CONTROLE DE CAVACO. A produção de cavacos longos pode causar os seguintes problemas principais.

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1 CONTROLE DE CAVACO Na fabricação de peças por usinagem, as principais preocupações estão voltadas para a qualidade das peças produzidas, isto é, acabamento superficial e tolerâncias obtidas, e na produtividade com baixo custo. A produtividade sempre está relacionada com a taxa de desgaste das ferramentas de corte que é função do processo, das condições de corte, do uso ou não de fluídos de corte, entre outros fatores. Isto levou os principais pesquisadores da área de usinagem, a concentrarem seus trabalhos em assuntos relacionados com o mecanismo de formação dos cavacos, forças e temperaturas de usinagem, mecanismos de desgaste das ferramentas de corte, integridade superficial, e muito pouca pesquisa se dedica ao estudo do controle do cavaco. Por esse motivo, são raros os artigos encontrados na literatura, que discutem o assunto de maneira abrangente. Entretanto, a usinagem (principalmente o torneamento) de materiais dúcteis a altas velocidades, o controle do cavaco pode se tornar imperativo e o fator mais importante numa linha de produção. Como se viu no item anterior, a baixas velocidades de corte os cavacos, geralmente, apresentam boa curvatura natural, e portanto fogem da forma de cavacos longos, e não apresentam maiores problemas. Com a introdução da nova geração de ferramentas de corte, com maiores resistências ao desgaste, permitiu-se um aumento nas velocidades de corte de tal maneira, que os cavacos longos produzidos exigiram um controle rigoroso de sua formação. Isto se torna mais crítico ainda, com a crescente utilização de máquinas CNC, onde a ausência da interferência do homem não permite a produção de tais formas de cavacos. A produção de cavacos longos pode causar os seguintes problemas principais. I. Eles têm baixas densidades efetivas, isto é, ocupam muito espaço, o que causam problemas econômicos no manuseio e no processo de descarte, ou reaproveitamento. II. Eles podem se enrolar em torno da peça, da ferramenta ou de componentes da máquina e estes cavacos, à temperaturas elevadas e com arestas laterais afiadas, representam verdadeiro risco ao operador. III. Quando eles se enrolam na peça, apesar de afetar pouco o acabamento superficial, produzem uma superfície não atrativa, e podem causar danos à ferramenta. IV.Eles podem afetar forças de usinagem, temperatura de corte e vida das ferramentas. V. Podem impedir o acesso regular do fluido de corte. O estado do cavaco pode ser expresso pelo fator de empacotamento, R, que é definido como sendo o volume total ocupado pelo cavaco, dividido pelo volume de um sólido equivalente ao seu peso. volume do cavaco R= volume de um sólido equivalente ao seu peso 50

2 Cavacos contínuos e longos apresentam fator de empacotamento da ordem de 50 ou superiores, enquanto cavacos em lascas ou pedaços pode ter esse valor reduzido à 3 [1]. A necessidade de se desvencilhar de cavacos longos e prejudiciais forçou o aparecimento de medidas estratégicas para promover a quebra destes, mecanicamente. Sem dúvidas, o método mais popular é a utilização de quebracavacos postiços ou integrais (dando-se uma forma especial à superfície de saída da ferramenta). Ambos os casos promovem uma curvatura maior nos cavacos para quebrá-lo por flexão, quando estes encontrarem um obstáculo. Os obstáculos podem ser a própria peça, a ferramenta ou o porta-ferramenta. Outros métodos menos usuais também já foram utilizados com sucesso. Um deles utiliza a desaceleração intermitente de avanço []. Isto pode ser conseguido por um programa particular de computador em um sistema CNC. A desaceleração intermitente do avanço promove a quebra periódica do cavaco pela redução da espessura do cavaco até valores muito pequenos (próximo a zero), conforme mostra a Figura 5.1. Este efeito, além de se mostrar eficiente no controle do cavaco, melhora marginalmente a rugosidade superficial []. Figura 5.1. Efeito da desaceleração do avanço na espessura do cavaco []. Um outro método é o hidráulico [3]. Neste método o fluído de corte é injetado à alta pressão na superfície de saída da ferramenta, contra a saída do cavaco. A força do jato promove a fragmentação do cavaco conforme a seqüência mostrada na Figura 5.. Figura 5.. Diagrama esquemático da fragmentação do cavaco promovido pelo jato de fluído de corte à alta pressão [3]. 51

