usinagem 7

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4.5. FORMAS DE CAVACOS
Quanto à forma, os cavacos são classificados como:
	cavaco em fita.
	cavaco helicoidal.
	cavaco espiral.
	cavaco em lascas ou pedaços.
Entretanto, a norma ISO [17] faz uma classificação mais detalhada da forma dos cavacos, de acordo com a Figura 4.9.
Figura 4.9.	Formas de cavacos produzidos na usinagem dos metais [17].
O material da peça é o principal fator que vai influenciar na classificação quanto à forma dos cavacos. Logicamente o tipo do cavaco também vai influenciar. Cavacos contínuos, parcialmente contínuos e segmentados podem cair em qualquer “forma” da Figura 4.9, dependendo das condições de corte e do uso ou não de quebra-cavacos. O tipo de cavacos descontínuos só podem ser classificados quanto a forma, como lascas e pedaços.
	
Quanto as condições de corte, em geral, um aumento da velocidade de corte, uma redução no avanço ou um aumento no ângulo de saída, tende a mover a forma do cavaco para a esquerda da Figura 4.9, isto é, produzir cavacos em fitas (ou contínuos, quanto ao tipo). O avanço é o parâmetro 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 são afetadas pelo avanço e pela profundidade de corte [18].
Figura 4.10. Efeito do avanço e da profundidade de corte na forma dos cavacos [18].
Na realidade a forma dos cavacos longos é que causam os maiores problemas relativos à segurança e produtividade e, portanto, estas formas de cavacos exigem cuidados especiais (controle).
Apesar das condições de corte poderem ser escolhidas para evitar, ou pelo menos reduzir a tendência de formação de cavacos longos em fita (contínuos, parcialmente contínuos ou segmentados), até o momento, o método mais efetivo e popular para produzir cavacos curtos, é o uso de dispositivos que promovem a quebra mecânica deles. Estes dispositivos são popularmente conhecidos como “quebra-cavacos”. Esta teoria será abordada a seguir, no capítulo 5.
 
7.1. FORÇA DE USINAGEM
O conhecimento da força de usinagem que age na cunha cortante e o estudo do comportamento de suas componentes são de grande importância, não somente porque a potência requerida para executar o corte pode ser estimada, mas também, porque elas devem ser consideradas no projeto das máquinas ferramentas e de seus elementos. Ela pode ser responsável direta pelo colapso da ferramenta de corte por deformação plástica da aresta, além de influenciar no desenvolvimento de outros mecanismos e processos de desgaste. A força de usinagem pode também representar um índice de usinabilidade, além de poder ser usada como parâmetro para controle adaptativo do processo.
7.1.1. Força de Usinagem no Corte Ortogonal
Para melhor entender como as forças de usinagem atuam na cunha cortante, o corte ortogonal deve ser considerado, como mostrado na Figura 7.1.
Figura 7.1.	Representação das forças que agem na cunha cortante [1].
Observando a movimentação da ferramenta em relação à peça, dois grandes grupos de forças distintas são evidenciados:
	Forças provenientes da ação da ferramenta sobre a superfície inferior da cunha do cavaco, cuja resultante é Fu.
	Forças provenientes da ação da peça sobre o plano de cisalhamento primário, cuja resultante é Fu’.
Admitindo-se que a cunha do cavaco ODB da Figura 7.1 é indeformável, ou para manter o equilíbrio mecânico:
r	r	(7.1)
Fu + Fu' = 0	
como mostra a Figura 7.1.
A resultante Fu pode ser decomposta em duas componentes ortogonais: FT, a força de atrito, responsável pela energia consumida no plano de cisalhamento secundário, e FN, a força normal, perpendicular a FT (Figura 7.1). Da mesma maneira, a resultante Fu’ pode ser decomposta em FZ, a força de cisalhamento, no plano de cisalhamento primário, responsável pela energia consumida para cisalhar o material naquele plano, e em FNZ, a força que exerce esforço de compressão no plano de cisalhamento primário, e é perpendicular a FZ.
A resultante Fu pode ainda ser decomposta em Fc, a força de corte, na direção de corte, responsável pelo trabalho total realizado no corte, e em Ff, a força de avanço, na direção de avanço e perpendicular a Fc no caso do torneamento. Portanto:
rrr	(7.2)
Fu = Fc + Ff	
Este sistema é melhor representado, pelo conhecido “CÍRCULO DE MERCHANT”, mostrado na Figura 7.2.
 
