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o livro. Ieorie da usitieqem d;;s mat~riai$ contm todos os
princpios bsicossobre os processos de usnagem, apresentando os
modelos e conceitos
imprescindveis ao engenheiro envolvido com a matria. A
nomenclatura e asimbofogia especficas da usinagem dos materiais so
as mais atualizarias e aaplicao destas claramente exemplificada. A
obra mostra, de maneira clara
e didtica, a formao de cavacos, com modelos tericos consagrados,
os qualspermitem no s o entendimento mas tambm a aplicao nos
clculos de forae potncia de usinagem. Esses conceitos se aplicam a
qualquer outro processo
de usinagem, independentemente dos materiais usinados, mesmo em
compsitoshoje largamente utilizados ria indstria aeroespacial. Os
modelos permitem apreviso de resultados, bem como a seleo de
mquinas e equipamentos.
o livro aborda tambm os mais recentes avanos em materiais para
ferramentas,de corte, suas aplicaes e vantagens, proporcionando uma
viso bastanteatualizada das melhores prticas em usinagem de
materiais. Alm desses
tpicos, o texto apresentamodelos para avaliao econmica das
operaesde usinagem, mostrando como as condies de corte, avano,
velocidade e
profundidade de corte podem tornar os processos mais produtivos,
Por ltimo,os processos abrasivos so descritos e analisados com base
nas mais recentes
descobertas cientficas nesta importante rea de acabamento da
usinagem.
TEGWi DA US!NRGEIi 0,13 ~II!U JIIIIID.llUllaU'-ldUI fh
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lisson Rocha MachadoAlexandre Mendes Abro .Reginaldo Teixera
Coelho.Mrcia Bacci da Silva
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Rosalvo Tiago RuffinoRevisor Tcnico
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2009 lisson Rocha MachadoAlexandre Mendes AbroReginaldo Teixeira
Coelho
Mrcio Bacc da Silva
F' edio 2009
prozoda: (t tepr1tucW total 00;pw cialpor quaisquer meios sem
ciuorizao
escrita da editora a. = penetrao de trabalho (mm)aI = penetrao
de avano (mm)ap '" profundidade ou largura de usinagern (mrn)A =
rea da seo transversal de corte, rea aparente entre
duas superfcies em contato (rnm')
A = fator de forma da fonte de calor, Equao (5.28)AI = frao de
energia de deformao transfornada em calor, Equao (5.15)Ail = rea de
contato real entre duas superfcies em contato (mrrr')b = largura de
corte (mm)bd = largura atuante do dressador (mm)C = custos CR$);
constante par ferramenta-pea - Equao (5.1)
BJ = proporo de calor que flui do plano de cisalhamento para a
pea, Equao (5.15)Bz = proporo de calor que flui da interface
cavaco-ferramenta para o cavacoc = calor especfico dos materiais
(JI'..
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iv TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS Simbologia Usada v
F,y ::::projeo da fora principal de corte sobre a superfcie de
sadada ferramenta na sua direo normal (N)
FIIZ = projeo da fora principal de corte sobre o plano de
cisalhamentona sua direo normal (N)
F; = projeo da fora principal de corte sobre a superfcie de
sadada ferramenta na Slla direo tangenciaJ (N)
Pa, = potncia ativa (W)Pc = potncia de corte (kW)PI
= potncia de avano (kW)Fm.c ::::potncia do motor de acionarnento
do eixo rvore (kVl)Pml ::::potncia de acionamento do sistema de
avano (kW)Pti potgnca r@iltivil (1')1)
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FrR = fora ativa (N)Fu ::::fora resultante de usnagern (N)Fz =
projeo da fora principal de corte sobre o plano de cisalhamento
na sua direo tangencal (N)= razo entre o volume de material
usnado, Zw, e o de rebolo consumido, Zs= espessura de corte
(rnm)
h' ::::espessura do cavaco (mm)h", '" espessura de corte
equivalente em retificao (rnm)hm '" espessura mdia de corte no
fresamento (mm)
'" corrente eltrica (A)leI '" corrente eficaz (A)k = constante
na Equao (3.20), condutividade trmica do material (W/m.K)ks
::::presso especfica de corte (N/nunZ)ksi ::::presso especfica de
corte proporcional espessura de corte (N/mm2mm(J?))K ==
difusividade trmica igual k/cp Cm~/s),constante da Equao de
Taylor
= comprimento do trao do plano de cisalhamento sobre o plano de
trabalho (mm)= comprimento de contato ferramenta-cavaco sobre a
superfce de sada,
comprimento de contato rebolo-pea (mm)::::distncia entre a
aresta de corte e o centro do raio de curvatura do cavaco
(mm)::::extenso do quebra-cavacos postio (mm)= comprimento de
contato dentro da zona de aderncia na interface
cavaco-ferramenta (mm)== parmetro de velocidade para a Equao
(5.31)
LI = percurso de avano (mm)Lc = percurso de corte (mm)L, ==
percurso efetivo (mm)
== rotao da pea, ou ferramenta (rpm); caracterstica do par
ferramenta-pea,Equao (5.1)
