos [18].

Na realidade a forma dos cavacos longos que causam os maiores problemas relativos segurana e produtividade e, portanto, estas formas de cavacos exigem cuidados especiais (controle).

Apesar das condies de corte poderem ser escolhidas para evitar, ou pelo menos reduzir a tendncia de formao de cavacos longos em fita (contnuos, parcialmente contnuos ou segmentados), at o momento, o mtodo mais efetivo e popular para produzir cavacos curtos, o uso de dispositivos que promovem a quebra mecnica deles. Estes dispositivos so popularmente conhecidos como quebra-cavacos. Esta teoria ser abordada a seguir, no captulo 5. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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1. TRENT, E.M. Metal Cutting, 2nd Edition, Butterworths, Londres, 1984, 245 pags.

2. FERRARESI, D. Fundamentos da Usinagem dos Metais, Editora Edgard Blcher Ltda., So Paulo, 1970, 751 pgs.

3. WHIRGHT, P.K.; BAGHI, A. and CHOW, J.G. Influence of Friction on the Shear Plane Angle in Machining, Proc. of the 10th North American Manufacturing Conf., Mc Master University, Hamilton, Ontario, Canad, 24-25 May, 1982, pp. 255-262.

4. ERNEST, H. and MERCHANT, M.E. Chip Formation, Friction and High Quality Surfaces, Proc. Symp. Surface Treatment of Metals, Cleveland, USA, 21-25 oct, 1940, pp. 299-378.

5. LEE, E.H. and SHAFFER, B.W. The Theory of Plasticity Applied to a Problem of Machining, Journal of Applied Mechanics, vol. 18(4), pp. 405-413.

6. RECHT, R.F. Catastrophic Thermoplastic Shear, Trans ASME, Journal Applied Mechanics, June 1964, pp. 189-193.

7. COOK, N.H.; FINNIE, I. and SHAW, M.C. Discontinuous Chip Formation, Trans of ASME, Feb. 1954, pp. 153-162.

8. BOOTHROYD, G. Fundamental of Metals Machining and Machine Tools, International Student Edition, Mc Graw-Hill, 5th Printing, 1981, ISBN 0-07-085057-7.

9. PALMER, W.B. and RIAD, M.S.M. Modes of Cutting with Discontinous Chip, Proc. 8th Conf. IMTDR, 1967, pp. 259-279.

10. COOK, N.H. Chip Formation in Machining Titanium, Proc. Symp. on Mach Grinding Titanium, Watertown Arsenal, Watertown 72, Massachussets, 31st March 1953, pp. 1-7.

11. SHAW, M.C.; DIRK, S.O.; SMITH, P.A.; COOK, N.H.; LOEWEN, E.G. and YANG, C.T. Machining Titanium, MIT Report, Massachussets Institute of Technology, 1954.

12. SHAW, M.C. The Assessment of Machinability, ISI Special Report, London, 1967, pp. 1-9.

13. LE MAIRE, J.C. and BACKOFEN, W.A. Adiabatic Instability in Orthogonal Cutting of Steel, Metal Trans, vol. 3, 1972, pp. 477-481.

14. KOMANDURI, R. and VON TURKOVICH, B.F. New Observations on the Mechanisms of Chip Formation when Machining Titanium Alloys, Wear, vol. 69, 1981, pp. 179-188.

15. KOMANDURI, R. and SHROEDER, T.A. On Shear Instability in Machining a Nickel-Iron Base Superalloy, Trans ASME, J. Eng. Industry, vol. 108, May 1986, pp. 93-100.

16. KOMANDURI, R.; SHROEDER, T.A.; HARZA, J.; VON TURKOVICH, B.F. and FLOM, D.G. On the Catastrophic Shear Instability in High Speed Machining of an AISI 4340 Steel, Trans ASME, J.Eng. Industry, vol. 104, May 1982, pp. 121-131.

17. ISO Tool Life Testing with Single-Point Turning Tools, ISO 3685, 1977. 18. SMITH, G.T. Advanced Machining - The Handbook of Cutting Technology, IFS

Publications, 1989, ISBN 1-85423-022-6.