Figura 7.2.	Círculo de Merchant [2].
Obtém-se o círculo de Merchant, transladando a força resultante Fu para a ponta da ferramenta, fazendo o seu módulo igual ao diâmetro do círculo. Este artifício permite que a relação entre as diversas componentes da força Fu, sejam geometricamente evidentes.
As componentes Fc e Ff podem ser facilmente determinadas, pois elas agem em direções conhecidas. Dinamômetros, principalmente, à base de cristais piezoelétricos ou extensômetros elétricos, são utilizados para este fim. Conhecendo-se Fc e Ff, todas as outras componentes podem ser determinadas, em função do ângulo de saída da ferramenta ?, e do ângulo de cisalhamento f, de acordo com a Figura 7.3. e Equações 7.3.
Figura 7.3.	Determinação geométrica das componentes da força de usinagem em função de Fc e Ff [2].
FT	= Fc. sen ? + Ff. cos ?	
FN = Fc.cos ? - Ff.sen ?	
FZ	= Fc.cos f - Ff.senf	(7.3)
FNZ	= Fc. sen f + Ff. cos f	
7.1.2. Força de Usinagem no Corte Tridimensional
Neste caso, o tratamento é idêntico ao corte ortogonal, com a diferença que agora uma terceira componente de Fu está presente, transportando a resultante da força de usinagem do plano para o espaço. A terceira componente é a força passiva Fp (projeção de Fu sobre a perpendicular ao plano de trabalho) e para o torneamento a equação 7.2 fica modificada para:
rrrr	(7.4)
Fu = Fc + Ff + Fp	
A Figura 7.4 apresenta a representação destas componentes, segundo a norma DIN 6584 [3]. Todas estas três componentes de Fu podem ser determinadas prontamente, com o auxílio de um dinamômetro, pois suas direções são claramente conhecidas.
Figura 7.4. Componentes da Força de Usinagem. a) no torneamento; b) no fresamento [3].
 