= nmero de trocas de arestas de corte= fora normal sobre uma
superfcie em atrito (N)= potncia de retificao 0VJ== potncia
aparente 01.A)
q = energia especfica na forma de calor ('-111m2)Q = energia na
forma de calor CW)r, = raio de ponta da ferramenta (rnm)Te = raio
de curvatura do cavaco (mm)T}j ee raio de cunha da ferramenta
(rnm)R = proporo de calor que flui da fonte do corpo sem-nfmto,
resistncia eltrica (Q)R, '" grau de recalqueS '" altura do
quebra-cavacos postio (mm)S = rea do cavaco indeformado, ou da seo
de corte (mrn)S. = passo de dressagem (rnrn/rev)S1I = relao entre a
variao de resstnca eltrica e a variao de comprimentoSz == rea do
plano de cisalhamento (mrn-)t = tempo (s), altura do quebra-cavacos
postio (mm)T == tempo de vida de uma aresta de corte (mn)To ==
temperatura ambiente ('C)Tz ::::temperatura devido ao cisalhamento
CC)Ud '" grau de recobrimento na dressagem de rebolos" = velocidade
de mnimo custo (rn/rnn)v == velocidade de corte (m/mn)v.ou ==
velocidade de sada do cavaco (rn/rnn)v, = velocidade efetiva
(m/mn)vf
::::velocidade de avano (mrnlmin)vm."1' = velocidade de maxrna
produo (ro/min)Vs = velocidade do rebolo em retificao (rn/s)Vw ==
velocidade da pea sendo retificada (mmls)v: = velocidade de
csalhamento (m/rnn)V '" tenso eltrica (V)V:
f:: tenso eficaz0l)
Vg> Vb, e VI' = volumes de abrasivos, ligantes e de poros,
respectivamente (%)TV = trabalho mecnico (JI)z = nmero de aresta de
corte da ferramentaZ :o nmero de peas em um lote
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vi TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS
Zs '" volume de rebolo consumido (mm-)Zr '" nmero de peas
usnadas com uma aresta de corte no tempo de vida TZ,. = volume de
material retificado (mm')(l-z) = expoente da Equao de Kienzle
0-0
- ngulo de folga da.ferramenta~o :: ngulo de cunha da
ferramenta; razo entre as foras tangencal e normal
sobre a superfcie de sada da ferramentaW ::: ngulo de atrito
mdio sobre a superce de sada da ferramenta,
sob ao do cavaco~z ::: coeficiente de atrito interno. sobre o
plano de cisa1hamentoXr :::: ngulo de posio da ferramentat,Y
:;::espessura da lamela de cavaco (mrn)t.S ::::deformao por
clsalharnento (rnm)e :::deformao verdadeiraeo ::: grau de deformao
no cisa.lhamentoe, :::ngulo de ponta da ferramenta
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viii Contedo xTEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS
3.3.3 Cavacos descontnuos 533.3.4 Cavacos segmentados 53
3.4 Formas de cavaco :........ 553,5 Controle do cavaco , , ,
57
3.5.1 Quebra-cavacos postio 59
5 TEMPERATURA NO PROCESSO DE USfNAGEM. 1135.1 Temperatura na
formao de cavacos: Modelo de Trgger E. Chao 1245.2 Temperatura na
formao de cavacos: Modelo de Loewen e Shaw 128
5.2.1 Temperatura no plano de cisalhamento (Tz) 1365.2.2
Temperatura na interface ferramenta/cavaco (Tf): 138
3.5.2 Quebra-cavacos mtegrl, tipo 1: anteparo 593.5.3
Qu.ebra-cavacos integral, tipo II: cratera.... 60
3.6 Interface
fenamenta/cavaco...............................................................
633,6.1 Atrito no corte de metais 653.6.2 Zona de aderncia 693.6.3
Zona de
escorregamento.........................................................
713.6.4 Aresta postia de corte CAPC) 713.6.5 Influncia das
diferentes condies da interface
nas variveis do processo..... 72Referncias bibliogrficas 75
5.3 Temperatura na formao de cavacos: FEM (Mtodo doselementos
finitos) 143
5.4 Temperatura na formao de cavacos: estimativas experimentais
.. 1445.4.1 Termopares inseridos na ferramenta 1455,4.2 Termopar
ferramenta/pea 1485.4.3 Radiao infravermelha 1505.4.4 Vernizes
termosensveis................................ 1515.4.5 Propriedades
metalogrficas. 1525.4.6 Sais com diferentes temperaturas de fuso
1545.4. 7 Filmes depositados por PVD.... 154
Referncias bibliogrficas.............. 155FORA E POTNCIA DE
UStNAGEM.........................................................................
774.1 Fora de usinagern no corte oblquo (trdmensional) 774.2 Fora
de usinagem no corte ortogonal (bidimensional) 79
4.2.1 Tenses no plano de cisalharnento
secundrio...................... 824.3 Determinao terica do ngulo de
cisalhamento..................... 83
4.3.1 Teoria de Ernst e Merchant........ 834.3.2 Teoria de Lee e
Shaffer 85
4.4 Determinao terica da fora de
corte.................................... 904.4.1 Determinao terica
da presso especfica de corte
no tomeamento , ,.............................. 934.4.2
Determinao terica da presso especfica de corte
no fresamento........................... 964.5 Determinao
experimental da fora de usnagem (mtodos de
medio)
~............................................................
