Unidade 3 Mecanismo de Formação do Cavaco e Formas do Cavaco BR

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PROCESSOS DE FABRICAÇÃO II
(CCE0693)
Professor Gustavo Simão
gustavosimao@uol.com.br
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Unidade 3
Mecanismo de Formação do Cavaco e Formas do Cavaco
Unidade 3-Mecanismo de Formação do Cavaco e Formas do Cavaco 
Grau de recalque
Tipos e formas de cavacos
Quebra-cavacos
Cuidados de armazenagem e preservação do meio ambiente
Prof. Gustavo Simão
Mecanismo de Formação do Cavaco e Formas do Cavaco 
Introdução
Para uma explicação científica das diferentes grandezas relacionadas com a usinagem dos metais, tais como desgaste da ferramenta e suas causas, forças de corte, arestas postiças de corte, etc, é necessário um estudo minucioso do processo de formação do cavaco. 
O estudo experimental da usinagem é de essencial importância, pois a teoria da plasticidade não permite explicar satisfatoriamente os fenômenos observados. No processo de formação do cavaco, as velocidades e as deformações que ocorrem são muito grandes comparadas com aquelas tratadas na teoria da plasticidade.
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Em geral, a formação do cavaco, nas condições normais de usinagem com ferramentas de metal duro ou de aço rápido, se processa da seguinte forma:
Durante a usinagem, devido a penetração da ferramenta na peça, uma pequena porção de material (ainda solidária à peça) é recalcada contra a superfície de saída da ferramenta.
O material recalcado sofre uma deformação plástica, a qual aumenta progressivamente, até que as tensões de cisalhamento se tornem suficientemente grandes, de modo a se iniciar um deslizamento (sem que haja com isso uma perda de coesão) entre a porção de material recalcado e a peça. Este deslizamento se realiza segundo os planos de cisalhamento dos cristais da porção de material recalcada. Durante a usinagem, estes
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(cont.) planos instantâneos irão definir uma certa região entre a peça e o cavaco, dita região de cisalhamento. Para facilitar o tratamento matemático dado à formação do cavaco, esta região é assimilada a um plano, dito simplesmente plano de cisalhamento. Este plano é tomado quando possível paralelo aos planos de cisalhamento dos cristais dessa região e é definido pelo ângulo de cisalhamento  .
 Formação do cavaco: a) cavaco de cisalhamento b) cavaco contínuo
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Continuando a penetração da ferramenta em relação à peça, haverá uma ruptura parcial ou completa na região de cisalhamento, dependendo naturalmente da dutilidade do material e das condições de usinagem. Para os materiais altamente deformáveis, a ruptura se realiza somente nas imediações da aresta cortante e o cavaco originado é denominado cavaco contínuo. Para materiais frágeis, se origina o cavaco de cisalhamento ou de ruptura.
Prosseguindo, devido ao movimento relativo entre a ferramenta e a peça, inicia-se um escorregamento da porção de material deformada e cisalhada (cavaco) sobre a superfície de saída da ferramenta. Enquanto tal ocorre, uma nova porção de material (imediatamente adjacente à porção anterior) está se formando e cisalhando. Esta nova porção de material irá também
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(cont) escorregar sobre a superfície de saída da ferramenta, repetindo novamente o fenômeno.
Do exposto, conclui-se que o fenômeno da formação do cavaco, nas condições normais de trabalho com ferramenta de metal duro ou de aço rápido é um fenômeno periódico, inclusive a formação do cavaco contínuo. Tem-se alternadamente uma fase de recalque e uma fase de escorregamento, para cada pequena porção de material removido.
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Ângulo de Cisalhamento e Grau de Recalque 
Durante o ciclo de formação do cavaco, o material recalcado passa pela região conhecida como zona de cisalhamento, onde ocorre a deformação plástica do material, antes da ruptura deste. Para fins de simplificação, a zona de cisalhamento é representada como um plano, chamado plano de cisalhamento. O ângulo deste plano com o plano de corte é chamado ângulo de cisalhamento ( ). 
Grau de Recalque 
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Grau de Recalque 
Ângulo de Cisalhamento e Grau de Recalque 
Devido às deformações sofridas pelo material durante a usinagem, a espessura do cavaco gerado (h’) é maior do que a espessura do material a ser removido (h), o que geralmente pode ser observado experimentalmente. Dessa maneira, o cavaco gerado é mais curto do que o percurso percorrido pela ferramenta durante a usinagem, com a velocidade do cavaco (Vcav) sendo menor do que a velocidade de corte empregada (Vc). Através das espessuras inicial e final do material, pode-se obter o grau de recalque
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Grau de Recalque 
Ângulo de Cisalhamento e Grau de Recalque 
Através do grau de recalque, pode-se obter o ângulo de cisalhamento.
