Mecanismo de formação do cavaco

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Tecnologia da Usinagem
Capítulo 2
MECANISMO DE FORMAÇÃO DO CAVACO
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Tecnologia da Usinagem
Item 2.1
FORMAÇÃO DO CAVACO
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Corte Ortogonal - Considerações
A Aresta cortante é reta, normal à direção de corte e normal à direção de avanço.
O corte se realiza no plano de trabalho.
O tipo de cavaco é contínuo, sem APC.
Não existe contato entre a superfície de folga da ferramenta e a peça usinada.
A espessura de corte h (igual ao avanço) é pequena em relação a largura de corte b.
A aresta de corte é maior que a largura de corte b.
A largura de corte b e a largura do cavaco b’ são idênticas.
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
Exemplos de Corte Ortogonal
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Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
Vista frontal do corte ortogonal
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Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
Diagrama da cunha cortante
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Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
Zonas de cisalhamento primária e secundária
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A formação do cavaco é um processo cíclico, dividido em quatro etapas:
	1. Recalque
	2. Deformação plástica
	3. Ruptura
	4. Movimento sobre a superfície de saída da ferramenta.
Cada volume de material que passar por um ciclo, formará uma lamela de cavaco.
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Observem que a espessura do cavaco h’ é maior que a espessura de corte h.
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
O ângulo de cisalhamento  é formado pelo plano de cisalhamento primário e o plano de corte.
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	a)- Espessura de corte, espessura do cavaco e ângulo de cisalhamento
	b)- Triângulo de velocidades
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Grau de Recalque
 
Ângulo de Cisalhamento
Segundo Ernest e Merchant
Segundo Lee e Shaffer
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Classes de cavacos:
Cavaco contínuo
Cavaco parcialmente contínuo
Cavaco descontínuo
Cavaco segmentado
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Tipos de cavacos: 
cavaco contínuo; 
cavaco contínuo com APC; 
cavaco descontínuo; 
Cavaco segmentado.
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Cavacos Contínuos
	Se formam na usinagem de materiais dúcteis. O material cisalha na zona de cisalhamento primária e permanece em uma forma homogênea, sem se fragmentar.
	Existe a abertura da trinca na ponta da ferramenta e a propagação da trinca é interrompida devido as altas tensões de compressão no plano de cisalhamento primário.
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Cavaco contínuo
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Cavacos Descontínuos
	Se formam na usinagem de materiais frágeis ou heterogêneos, que não são capazes de suportarem grandes quantidades de deformação sem fratura. A trinca aberta na ponta da ferramenta se propaga por toda a extensão do plano de cisalhamento primário do cavaco.
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Cavacos
 Descontínuos
Fonte: http://unix.eng.ua.edu/~yguo/Papers/J12.pdf
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Cavacos Parcialmente Contínuos
	É uma classe intermediária entre os cavacos contínuos e descontínuos, onde a trinca se propaga até uma parte do plano de cisalhamento primário.
	Duas explicações:
	(i) A energia elástica acumulada na ferramenta pode não ser suficiente para continuar a propagação da trinca. A ferramenta perderá contato com o cavaco, interrompendo assim a propagação da trinca.
	(ii) Presença de grandes tensões de compressão no plano de cisalhamento primário, um pouco além da ponta da ferramenta, que supressa a propagação da trinca.
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Cavacos Parcialmente Contínuos
		
