Materiais aplicados em ferramentas de corte

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Materiais aplicados em 
ferramentas de corte 
Materiais para Ferramentas 
Laércio Lueders 
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As primeiras ferramentas 
o Tudo começou com pedras afiadas por lascamento, onde a 
geometria era adaptada à tarefa a ser realizada (período paleolítico 
– pedra lascada) 
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As primeiras ferramentas 
o Serra para pedras (período neolítico - pedra polida) 
 
 
 
 
 
 
 
o 700 a.C. – maioria das ferramentas feitas em ferro 
o Século XVII - melhoria nos processos de fabricação de ferro/aço 
a – Movimento de Avanço 
b – Movimento de Corte 
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Histórico recente 
o Principais desenvolvimentos em materiais de ferramentas 
 
 Aço endurecido (1868) 
 Dureza obtida por tratamento térmico 
 Limite de velocidade de corte em função da pequena 
resistência a quente (250oC) 
 Vida de ferramenta muito pequena 
 
Aço-rápido (1900) 
 Frederick Taylor (apresentação do HSS em feira, Paris) 
 Parametros de corte da ordem de vc = 40 m/min; f = 1,6 
mm/rot; ap = 4,8 mm 
 Incremento na dureza a quente do material (600oC) 
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Histórico recente 
 Ligas fundidas (1915) 
 Ligas não-ferrosas baseadas principalmente em Co, Cr, W 
 Fundidas com aprox. 50% de carbonetos duros 
 Nomes comerciais (Stellite, Speedaloy, Tungaloy) 
 Dureza a quente (700 – 800oC) 
 
 Metal duro (1926) 
 90% de carbonetos duros + ligante (sinterização); 
 
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Ferramentas de metal duro 
o Flexibilidade de formas 
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Ferramentas de metal duro 
o Flexibilidade de formas 
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Histórico recente 
 Cerâmicas (1938) 
 Necessidade de condições muito estáveis para utilização 
deste material como ferramenta de corte (Usinagem com 
Ferramentas de Geometria Definida) 
 Materiais empregados na Usinagem com ferramentas de 
geometria não-definida 
 
 Nitreto de boro cúbico (década de 50) 
 Definida e não-definida 
 Diamante mono e policristalino (últimas décadas) 
 Definida e não-definida. 
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Curiosidade 
o Naufrágio de navio (colisão); 
12/12/2002 
oPosição estratégica no canal 
 35 m profundidade 
 32 m largura do navio 
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Curiosidades 
o Materiais aplicados 
Titânio, carbonetos e diamante 
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Curiosidade 
o Carga do navio: 3000 carros (BMW, Mercedes, Volvo…) 
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Curiosidade 
o Kursk – submarino nuclear russo 
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Propriedades desejadas 
o Resistência à compressão 
o Dureza 
o Resistência à flexão 
o Tenacidade 
o Resistência do gume 
o Resistência interna de ligação 
o Resistência a quente 
o Resistência à oxidação 
o Pequena tendência a difusão 
e caldeamento 
o Resistência à abrasão 
o Condutibilidade térmica, calor específico 
e expansão térmica adequados 
Nenhuma 
ferramenta 
possui todas 
estas 
características 
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Materiais para ferramentas de corte 
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Classificação de materiais para ferramentas 
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Evolução dos materiais de ferramentas 
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Aço-ferramenta 
o Primeiros materiais de corte empregados. 
o Dureza obtida por tratamento térmico: 
 Dureza martensítica 
o Quando não ligado: 
 ~1,25% C, pequenas quantidades de Si e Mn 
 Resistência depende da estrutura martensítica 
 Resistência ao desgaste aumenta com a dureza e teor de C 
 Tenacidade cai com a dureza e teor de C 
 Endurecimento apenas superficial 
 Baixa dureza a quente (diminui a partir de 200°C) 
 Campo de aplicação restrito a ferramentas manuais, como limas, serras 
para corte e ferramentas para usinagem de madeira 
 
