AULA 11 FORMAÇÃO, TIPOS E GEOMETRIAS DE CAVACO

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1 AULA 11 FORMAÇÃO, TIPOS E GEOMETRIAS DE CAVACO

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3 VARIÁVEIS DEPENDENTES DE SAÍDA: FORMAÇÃO, TIPOS E GEOMETRIAS DE CAVACO Generalidades Nas operações de usinagem que utilizam corte contínuo em materiais dúcteis, como por exemplo, o torneamento de aços baixo carbono, o controle do cavaco (tipo e principalmente forma) pode ser imprescindível para a produtividade da empresa. Esse problema se agrava quando novas gerações de ferramentas mais resistentes ao desgaste permitem o uso de altas velocidades de corte em máquinas CNC, em sistemas produtivos altamente automatizados, com mínima supervisão humana. A formação do cavaco influencia diversos fatores ligados à usinagem, tais como o desgaste da ferramenta, os esforços de corte, o calor gerado na usinagem, a penetração do meio lubrirrefrigerante etc. Assim, estão envolvidos com o processo de formação do cavaco aspectos econômicos e de qualidade da peça, a segurança do operador, a utilização adequada da máquina-ferramenta etc. A Figura 11.1 ilustra os fatores que influenciam a formação do cavaco em usinagem. Figura 11.1 Fatores que influem na formação do cavaco Formação do Cavaco A base para um melhor entendimento de todos os processos de usinagem está no estudo científico da formação de cavacos. Este estudo tem proporcionado grandes avanços nos processos e contribuído para o aperfeiçoamento das arestas de corte, com quebra-cavacos cada vez mais eficientes, além de novos e mais eficazes materiais para ferramentas e a possibilidade de usinar os mais variados tipos de materiais. Sabe-se que o cavaco é formado em altíssimas velocidades de deformação, seguidas de ruptura do material da peça. Para um estudo mais detalhado, divide-se o processo em quatro eventos: 1. Recalque Inicial. Uma pequena porção do material (ainda unida à peça) é recalcada (deformações elásticas e plásticas) contra a superfície de saída da ferramenta.

4 84 2. Deformação e Deslizamento. Esta deformação plástica aumenta progressivamente até que as tensões de cisalhamento tornem-se suficientemente grandes de modo a se iniciar um deslizamento (sem que haja perda de coesão) entre a porção de material recalcada e a peça. 3. Deslizamento e Ruptura. Continuando a penetração da ferramenta, haverá uma ruptura (cisalhamento) parcial ou completa do cavaco, acompanhando o plano de cisalhamento, dependendo da extensão de propagação da trinca. As propriedades do material e as condições de usinagem (principalmente f e v c ) irão determinar quanto do segmento do material rompido permanecerá unido ao cavaco recém-formado, dando origem a cavacos contínuos ou descontínuos, conforme a resistência da união entre as lamelas de material rompido. 4. Saída do Cavaco. Prosseguindo-se, devido ao movimento relativo entre a ferramenta e a peça, inicia-se um escorregamento da porção do material deformada e rompida (cavaco) sobre a superfície de saída da ferramenta. Enquanto isso, nova porção do material (lamela) está se formando e cisalhando, a qual irá também escorregar sobre a superfície de saída da ferramenta, repetindo o fenômeno. Para um maior entendimento, a Figura 10.3 (Fontes de calor na formação do cavaco) mostrou esquematicamente o plano de cisalhamento (Zona C), definido pelo ângulo de cisalhamento ( ) formado entre este plano e a direção da velocidade de corte (v c ) Grau de recalque Por meio de simplificações para o modelo bidimensional da formação de cavacos, é possível estabelecer planos e relações geométricas importantes para o equacionamento matemático do fenômeno. Assim, define-se o grau (ou fator) de recalque pela Equação (11.1). R h' v c c h v (11.1) ch Pode-se também definir o ângulo de cisalhamento ( ) em função do grau de recalque (R c ) e do ângulo de saída ( ) da ferramenta de corte (Eq. 11.2). Como o ângulo tem uma pequena faixa de variação, na prática ( ), a dependência maior do ângulo fica por conta de R c. Como há restrição na superfície de saída (face) da ferramenta por onde o cavaco deve escoar, consequentemente há uma desaceleração do volume de material a ser transformado em cavaco (v c > v ch ). Dessa forma, a espessura do cavaco (h ) é sempre maior que a espessura de corte (h), o que resulta sempre em R c > 1. Admite-se também que o volume de material não se modifica durante a formação de cavacos. cos tg R sen c (11.2) Ao contrário do que possa parecer, o grau de recalque não é facilmente obtido, pois o cavaco não possui uma espessura uniforme: ele é formado por lamelas justapostas com extremidades irregularmente conformadas. Porém, nos casos em que é possível estimá-lo corretamente, pode-se encontrar o ângulo de cisalhamento. Estimativas melhores podem ser obtidas pela medida do comprimento do cavaco e da densidade do material, chegando-se à área da seção transversal do cavaco (A a p f = b h).