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Tipo de cavaco em função da profundidade de corte e do ângulo de saída. 
x = cavacos contínuos;  = cavacos parcialmente contínuos; o = cavacos descontínuos 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Cavacos Segmentados
	São caracterizados por grandes deformações continuadas em estreitas bandas entre segmentos com muito pouca, ou quase nenhuma deformação no interior destes segmentos. No processo de cisalhamento o calor gerado proporciona uma taxa de amolecimento maior que a taxa de encruamento. Por este motivo, a deformação continua acontecendo no mesmo plano primário, até que se afasta da aresta o suficiente para as tensões cisalhantes não mais serem capaz de continuar a deformação. Neste momento uma nova banda de cisalhamento começa a se deformar.
	Acontece pelo processo de “cisalhamento termoplástico adiabático”
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Cavaco segmentado 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Cavacos Segmentados	
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Etapas de Formação
do Cavaco segmentado 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Cavaco segmentado 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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	Cavaco segmentado
http://nsmwww.eng.ohio-state.edu/html/m-sawtoothchip.html 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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	Cavaco contínuo
http://nsmwww.eng.ohio-state.edu/html/d-simulations.html
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Transição de cavaco contínuo para segmentado do Inconel 718
Vc = 15 m/min
Vc = 34 m/min
Vc = 61 m/min
Vc = 93 m/min
Após Komanduri e Shroeder (1986)
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Formas de Cavacos
Cavaco em fita
Cavaco helicoidal
Cavaco espiral
Cavaco em lascas ou pedaços
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Formas de cavacos produzidos na usinagem dos metais 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
fragmentado
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Efeito do avanço e da profundidade de corte na forma dos cavacos 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Agora assista alguns filmes didáticos
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Tecnologia da Usinagem
Item 2.2
CONTROLE DO CAVACO
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Principais problemas causados pelos cavacos “longos”:
Eles têm baixa densidade efetiva, isto é, ocupam muito espaço, o que causa problemas econômicos no manuseio e no processo de descarte, ou reaproveitamento.
Eles podem se enrolar em torno da peça, da ferramenta ou de componentes da máquina e estes cavacos, a temperaturas elevadas e com arestas laterais afiadas, representam verdadeiro risco ao operador.
Quando se enrolam a peça, apesar de afetar pouco o acabamento superficial, produzem uma superfície não atrativa, e podem causar danos à ferramenta.
Eles podem afetar forças de usinagem, temperatura de corte e vida das ferramentas.
Pode impedir o acesso regular de fluido de corte
Em máquinas CNC, onde a ausência do operador não permite a produção de tais formas de cavaco.
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Capítulo 5: 
CONTROLE DE CAVACO 
Fator de Empacotamento
	Formas de cavacos longos:		R = 50
	Cavacos em lascas ou pedaços: 	R = 3 a 4
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Métodos Especiais para Promover a Quebra do Cavaco
Desaceleração do avanço
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Métodos Especiais para Promover a Quebra do Cavaco
Fluido de corte aplicado a alta pressão
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Usinagem com fluido aplicado convencionalmente
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Ferramental e sistema de aplicação de fluido à alta pressão 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Porta ferramentas, cartuchos e bocais
Capítulo2: Mecanismo da formação do cavaco
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Detalhe do jato de fluido de corte aplicado à alta pressão de 11 MPa
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Cavacos de Ti6Al4V produzidos com fluidos aplicados convencionalmente
Cavacos de Ti6Al4V produzidos com fluidos aplicados a alta pressão
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Quando se usina sem quebra-cavacos, a capacidade de quebra dos cavacos depende principalmente de:
Fragilidade do material da peça
Curvatura natural do cavaco, rc
Espessura do cavaco, h’
Quanto maior h’/rc maior a capacidade de quebra dos cavacos. 	
A deformação sofrida pelo cavaco,   h’/rc 
Quando  atinge f (def. crítica), promovem a quebra do cavaco
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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O método mais popular para se desvencilhar da produção de cavacos longos é a utilização de quebra-cavacos.
	Existem dois tipos:
Postiços
Integral. Podem ser dos tipos:
Anteparo
Cratera
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Princípio de quebra dos cavacos
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Princípio de quebra dos cavacos
Fonte: Sandvik
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Quebra-cavacos postiços 
Estimativa de rc:
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Quebra-cavacos integral, tipo I - Anteparo
Estimativa de rc:
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Quebra-cavacos integral, tipo II - Cratera
Estimativa de rc:
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Influência dos quebra-cavacos
	a) Na força de usinagem:
			Efeito desprezível, na maioria dos casos
	b) No desgaste da ferramenta:
			1. Desgaste de flanco
				- Efeito desprezível.
			2. Desgaste de cratera
				- Quebra-cavacos dos tipos “postiço” e
		 	 	 “anteparo” reduzem o desgaste.
				- Quebra-cavacos do tipo “cratera” 
		 	 	 aumentam o desgaste.
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Influência da distancia entre o quebra-cavaco e a aresta de corte
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
Relação entre o raio de ponta e a profundidade de corte
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Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Raio de curvatura natural
Fragilidade do material da peça
Espessura do cavaco h’
Geometria da ferramenta
Ângulo de saída, o
Ângulo de inclinação, s
Ângulo de posição, Xr
Velocidade de corte
Profundidade de corte
Rigidez da máquina-ferramenta
Fatores a considerar no projeto do quebra-cavaco
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Wisley:
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Curvatura do cavaco para dentro, causado pela variação da velocidade de corte ao longo da aresta 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Representação da geração das diversas formas de cavaco
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Tecnologia da Usinagem
Item 2.3
A INTERFACE CAVACO-FERRAMENTA
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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POR QUE ESTUDAR A INTERFACE CAVACO-FERRAMENTA?
É 4ª etapa do processo cíclico de formação do cavaco: movimento sobre a superfície de saída da ferramenta.
Atrito de Coulomb (F = .N, onde  é o coeficiente de atrito) não vale.
As condições que acontecem este escorregamento têm influências marcantes no processo (no próprio mecanismo de formação do cavaco, na força de usinagem, nas temperaturas de corte, no desgaste e vida das ferramentas de corte).
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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DIFICULDADES
Observações diretas durante o corte oferece mínimos detalhes.
Velocidades de saída dos cavacos são, normalmente muito elevadas (Vcav = 120 m/min = 2m/s, às vezes maiores).
Áreas de contato cavaco-ferramenta muito pequenas (A’= 6mm2, às vezes menores).
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
	Teorias antigas concentravam os estudos no pano de cisalhamento primário, entre eles Piispanen:
Modelo de Piispanen para formação de cavacos, com lamelas semelhantes a um “baralho de cartas”
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
Piispanen
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Quick-Stop
	A maioria dos estudos da interface utiliza o congelamento do corte, usando técnicas de Quick-Stop.
	Neste processo, a ferramenta de corte no torneamento é retraída, com velocidade superior a velocidade de corte (de 2 a 3 vezes maior), deixando a raiz do cavaco em condições de análises em microscópios para estudos.
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
	Quick-Stop
		