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C A P T U L O 5

CONTROLE DE CAVACO

Na fabricao de peas por usinagem, as principais preocupaes esto voltadas para a qualidade das peas produzidas, isto , acabamento superficial e tolerncias obtidas, e na produtividade com baixo custo. A produtividade sempre est relacionada com a taxa de desgaste das ferramentas de corte que funo do processo, das condies de corte, do uso ou no de fludos de corte, entre outros fatores. Isto levou os principais pesquisadores da rea de usinagem, a concentrarem seus trabalhos em assuntos relacionados com o mecanismo de formao dos cavacos, foras e temperaturas de usinagem, mecanismos de desgaste das ferramentas de corte, integridade superficial, e muito pouca pesquisa se dedica ao estudo do controle do cavaco. Por esse motivo, so raros os artigos encontrados na literatura, que discutem o assunto de maneira abrangente. Entretanto, no corte contnuo (principalmente no torneamento) de materiais dcteis a altas velocidades, o controle do cavaco pode se tornar imperativo e o fator mais importante numa linha de produo.

Como se viu no captulo anterior, a baixas velocidades de corte os cavacos, geralmente, apresentam boa curvatura natural, e portanto fogem da forma de cavacos longos, e no apresentam maiores problemas. Com a introduo da nova gerao de ferramentas de corte, com maiores resistncias ao desgaste, permitiu-se um aumento nas velocidades de corte de tal maneira, que os cavacos longos produzidos exigiram um controle rigoroso de sua formao. Isto se torna mais crtico ainda, com a crescente utilizao de mquinas CNC, onde a ausncia da interferncia do homem no permite a produo de tais formas de cavacos.

A produo de cavacos longos pode causar os seguintes problemas principais.

I. Eles tm baixas densidades efetivas, isto , ocupam muito espao, o que causam problemas econmicos no manuseio e no processo de descarte, ou reaproveitamento.

II. Eles podem se enrolar em torno da pea, da ferramenta ou de componentes da mquina e estes cavacos, a temperaturas elevadas e com arestas laterais afiadas, representam um verdadeiro risco integridade fsica do operador.

III. Quando eles se enrolam na pea, apesar de afetar pouco o acabamento superficial, produzem uma superfcie no atrativa, e podem causar danos ferramenta.

IV.Eles podem afetar foras de usinagem, temperatura de corte e vida das ferramentas.

V. Podem impedir o acesso regular do fluido de corte (efeito guarda-chuva).

O estado do cavaco pode ser expresso pelo fator de empacotamento, R, que definido como sendo o volume total ocupado pelo cavaco, dividido pelo volume de um slido equivalente ao seu peso.

peso seu ao eequivalent slido um de volumecavaco do volume

=R

50

Cavacos contnuos e longos apresentam fator de empacotamento da ordem de 50 ou superiores, enquanto cavacos em lascas ou pedaos podem ter esse valor reduzido 3 [1].

A necessidade de se desvencilhar de cavacos longos e prejudiciais forou o aparecimento de medidas estratgicas para promover a quebra destes, mecanicamente. Sem dvidas, o mtodo mais popular a utilizao de quebra-cavacos postios ou integrais (dando-se uma forma especial superfcie de sada da ferramenta). Ambos os casos promovem uma curvatura maior nos cavacos para quebr-lo por flexo, quando estes encontrarem um obstculo. Os obstculos podem ser a prpria pea, a ferramenta ou o porta-ferramenta.

Outros mtodos menos usuais tambm j foram utilizados com sucesso. Um deles utiliza a desacelerao intermitente de avano [2]. Isto pode ser conseguido por um programa particular de computador em um sistema CNC. A desacelerao intermitente do avano promove a quebra peridica do cavaco pela reduo da espessura do cavaco at valores muito pequenos (prximo a zero), conforme mostra a Figura 5.1.

Este efeito, alm de se mostrar eficiente no controle do cavaco, melhora marginalmente a rugosidade superficial [2].

Figura 5.1. Efeito da desacelerao do avano na espessura do cavaco [2].

Um outro mtodo o hidrulico [3]. Neste mtodo o fludo de corte injetado alta presso na superfcie de sada da ferramenta, contra a sada do cavaco. A fora do jato promove a fragmentao do cavaco conforme a seqncia mostrada na Figura 5.2.