5 Tipos de Cavaco Observando os tipos de cavacos formados em usinagem, verifica-se que os mesmos podem apresentar aspectos distintos, dependendo das variáveis independentes de entrada. Pressupondo que as condições de corte na região de cisalhamento podem levar a um grau de deformação máxima o, é possível distinguir os quatro principais tipos do cavaco no diagrama tensão de cisalhamento ( ) deformação ( ) conforme mostra a Fig Cavaco contínuo 2 Cavaco de lamelas 3 Cavaco cisalhado 4 Cavaco arrancado Tensão Campo de formação de cavacos cisalhado, arrancado e lamelar. Campo de formação de cavaco contínuo 1 Campo elástico Campo plastico Campo plástico Tensão E B Z Grau de deformação 0 Grau de deformação no plano de cisalhamento Figura 11.2 Tipos de cavaco em dependência das propriedades dos materiais O cavaco contínuo é o mais desejável do ponto de vista de acabamento da peça, durabilidade da ferramenta e energia consumida, pois ele desliza suave e uniformemente sobre a face (superfície de saída) da ferramenta. O material rompe na zona primária de cisalhamento com deformações elevadas ( o P ) e permanece homogêneo, com estrutura regular, sem fragmentação. As deformações não levam a encruamentos acentuados. Apesar da forma de fita externa não apresentar nenhuma evidência clara de fratura ou trinca, esses fenômenos ocorrem para que uma nova superfície seja formada. O processo não é restringido por vibrações. O cavaco é removido com ajuda de quebra-cavacos e sua formação é favorecida pela utilização de: ângulo de saída grande, avanço pequeno (pequena espessura de cavaco), velocidade de corte alta, ferramenta afiada, lubrirrefrigerante eficiente e máquina rígida. O cavaco lamelar (ou segmentados) ocorre quando a estrutura do material é irregular ou quando vibrações (geradas por grandes avanços e/ou altas velocidades de corte) levam a variações na espessura do cavaco. Apresentam-se constituídos de lamelas (ou segmentos) distintas justapostas em uma disposição contínua. São caracterizados por grandes deformações ( P o R ) continuadas em estreitas bandas entre segmentos com pouca ou quase nenhuma deformação nos seus interiores. Trata-se de um processo muito diferente do que se verifica na formação do cavaco contínuo. Podem ocorrer tanto para avanços grandes como para altas velocidades de corte. No cavaco cisalhado (ou cavaco parcialmente contínuo), a formação é descontínua, pois a força de corte cresce progressivamente com a deformação do material até seu encruamento acentuado, rompimento e fragmentação ( o R ), quando então a força cai bruscamente e a aresta cortante reinicia o processo de deformação, repetindo-se o ciclo. A qualidade da superfície usinada passa a ser inferior e há