		
Acionamento por revolver
Acionamento por mola
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
Situações no desengate
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Amostra de quick-stop do ferro fundido nodular
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Raiz de cavacos obtidas por quic-stop doaço de corte-fácil ABNT 12L14, usinado a 35 m/min
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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	Na interface cavaco-ferramenta podem existir três condições distintas:
Aderência (seizure ou sticking) + Escorregamento
Escorregamento (sliding)
Aresta postiça de corte, APC (built-up-edge, BUE)
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Áreas de aderência e escorregamento na interface cavaco-ferramenta 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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ATRITO EM USINAGEM
Área de contato numa superfície levemente carregada 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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	Os três regimes de atrito sólido 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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O modelo de distribuição de tensão na superfície de saída da ferramenta, proposto por Zorev 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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O modelo de distribuição de tensão na superfície de saída da ferramenta, proposto por Zorev 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Atrito em Usinagem
		O atrito de Coulomb (, onde  é o coeficiente de atrito) não vale para toda a extensão da zona de contato cavaco-ferramenta. O coeficiente de atrito é considerado em termos do ângulo de atrito médio:
	onde, 	k = constante
			fav = tensão normal média na interface
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Condições de aderência
	Nestas condições existe um íntimo contato entre o cavaco e a ferramenta (Ar = A), garantido pela alta tensão de compressão. Movimento na interface, ocorre dentro da zona de fluxo, onde existe um gradiente de velocidades. Na interface, o material é estacionário, mas a poucos mícrons acima a velocidade assume o valor da velocidade de saída do cavaco. As deformações podem chegar à ordem de 100 e ocorrem por cisalhamento termoplástico adiabático. Praticamente todo trabalho de cisalhamento é convertido em calor, elevando a temperatura da ferramenta.
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Amostras de Quick-Stop: fortes indícios de aderência
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Raiz de um cavaco de aço doce
Ampliação
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
ZONA DE FLUXO
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Observação da zona de fluxo na peça
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Movimento sobre a superfície da ferramenta
	As condições que acontecem este movimento têm influências marcantes em todo o processo de usinagem, principalmente no mecanismo de formação do cavaco (plano de cisalhamento primário), na força de usinagem (energia consumida), no calor gerado durante o corte (temperatura de corte) nos mecanismos e na taxa de desgaste das ferramentas de corte (vida das ferramentas).
	É preciso, portanto, entender como se processa o movimento do cavaco ao longo da superfície de saída da ferramenta.
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Deformaçõesna Zona de Fluxo
	