Figura 5.2. Diagrama esquemtico da fragmentao do cavaco promovido pelo jato de fludo de corte alta presso [3].

51

A aplicao deste mtodo na usinagem de ligas de titnio e de nquel mostrou muita eficincia no controle do cavaco. O fator de empacotamento passou de 47 para 4,7 quando a usinagem sem quebra-cavacos foi substituda pela utilizao do mtodo [3].

Na usinagem natural, isto , sem quebra-cavacos, a capacidade de quebra dos cavacos depende principalmente de trs fatores importantes: a fragilidade do material da pea, a curvatura natural do cavaco e a espessura do cavaco h.

Quanto menor a espessura do cavaco, mais flexveis eles so, portanto, mais difceis de se quebrarem. Os cavacos, que j sofreram deformaes intensas nos planos de cisalhamentos primrio e secundrio durante a sua formao, necessitam de uma determinada deformao crtica f, para se fraturarem, aps deixarem a superfcie de sada da ferramenta. A deformao que o cavaco vai sofrer neste estgio diretamente proporcional a h/rc, onde h a espessura do cavaco e rc o raio de curvatura do cavaco [4]. Se a deformao do cavaco no for suficientemente grande para causar a fratura, necessrio tomar medidas, ou para aumentar h ou diminuir rc, e assim promover deformao suficiente para obter a fratura peridica do cavaco. Como h' depende principalmente do avano (ou da espessura de corte, h), e este afeta o acabamento superficial e a produtividade, procura-se ento tentar reduzir rc.

O mtodo mais usual para aumentar a curvatura do cavaco (diminuir rc), como j foi citado, a utilizao de quebra-cavacos postios ou integrais (superfcies de sadas das ferramentas com formatos especiais).

Na utilizao desse mtodo rc pode ser estimado, de acordo com as dimenses dos quebra-cavacos, assim:

(I). Quebra-cavaco Postio (Figura 5.3).

( ) ( )[ ]2

cot.cot.trc = flln (5.1)

onde: ln - distncia do quebra-cavaco da aresta de corte. lf - comprimento de contato cavaco-ferramenta t - altura do quebra-cavaco - ngulo da cunha do quebra-cavaco.

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Figura 5.3. Quebra-cavaco postio [1].

(II). Quebra-cavaco Integral, tipo I - Anteparo (Figura 5.4).

Figura 5.4. Quebra-cavaco integral, tipo I - Anteparo [1].

( )r

lf thc

=

+ln

'

2

2 (5.2)

(III). Quebra-cavaco Integral, tipo II Cratera (Figura 5.5).

Figura 5.5. Quebra-cavaco integral, tipo II - cratera [1].

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r qc n= (5.3)

onde: qn = raio da cratera do quebra-cavaco.

Obs. 1. Neste caso, o quebra-cavaco s ser efetivo, se a espessura en for menor que o comprimento do contato cavaco-ferramenta, lf.

Obs. 2. Se qn for muito pequeno, o cavaco pode no seguir o contorno da cratera at que se desenvolva um desgaste significante.

Para os quebra-cavacos do tipo anteparo, seja ele postio (Figura 5.3) ou integral (Figura 5.4), trabalhando sobre condies efetivas de quebra de cavacos, eles no tero muito efeito nas foras de usinagem, quando comparados com ferramentas planas, isto , sem quebra-cavacos, nas mesmas condies de corte [5]. No caso de quebra-cavaco do tipo cratera, uma aresta postia estvel pode se formar ao longo da espessura en (Figura 5.5), aumentando consideravelmente o ngulo efetivo de sada, diminuindo as foras de usinagem [1].

Foi verificado tambm [1], que a taxa de desgaste de flanco no muda significativamente, com a aplicao de quebra-cavacos. Quanto ao desgaste de cratera, Boothroyd [1] mostrou que os quebra-cavacos do tipo anteparo (Figuras 5.3 e 5.4) reduzem a rea de desgaste e os quebra-cavacos do tipo cratera (Figura 5.5) tendem a aument-la.