Onde n é o ângulo de saída medido no plano normal da ferramenta (no caso do corte ortogonal, n = 0, pois s = 0).
Dessa maneira, o valor tanto do grau de recalque quanto do ângulo de cisalhamento do material é uma informação valiosa a respeito da deformação sofrida pelo material na zona de cisalhamento. Materiais dúcteis, devido ao fato de sofrerem grandes deformações, costumam gerar valores baixos de  . Isto faz com que o cavaco gerado seja mais espesso, e deslize com maior força de atrito sobre a ferramenta.
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Grau de Recalque 
Ângulo de Cisalhamento e Grau de Recalque 
Também as condições observadas na interface cavaco-ferramenta influem no ângulo de cisalhamento. Quando a superfície de saída da ferramenta oferece maior resistência à passagem do cavaco,  tende a diminuir, aumentando o comprimento do plano de cisalhamento primário.
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Grau de Recalque 
Temperatura nas interfaces cavaco-ferramenta e ferramenta peça 
Um aspecto importante a se considerar na formação de cavaco diz respeito ao calor gerado pelo mesmo. Este calor é gerado pela combinação de altas taxas de deformação com um forte atrito entre peça-ferramenta-cavaco. A figura
mostra as isotermas observadas na interface cavaco-ferramenta durante a usinagem de aço com ferramenta de metal duro P20 a uma velocidade de corte de 60 m/min. 
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Temperatura nas interfaces cavaco-ferramenta e ferramenta peça 
O excesso de calor pode causar a redução da dureza do material da ferramenta (em especial em ferramentas de aço), e do material usinado. Na ferramenta, pode ainda facilitar a difusão de átomos do cavaco para a ferramenta, gerando uma superfície com baixa resistência ao cisalhamento e, portanto, mais suscetível ao desgaste. A combinação entre as altas temperaturas e pressões que ocorrem na aresta de corte da ferramenta pode causar inclusive a soldagem de material da peça na aresta cortante, gerando o fenômeno conhecido como APC – aresta postiça de corte (built up edge), que geralmente é danoso ao processo.
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Temperatura nas interfaces cavaco-ferramenta e ferramenta peça 
A APC ocorre geralmente em baixas velocidades, sendo, por isso, mais comum na usinagem com ferramenta de aço rápido. Problemas decorrentes da ocorrência da APC são a queda do acabamento superficial e o fato de que, quando arrancado da ferramenta, pode levar consigo pequenas quantidades de material da aresta de corte (mecanismo de desgaste conhecido como desgaste por adesão). Como efeito positivo, a ocorrência da APC causa a redução da força de corte, devido ao aumento do ângulo de saída efetivo. 
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Tipos e formas de cavacos
Diversas classificações têm sido propostas pelos pesquisadores. Uma das mais comuns consiste na divisão de três tipos de cavaco:
Cavaco contínuo: Apresenta-se constituído de lamelas justapostas numa disposição contínua e agrupadas em grupos lamelares. Reserva-se a palavra lamela para definir a camada de material de
cavaco, constituída pelos grãos cristalinos deformados. Aos agrupamentos distintos de lamelas, denomina-se grupos lamelares, elementos de cavaco ou escamas. No cavaco contínuo, a distinção entre estes grupos lamelares não é tão nítida, como nos outros tipos de cavacos; há apenas um deslizamento destes elementos de cavaco. Este deslizamento é, porém, nitidamente observado através medida da variação da força de usinagem.
O cavaco contínuo forma-se na usinagem de materiais dúcteis e homogêneos, com pequeno e médio avanço, não havendo interferência devido a vibrações externas ou à variação das condições de atrito na superfície de saída da ferramenta. A velocidade de corte é geralmente superior a 60 m/min.
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Tipos e formas de cavacos
Diversas classificações têm sido propostas pelos pesquisadores. Uma das mais comuns consiste na divisão de três tipos de cavaco:
Cavaco contínuo:
http://youtu.be/zb56eZ1V8uU
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Tipos e formas de cavacos
Diversas classificações têm sido propostas pelos pesquisadores. Uma das mais comuns consiste na divisão de três tipos de cavaco:
Cavaco de cisalhamento: Apresenta-se constituído de grupos lamelares bem distintos e justapostos. Estes elementos de cavaco foram cisalhados na região de cisalhamento e parcialmente soldados em seguida. Forma-se quando houver diminuição da resistência do material no plano de cisalhamento, devido ao aumento da deformação, à heterogeneidade da estrutura metalográfica, ou a vibrações externas que conduzem às variações da espessura de cavaco.