3 A aplicação deste método na usinagem de ligas de titânio e de níquel mostrou muita eficiência no controle do cavaco. O fator de empacotamento passou de 47 para 4,7 quando a usinagem sem quebra-cavacos foi substituída pela utilização do método [3]. Na usinagem natural, isto é, sem quebra-cavacos, a capacidade de quebra dos cavacos depende principalmente de três fatores importantes: a fragilidade do material da peça, a curvatura natural do cavaco e a espessura do cavaco h. Quanto menor a espessura do cavaco, mais flexíveis eles são, portanto, mais difíceis de se quebrarem. Os cavacos, que já sofreram deformações intensas nos planos de cisalhamentos primário e secundário durante a sua formação, necessitam de uma determinada deformação crítica ε f, para se fraturarem, após deixarem a superfície de saída da ferramenta. A deformação que o cavaco vai sofrer neste estágio é diretamente proporcional a h /r c, onde h é a espessura do cavaco e r c é o raio de curvatura do cavaco [4]. Se a deformação do cavaco não for suficientemente grande para causar a fratura, é necessário tomar medidas, ou para aumentar h ou diminuir r c, e assim promover deformação suficiente para obter a fratura periódica do cavaco. Como h' depende principalmente do avanço (ou espessura de corte, h), e este está amarrado ao acabamento superficial, procura-se então tentar reduzir r c. O método mais usual para aumentar a curvatura do cavaco (diminuir r c ), como já foi citado, é a utilização de quebra-cavacos postiços ou integrais (superfícies de saídas das ferramentas com formatos especiais). Na utilização desse método r c pode ser estimado, de acordo com as dimensões dos quebra-cavacos, assim: (I). Quebra-cavacos postiços (Figura 5.3). r c σ ln σ cot (5.1) [( l) ( t.cot )]. = f onde: l n - distância do quebra-cavaco da aresta de corte. l f - comprimento de contato cavaco-ferramenta t - altura do quebra-cavaco σ - ângulo da cunha do quebra-cavaco. 5

4 Figura 5.3. Quebra-cavaco postiço [1]. (II) Integral, tipo I - Anteparo (Figura 5.4). Figura 5.4. Quebra-cavaco integral, tipo I - Anteparo [1]. ( ) lf r = ln c t + h' (5.) (III). Integral, tipo II Cratera (Figura 5.5). Figura 5.5. Quebra-cavaco integral, tipo II - cratera [1]. 53

5 r c = q (5.3) n onde: q n = raio da cratera do quebra-cavaco. Obs. 1. Neste caso, o quebra-cavaco só será efetivo, se a espessura e n for menor que o comprimento do contato cavaco-ferramenta, l f. Obs.. Se q n for muito pequeno, o cavaco pode não seguir o contorno da cratera até que se desenvolva um desgaste significante. Para os quebra-cavacos do tipo anteparo, seja ele postiço (Figura 5.3) ou integral (Figura 5.4), trabalhando sobre condições efetivas de quebra de cavacos, eles não terão muito efeito nas forças de usinagem, quando comparados com ferramentas planas, isto é, sem quebra-cavacos, nas mesmas condições de corte [5]. No caso de quebra-cavaco do tipo cratera, uma aresta postiça estável pode se formar ao longo da espessura e n (Figura 5.5), aumentando consideravelmente o ângulo efetivo de saída, diminuindo as forças de usinagem [1]. Foi verificado também [1], que a taxa de desgaste de flanco não muda significativamente, com a aplicação de quebra-cavacos. Quanto ao desgaste de cratera, Boothroyd [1] mostrou que os quebra-cavacos do tipo anteparo (Figuras 5.3 e 5.4) reduzem a área de desgaste e os quebra-cavacos do tipo cratera (Figura 5.5) tendem a aumentá-la. O que é importante verificar na teoria dos quebra-cavacos é se os mesmos irão garantir uma redução de r c, para que o cavaco, ao se chocar contra qualquer obstáculo (peça, ferramenta ou porta-ferramenta), tenha atingido o valor de deformação crítica na fratura, ε f, que promova sua quebra. As equações 5.1, 5. e 5.3 podem ser utilizadas para projetar quebra-cavacos eficientes. Entretanto, o projetista tem que considerar, além dos fatores já citados (fragilidade do material da peça, raio natural de curvatura, r c e espessura do cavaco, h ), outros fatores, tais como: geometria da ferramenta (principalmente os ângulos de saída, inclinação e posição), velocidade de corte, profundidade de corte e rigidez da máquina ferramenta. Quanto menor o ângulo de saída menor o raio de curvatura natural, r c, e maior a espessura do cavaco, h'. Quanto ao ângulo de posição, além de afetar a direção de saída do cavaco, a espessura do cavaco aumenta com o aumento deste ângulo. O ângulo de inclinação tem influência direta na direção de saída do cavaco. Um aumento na velocidade de corte, tende a aumentar r c porque o comprimento de contato cavaco-ferramenta é reduzido. Além disso, a ductilidade do material é aumentada, tornando-se a quebra do cavaco ainda mais difícil. Sales [6], com o objetivo de relacionar o raio de curvatura natural do cavaco, r c, com a velocidade, profundidade de corte, avanço e ângulo de saída da ferramenta, filmou a usinagem do aço NB100, no corte ortogonal no processo de torneamento em mais de 500 ensaios e por meio de um software de análise de imagens, mediu r c. Os resultados foram representados por um polinômio de grau três que melhor se ajustou aos pontos distribuídos, com erro calculado de 14.75%. 54