O que importante verificar na teoria dos quebra-cavacos se os mesmos iro garantir uma reduo de rc, para que o cavaco, ao se chocar contra qualquer obstculo (pea, ferramenta ou porta-ferramenta), tenha atingido o valor de deformao crtica na fratura, f, que promova sua quebra. Alem disto, as ranhuras dos quebra-cavacos servem para conformar mais os cavacos, tornando-os menos dcteis e, portanto, promovendo a reduo desta deformao crtica necessria para a fratura.

As equaes 5.1, 5.2 e 5.3 podem ser utilizadas para projetar quebra-cavacos eficientes. Entretanto, o projetista tem que considerar, alm dos fatores j citados (fragilidade do material da pea, raio natural de curvatura, rc e espessura do cavaco, h), outros, tais como: geometria da ferramenta (principalmente os ngulos de sada, inclinao e posio), velocidade de corte, profundidade de corte e rigidez da mquina ferramenta. Quanto menor o ngulo de sada menor o raio de curvatura natural, rc, e maior a espessura do cavaco, h'. Quanto ao ngulo de posio, alm de afetar a direo de sada do cavaco, quando, normalmente, o cavaco tende a sair perpendicular aresta de corte, ele afeta tambm a espessura do cavaco, que aumenta com o aumento deste ngulo. O ngulo de inclinao tem influncia direta na direo de sada do cavaco. Se for negativo ele joga o cavaco contra a pea, se for positivo ele direciona o cavaco para fora dela. Um aumento na velocidade de corte tende a aumentar rc porque o comprimento de contato cavaco-ferramenta reduzido. Alm disso, a ductilidade do material aumentada, tornando-se a quebra do cavaco ainda mais difcil.

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Sales [6], com o objetivo de relacionar o raio de curvatura natural do cavaco, rc, com a velocidade, profundidade de corte, avano e ngulo de sada da ferramenta, filmou a usinagem do ao ABNT 1020, no corte ortogonal no processo de torneamento em mais de 500 ensaios e por meio de um software de anlise de imagens, mediu rc. Os resultados foram representados por um polinmio de grau trs que melhor se ajustou aos pontos distribudos, com erro calculado de 14.75%. A Figura 5.6 apresenta os grficos obtidos, mostrando a influncia individual de cada parmetro estudado em rc.

Vc=200 [m/min] ; f=0,182 [mm/rot] ; =6 []

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

1,5 2 2,5 3 3,5 4

ap [mm]

rc#[m

m]

Vc=200 [m/min] ; ap=2,5 [mm] ; =6 []

1

1,5

2

2,5

0 0,1 0,2 0,3 0,4

f [mm/rot]

rc#[m

m]

a) b)

Vc=200 [m/min] ; f=0,182 [mm/rot] ; ap=2,5 [mm]

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

2 4 6 8 10 12 14 16 18 []

rc#[m

m]

f=0,182 [mm/rot] ; ap=2,5 [mm] ; =6 []

1

1,5

2

2,5

50 100 150 200 250 300 350

Vc [m/min]

rc#[m

m]

c) d)

Figura 5.6. Influncia a) da profundidade de corte, b) do avano, c) do ngulo de sada da ferramenta e d) da velocidade de corte, no raio de curvatura natural do cavaco [6].

Por meio da anlise de sensibilidade adimensional, os parmetros estudados foram ordenados em ordem decrescente de influncias sobre rc, obtendo-se a seguinte ordem:

ap, f, e Vc

Observa-se que o raio de curvatura natural do cavaco aumenta com os aumentos da profundidade de corte, do ngulo de sada da ferramenta e da velocidade de corte, dificultando a quebra do cavaco, diminuindo com o aumento do avano, facilitando a quebra do cavaco. O comportamento dessas variveis era esperado, exceto o efeito da profundidade de corte. Normalmente, o aumento da profundidade de corte tende a tornar o cavaco mais quebradio (reduzindo rc), ver

55

Figura 4.10, [8]. Entretanto, este parmetro pode atuar diferentemente, dependendo da faixa de avano [9] e do grau de desgaste da ferramenta [10].