Este tipo de cavaco também se forma empregando-se grandes avanços, velocidades de corte geralmente inferiores a 100 m/min e ângulo de saída pequeno.
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Tipos e formas de cavacos
Diversas classificações têm sido propostas pelos pesquisadores. Uma das mais comuns consiste na divisão de três tipos de cavaco:
Cavaco de cisalhamento:
http://youtu.be/iS61MlkkR6Y
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Tipos e formas de cavacos
Diversas classificações têm sido propostas pelos pesquisadores. Uma das mais comuns consiste na divisão de três tipos de cavaco:
Cavaco de ruptura
Apresenta-se constituído de fragmentos arrancados da peça usinada. Há uma ruptura completa do material em grupos lamelares (na região de cisalhamento), os quais permanecem separados. Forma-se na usinagem de materiais frágeis ou de estrutura heterogênea, tais como ferro fundido ou Iatão. Verifica-se que não há uma distinção perfeitamente nítida entre os tipos a) e b) de cavaco. Conforme as condições de usinagem (avanço, velocidade de corte, ângulo de saída) pode-se passar do cavaco contínuo ao de cisalhamento ou vice-versa.
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Tipos e formas de cavacos
Diversas classificações têm sido propostas pelos pesquisadores. Uma das mais comuns consiste na divisão de três tipos de cavaco:
Cavaco de ruptura
http://youtu.be/VbzH7LVCfAc
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Tipos e formas de cavacos
Além destes tipos, alguns autores [Shaw, 1984; Machado e Silva, 2000] mencionam o cavaco segmentado, que ocorre mais frequentemente na usinagem de materiais com baixa condutividade térmica, como o titânio e suas ligas, num processo referido como “cisalhamento termoplástico catastrófico”. Segundo esses autores, este tipo de cavaco pode ocorrer inclusive na usinagem de materiais com boa condutividade térmica, a partir de uma velocidade de corte, chamada pelos autores de “velocidade de corte crítica”, característica do material.
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Tipos e formas de cavacos
O controle do tipo de cavaco produzido é de extrema importância. O cavaco contínuo, além de oferecer perigo ao operador, pode emaranhar-se ao redor da peça ou ferramenta, dificultando a operação e tornando a superfície usinada menos atrativa. Além disso, ainda há o alto coeficiente volumétrico do cavaco contínuo em relação aos outros tipos. 
O coeficiente volumétrico () é um índice definido como a razão entre o volume ocupado pelo cavaco (Vcav) e o volume ocupado pela mesma quantidade, em massa, do mesmo material (Vp). 
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Tipos e formas de cavacos
Não é rara a ocorrência de cavacos contínuos com =200, o que dificulta tanto a estocagem do cavaco quanto a remoção do mesmo. Apesar disso, alguns autores, como Stemmer (1992), defendem que, do ponto de vista do acabamento superficial, da durabilidade da ferramenta e da energia consumida, o cavaco contínuo é o mais benéfico. 
Também o cavaco parcialmente contínuo pode apresentar problemas, como geração de vibrações, que podem acarretar danos como ondulações na superfície usinada, desgaste excessivo da ferramenta, e até mesmo efeitos nocivos como desbalanceamento rotativo nos principais mancais do torno. 
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Tipos e formas de cavacos
A ocorrência de cavaco contínuo pode ser evitada, ou ao menos minimizada adotando-se alterações nos parâmetros de corte, dentre as quais estão: 
¸ Diminuição do ângulo de saída e de inclinação da ferramenta, ou ainda o uso 
destes como valores negativos; 
¸ Aumento do avanço e da profundidade de corte; 
¸ Diminuição da velocidade de corte; 
¸ Uso de quebra-cavaco. 
Destas opções, a mais comumente adotada em processos cujos parâmetros de corte propiciem a formação de cavaco contínuo, é o uso de quebra-cavacos na superfície de saída da ferramenta, pois, além de proporcionar uma solução simples e rápida para o problema, o uso de quebra-cavaco dispensa alterações nos parâmetros de corte. 
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Tipos e formas de cavacos
Formas de Cavaco 
Além da extensão do cavaco, também é possível diferenciá-lo quanto à sua forma. A importância desta diferenciação se deve ao fato de algumas formas de cavaco dificultarem a operação de usinagem, prejudicarem o acabamento superficial da peça e desgastarem mais ou menos a ferramenta. 
A classificação usual dada às formas de cavacos é a seguinte:
· Cavaco em fita; 
· Cavaco helicoidal; 
· Cavaco espiral; 
· Cavaco em lascas ou pedaços. 
 
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Tipos e formas de cavacos
Formas de Cavaco 
A norma ISO 3685 – Tool Life Testing with Single Point Turning (1993) faz uma classificação mais detalhada das formas de cavaco possíveis.