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Aço-ferramenta 
o Quando ligado 
 ~ 1,25% C, 1,5% Cr, 1,2% W, 0,5% Mo, 1,2% V 
 Carbetos aumentam a resistência ao desgaste em relação aos não ligadas 
 Maior resistência a quente (Cr, W, Mo, V) 
 Dureza superior (solubilização de C) 
 Melhor profundidade da têmpera 
 Usados para usinagem de aços com baixas velocidades (alargamento e 
rosquemaneto) 
 Menor custo em relação a HSS (menos elementos de liga) 
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Aço-ferramenta 
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Aços-rápidos 
o Melhor revenimento da estrutura que aço-ferramenta, com 
dureza (60 a 67 HRC) obtida principalmente por carbonetos. 
o Média resistência a quente (aprox. 600ºC). 
o Principais elementos de liga: W, Mo, V, Co (inicialmente sem Co): 
 Elementos que conferem alta tenacidade às ferramentas. 
o Composição química usual (5 a 7% formam carbonetos): 
 0,6 a 1,6% C 
 4% Cr 
 7 a 10% W 
 
o Designação: HS + % W - Mo - V - Co (ex.: HS 10-4-3-10). 
 85 a 89% FeC 
 4 a 5% Mo 
 0,9 a 3% V 
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Aços-rápidos 
o Grupo 1 
 alto teor de W (até 18%) 
 bom revenimento 
 empregado para desbaste de aço e ferro fundido 
o Grupo 2 
 teores de W de até 12% 
 crescente teor de V 
 revenimento um pouco pior que grupo 1 
 empregado para acabamento de materiais ferrosos e na usinagem de 
materiais não-ferrosos 
 para ferramentas com forma complexa (boa maleabilidade e tenacidade) 
o Grupos 3 e 4 
 W + Mo (Mo substitui W) 
 possui tenacidade muito boa 
 empregado para todos tipos de ferramentas 
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Aços-rápidos 
o Influência dos principais elementos de liga 
o Tungstênio (W) 
 formador de carbonetos 
 melhora revenimento 
 melhora resistência ao 
desgaste 
o Vanádio (V) 
 formador de carbonetos 
 melhora resistência ao 
desgaste 
 usado para acabamento 
 
o Molibdênio (Mo) 
 melhora temperabilidade 
 melhora tenacidade 
 substitui W 
 
o Cobalto (Co) 
 eleva temperatura de 
sensibilização a quente 
 melhora dureza a quente 
melhor solubilidade de 
carbonetos 
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Aços-rápidos 
o Aumento no teor de elementos de liga: 
 Maior produtividade destes materiais 
 Aumento na resistência ao desgaste 
 Aumento na vida das ferramenta 
 Porém torna-se mais difícil a fabricação deste material 
 Maiores custos de produção 
 
oAço-rápido com revestimento (TiC, TiN): 
 Menor atrito 
 Redução no desgaste 
 Maior estabilidade química 
 Proteção térmica do substrato 
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Aços-rápidos 
o Exemplos de aplicação 
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Stellite 
o Ligas fundidas (ponte entre aço-rápido e metal-duro) 
o Propriedades intermediárias entre HSS e HM. 
o Ligas fundidas (sem Fe) 
 45 a 50% Co 
 25 a 30% Cr 
 15 a 20% W 
 1,5 a 2,5% C 
o Baixa dureza a quente (quando comparados com o metal duro 
e com ferramentas cerâmicas): 
o Tcrítica = 700 a 800°C 
o Pouco difundidos 
o Nomes comerciais (Stellite, Speedaloy, Tungaloy) 
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Metal duro 
o Material de ferramenta mais largamente utilizado na indústria: 
 Indústria automobilística consome cerca de 50% das ferramentas de metal 
duro produzidas no mundo. 
o Algumas razões do sucesso deste material: 
 Grande variedade de tipos de metal duro (adição de elementos de liga) 
 Propriedades adequadas às solicitações em diferentes condições 
 Possibilidade de utilização de insertos intercambiáveis 
 Estrutura homogênea (processo de fabricação) 
 Dureza elevada 
 Resistência à compressão 
 Resistência ao desgaste a quente. 
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Metal duro 
o Carbonetos 
 Fornecem dureza a quente e resistência ao desgaste (WC, TiC, 
TaC, NbC, ...) 
o Ligante metálico 
 Atua na ligação dos carbonetos frágeis (Co ou Ni); 
o Obtido por sinterização (ligante + carbonetos) 
= carbonetos de 
tungstênio 
 