Na usinagem de um tubo (corte ortogonal) a velocidade de corte no dimetro interno consideravelmente menor que no dimetro externo, o que causa uma curvatura do cavaco como mostrado na Figura 5.7. A profundidade de corte, neste caso, vai alterar aquela curvatura.

Figura 5.7. Curvatura do cavaco para dentro, causado pela variao da velocidade de corte ao longo da aresta [4].

A rigidez da mquina, quando baixa, pode causar vibraes e promover quebra nos cavacos, porm com conseqncias graves no acabamento superficial.

A combinao de todos estes efeitos sendo levados em considerao que vai distribuir os cavacos nas mais diversas formas apresentadas no item 4.5, segundo os esquemas mostrados na Figura 5.8.

Os cavacos da Figura 5.8c so quebrados periodicamente quando eles encontram a superfcie recm-usinada, o que pode danificar o acabamento superficial. Os cavacos da Figuras 5.8d e 5.8e, so quebrados quando eles se chocam contra a superfcie da pea pronta para ser usinada. Se a direo lateral for suficiente, o cavaco com curvatura para cima pode evitar a pea mas encontrar a superfcie de folga da ferramenta, formando cavacos como na Figura 5.8f. Se a direo lateral for ainda maior, podem gerar cavacos como os das Figuras 5.8h, 5.8 i ou 5.8j. Alm desses, vrios outros tipos podem ser observados, que representam a combinao dos cavacos mostrados na Figura 5.8 a-j [4].

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Figura 5.8. Representao da gerao das diversas formas de cavaco: a) cavaco em fita, reto (ngulo de inclinao = 0o); b) cavaco em fita com direo de sada variado (ngulo de inclinao = 0o); c) cavaco do tipo arruela (ngulo de inclinao = 0o, vc varivel ao longo da aresta de corte, sem curvatura para cima); d) cavaco do tipo c (ngulo de inclinao = 0o); e) cavaco curto na forma de orelha (ngulo de inclinao = 0o); f) cavaco longo na forma de orelha (ngulo de inclinao = 0o); g) cavaco na forma de bobina (ngulo de inclinao = 0o, vc varivel ao longo da aresta de corte e curvatura para cima); h) cavaco helicoidal tubular (ngulo de inclinao positivo e grande profundidade de corte); i) cavaco do tipo mola (ngulo de inclinao positivo e pequena profundidade de corte); j) cavaco helicoidal cnico (combinao de c) e h), comum na furao); k) combinao de c) e d) (ngulo de inclinao diferente de zero); l) cavaco do tipo c, conectados [4].

Considerando estes fatores e as condies de corte, os fabricantes de ferramentas, particularmente de metal duro, desenvolvem os insertos com as mais variadas formas de quebra-cavacos. Estes fabricantes, geralmente, tem um design diferente para operaes de acabamento, cortes mdios e operaes de desbaste. Para cada tipo de operao destas, o design do quebra-cavaco cobre uma determinada faixa de avano e profundidade de corte.

Paulino et alli [7] usinando o ao ABNT 5140, no torneamento, testaram a eficincia de quatro geometrias de superfcies de sada de ferramentas de metal duro (uma lisa, e as demais para operaes de acabamento, intermediria e de desbaste). Eles encontraram que a geometria desenvolvida para operaes de

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desbaste (MR) obteve melhor desempenho quanto a uniformidade na distribuio de h e rc, promovendo uma quebra do cavaco mais eficaz. As geometrias lisa e de acabamento, promoveram menores deformaes no cavaco e conseqentemente se mostraram menos eficazes na quebra dos cavacos.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

1. BOOTHROYD, G. Fundamentals of Metals Maching and Machine Tools, International Student Edition, Mc Graw-Hill, 5 th Printing, 1981, ISBN 0-07085057-7.

2. TAKATSUTO, M. Chip Disposal System in Intermittntly Decelareted Feed, Bull. Japan Soc. of Prec. Engg., vol. 22, no 2, june 1988, pp. 109-114.

3. MACHADO, A.R. Machining of Ti6A14V and Inconel 901 with a High Pressure Coolant System, PhD Thesis, University of Warwick, England, 1990, 288 pgs.

