5. Forças e Potências de Corte (1)

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I. USINAGEM DOS METAIS
4. Forças e potência de corte
4.1. Introdução
	O conhecimento do comportamento e da ordem de grandeza dos esforços de corte nos processos de usinagem é de fundamental importância pois eles afetam:
 A potência necessária para o corte;
 A obtenção de tolerâncias apertadas;
 O desgaste da ferramenta;
 A temperatura de corte.
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4.2. Forças durante a usinagem
	As forças de usinagem são consideradas uma ação da peça sobre a ferramenta.
	A força total resultante que atua sobre a cunha cortante da ferramenta durante a usinagem é denominada força de usinagem (Fu).
	No processo de usinagem por abrasão, a força de usinagem praticamente não pode ser referida a uma única aresta de corte,devendo portanto ser referida à parte ativado rebolo num dado instante.
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	A princípio, nem a direção nem o sentido da força de usinagem são conhecidos, tornando-se impossível medi-la e conhecer melhor as influências de diversos parâmetros para o seu valor.
	Então, não se trabalha com a força de usinagem propriamente, mas com sua componentes segundo diversas direções conhecidas.
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4.2.1. Componentes da força de usinagem
	Inicialmente, a força de usinagem é decomposta em:
 Uma componente que está no plano de trabalho (Pf), chamada de força ativa (Ft), que é decomposta em várias outras forças;
 Uma componente perpendicular ao plano de trabalho, chamada de força passiva ou força de profundidade (Fp).
 Componentes da força ativa (Ft)
	As componentes da força ativa contribuem para a potência de usinagem, pois elas estão no plano de trabalho (Pf – plano em que os movimentos de usinagem são realizados). São elas:
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 Força de corte (Fc) – projeção de Fu sobre a direção de corte;
 Força de avanço (Ff) – projeção de Fu sobre a direção de avanço;
 Força de apoio (Fap) – projeção de Fu sobre a direção perpendicular à direção de avanço, situada no plano de trabalho;
 Força efetiva de corte (Fe) – projeção de Fu sobre a direção efetiva de corte.
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	Assim, tem-se as seguintes equações:
	Quando o ângulo da direção de avanço  = 90º (no torneamento, por exemplo), tem-se:
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ii. Força passiva ou de profundidade (Fp)
	É a componente da força de usinagem (Fu) projetada em um plano perpendicular ao plano de trabalho. Esta componente não contribui para a potência de usinagem, pois ela é perpendicular aos movimentos (é perpendicular ao plano de trabalho, onde ocorrem os movimentos de corte e de avanço).
	É importante que se estude o comportamento e valor desta força, pois ela é responsável pela deflexão elástica da peça e da ferramenta durante o corte e, por isso, é responsável pela dificuldade de obtenção de tolerâncias de forma e dimensão apertadas.
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	Assim, tem as seguintes relações entre a força de usinagem, a força ativa e suas componentes, e a força passiva:
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4.3. Potência de usinagem
	Uma máquina-ferramenta gera potência para girar seu eixo árvore e executar o movimento de corte e para executar o movimento de avanço. Assim pode-se estabelecer as seguintes relações para as potências de corte e de avanço:
 Potência de corte (Pc) – 
	Normalmente, Fc é dada em N (Newton) e Vc em m/min.
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 Potência de avanço (Pf) – 
	Normalmente, Ff é dada em N (Newton) e Vf em mm/min.
 Relação entre as potências de corte e de avanço
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	No torneamento tem-se que Fc ~ 4,5 Ff.
	Tomando-se, como exemplo, uma operação de torneamento com d = 10 mm e f = 1 mm/rot, que são limites extremos para está análise, ou seja, d é muito pequeno e f muito grande, a fim de tornar a relação Pc/Pf a menor possível, tem-se:
	Conclui-se que a potência de corte, em uma situação extrema, é 140 vezes maior do que a potência de avanço. Esta diferença permite desprezar a potência de avanço no dimensionamento do motor da máquina-ferramenta que usa apenas um motor para os movimentos de corte e avanço.
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iv. Potência fornecida pelo motor elétrico (Pm)
	
	Sendo:	 - rendimento da máquina ferramenta. O rendimento varia de 60 a 80% em máquinas convencionais e é maior do que 90% em máquinas de comando numérico computadorizado (CNC).
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4.4. Variação da força de corte com as condições de trabalho
	A força de corte pode ser expressa pela equação:
	Sendo:	Ks – a pressão especifica de corte
				A – a área da seção de corte.
	Numa situação de corte ideal no torneamento, tem-se que:
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 Fatores que influenciam a pressão especifica de corte
 Material da peça
	O aumento do teor de carbono nos aços aumenta o valor de Ks. O inverso é verificado com o aumento dos teores de elementos como: P, Pb, B, MnS, que produzem a diminuição do Ks.
	Dentre as propriedades de um material, aquela que mais pode ser correlacionada com a pressão especifica de corte é a tensão de ruptura (ou de escoamento) ao cisalhamento (r).