= cobalto 
 
 = carbonetos de 
titânio, tântalo e 
nióbio 
Estrutura do metal duro 
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Carbetos 
o Carboneto de Tungstênio (WC) 
 Solúvel no Co – alta resistência de ligação interna e boa resistência do gume 
 Boa resistência ao desgaste (melhor que TiC e TaC) 
 Alta tendência a difusão em temperaturas mais altas. 
o Carboneto de Titânio (TiC) 
 Pequena tendência a difusão 
 Alta resistência a quente. 
o Carboneto de Tântalo (TaC) e Carboneto de Nióbio (NbC) 
 Atuam no sentido de refino do grão (maior tenacidade). 
o Cobalto (Co) 
 Melhor metal de ligação para WC 
o Níquel (Ni) 
 Ligante nos CERMETS 
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Fabricação do metal duro 
o Processo de fabricação do metal duro: 
Forma direta e indireta 
 
 
o Indireta 
 Processos adicionais 
 
 
o Direta (Insertos) 
 Mistura WC + Co 
 Pó (matéria-prima) 
 Molde 
 Prensa 
 Sinterização 
 Revestimento 
 Produto final 
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Metal duro - Revestimentos 
o Finalidade do revestimento 
 Diminuir o coeficiente de atrito entre a peça e a ferramenta 
 Diminuir a temperatura na cunha da ferramenta, e assim 
reduzir a relevância dos fenômenos de difusão 
 Reduzir as forças de corte 
 Diminuir o desgaste abrasivo (elevada dureza do material de 
revestimento 
 Menor taxa de adesão 
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Metal duro - Revestimentos 
o Substrato tenaz com revestimento duro (TiC, TiN, Ti(C,N), 
Al2O3,...), combinando-se assim uma alta resistência a choques com 
alta resistência a desgaste (maior vida de ferramenta). 
 
o É freqüente a deposição de várias camadas 
 
o Processos de revestimento 
 PVD (physical vapour dep.) 
 CVD (chemical vapour dep.) 
 
o Exigências aos revestimentos 
 Espessura regular da camada sobre a face e flancos 
 Composição química definida 
 Possibilidade de fabricação em grandes lotes 
 
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Metal Duro - Revestimentos 
o Carboneto de titânio (TiC) 
 alta dureza (resistência à abrasão) 
 baixo coeficiente de atrito (proteção contra o desgaste de face) 
 baixo coeficiente de dilatação térmico (fresamento) 
o Nitreto de titânio (TiN) 
 estabilidade termodinâmica 
 baixa tendência à difusão 
o Carbonitreto de titânio (Ti(C,N)) 
 alta dureza 
 comportamento frágil 
 estabilidade térmica 
o Nitreto de Alumínio-titânio ((Ti, Al)N) 
 boa dureza à quente 
o Óxido de alumínio (Al2O3) 
 boa resistência à abrasão e a oxidação 
 alta dureza e frágil 
 
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Metal duro - Revestimentos 
o CVD 
 Processo mais frequente para revestimento de MD 
 Apropriado para camadas múltiplas 
 Reações químicas ocorrem sob pressão e com adição de energia, sob 
atmosfera protetora (evita-se assim a formação de óxidos) 
 Lento crescimento de camadas sobre o metal duro 
 Temperaturas de processo entre 110°C e 450°C 
 Materiais frequentemente depositados: TiC, Ti(C,N), TiN, Al2O3 
 Espessuras de 10μm para torneamento e 5μm para fresamento 
 
o PVD 
 Vaporização a vácuo 
 Sputtering (pulverização catódica) 
 Temperaturas de 200°C a 600°C 
 Espessura de camadas entre 3μm e 5μm. 
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Cerâmicas de corte 
o Materiais de importância crescente 
o Melhoria constante na qualidade 
o Empregada na usinagem de aços e ferros fundidos 
o Altas velocidades de corte, altas potências de acionamento 
o Exigem máquinas rígidas e proteção ao operador 
 