4. SHAW, M.C. Metal Cutting Principles, Oxford Scientific Publications, USA, 1986, 594 pgs, ISBN - 0-19-859002-4.

5. MILLS, B. and REDFORD, A.H. Machinability of Engineering Materials, Applied Science Publishers, U.K., 1983, 174 pgs, ISBN - 0-85334-183-4.

6. SALES, W.F.; Relao Experimental Entre o Raio de Curvatura Natural do Cavaco e os Principais Parmetros de Usinagem; Dissertao de Mestrado, Universidade Federal de Uberlndia - UFU, Uberlndia, Minas Gerais, Brasil, 1995.

7. PAULINO, W.S.; SALES, W.F.; EZUGWU, E.O. e MACHADO, A.R.; Determinao da Eficincia de Quebra-cavacos com as Principais Condies de Corte; XIV COBEM, Bauru, So Paulo, Brasil, 1997.

8. SMITH, G.T., Advanced Machining - The Handbook of Cutting Technology, IFS Publications, 1989, ISBN 1-85423-022-6

9. FANG, X.D. and JAWAHIR, I.S., "An Expert System Based on a Fuzzy Mathematical Model for Chip Breakability Assessments in Automated Machining", proceedings of the 2nd Int. ASME Conf., Atlanta, USA, Vol. IV, March 1990, pp 31 -37.

10. FANG, X.D. and JAWAHIR, I.S., "The Effects of Progressive Tool Wear and Tool Restricted Contact on Chip Breakability in Machining", Wear, Vol. 160, 1993, pp 243 - 252.

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C A P T U L O 6

A INTERFACE CAVACO - FERRAMENTA

6.1. INTRODUO

No captulo 4 verificou-se que a formao do cavaco um processo peridico, com cada ciclo dividido em 4 etapas distintas. A ltima etapa o movimento (escorregamento) do cavaco por sobre a superfcie de sada da ferramenta. As condies nas quais acontece este escorregamento tm influncias marcantes em todo o processo, particularmente, no prprio mecanismo de formao do cavaco, na fora de usinagem, no calor gerado durante o corte, e conseqentemente na temperatura de corte e nos mecanismos e taxa de desgaste das ferramentas de corte, e conseqentemente na vida das ferramentas. preciso, portanto, entender como se processa o movimento do cavaco ao longo da superfcie de sada da ferramenta.

O conceito clssico de atrito baseado nas leis de Amonton e Coulomb (a fora de atrito F, proporcional fora normal N, isto , F = .N, onde o coeficiente de atrito) no apropriado para todas as condies de corte dos metais, onde as presses normais superfcie de sada da ferramenta so muito altas (podem chegar a 3,5 GN/m2, na usinagem de alguns aos; Trent, 1963). As condies da interface cavaco-ferramenta so, portanto, uma das reas de estudo mais importante em usinagem.

Fazer isto, entretanto, tem sido um desafio muito grande, porque so poucas as concluses que podem ser tiradas de observaes diretas durante o corte. As maiores dificuldades so provocadas pelas velocidades de sada dos cavacos, normalmente, muito elevadas e pelas reduzidssimas reas de contato cavaco-ferramenta envolvidas, o que dificultam o monitoramento on line. Apenas para exemplificar, vamos considerar uma operao de corte ortogonal de ao comum ao carbono, em que a velocidade de corte, vc, utilizada de 240m/min, e a espessura de corte, h, igual ao avano de corte, fc, de 0,25mm/volta, e a largura de corte, b, igual profundidade de corte, ap, de 2,0mm. Se a espessura do cavaco, h, obtida foi de 0,5mm, o grau de recalque, Rc, igual a 2,0 (h h). Nestas condies, a velocidade de sada do cavaco, vcav, de 120m/min (Vc Rc), ou 2,0m/s. Se o comprimento de contato cavaco-ferramenta, L, nesta operao for de 3,0mm, a rea de contato ser 6,0mm2 (L b). uma velocidade de sada do cavaco muito alta, e uma rea de contato cavaco-ferramenta muito pequena para se considerar o monitoramento on line.

A maioria das teorias modernas disponveis foi derivada de estudos desta interface, aps o corte ter sido interrompido (utilizando-se quick-stops) e de medies de deformaes e temperaturas naquela regio.