	
	Segundo o modelo de Trent, a deformação cisalhante na zona de fluxo é inversamente proporcional à distância da superfície de saída. No ponto Y, a porção inicial do material OabX sofreu uma deformação para Oa’b’X, enquanto que a metade do material da porção inicial considerada, isto é, OcdX (metade de OabX) se deformou para Oc”d”X que é o dobro da deformação sofrida por ab. Correspondentemente, o material OefX, onde Oe vale ¼ de Oa, se deforma para Oe’’’f’’’X quando ele atinge o ponto Y, que é quatro vezes maior que a deformação sofrida por OabX quando este atinge o mesmo ponto, Oa’b’X. 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Deformações cisalhantes na zona de fluxo de acordo com o modelo de Trent
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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	Condições de escorregamento
		Nestas condições a área real é menor que a área aparente. Neste caso não existe a zona de fluxo, e movimento relativo ocorre justamente na interface. A geração de calor ocorre por flashes, em cada ponto de contato.
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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CASOS ESPECIAIS EM QUE A ADERÊNCIA É EVITADA
 	Alguns elementos são introduzidos nos materiais de corte fácil, tais como chumbo, o selênio, o telúrio, o bismuto, etc., que funcionam como lubrificantes sólidos (internos) e formam um filme na interface, com resistência ao cisalhamento menor que a resistência da matriz, eliminando por completo a zona de aderência, prevalecendo totais condições de escorregamento, diminuindo assim, as temperaturas de corte as forças de usinagem e os desgastes das ferramentas. 
	Na realidade a zona de fluxo não desaparece. Ela é substituída pela zona de fluxo formada por material de livre-corte aderido na interface, muito mais mole e menos resistente ao cisalhamento. 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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SITUAÇÃO EM QUE A ZONA DE FLUXO É ELIMINADA
Raiz do cavaco do Latão 60-40
Raiz do cavaco do Latão 60-40 com Pb
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Superfície de saída da ferramenta mostrando a presença do Pb
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Aresta Postiça de Corte - APC
	
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Aresta Postiça de Corte - APC
		
A aresta postiça de corte é um corpo solidário à peça e ao cavaco.
A aresta postiça não é um corpo separado que se coloca entre a ferramenta e a peça/cavaco
NÃO
SIM
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Raiz de cavaco de duralumínio com APC
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Fases do processo de formação da Aresta Postiça de Corte - APC
Deformação plástica
Encruamento
Crescimento do corpo da APC
Abertura de trincas
Cisalhamento
		
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
Processo de crescimento e cisalhamento da APC		
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Aresta Postiça de Corte - APC
		A formação da APC é um processo envolvendo deformação plástica, encruamento e formação de microtrincas. Ela só se formará na presença de segunda fase na matriz do material sob corte. A segunda fase é quem garante um estado triaxial de tensão, devido a taxas de deformações diferentes, desta em relações à matriz, para promover o aparecimento de microtrincas.
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Variação da geometria da APC com velocidade de corte 
vc
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Variação das dimensões da APC com a velocidade de corte com identificação dos regimes estável e instável e da velocidade de corte crítica.
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
As dimensões da APC não são constantes ao longo da largura de corte, b
	
L1
L2
b
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
		
Fragmentos laterais da APC de Al-Si, vc = 18m/min 
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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		“A formação da APC pode ser relacionada com uma pessoa caminhando sobre um terreno de lama. O barro começa a grudar no sapato e muda a forma de solado. Ele vai crescendo em tamanho até cair, e o processo começa a se repetir”.
			Serope Kalpakjian
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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RESUMO DAS CONDIÇÕES DA INTERFACE CAVACO-FERRAMENTA
	Podem existir três situações distintas:
Aderência + Escorregamento
Escorregamento (com eliminação da aderência pela adição de elementos de livre-corte)
Aresta Postiça de Corte - APC
		Em se prevalecendo qualquer uma destas, temos três situações distintas, e portanto os efeitos na usinagem são também diferentes, principalmente na força de usinagem, na temperatura de corte e no desgaste das ferramentas de corte.
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE AS CONDIÇÕES DA INTERFACE CAVACO-FERRAMENTA
	Todas estas informações ratificam a importância das condições da interface cavaco-ferramenta no processo de usinagem. Portanto, o conhecimento destas condições deve ser incentivado, e pesquisa nesta área é fundamental. Ainda existem muitas coisas obscuras neste processo, tais como a quantificação de deformação e a distribuição de temperatura na zona de fluxo. 
	O processo de deformação e os fenômenos que ocorrem na zona de cisalhamento primária são importantes, porém, a prática tem mostrado que o que ocorre na zona de cisalhamento secundária é tão importante quanto, e que em termos de performance de ferramentas, a zona secundária é mais importante que a primária.
Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco
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Capítulo 2: Mecanismo da formação do cavaco