o Propriedades e características de cerâmicas 
 Resistentes à corrosão e às altas temperaturas 
 Elevada estabilidade química (boa resistência ao desgaste) 
 Resistente à compressão 
 Materiais não-metálicos e inorgânicos 
 Ligação química de metais com não metais 
 Podem ser óxidas ou não óxidas 
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Cerâmicas de corte 
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Cerâmicas de corte 
o Cerâmicas óxidas 
 Surgiram a partir do final dos anos 30 
 Percentual de Al2O3 maior que 90% (cor branca) 
 Apresentam alta dureza a quente 
 Têm pouca resistência à flexão 
 Extremamente sensíveis a choques térmicos (usinagem sem 
fluido de corte) 
 Empregadas em ferros fundidos e aços de alta resistência 
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Cerâmicas de corte 
o Cerâmicas mistas 
 Teor de Al2O3 menor que 90% (cor escura) 
 Contém de 5 a 40% de TiC e/ou TiN 
 Mais tenaz que cerâmica óxida e com maior resistência de canto e gume 
 Mais dura e mais resistente à abrasão que cerâmica óxida 
 Mais resistente a variações de temperatura que cerâmica óxida 
 
oCerâmicas de corte reforçadas com whiskers 
 A base de Al2O3 comaproximadamente 20 até 40% de whiskers de 
carboneto de silício (SiC) 
 Whiskers – cristais unitários em forma de agulhas com baixo grau de 
imperfeição no retículo cristalino 
 Objetivo de melhorar as propriedades de tenacidade (aumento de até 
60%). 
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Cerâmicas de corte 
o Campos de aplicação de cerâmicas óxidas 
 Produção em série (aumento na produtividade) 
 Torneamento de desbaste e acabamento de ferro fundido cinzento, 
aços cementados e aços temperados 
 Emprego de altas velocidades de corte na usinagem destes 
materiais 
 Reforço por whiskers – torneamento de ligas a base de níquel 
altamente resistentes a quente 
 Aumento na velocidade de corte (quando comparado com 
materiais como o metal duro e HSS) em um fator de 10 
 Inadequado para a usinagem de ligas de Al, Mg e Ti (reações 
químicas). 
 
o Campos de aplicação de cerâmicas não-óxidas 
 Afinidade com Fe e O2 restringem o campo de aplicação 
 
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cBN – Nitreto de Boro cúbico 
o Forma mole (hexagonal – mesma estrutura cristalina do grafite) e 
dura (cúbica – estrutura cristalina idêntica a do diamante). 
o Segundo material de maior dureza conhecido 
o Obtido sinteticamente (primeira síntese em 1957), com 
transformação de estrutura hexagonal para cúbica (pressão + 
temperatura) 
o Quimicamente mais estável que o diamante (até 2000 graus) 
 
o Grupos de ferramentas: 
 cBN + fase ligante (PCBN com alto teor de cBN) 
 cBN + carbonetos (TiC + fase ligante) 
 cBN + HBN + fase ligante (maior tenacidade) 
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cBN 
o Principais aplicações para cBN na usinagem 
 Aços temperados com dureza > 45 HRC 
 Torneamento, fresamento, furação 
 Aço-rápido (ferramentas de corte) 
 Aços resistentes a altas temperaturas 
 Ligas duras (Ni, Co, ...) 
 Emprego em operações severas (corte interrompido), tanto 
quanto em operações de desbaste e acabamento. 
 
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Diamante 
o Características gerais 
 Material de maior dureza encontrado na natureza 
 Composto por carbono em estrutura cúbica 
 Pode ser natural ou sintético 
 Monocristalino (anisotrópico) ou policristalino (isotrópico) 
 
o Diamante policristalino 
 Primeira síntese em 1954 (GE) 
 Síntese sob 60 a 70 kbar, 1400 a 2000°C 
 Cobalto é usado como ligante 
 Usinagem de não ferrosos, plásticos, grafite, madeira e 
alumínio com alto teor de Si. 
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Diamante 
o Diamante monocristalino 
 Obtidos através de diferentes 
métodos 
 Usinagem de borrachas, vidro, 
plásticos e pedras 
 Usinagem de alta precisão 
 Alta precisão na forma do gume 
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Formas de ferramentas de corte 
o Ferramentas de corte podem ser fabricadas nas formas: maciça, 
soldadas ou com insertos intercambiáveis 
 
o Na concepção de uma ferramenta devem ser considerdados os 
seguintes aspectos: 
 Solicitação mecânica (forças) 
 Solicitação térmica 
 Fluidos de corte 
 Posicionamento rápido e preciso 
 Troca rápida de gumes desgastados 
 Flexibilidade de aplicação 
 Custos de fabricação e manutenção 
 