Aps contar com essas tcnicas de quick stops, pode-se constatar a forte influncia que as condies da interface cavaco-ferramenta exerce no processo. Teorias mais antigas sempre concentravam os estudos na zona de cisalhamento primrio, como Piispanen (1937), Ernest e Merchant (1940) e Lee e Shaffer (1943), entre outros. Entre estes, Piispanen (1937) foi o primeiro a considerar o processo de

59

cisalhamento no plano primrio como se fosse o deslizamento de cartas de baralho, por isto o seu modelo ficou conhecido como Baralho de Piispanen. A figura 6.1 apresenta este modelo.

Figura 6.1. Modelo de formao de cavaco proposto por Piispanen (1937).

Neste modelo o movimento do cavaco na superfcie de sada da ferramenta se d pura e simplesmente pelo escorregamento de lamelas individuais, como se fossem cartas, desprezando totalmente o atrito e o cisalhamento dentro do material. Assim, qualquer teoria derivada deste modelo vai carregar inevitveis erros de aproximao.

Na usinagem dos metais pelo menos trs condies de interface cavaco-ferramenta podem ser encontradas:

a)- Aderncia + Escorregamento;

b)- Escorregamento;

c)- Aresta Postia de Corte - APC

Quem mais difundiu a teoria das condies da interface cavaco-feramenta nos meios cientficos foi Trent, que desde 1963 identificou e definiu com muita competncia a ZONA DE ADERNCIA (seizure zone ou sticking zone, da literatura inglesa) e a ZONA DE ESCORREGAMENTO (sliding zone, da literatura inglesa). Na condio a a zona de aderncia se estende da aresta de corte para dentro da superfcie de sada da ferramenta, tendo a zona de escorregamento se desenvolvendo ao longo de sua periferia. A Figura 6.2 identifica estas duas zonas. Linha BC = aderncia, linha CD = escorregamento.

Em determinadas condies especiais, a zona de aderncia pode ser suprimida, prevalecendo apenas a condio de escorregamento. Esta situao se refere condio b j citada e ser abordada mais tarde.

Plano de cisalhamento primrio

60

Figura 6.2. reas de aderncia e escorregamento na interface cavaco-ferramenta (Trent e Wright, 2000).

Uma outra situao diferente, a existncia da aresta postia de corte, APC, (condio c) que um fenmeno que pode ocorrer a baixas velocidades de corte. A presena da APC vai alterar completamente a geometria da cunha cortante, com efeitos em todo o processo de usinagem (fora, temperatura, desgaste das ferramentas e acabamento superficial).

A possibilidade da existncia de diferentes condies na interface cavaco-ferramenta impe a necessidade de estudos criteriosos de cada uma dessas condies nos itens subsequentes, e posterior anlise da influncia delas nas variveis do processo. Antes, porm, uma abordagem das condies de atrito em usinagem se faz necessria. 6.2. ATRITO NO CORTE DE METAIS

Quando duas superfcies so colocadas justapostas, a rea de contato real (Ar) muito menor que a rea de contato aparente (A), devido s micro-irregularidades presentes em qualquer superfcie acabada. Os contatos so estabelecidos apenas em alguns picos das irregularidades, como ilustrado na Figura 6.3.

Figura 6.3. rea de contato numa superfcie levemente carregada (Shaw et alli, 1960).

Em se aplicando uma carga normal extra, os pontos de contato so deformados plasticamente, e a rea de contato real (Ar) aumenta at ser capaz de

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suportar, tambm, esta nova carga aplicada. A fora tangencial (ou de atrito), por conseguinte, aumenta proporcionalmente, e o limite de proporcionalidade o coeficiente de atrito , valendo, portanto, a lei de atrito de Coulomb. Se a carga normal aplicada for aumentada indefinidamente, vai existir um momento em que todos os picos das irregularidades se deformaro de tal maneira que a rea real se iguala rea aparente. A fora normal necessria para que isto acontea definida como carga normal limite. A partir deste valor, o aumento da fora normal no altera mais a fora tangencial (ou de atrito), isto , a fora tangencial no mais proporcional fora normal. Ela passa a ser constante e assume o