Nesta Figura, além das componentes Fc e Ff, aparecem também as componentes Ft (Força ativa = projeção de Fu sobre o plano de trabalho e Fap (Força de apoio = projeção de Fu sobre a perpendicular à direção de avanço, situada no plano de trabalho). No caso do torneamento o ângulo da direção de avanço, ? = 90o e a força Fap confunde-se com Fc. No fresamento a Equação 7.2 fica modificada para a Equação 7.5, como mostra a Figura 7.4b.
rr	rr	(7.5)
Fu = Fap + Ff + Fp	
7.1.3. Fatores que Influenciam a Força de Usinagem
Nos capítulos 4 e 6 verificou-se o mecanismo de formação do cavaco e analisou-se as condições de interface cavaco-ferramenta, respectivamente. Mostrou-se, também, como a força de usinagem é alterada sob as diferentes condições da interface cavaco-ferramenta. Naquela análise, ficou evidente a dependência da força de usinagem com a maneira com que o cavaco se movimenta sobre a superfície de saída da ferramenta. Além da dependência das dimensões e resistência do plano de cisalhamento primário, portanto, a força de usinagem depende fortemente das condições da interface cavaco-ferramenta. De uma maneira simples e clara, pode-se afirmar que todos os fatores que contribuem para facilitar a movimentação do cavaco por sobre a superfície de saída, atuam no sentido de diminuir a força de usinagem Fu e vice-versa. Se as condições da interface se apresentarem como uma restrição ao escoamento livre do cavaco, a ação da ferramenta sobre a superfície inferior da cunha do cavaco tem que ser suficiente para vencer esta restrição. Se a restrição é grande, a força também é grande, e vice-versa. Dentro deste raciocínio, a força de usinagem pode ser considerada dependente de dois fatores principais [4]:
	Áreas dos planos de cisalhamento primário e secundário;
	Resistência ao cisalhamento do material da peça, nos
planos de cisalhamentos primário e secundário.
Com isto, qualquer parâmetro pode ser analisado, com base nos seus efeitos sobre estes dois fatores principais. Muitos deles vão atuar nos dois fatores e os resultados vão depender da predominância de um sobre o outro. Apesar da análise teórica ser de grande utilidade, as predominâncias dos fatores devem ser comprovadas experimentalmente. Com base em alguns resultados experimentais [5,6], podemos observar a influência das principais variáveis:
a) Velocidade de corte
A Figura 7.5 mostra a variação da força de corte com a velocidade de corte para alguns materiais. Para aqueles que contêm segunda fase, caso dos aços, na faixa de velocidades onde a APC se faz presente, observa-se um comportamento da força de usinagem bem característico. Inicialmente, para velocidades bem pequenas, a APC ainda está ausente e a tendência é a redução da força com o aumento da velocidade de corte devido ao aumento da geração de calor. Com o aparecimento da APC, a força de corte diminui imediatamente porque o ângulo de saída efetivo é consideravelmente aumentado e a área do plano de cisalhamento secundário é reduzida. Na medida em que a velocidade de corte aumenta, as dimensões da APC também aumentam até um valor máximo. Neste ponto a força de corte atinge um valor mínimo na Figura 7.5. O aumento da velocidade de corte além deste ponto faz com que a APC seja reduzida nas suas dimensões e entre no regime instável (ver Figura 6.15) e, por conseguinte a força de corte começa a aumentar até o ponto de velocidade crítica, em que a APC não se apresenta mais. A partir deste ponto, pela maior geração de calor e conseqüente redução da resistência ao cisalhamento do material nas zonas de cisalhamento, e pela ligeira redução na área de contato cavaco-ferramenta, a força de usinagem tende a sofrer uma ligeira redução com o aumento da velocidade de corte, notando-se que para valores bem altos de velocidades de corte, que são aqueles normalmente encontrados na indústria, o comportamento da força se torna praticamente constante.
Os outros materiais do gráfico não possuem segunda fase, pois tratam-se de metais puros e de uma liga hipoeutética de Cu-Zn (ela tem 30% de Zn, enquanto o eutético desta liga tem 36% de Zn) e, portanto não apresentam APC, fazendo com que os pontos de mínimo e máximo característicos da curva de força não se apresente.
Na Figura 7.5 é importante observar, também, a relação da força apresentada pelo metal puro em comparação com a liga. Apesar de um aço com 0,19% C possuir maior resistência mecânica (e maior resistência ao cisalhamento) que o ferro puro, este último apresenta força de usinagem maior que o primeiro. Neste caso, a maior ductilidade do metal puro está garantindo maiores áreas dos planos de cisalhamento, e este fator está se sobrepondo sobre o fator resistência. O mesmo acontece com relação ao cobre puro em comparação com latão 70-30.
b) Avanço e profundidade de corte
O aumento destes dois fatores, por aumentar diretamente as áreas dos planos de cisalhamento primário e secundário, causam um aumento da força de usinagem, numa proporção direta, quase que linear. Entretanto, é verificado experimentalmente que o efeito do avanço é maior que da profundidade de corte. A Figura 7.6 ilustra esta influência para três materiais diferentes.
Figura 7.5.	Influência da velocidade de corte na força de corte [4].
Figura 7.6.	Influência da seção de corte e da resistência do material da peça nas componentes de força de usinagem [7].
c) Material da Peça
De uma maneira geral, quanto maior a resistência do material a usinar, maior a resistência ao cisalhamento nos planos de cisalhamento e, portanto maior a força de usinagem (ver Figura 7.6). Entretanto, baixa resistência pode vir acompanhada de elevada ductilidade e isto pode aumentar a área da seção de corte, influenciando também a força de usinagem.
d) Material da ferramenta.
A afinidade química do material da ferramenta com o material da peça pode atuar principalmente, na área da seção de corte. Se a tendência for promover uma zona de aderência estável e forte, a força de usinagem poderá ser aumentada. Se a tendência for diminuir o atrito na interface (ferramentas revestidas, por exemplo), evitando as fortes ligações de aderência, a área da seção de corte poderá ser reduzida, diminuindo a força de usinagem.
e) Geometria da ferramenta
O ângulo mais influente é o de saída. Uma redução deste ângulo tende a aumentar a área de contato cavaco-ferramenta e impor uma maior restrição ao escorregamento do cavaco por sobre a superfície de saída, aumentando a força de usinagem (Figura 7.7).
Figura 7.7.	Influência da geometria da ferramenta nas componentes da força de usinagem [8]
Outro ângulo que afeta a força de usinagem é o ângulo de posição, ?r. Com o aumento deste ângulo, desde que o ângulo de posição lateral ?’r não se altere, a força de usinagem diminui ligeiramente (Figura 7.7).
O ângulo de folga ou incidência, a0, só terá influência se utilizados valores bem pequenos (<30). Neste caso o atrito naquela região irá aumentar e, portanto afetar a força de usinagem proporcionalmente.
f) Estado de afiação da ferramenta
O desgaste da ferramenta de corte, pode alterar a geometria da ferramenta, porém o efeito maior é devido ao aumento da área de contato com o cavaco e/ou com a peça, com o crescimento do desgaste de cratera e de flanco, respectivamente. Isto faz aumentar a força de Usinagem.
g) Uso de fluído de corte
O uso de fluído de corte, com a ação lubrificante, reduz a área de contato cavaco-ferramenta e diminui a força de usinagem. Entretanto, quando prevalece uma ação refrigerante, o fluído de corte pode aumentar a força de usinagem, por promover um aumento da resistência ao cisalhamento do material nas zonas de cisalhamento, pela redução da temperatura.
7.2. PRESSÃO ESPECÍFICA DE CORTE
A pressão específica de corte, Ks, é definida como a relação entre a força de corte, Fc, e a área da seção de corte, A, assim:
Ks=Fc/A
como A = ap . fc = b.h, nos casos de ferramentas sem arredondamento das pontas, temos:
Ks=Fc/(a_p.f_c )
 