6 86 uma tendência de se ter vibrações. Apresenta-se em geral como uma fita contínua, pois os efeitos da pressão e da temperatura caldeiam (soldam por fricção) os fragmentos. O que difere um cavaco cisalhado de um contínuo (aparentemente), é que somente o primeiro apresenta serrilhado nas bordas. Podem ocorrer para velocidades de corte extremamente baixas (1 a 3 m/min). O cavaco arrancado (descontínuo ou de ruptura) tem a forma de pequenos fragmentos independentes e distintos, gerados por ruptura (tensões de tração e compressão), já que não são capazes de suportar grandes deformações sem se quebrar. Os cavacos não são cisalhados e sim arrancados da superfície com o que a estrutura superficial da peça, muitas vezes é danificada por microlascamentos. A Figura 11.3 mostra três dos quatro tipos de cavacos obtidos na usinagem de diferentes materiais durante a sua formação: contínuo, lamelar, cisalhado. (a) (b) (c) Figura 11.3 Tipos de cavaco: (a) contínuo; (b) lamelar; (c) cisalhado Geometria do Cavaco Quanto à sua forma geométrica, os cavacos podem ter a seguinte classificação: em fita, helicoidais, em espiral, em lascas ou pedaços. A norma ISO 3685 (1993) os classificou detalhadamente (Fig. 11.4). Figura 11.4 Formas de cavacos produzidos na usinagem dos metais (ISO 3685, 1993)

7 87 Diversos problemas práticos têm relação com a geometria do cavaco produzido na usinagem, já que esta tem implicações nas seguintes áreas: Possível dano à ferramenta ou à peça. Um cavaco longo, em forma de fita, pode se enrolar na peça, danificando seu acabamento superficial. Além do dano à peça, o cavaco em fita pode também prejudicar a ferramenta: em operações de torneamento, por exemplo, quando o cavaco se enrola sobre a peça, ele tenta penetrar entre a peça e a ferramenta, podendo causar a quebra. Em operações de furação, o cavaco em fita pode entupir o canal helicoidal da broca e causar também a sua quebra. Forças de corte, temperatura e vida da ferramenta. Ao se deformar mais o cavaco visando aumentar sua capacidade de quebra, pode-se aumentar bastante os esforços de corte, com consequente aumento da temperatura e diminuição da vida da ferramenta. Manipulação e armazenagem do cavaco. Cavaco longo, em forma de fita, é mais difícil de manusear e requer maior volume para ser armazenado que um cavaco curto com o mesmo peso. Além disso, é necessário que o operador pare a máquina periodicamente para remover o cavaco amontoado. Segurança do operador. Um cavaco longo, em forma de fita, pode atingir o operador e machucá-lo com gravidade Influência dos Parâmetros de Entrada Material da peça O material da peça é o que mais influencia a forma e o tipo dos cavacos. Cavacos contínuos, lamelares e cisalhados podem ser produzidos em qualquer das formas mostradas na Fig. 11.4, dependendo dos parâmetros de corte e do uso de quebra-cavacos. A obtenção destes depende muito da ductilidade (ou fragilidade) do material da peça e dos parâmetros de corte. Os cavacos contínuos são gerados na usinagem de materiais dúcteis como os aços de baixo carbono, alumínio e cobre. Os cavacos cisalhados são concebidos na usinagem de aços-carbono ligados ou não. Os cavacos lamelares são formados na usinagem de ligas de alta resistência térmica e mecânica (e.g. titânio, Inconel 718, AISI 4320). Já os cavacos do tipo arrancado só podem ser classificados quanto às formas de lascas, ou em pedaços, formados na usinagem de materiais frágeis como ferro fundido, bronze duro e latão (Fig. 11.5). Resumindo, materiais frágeis tendem a formar cavacos na forma de pequenas partículas (descontínuos). Por outro lado, materiais dúcteis tendem a formar cavacos longos e contínuos que são perigosos e difíceis de manusear. Por isso, muito se tem feito no sentido de aumentar a capacidade de quebra do cavaco em materiais dúcteis Geometria da ferramenta Em princípio, o ângulo de saída ( ) deve ser o maior possível, pois isto determina uma retirada mais fácil do cavaco. Entretanto, um aumento de diminui a resistência da ferramenta e aumenta sua sensibilidade aos choques. Em geral, um aumento no ângulo tende a mudar as formas do cavaco da direita para a esquerda (Fig. 11.4), isto é, produzir cavacos em fitas (ou contínuos). Um ângulo de inclinação positivo ( +)com ângulo de posição r 90 o faz com que o cavaco flua no sentido de se afastar da superfície usinada, enquanto que com um ângulo, o cavaco flui na direção