984.5.1 Princpio de medio por extensmetros (stran gauges)....
984.5.2 Princpio de medio por cristais pezceltricos " 104
4.6 Fatores que influenciam a fora de usnagem 1054.7 Potncia de
usnagern.. 1054,8 Medio de potncia em usnagem 107Referncias
bibliogrficas....................................... 111
6 FLUIDOS DE CORTE 1576,1 Funes dos fluidos de corte 1586.2
Classificao dos fluidos de corte 161
6.2.1 leos , 1626.2.2 Emulses , 1626.2.3 Solues 163
6.3 Aditivos 1646.4 Consideraes a respeito da utilizao de
fluidos de corte 1656.5 Direes de aplicao do fluido de corte 1676.6
Mtodos de aplicao dos fluidos de corte 1686.7 Seleo do fluido de
corte 170
6.7.1 Recomendaes quanto ao material da pea 1706.7.2 Recomendaes
quanto ao material da ferramenta 1726.7.3 Recomendaes quanto operao
de usinagem 173
Referncias bibliogrficas 174
7 MATERIAIS PARA FERRAMENTAS DE
CORTE........................................................
1767.1 Aos-carbono e aos ligados 1777.2 Aos rpidos. 179
-
x TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS Contedo
7.2.1 Ao rpido revestido 1877.2.2 Ao rpido produzido pela
metalurgia do p 188
7.3 Ligas fundidas......... 1897.4 Metal duro : 192
741 F2bricao do met.al duro . .. 197
9.1.2 Clculo terico da rugosidade no processode tornearnento
284
9.1.3 Clculo terico da rugosidade para a operaode
fresamento..........................................................................
285
9.1.4 Medio da rugosidade 286D.U) Efeitos de alguns parmetros de
llsnagem na rugosidade 288
7.4.2 Metal duro revestido 2007.5 Cermets...... 2067.6 Cermicas
208
7.6.1 Cermica base de AlzO$ 2117.6.2 Cermica base de Si3N4
........................................ 214
7.7 Materiais ultraduros para ferramentas 2167.8 Seleo de
materiais para ferramentas de usnagern ,......... 222Referncias
bibliogrficas...... 227
9.2 Alteraes subsuperfciais 2929.2.1 Alteraes de natureza
mecnica 2929.2.2 Alteraes de natureza metalrgca.... 293
9.3 Avaliao da integridade superficiaL : 2939.3.1 Tenso residual
2949.3.2 Fadiga : , 298
9.4 Influencia dos parrnetros e da operao de usinagem sobre. a
integridade superficial........... 299
Referncias bibliogrficas 302
8 AVARIAS, DESGASTES E MECANISMOS DE DESGASTEDAS FERRAMENTAS DE
CORTE................................................................................
2318.1 Avarias nas ferramentas de corte....... 233
8.1.1 Avaria de origem trmica 2348J2 Avarias de origem mecnica
242
8.2 Desgaste nas ferramentas de corte 2468.3 Mecanismos de
desgaste 251
8.3.1 Deformao plstica superficial por csalhamento a
altastemperaturas (Figura 8.19) 252
8.3.2 Deformao plstica da aresta de corte sob altas tensesde
compresso (Figura 8.19) 254
8.3.3 Difuso (Figura 8.19) 2568.3.4 Aderncia e arrastamento:
attriton (Figura 8.19) , 2588.3.5 Abraso (Figura 8.19) : 260
8.3.6 Desgaste de entalhe (Figura 8.19) 2628.4 Curva de vida das
ferramentas 267
Referncias bibliogrficas 273
10 CONDIES ECONMICAS DE CORTE 30510.1 Clculo da velocidade de
mxima produo (Vm,xp)............... 30610.2 Clculo da velocidade
econmica de corte 010) ........ 31110.3 Intervalo de mxima
eficincia ermer) 316Referncias bibliogrficas 317
11 USfNAGEM POR ABRASO 31811.1 Grandezas fsicas das operaes de
retificao 32111.2
Rebolo.....................................................................
32411.3 Mecanismo de corte na retificao 33011.4 Dressagern 33211.5
Foras e potncia de
retificao.......................................................
33511.6 Temperatura de retificao ; 33711.7 Pluidos de
corte................. 34011.8 Operaes especiais de retificao
341
11.8.1 Retificao creep fee 34111.8.2 Retificao sem centros
(centerless) 342
Referncias bibliogrficas....... 344
9 INTEGRIDADE
SUPERFiCiAL......................................................................................