6 A Figura 5.6 apresenta os gráficos obtidos, mostrando a influência individual de cada parâmetro estudado em r c. Vc=00 [m/min] ; f=0,18 [mm/rot] ; γ=6 [º] Vc=00 [m/min] ; ap=,5 [mm] ; γ=6 [º] 4,5 3,5 3 rc [mm],5 rc [mm] 1,5 1, ,5,5 3 3, ,1 0, 0,3 0,4 ap [mm] f [mm/rot] a) b) Vc=00 [m/min] ; f=0,18 [mm/rot] ; ap=,5 [mm] f=0,18 [mm/rot] ; ap=,5 [mm] ; γ=6 [º] 3,5,5 rc [mm] 1,5 rc [mm] 1 1,5 0, γ [º] Vc [m/min] c) d) Figura 5.6. Influência a) da profundidade de corte, b) do avanço, c) do ângulo de saída da ferramenta e d) da velocidade de corte, no raio de curvatura natural do cavaco [6]. Por meio da análise dos valores de sensibilidade adimensional, os parâmetros estudados foram ordenados em ordem decrescente de influências sobre r c, obtendo: ap, f, γ e Vc Observa-se que o raio de curvatura natural do cavaco aumenta com os aumentos da profundidade de corte, do ângulo de saída da ferramenta e da velocidade de corte, dificultando a quebra do cavaco, diminuindo com o aumento do avanço, facilitando a quebra do cavaco. O comportamento dessas variáveis era esperado, exceto o efeito da profundidade de corte. Normalmente, o aumento da profundidade de corte tende a tornar o cavaco mais quebradiço (reduzindo r c ), ver Figura 4.10, [8]. Entretanto, este parâmetro pode atuar diferentemente, dependendo da faixa de avanço [9] e do grau de desgaste da ferramenta [10]. Na usinagem de um tubo (corte ortogonal) a velocidade de corte no diâmetro interno é consideravelmente menor que no diâmetro externo, o que causa uma curvatura do cavaco como mostrado na Figura 5.7. A profundidade de corte, neste caso, vai alterar aquela curvatura. 55

7 Figura 5.7. Curvatura do cavaco para dentro, causado pela variação da velocidade de corte ao longo da aresta [4]. A rigidez da máquina, quando baixa, pode causar vibrações e promover quebra nos cavacos, porém com conseqüências graves no acabamento superficial. A combinação de todos estes efeitos sendo levados em consideração é que vai distribuir os cavacos nas mais diversas formas apresentadas no item 4.5, segundo os esquemas mostrados na Figura 5.8. Os cavacos da Figura 5.8c são quebrados periodicamente quando eles encontram a superfície recém-usinadas, o que pode danificar o acabamento superficial. Os cavacos da Figuras 5.8d e 5.8e, são quebrados quando eles se chocam contra a superfície da peça pronta para ser usinada. Se a direção lateral for suficiente, o cavaco com curvatura para cima pode evitar a peça mas encontrar a superfície de folga da ferramenta, formando cavacos como na Figura 5.8f. Se a direção lateral for ainda maior, podem gerar cavacos como os das Figuras 5.8h, 5.8 i ou 5.8j. Além desses, vários outros tipos podem ser observados, que representam a combinação dos cavacos mostrados na Figura 5.8 a-j [4]. 56

8 Figura 5.8. Representação da geração das diversas formas de cavaco: a) cavaco em fita, reto (ângulo de inclinação = 0 o ); b) cavaco em fita com direção de saída variado (ângulo de inclinação = 0 o ); c) cavaco do tipo arruela (ângulo de inclinação = 0 o, v c variável ao longo da aresta de corte, sem curvatura para cima); d) cavaco do tipo c (ângulo de inclinação = 0 o ); e) cavaco curto na forma de orelha (ângulo de inclinação = 0 o ); f) cavaco longo na forma de orelha (ângulo de inclinação = 0 o ); g) cavaco na forma de bobina (ângulo de inclinação = 0 o, v c variável ao longo da aresta de corte e curvatura para cima); h) cavaco helicoidal tubular (ângulo de inclinação positivo e grande profundidade de corte); i) cavaco do tipo mola (ângulo de inclinação positivo e pequena profundidade de corte); j) cavaco helicoidal cônico (combinação de c) e h), comum na furação); k) combinação de c) e d) (ângulo de inclinação diferente de zero); l) cavaco do tipo c, conectados [4]. Paulino et alli [7], usinando o aço NB5140, no torneamento, testaram a eficiência de quatro geometrias de superfícies de saída de ferramentas de metal duro (uma lisa, e as demais para operações de acabamento, intermediária e de desbaste). Eles encontraram que a geometria desenvolvida para operações de desbaste (MR) obteve melhor desempenho quanto a uniformidade na distribuição de h e Rc, promovendo uma quebra do cavaco mais eficaz. As geometrias lisa e de acabamento, promoveram menores deformações no cavaco, consequentemente se mostraram menos eficazes na quebra dos cavacos. Considerando estes fatores e as condições de corte, os fabricantes de ferramentas, particularmente de metal duro, desenvolvem os insertos com as mais variadas formas de quebra-cavacos. Estes fabricantes, geralmente, tem um design 57

9 diferente para operações de acabamento, cortes médios e operações de desbaste. Para cada tipo de operação destas, o design do quebra-cavaco cobre uma determinada faixa de avanço e profundidade de corte. 58