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Tipos e formas de cavacos
Formas de Cavaco 
Segundo Ferraresi (1970), a forma mais conveniente é geralmente a helicoidal, sendo o cavaco em lascas preferido em casos onde o cavaco deve ser removido pelo fluído de corte ou quando há pouco espaço disponível para o cavaco. O
cavaco em fita é o mais problemático, pode gerar acidentes e ocupa muito espaço. A Figura mostra a variação do coeficiente volumétrico de acordo com a forma do cavaco.
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Tipos e formas de cavacos
Formas de Cavaco 
A forma do cavaco pode ser alterada das seguintes maneiras: 
· Alterando os parâmetros de corte; 
· Alterando a superfície de saída da ferramenta; 
· Usando elementos especiais (quebra-cavaco) na superfície de saída. 
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Tipos e formas de cavacos
Formas de Cavaco 
Geralmente, o aumento da velocidade de corte e do ângulo de saída tendem a mover a forma do cavaco para a esquerda na figura, enquanto o avanço move a forma do cavaco para a direita na mesma figura. 
variação da forma do cavaco em função do avanço e da profundidade de corte
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Quebra-cavacos
O aumento da capacidade de quebra do cavaco, para materiais não demasiadamente tenazes, pode ser obtido através do aumento da deformação
do cavaco no plano de cisalhamento, isto é, através das seguintes alterações:
— diminuição do ângulo de saída e de inclinação da ferramenta, ou o emprego de ambos com valores negativos 
— aumento da espessura h de corte e diminuição da velocidade de corte. 
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Quebra-cavacos
A curvatura do cavaco pode ser controlada para forçar a sua quebra evitando a formação de cavacos longos em forma de fita. Algumas formas de quebra do cavaco:
O cavaco pode se dobrar verticalmente, quebrando-se ao atingir a peça.
„
Pode enrolar-se sobre si mesmo ao tocar a peça.
Pode dobrar-se verticalmente e lateralmente, quebrando-se ao atingir a superfície de folga da ferramenta.
Pode dobrar-se lateralmente, quebrando-se ao atingir a superfície da peça que ainda não foi usinada.
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Quebra-cavacos
Os tipos mais comuns de quebra-cavacos são:
Fixado mecanicamente ou postiço;
Usinado diretamente na ferramenta;
Moldado nas pastilhas sinterizadas.
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Quebra-cavacos
https://youtu.be/SrlPG6qnVrw
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Cuidados de armazenagem e preservação do meio ambiente
Uma forma de minimizar os impactos ambientais causados por indústrias é o reaproveitamento dos resíduos gerados, pois isto pode proporcionar a diminuição da utilização dos recursos naturais, da necessidade de tratamento, do armazenamento e da disposição dos
rejeitos gerados. 
Os resíduos, que em algumas ocasiões são rejeitados e considerados custos da qualidade e custos ambientais, são classificados como passivos. 
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Cuidados de armazenagem e preservação do meio ambiente
Após a mudança de parâmetro, quando estes passam à utilização, podem ser contabilizados como ativo imobilizado, agregando valor para a organização e, consequentemente, para o resultado final da empresa. O meio ambiente também é favorecido quando as sucatas metálicas são recicladas, pois, na teoria, a indústria siderúrgica diminui a exploração de jazidas e minas para obter matéria-prima. A exploração primária é muito prejudicial ao meio ambiente, ela degrada a fauna, a flora, o solo e lençóis freáticos. Altera-se a paisagem e inutiliza-se o terreno.
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Cuidados de armazenagem e preservação do meio ambiente
Para avaliar e melhorar os impactos ambientais decorrentes dos processos de usinagem, pode-se usar como auxílio a ferramenta de gestão ambiental chamada “Produção mais Limpa” (P+L). A partir desta é possível definir uma proposta de redução dos resíduos gerados neste processo, através de mudanças no produto e no processo. O conceito de P+L foi criado pela UNEP (United Nations Environmental Program) em 1988. 
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Cuidados de armazenagem e preservação do meio ambiente
Segundo a UNEP, a Produção mais Limpa é a aplicação contínua de uma estratégia ambiental preventiva e integrada, aplicada a processos, produtos e serviços. Incorpora o uso mais eficiente dos recursos naturais e, consequentemente, minimiza a geração de resíduos e poluição, bem como os riscos à saúde humana. Tecnologias ambientais convencionais trabalham principalmente no tratamento de resíduos e emissões gerados em um processo produtivo. São as chamadas técnicas de fim-de-tubo. A Produção mais Limpa pretende integrar os objetivos ambientais aos processos de produção, a fim de reduzir os resíduos e as emissões em termos de quantidade e periculosidade.
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