2769.1 Rugosidade 278
9.1'. Parrnetros para a quantificao da rugosdade 280
12 ASPECTOS TECNOLGICOS E
RECOMENDAES................................................ 34512.1
Aos-carbono e ligados 34812.2 Aos noxidveis.; 350
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xii TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS
12.3 Ferro fundido (FoFo) 35312.4 Ligas termo-resistentes e
superligas (HSTR, do ingls Hgh
Strenght Thermal Resistant Superalioys) :.......... 35612.5
Cornpsitos 35912.6 Materiais endurecidos 359
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12.7 Efeitos de diversos elementos de liga na usinagem
361Referncias bibliogrficas........... 363
APNDICE A 1 - Valores dos coeficientes da equao de Kienzle para
oTorneamento dos principais materiais metlicos(catlogo Sandvik,
2002.8) 364
At meados do sculo XVTII, o principal material utilizado para
peas, emengenharia, era a madeira, salvo raras excees, a qual era
usinada com ferra-mentas de ao-carbono. Com a Revoluo Industrial,
novos e mais resistentesmateriais apareceram, impulsionando o
desenvolvimento dos aos-liga como fer-ramentas de corte. Mais
tarde, a utilizao da gua e do vapor como fontes deenergia
impulsionaram a indstria metal-mecnica, j no final do sculo XVIII
eIncio do sculo XIX, propiciando assim o aparecimento de
mquinas-ferramentasresponsveis pela fabricao de outras variedades
de mquinas e instrumentosem substituio ao trabalho humano em
diversas atividades. A primeira contribui-o relevante foi
apresentada por John Wilkinson, em 1774 (McGEOUGH; 1988),ao
construir uma mquina para mandrilar cilindros de mquinas a vapor,
os quaisantes eram usinados com equipamentos originalmente
projetados para rnandrilarcanhes e que, portanto, no eram capazes
de assegurar a exatido exgida.
Os materiais a princpio utilizados na fabricao de mquinas a
vapor eramo ferro fundido, o lato e o bronze, facilmente usinados
com as ferramentas deao-carbono temperado disponveis na poca. Ainda
assim, eram necessrios27,5 dias de trabalho para mandrilar um dos
cilindros de uma mquina de gran-
de porte (TRENT, 1985).
Em 1797, Henry Maudslay desenvolveu o primeiro torno com avano
au-tomtico, permitindo a produo de roscas com passo defuudo, Aps a
rnan-driladora e o torno surgiu a planadora e, em 1860, a
retcadora. A primeira
. fresadora universal, desenvolvida por J. R. Brown, surgiu em
1862 e foi utilizadaInicialmente para a produo de canais em brocas
helicoidais. Outro desenvol-vimento importante ocorreu em 1896,
quando F. W. Fellows desenvolveu umamquina capaz de produzir
praticamente qualquer tipo de engrenagem.
J no sculo XX surgiram produtos feitos de materiais mais durveis
e,consequentemente, mais diliceis de serem usnados. O advento das
ferramentasde ao rpido, e mais tarde de carboneto de tungstnio,
permitiu a usnagern de
APND ICE A2 - Valores dos coeficientes da equao de Kienzle para
oFresarnento dos principais materiais metlicos(catlogo Sandvik
2002.2) 367
-
2 TEORIA DA UStNAGEM nos MATERIAIS Introduo Teoria da Usinagem
dos Materiais
aos e de 'outros materiais metlicos com produtividade crescente,
tambm fa- .vorecda pelos avanos tecnolgicos no campo das
mquinas-ferramentas, comoo desenvolvimento de mquinas automticas e,
mais tarde, de mquinas coman-dadas numericamente (CN). Por fim, a
partir da dcada de 1940, os processosno convencionais de usinagem
passaram a ganhar importncia nela capacidade
de UJ.-r\ mtodo em particular vai depender de um grande nmero de
fatores.Alm disso, na maioria das vezes, o produto final resultado
de muitos proces-sos diferentes. Na .seleo de processos, segundo
Kalpakjan (1995), os seguin-
tes fatores devem ser considerados:
Tipo do material e suas propriedades.
de produzir peas de geometria complexa em materiais de difcil
usnabilidade,garantindo assim acabamento de elevada qualidade e
tolerncias estreitas.
Segundo Kalpakjian (1995), em pases industrializados, a
atividade ma-nufaturera responde por 20% a 30% do Produto Interno
Bruto e serve de indi-cativo confivel do padro de vida da populao
do pas. Em um contexto maisamplo, a manufatura pode ser entendida
como o processo de transformao dematrias-primas em produtos
acabados, seguindo planos bem organizados emtodos os aspectos.
Dessa forma, os mais diversos bens de consumo so produ-zidos, desde
um simples parafuso at uma. aeronave comercial de grande
porte(aproximadamente seis milhes de peas), passando pelo automvel
(cerca dequinze mil peas). J o termojabricao empregado de forma
mais restrita,limitando-se aos processos nele envolvidos.
Para se ter uma idia dos fatores relacionados . atividade
rnanufatureira ,Kalpakjian (1995) usa o exemplo da produo de um
simples artigo: o clipe.Primeiro ele deve ser projetado para
atender ao seu requisito funcional: manterjuntas vrias folhas de
papel. Para tanto, deve exercer fora suficiente a fim deevitar o
deslzamento de uma folha sobre a. outra. Geralmente, feito de
aramede ao, embora hoje se encontrem no mercado clipes de plstico.
O comprimentodo arame necessrio sua fabricao. cortado e ento
dobrado vrias vezes ,para dar forma final ao produto. Por sua vez,
o arame feito por um processo detre.filao a frio, no qual a seo
transversal de uma barra reduzida ao passarpor uma matriz (ou fera)
, a qual tambm confere algumas propriedades mec-nicas ao material,
corno resistncia mecnica e dureza. A barra, por sua vez, obtida por
processos como treflao e extruso de um lingote fundido. Portanto,a
fabricao de um simples clipe envove projeto, seleo de material
adequadoe de um mtodo de fabricao para atender aos requisitos de
funcionalidade doproduto. As escolhas so feitas no somente com base
em requisitos tcnicos,mas tambm com base em consideraes econmicas,
visando rnnmzar os cus-tos de produo para que o produto possa ser
competitivo no mercado.