8 88 da superfície usinada (Fig. 11.6). Com um ângulo 0, o cavaco flui em sentido aproximadamente paralelo à superfície usinada. Um ângulo positivo ou negativo gera cavacos na forma helicoidal e contínua, enquanto que um neutro gera cavacos na forma espiralada e contínua, situação em que um grande volume pode ocasionar acidentes. (a) Tipo N (b) Tipo H (c) Tipo S (d) Tipo K Figura 11.5 Influência do material da peça nas formas e tipos de cavaco: (a) contínuo; (b) cisalhado; (c) lamelar; (d) arrancado. Figura 11.6 Influência do ângulo de inclinação na formação do cavaco A curva de concordância reduz a espessura do cavaco na quina. Se o raio da curva (r ) é pequeno, apenas a espessura da parte final do cavaco é reduzida. Se r é grande, a redução da espessura é gradual, diminuindo a pressão específica de corte e a quantidade de calor gerado na quina (Fig.11.7b) Parâmetros de corte Em geral, um aumento na velocidade de corte (v c ) ou uma redução no avanço (f) tendem a mudar a forma do cavaco de fragmentado para contínuo (da direita para a esquerda na Fig. 11.4). A Figura 11.7 mostra como as formas de cavaco são afetadas pelo avanço e pela profundidade de corte. O avanço f é o parâmetro mais influente, seguido da profundidade de corte a p, a afetar a forma do cavaco. A espessura (h) e a largura (b) do cavaco são modificadas em função de f, de a p e do ângulo de posição ( r ) da ferramenta conforme Equação (11.3) vide Seção sen a h f p (11.3) r b

9 89 (a) (b) Figura 11.7 Efeito do avanço e da profundidade de corte na forma dos cavacos. Pode-se observar que, para um mesmo f e uma mesma a p, uma diminuição do ângulo r propicia uma diminuição da espessura (h) do cavaco e um aumento da largura (b). De maneira geral, quanto menor for esta espessura, mais flexível é o cavaco e, portanto, maior será a dificuldade de quebra. Isso pode inclusive prejudicar o acabamento usinado. As formas de cavacos longos é que causam os maiores transtornos quanto à segurança de produtividade, exigindo, portanto, mais cuidado e especial atenção ao seu controle. Apesar de os parâmetros de corte serem escolhidos na maioria das vezes para evitar ou reduzir a formação de cavacos contínuos, o método mais efetivo para produzir cavacos curtos é a utilização de quebra-cavacos postiços ou integrais (anteparo ou cratera). Os quebra-cavacos modificam a superfície de saída das ferramentas, causando uma curvatura mais acentuada nos cavacos e levando-os à quebra por flexão. O quebra-cavacos é uma alteração na geometria da ferramenta cuja principal finalidade é provocar a fratura periódica do cavaco. Sua utilização representa uma efetiva modificação da geometria da cunha de corte, particularmente nos ângulos de cunha ( ) e de saída ( ). Uma vez que o quebra-cavacos deve estar posicionado exatamente aonde o cavaco irá se formar, existem diversas geometrias de pastilhas intercambiáveis, com esse elemento moldado na superfície de saída, destinadas a quebrar o cavaco em uma determinada faixa de condições de usinagem, principalmente dos valores de f e a p (Fig. 11.8). Figura 11.8 Região de usinagem f a p adequada para cada tipo de quebra-cavacos. Assim, quebra-cavacos para operações de acabamento situam-se próximos à aresta de corte, enquanto quebra-cavacos para operações de desbaste localizam-se mais afastados da aresta de corte. Pode-se dizer então que uma ferramenta projetada para quebrar o cavaco em operações de desbaste médio (f e a p médios) não quebra o cavaco se for utilizada em operações de acabamento (f e a p baixos) e nem em operações de desbaste pesado (f e a p altos). Já o uso de quebra-cavacos de acabamento em operações de desbaste pode resultar na quebra do inserto. Além disso, o uso de quebra-cavacos permite que uma ferramenta reversível (nula ou negativa) possua positivo.