A pressão específica de corte pode, também, ser entendida como sendo a energia efetiva consumida para arrancar uma unidade de volume de material da peça, assim:
 
Ks=µ=(Fc.Vc)/(v_c.a_p.f_c )=Fc/(f_c.a_p )
que é igual a Expressão 7.7.
A pressão específica de corte é considerada um bom índice de usinabilidade dos materiais. Todos os fatores que alteram o valor de Fc, sem alterar o valor de A, alteram proporcionalmente o valor de Ks. É verificado experimentalmente que o fator mais influente é o avanço, e várias teorias foram propostas para se calcular Ks. A seguir são mostrados os resultados de algumas delas:
a) Taylor
Ks=88/(f_0,25.a_p0,07 ) para FoFo cinzento.
Ks=138/(f_0,25.a_p0,07 ) para FoFo branco.
Ks=200/(f_0,25.a_p0,07 ) para aços semi-doces.
b) ASME (American Society of Mechanical Engineers)
Ks=Cz/f_n 
onde,
Cz = constante do material
n = 0,2 para aços
n = 0,3 para FoFo
c) AWF (Associação de Produção Econômica - Alemanha)
Ks=Cw/f_0,477 
onde,
Cw = constante do material.
7.3. POTÊNCIA DE USINAGEM
As potências necessárias para a usinagem resultam como produtos das componentes da força de usinagem pelas respectivas componentes de velocidade.
Potência de Corte - Nc
Nc=(Fc.Vc)/60.75 [CV]
Fc em Kgf e Vc em m/min.
Potência de Avanço - Nf
Nf=(Ff.Vf)/1000.60.75 [CV]
Ff em Kgf e vf em mm/min.
Potência Efetiva de Corte - Ne
Ne = Nc + Nf
Para verificar a relação entre a potência de corte e a potência de avanço, vamos considerar um exercício prático. Suponhamos que na usinagem de um aço qualquer com ferramentas de metal duro usou-se uma velocidade de corte de 180 m/min, uma rotação de 600 rpm e um avanço de 0,25 mm/rev. Encontrou-se uma força de corte de 50 Kgf e uma força de avanço
de 35 Kgf.
Considerando as Equações 7.16 e 7.17, temos:
Nc=50.180/60.75=2CV Nf=35.0,25.600/1000.60.75=0,0012CV
e a relação Nc/Nf = 2/0,0012 = 1667
Este número comprova que a maior parcela de potência efetiva de corte, Ne, é dada pela potência de corte, Nc, sendo a potência de avanço, Nf, desprezível. Assim pode-se escrever com uma boa aproximação que:
Ne ˜ Nc	(7.19)
Por esta razão a força de corte Fc, constituinte da maior parcela de potência de usinagem, é chamada “força principal de corte” [2].
A energia efetiva será consumida de várias maneiras, mas muitas delas desprezíveis, e as que realmente são de peso, são as parcelas consumidas para cisalhar o material nos planos de cisalhamento primário e secundário.
Assim, com uma boa aproximação pode-se escrever:
µ e = µs + µf	(7.21)
onde:
µe = energia efetiva por unidade de volume de material removido (igual a pressão específica de corte, Expressão 7.8).
µe =	Fc. vc	=	Fc	(7.22)
	v c. f. ap		f . ap	
				
µs = energia de cisalhamento por unidade de volume de material removido, no plano de cisalhamento primário, dado por:
Fz. vz	(7.23)
µs = v c. f. ap	
onde vz = velocidade de cisalhamento, ver Figura 4.5.
µf = energia principal (ou de cisalhamento) por unidade de volume de material removido, consumida no plano de cisalhamento secundário, dado por:
FT. vcav	(7.24)
µf = v c. f. ap	
onde vcav = velocidade de saída do cavaco, ver Figura 4.5.
Potência Fornecida pelo Motor, Nm.
Nas máquinas ferramentas que apresentam um único motor para acionar o movimento de corte e o movimento de avanço, a potência fornecida pelo motor vale:
Nm =	Nc	(7.20)
	?	
onde ? é o rendimento da máquina ferramenta, que vale geralmente de 60 a 80%.
No caso de haver um motor para acionar cada movimento, isto é, um motor para acionar o movimento de corte e outro para acionar o movimento de avanço, o cálculo de Nm é separado, e o rendimento é geralmente maior.