Nos processos de fabricao, geralmente haver mais de um mtodo
quepoder ser empregado para produzir um determinado componente. A
seleo
Propriedades finais desejadas.
Tamanho, forma e complexidade do componente. Tolerncias e
acabamento super.ficial exigidos.
Processo subsequente envolvido. Projeto e custo de ferrarnental;
efeito do material na vida da ferramenta
ou matriz.
Sucata gerada e seu valor. Disponibilidade do equipamento e
experincias operacionas.
Lea time necessrio para iniciar a produo. Nmero de partes
requerdas e taxa de produo desejada.
Custo total do processamento.
o engenheiro responsvel deve ter, portanto, amplos conhecimentos
dosprocessos e dos materiais envolvidos. evidente que a fabricao de
um pro-duto, seja ele um clipe, uma lmpada, uma calculadora ou um
automvel, almde conhecimentos de projeto, materiais e processos,
requer tambm grandeinterao entre os diversos departamentos da
empresa. Quanto mais complexoo produto, maior a necessidade de
comunicao entre eles.
A Figura LI mostra a classificao dos processos ele fabricao
(FERRA-RESI, 1977), na qual se destaca a usinagem, objeto principal
tratado neste livro.Ao observar essa figura, a seguinte definio de
usinagem pode ser extrada:processo de fabricao com remoo de cavaco.
Uma definio mais abran-gente a seguinte: operao que ao conferir pea
forma, dimenses eacabamento, produz cavaco. E por cavaco
entende-se: poro de maiericuda pea retirada pela ferramenta e
caracterizada por apresentar formageomtrica irregular.
A usnagem reconhecidamente o processo de fabricao mais populardo
mundo, transformando em cavacos algo em torno de 10% de toda a
produ-o de metais e empregando dezenas de milhes de pessoas (TRENT,
1985).
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TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS Introduo Teoria da Usinagem dos
Materiais 5
Apesar dessa popularidade, trata-se de um processo bastante
imprevisvel e adefinio paradoxal que se segue relata com exatido
toda a sistemtica queo envolve: processo complexo e simples ao
mesmo tempo) no qual se pro-duzem peas removendo-se o excesso de
material naforma de cavacos. um processo complexo devido s
dificuldades em determinar as Imprevisveis
A usinagem tem ainda a peculiaridade de ser um processo
essencial-mente prtico e que envolve um elevado nmero de variveis.
Shaw (1984)afirma que praticamente impossvel prever o desempenho no
corte dosmetais. Entretanto, isso no significa que estudos
detalhados dos processosde usinagern no tm valor. Cada ponto
fundamental que detalhadament.e
COI [.di-es-td-eats-de-corte:=E-stmMesperque, uma-vez
determ-lna(ias-essasc.on~dies, o cavaco se forma corretamente,
dispensando qualquer tipo de inter-veno do operador. As condies
ideais de corte so as capazes de produzirpeas dentro de
especificaes de forma, tamanho e acabamento ao menorcusto
possvel.
estudado e interpretado de maneira adequada contribui para o
entendimen-to do processo, o procedimento mais prximo da capacidade
de prever seucomportamento.
De acordo com Black (1995), a irnprevisbilidade da usinagem se
deveao fato de esse ser o nico processo de deformao plstica cuja
nica res-trio oferecida pela ferramenta. de corte. Alm disso, a
usnagern envolvealtas deformaes combinadas com altas taxas de
deformao. A variedadede opes para os parmetros de entrada. do
processo resulta em infinitascombinaes e h apenas trs maneiras de
lidar com tal complexidade: pormeio da experincia adquirida por
sucessivas tentativas e erros ao longo dosanos, alm de comparaes
com situaes anlogas; por meio da experimen-tao, que onerosa,
demorada e restrita a uma determinada situao, nopodendo ser
generalizada; e por intermdio de modelos tericos, que vodesde
modelos matemticos smplstas at sofisticados modelos numricos.Em
geral, nenhuma dessas abordagens capaz de, sozinha, encontrar
solu-es satistatrias, sendo recomendada a combinao de duas delas,
ou mes-mo das trs abordagens .
1.1 PRINCIPAIS OPERAES DE USINAGEM
A seguir, as principais operaes de usinagem convencional
executadascom ferramentas de geometria definida so apresentadas e
agrupadas de acordocom a mquina-ferramenta empregada. As operaes de
usinagem por abra-so, ou seja, realizadas com ferramenta sem
geometria definida, sero tratadasposteriormente. importante
salientar que todas as operaes apresentadas aseguir podem ser
subdivididas em desbaste e acabamento. No desbaste, a prin-cipal
preocupao garantir elevada taxa de remoo de material, sendo,
por-tanto, limitado pela potncia da mquina-ferramenta. No
acabamento, quando osobrernetal deixado pela operao de desbaste
removido, a qualidade final docomponente proritra.