o Muitos dos requisitos: exigem-se soluções concorrentes 
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Ferramentas maciças 
o Haste e gume possuem o mesmo material, contudo o gume pode 
sofrer tratamento témico ou revestimento diferenciados. 
o Normalmente podem ser reafiadas (exigências são diferentes 
para a reafiação de, por exemplo, um bit de torneamento e uma 
broca) 
o Material mais comum em ferramentas maciças é o aço rápido, 
mas há (muitas) situações onde é aplicado o metal duro 
o Ferramentas de pequenas dimenções geralmente são maciças 
o Usinagem de protótipos ou produção de pequena escala (custos) 
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Ferramentas maciças 
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Ferramentas soldadas 
o Haste e gume são de materias diversos 
o Maior parte das ferramentas são de metal duro, embora também 
possam ser de aço-rápido, cerâmica, diamante,… 
o Cuidados são necesssários para evitar a formação de trincas 
devido a tensões residuais do processo de solda (envolve materiais 
com diferentes coeficientes de dilatação térmica) 
o Escolha coerente dos materiais é fundamental 
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Ferramentas soldadas 
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Insertos intercambiáveis 
o Também chamados de pastilhas reversívies 
o Permitem troca rápida de gumes desgastados 
o CUSTOS 
o Em relação á pastilhas soldadas, os insertos intercambiáveis tem 
a vantagem de poder suportar vários gumes em uma mesma 
pastilha 
o Empregadas em praticamente todos os processos de usinagem 
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Insertos intercambiáveis 
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Insertos Intercambiáveis 
o Os insertos podem ter, de acordo com a aplicação e o suporte, 
diferentes formas (triangular, quadrada, circular,…) e sistemas de 
fixação (com ou sem furos, fixação por grampo ou parafuso,…) 
 
o A forma da pastilha determina sua resistência e flexibilidade na 
usinagem de formas (características frequentemente concorrentes) 
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Insertos intercambiáveis 
o Os insertos são classificados como positivos ou negativos, de 
acordo com o ângulo de saída que os mesmos apresentam quando 
montados no suporte 
o Insertos positivos costumam ser aplicados em apenas um dos 
lados, enquanto que nos insertos negativos podem ser utilizadas 
ambas as faces. 
 
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Insertos intercambiáveis 
o Os sistemas de fixação de insertos devem preencher as seguintes 
exigências: 
 Repetibilidade da posição quando das trocas das pastilhas 
 Manter a posição da pastilha durante a usinagem 
 Fácil transmissão do calor gerado na usinagem 
 Em alguns casos, permitir a montagem de quebra-cavacos 
 Seguir normas de dimenções e forma, de modo a modularisar a aplicação 
em diferentes máquinas- ferramenta 
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Insertos intercambiáveis 
o Sistemas de fixação com furos tem a vantagem de estarem 
protegidos dos cavacos 
o Há boa flexibilidade na forma de fixação 
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Sistemas de fixação de ferramentas 
o Grande variedade de opções 
o Procurar compromisso ótimo entre custo e benefício 
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Insertos intercambiáveis 
o Após amontagem, necessária a medição da nova posição do 
gume. 
o Medição pode ser feita na própria máquina-ferramenta, ou com 
"presets ". 
 
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Cuidados com ferramentas 
o Há uma série de cuidados a serem tomados no transporte, 
manuseio e estoque de ferramentas de corte 
 Evitar contato entre ferramentas 
 Utilizar proteção de plástico ou borracha no estoque 
 Usar luvas – risco de ferimentos ao operador e oxidação da 
ferramenta 
 Gerenciamento de ferramentas (controle de estoque) 
 Manter ferramentas e suportes em condições adequadas, 
protegidos da humidade. 
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Aula 
o Materias aplicadas em ferramentas de corte 
o Aumento da velocidade de produção = sempre motivador de 
novas tecnologias 
o Material da ferramenta depende diretamente da aplicação 
o Cuidados no manuseio para garantir performance 
o Atualmente, insertos intercambiáveis de metal duro tem a maior 
participação no mercado de produtos usinados 
o Custos