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 Material e geometria da ferramenta
	Não é significativa a influência do material da ferramenta de corte sobre o valor de Ks. Um destaque deve ser dado as ferramentas com cobertura de TiN, que tendem a diminuir o atrito do cavaco-superfície de saída da ferramenta e ferramenta-peça, proporcionando valores menores de Ks do que os das outra ferramentas.
	Os ângulos o (principalmente) e s provocam uma diminuição do Ks a medida que seus valores aumentam. Essa influência é marcante para a usinagem de materiais dúcteis e desprezível na usinagem de materiais frágeis.
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	Em geral se recomenda ferramentas com geometria negativa por fatores como:
 Cunha da ferramenta com maior resistência;
 Pastilhas intercambiáveis com geometria negativa possuem arestas dos dois lados (diminuindo o custo da pastilha).
	Geometrias positivas (o e s positivos) somente são recomendados quando:
 Necessita-se de baixa força de corte na usinagem de materiais dúcteis, quando é o caso de se ter uma máquina com baixa potência e/ou rigidez;
 Na usinagem de peças com paredes finas, de eixos finos e compridos e torneamento interno em acabamento, onde a ferramenta é pouco rígida e a obtenção de bons acabamentos superficiais é imposição do projeto.
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	Uma diminuição do ângulo de folga (o) aumenta o atrito entre a ferramenta e a peça e com isso o valor de Ks aumenta. Isso é crítico quando o é pequeno (menor do que 5º).
	Um aumento o bem acima de 5º praticamente não tem influência no valor de Ks. No entanto, diminui a cunha de corte da ferramenta, diminuindo sua resistência aos choques.
	O ângulo secundário de posição (r’) deve ser maior do que 50 para que não haja interferência entre a aresta lateral de corte com a superfície trabalhada da peça.
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 Seção de corte (A)
	A pressão especifica de corte diminui com a área da seção de corte. Essa diminuição deve-se principalmente ao aumento do avanço. Durante o processo de formação do cavaco, parte do volume do material deformado não se transforma em cavaco, mas escorrega entre a peça e a superfície de folga da ferramenta, gerando o chamado fluxo lateral de cavaco.
	A força consumida por esse fenômeno é relativamente grande para f pequeno (ou espessura de corte h).
	A medida que f ou h crescem, o fluxo lateral de cavaco é relativamente menor, fazendo com que Ks diminua.
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	 Quando f aumenta, Vf também aumenta e, conseqüentemente, o coeficiente de atrito diminui pois torna o corte mais dinâmico.
	O aumento da profundidade de usinagem (ap) praticamente não altera o valor de Ks a não ser para valores pequenos de ap, pois o aumento de ap só faz aumentar o comprimento de contato peça-ferramenta sem aumentar as velocidades envolvidas.
	Concluí-se então, que o crescimento da força de corte é diretamente proporcional ao da profundidade de usinagem, mas quando o avanço aumenta a força
de corte também aumenta, porém não na mesma proporção, já que ocorre uma diminuição do Ks.
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f
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 Velocidade de corte (Vc)
	Para baixas velocidades de corte, a presença da Aresta Postiça de Corte (APC) tende a diminuir o valor de Ks. Assim, na usinagem de materiais dúcteis em baixas velocidades de corte, os valores de Ks variam dependendo do tamanho e da geometria da APC.
	Em Vcs usualmente utilizadas, ou seja, sem a presença de APC, os valores de Ks tendem a diminuir com o aumento de Vc. Esse fato deve-se:
 À diminuição da deformação e da dureza do cavaco, e dos coeficientes de atrito que o aumento de Vc proporciona.
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 Condições de lubrificação e refrigeração
 Estado de afiação da ferramenta
	Na presença do desgaste de flanco (VB) Ks aumenta à medida que o desgaste aumenta.
	Quando o desgaste de cratera aparece juntamente com o desgaste de flanco, o crescimento de Ks já não é tão nítido.
	Na usinagem de aços com ferramentas de metal duro recoberta, Ks aumenta lentamente com o VB até um valor crítico de VB a partir do qual Ks cresce rapidamente.
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4.5. Cálculo da pressão específica de corte
	Pesquisadores e instituições já propuseram fórmulas para o cálculo de Ks.
	Kienzle propôs uma equação considerada suficientemente precisa para o cálculo de Ks em função da espessura de corte h. A aumento de Ks com a diminuição de h é uma propriedade geral que vale para todas as operações de usinagem.
	Sendo: Ks1 e z propriedades do material.
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Espessura de corte h (mm)
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	Assim, a força de corte é dada por:
	A Sandvik Coromant apresenta a seguinte equação para o cálculo do Ks:
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4.6. Fatores que influenciam as forças de avanço e de profundidade
	Muito dos fatores que influenciam os valores de Fc, também influenciam os valores de Ff e Fp.
	Mas, fatores como o raio de ponta da ferramenta (r) e os ângulos de posição (r) e de inclinação (s) têm mais influência sobre Ff e Fp.
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