Torneamento Fresamento.!'Furao ': . . t. ~Aplainamento "
Mandrilarnento .. ~ Serramento-Brochemento Roseamento, Retificao
ete.
Convencional
, Com remoo I.Usinagemde cavaco t .... .Jatod'gua
, Jato abrasivo Fluxo abrasvo-Ultrsorn.Eletro.qumica
No-convenctonal" Eletroeroso '~ "Feixe de eltrons i.t
't , Laser'Plasma-Qumica '~'-Fotoqumca ete. }
Processos defabricao
- 'Fundio.: Soldagem
:: ','Metalurgia
. ." "d~:p'.. ..'Laminao,!.semremoo: . - .: : 'Extruso
..... decavaco:;:: 'Coriformao:.Trsfifao. . ., Forjamento
Estarnpaern
-
6 TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAiS Introduo Teoria da Usinagem
dos Materiais
A Figura 1.2 mostra as principais operaes realizadas no tomo.
Nessescasos, a pea gira em torno de seu eixo enquanto a ferramenta
de corte realizaos movimentos de avano longitudinal elou
transversal. Essas operaes so:
~ Tomeamento cilndrico externo. Torneamento cilndrico
interno.
As operaes realizadas na furadeira so apresentadas naFigura 1.3.
Aqui, aferramenta gira e realiza o movimento de avano, que pode ser
manual ou automtico.Normalmente, a qualidade de trabalho produzida
pela operao de furao nferior aITll. Caso seja exgda uma qualidade
superor;o alargamento deve ser executado.
Furaco. Torneamento ClCO externo.s Torneamento CTCO interno."
Faceamento. Perfilarnento.li Sangramento. Recartilhamento.
Furao com pr-furo.K Furao escalonada." Furao de centro.a
Alargamento cilndrico. Alargamento cnico," Rebaixamento.li
Ferramenta para trepanao." Furao profunda com broca canho.
A operao de fresamento reconhecida pela versatilidade na produo
degeometrias diversas, alm de garantir elevadas taxas de remoo de
material, vstoque a ferramenta (fresa) possui mltiplas arestas de
corte. Nesse grupo de opera-es, a ferramenta gira enquanto a pea,
presa mesa, responsvel pelos movi-mentos de avano longitudinal e
transversal (Figura 1.4). Em situaes especiais, apea pode ficar
esttica enquanto a ferramenta realiza todos os movimentos.
" Fresamento tangencal (concordante ou discordante)." Fresamento
tangencial de canais ou de perfis.a Fresamento de topo. Fresamento
frontal.a Fresamento com fresa de topo esfrica. Fresamento de
cavidades.
Alm disso, o fresamento o principal responsvel pela fabricao de
en-grenagens. A Figura 1.5 ilustra os seguintes exemplos;
Fresamento de engrenagens de dentes retos com fresa de perfil.
Fresamento de engrenagens pelo processo Fellows.
. ~ Fresamento de engrenagens cnicas helcoidas. Fresamento de
engrenagens com par de fresas, .Fresamento de engrenagens com fresa
caracol.
7
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)
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)
)
8 TEORIA DA USfNAGEM OOS MATERIAIS Introduo Teoria da Usinagem
dos Materiais 9
-
10 TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS Introduo Teoria da Usinagem
dos Materiais
o brochamento comumente empregado quando se deseja produzir
furoscom formas diferentes da cilndrica, A ferramenta (brocha)
traconada e apassagem de dentes sucessivos provoca a abertura de um
furo inicial, para o
perfil desejado. Elevada qualidade drnensional e geomtrica pode
ser- conse-guda em componentes produzidos em massa. Formas externas
tambm podem
ser produzidas por meio dessa operao. A Figura 1.7 ilustra as
operaes de
brochamento interno e externo, bem como d exemplos de peas
produzidas
atravs dessa operao.
A abertura de roscas uma operao bastante dversificada e que
podeser realizada com o uso de dispositivos manuais ou por meio de
mquinas-fer-
ramentas (tornos, fresadoras, rosqueadeiras etc.), dependendo
principalmente
da taxa de produo esperada, mas tambm das dimenses da rosca.
Roscas ex-
ternas podem ser produzidas por cossnetes (conhecidos como
tarraxas) ou por
ferramentas de perfil nico ou mltiplo (Figura 1.8). J roscas
internas podemser produzidas utilizando-se jogos de machos ou
ferramentas de perfll nico ou
mltiplo. A Figura 1.8 ilustra os seguintes exemplos:
o mandrilamento realizado em um equipamento especco
(mandrila-dera), similar a uma fresadora de grande porte. Nessa
operao, utilizada prin-
cipalmente no acabamento interno de furos cilndricos e com
perfis especiais, aferramenta dotada dos movimentos de corte e
avano, enquanto a pea per-manece esttica Fi ura 1.6 ,
particularmente interessante para a usnagemde peas de gran es
11
(
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)
)
)
12 TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS 13Introduo Teoria da
Usinagem dos Materiais
a Roscamento externo com ferramenta de ponta nica.o Roscamento
nterno com ferramenta de ponta Ica. Roscamento interno com macho de
corte. Roscamento externo com ferramenta multiarestas.Roscamento
interno com ferramenta multarestas.
)
)
)
)
)
)
)
)
}
)
)
)
)
)
}
)
)
)
)
Roscamento externo com cossnete.
'j '''-..s.> 1.2 GRANDEZAS FSICAS NO PROCESSO DE CORTE
O princpio usado em toda mquna-ferrarnenta para obter a
superfciedesejada providenciar um movimento relativo apropriado
entre a pea e a fer-ramenta, escolhida adequadamente. Assim, para o
estudo da usinagern, neces-sria a definio das grandezas fsicas no
processo de corte. Anorma NBR 6162- Mouimeruos e Relaes Geomtricas
na Usinagem dos Metais: Terminolo-gia trata justamente desses
conceitos (ABNT, 1989). A seguir so apresentadasalgumas defmes
bsicas extradas dessa norma.
Os conceitos se referem a um ponto genrico da aresta cortante
(gume),dito "ponto de referncia". Nas ferramentas de barra, esse
ponto fixado naparte da aresta cortante prxima ponta da
ferramenta.
1.2.1 MovimentosOs movimentos nas operaes de usnagem so
movimentos relativos
entre a pea e a aresta cortante e a pea considerada estacionria.
Podem-se
-
14 TEOR!A DA USINAGEM DOS MATERIAiS Introduo Teora da Usinagem
dos Materiais
~,;\/-
"--distinguir dois tipos de movimentos: os que causam
diretamente a sada de ca-Jo vaco e os que no tomam parte
diretamente na sua retirada.
f ~ovmentos que causam diretamente a sada do cavaco:Vi .
Movimento de corte: realizado entre a pea e a aresta de corte, o
qual,G , - '" . , _ .
l!9-a de cavaCC!., Mouimeruo de avano: realizado entre a pea e a
aresta de corte, o qual,com o movimento de corte, provoca a ttirada
contnua de cavaco.Movimento efetivo: resultante dos movimentos de
corte e avano, rea-lizados ao mesmo tempo.(.1--,;-\c:1.2.2 Direes
dos movimentos
Devem-se dstngur as direes dos movimentos que causam
diretamentea retirada de cavaco:
Direo de corte: instantnea do movimento de corte. Direo de
avano: instantnea do movimento de avano. Direo efetiva: instantnea
do movimento efetivo de corte.
Defues anlogas so vlidas para os movimentos que no
causamdiretamente a retirada de cavaco. As Figuras 1.9, 1.10 e 1.11
ilustram essasdirees para O tornearnento, a furao e o fresamento
tangencal discordan-te, respectivamente.
(
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)
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)
)
)
)
16 TEORIA DA USINAGEM DOS MATERiAiS 17Introduo Teoria da
Usinagem dos Materiais
1.2.3 Percursos da ferramenta na peaD Percurso de corte (Le): o
espao percorrido pelo ponto de refernciada aresta cortante sobre a
pea, segundo a direo de corte.
Percurso de avano (L}: ~ o espao percorrido pelo ponto de
refern-cia da aresta cortante sobre a pea, segundo a direo de
avano. Nos
(1.1)lrdnVe=---1.000
Onde:
d :::;dimetro da pea ou da ferramenta em mm
n ""nmero de rotaes por minuto (rpm)
[rn/rnn]
casos em que ha movJ.mento de avano pnnClpal e lateral,
devem-sedistinguir os componentes do percurso de avano.
R Percurso efetivo (L;J: o espao percorrido pelo ponto de
refernciada aresta cortante sobre a pea, segundo a direo efetiva do
corte.
,," U::... Velocidade de avano (v) a velocidade instantnea do
ponto de refern-. /_'0 da '-da aresta cortante da ferramenta,
segundo a direo e o sentido de avano.
-' \ 0.0~:-~.>.>"~~ dada pela Equao 1.2:
. ,;"/ '.... \\\ '':'./Definies anlogas so vlidas para os
movimentos que no tomam parte. ( . \ \ "s " f n
diretamente na retirada de cavaco. AFigura 1.12 lustra os
percursos da ferra~ \\ ; 1 -~'~ ,~ , ! Onde'menta na operao de
fresaroento tangencal discordante.. f \.. ;' ; 1 \ \', ,->./.' f
= avano em mmlrev (mm por revoluo)'. ....'""""--- .-"; n = nmero de
rotaes por minuto
[mm/rnn] (1.2)
Velocidade efetiva de corte (ve) a velocidade instantnea
eloponto de re-ferncia da aresta cortante da ferramenta, segundo a
direo e o sentido efetivodo corte. calculada vetoralmente como
mostra a Equao 1.3:
-V.=V,+V, [roJrnin] (1.3)
A seleo das velocidades de corte e de avano (e consequentemente
davelocidade efetiva) mais adequadas depende da operao de usinagern
e dosmateriais da ferramenta e da pea. Alm destas, tm-se tambm as
velocidadesde aproximao, de ajuste, de correo e de recuo. Embora no
tomem parte naretirada de cavaco, as velocidades de aproximao e
recuo so particularmenteimportantes em mquinas comandadas
numericamente, visto que valores ele-vados para tais velocidades
contribuem para a reduo do tempo total de fabri-cao da pea. .
1.2.4 Velocidades
Velocidade de corte ev) a velocidade instantnea do ponto de
refernciada aresta cortante da ferramenta, segundo a direo e o
sentido do corte. Paraprocessos com movmentos de rotao, a
velocidade de corte. calculada pelaEquao Ll, usando-se as unidades
mais usuais em usinagem:
1.2.5 Conceitos auxiliares
Para melhor compreender os conceitos relacionados s diferentes
opera-es de usnagem necessrio compreender o conceito de plano de
trabalho(Pj): esse plano, passando pelo ponto de referncia, contm
as direes de corte
-
18 TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS
e de avano. Nele se realizam os movimentos que tomam parte na
retirada decavaco (Figuras 1.13 e 1.14). No plano de trabalho
possvel dentfcar e definiros ngulos da direo de avano e da direo
efetiva de corte:
ngulo da direo de avano (tp): formado entre a direo de avanoe a
direo de corte. Nem sempre a direo de avano perpendicular
Introduo Teoria da Usinagem dos Materiais
(1.4)
durante o corte. ngulo da direo efetiva de corte (17): formado
entre a direo efe-
______ --"t.t.za_cte_cDrte_e_a_di.r.RD_de_cor:t.e. _
Apartir da Figura 1.14 pode-se desenvolver a Equao 1.4:
VJ serup sen q;tg7]= --"---'-- = -----=--Vf.Costp + Vc costp +
Vc V,
Nota-se que, como na maioria dos casos, a velocidade de avano
muito in-ferior velocidade de corte - o ngulo r; desprezvel (nas
operaes de rcsquea-mente, 77 assume valores considerveis, pois a
diferena entre Vc e vJ menor).
Assuperfcies em usinagem so as geradas na pea pela ferramenta.
Devem-se distinguir a superfcie em usnagsm principal. e a superfcie
em usnagern
{/, secundria, sendo que a primeira gerada pela aresta principal
de corte, en-quanto a segunda gerada pela aresta secundria de corte
(Figura 1.15).
i.
\ .....
\\';
\III
!
\j 1.2.6 Grandezas de corte
So as grandezas que devem ser ajustadas na mquina direta ou
indire-tamente. O avano (j) o percurso de avano em cada volta
(mm./rev) ou emcada curso da ferramenta (mm/olpe). No caso de
ferramentas que possuemmais de um dente, corno a fresa,
distingue-se ainda o avano por dente (jz), que
19(
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'~(
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(
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(
-
20 TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAiS
)
)
)
)
)
representa o percurso de avano de cada dente medido na direo do
avanoda ferramenta (correspondente gerao de duas superfcies
consecutivas emusnagem). Valea relao representada pela Equao
1.5:
[rnrn/rev] (1.5)
\.
Introduo Teoria da Usinagem dos Materiais 21
.I
i\\
pendicular ao plano de trabalho. A penetrao de trabalho (a) a
penetraoda ferramenta em relao pea, medida no plano de trabalho e
em uma direoperpendicular direo de avano. de grande importncia no
fresamento e naretificao. J a penetrao de avano (ar) a grandeza de
penetrao da fer-ramenta medida no plano de trabalho e na direo de
avano. Essas grandezasesto representadas na Figwa 1.11.
) Onde:
) z = nmero de dentes
))1
en~o~a~v~a~nio~p~o~r~d~e~n~te~p~o~d~e~ffil1~~d~a~se~r~d~ec~o~miP~o~s~t~o~n~o~a~v~a~n~~O~d~e~co~rt~e~if~e~)--t--i~~~~I~~~~~~~~Wfit~~~1-
e no avano efetivo de corte (f,), mostrados na Figura 1.16. O avano
de corte i
!) (te) a distncia entre duas superfcies consecutivas em usnagem
medida na )
) Jcli'reoperpe~clit~Culdar drtirer:o) de corte no
Pld~o.de.trabalhOd(EquaOf~.6). \)o avano ele lVO e co e v ;
representa a stncia entre uas super cies
) consecutivas em usnagem medida na direo perpendicular direo
efetiva) de corte no plano de trabalho (Equao 1.7). I
/) f
() \)
)
)
)
)
.I
)
)
)
)
)
)
Ia =fz serup [mrn/dente] (1.6)
[mmldente] (1.7)
/ Finalmente, a profundidade ou largura de usnagem (a '\ a
profundidade\ . r)ou largura de penetrao da ferramenta na pea,
medida em uma direo per-!
)
1.2.7;.
II
ir,I
Grandezas relativas ao cavaco
So grandezas derivadas das grandezas de corte e obtidas por meio
declculos (Figura 1.18).
A largura de corte (b) a largura calculada da seo transversal
decorte a ser retirada, medida na superfcie em usnagern principal e
segundoa direo normal direo .de corte. Em ferramentas com aresta
cortanteretilinea e sem curvatura na ponta, a largura de corte (b)
definida pelaEquao 1.8:
b=~senx,.
[rnm] (1.8)
Onde:x,. = ngulo de posio da aresta principal de corte
A espessura de corte (h) a espessura calculada da seo
transversal decorte a ser retirada e medida, normalmente, superfcie
em usnagern principal
-
22 TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS Introduo Teoria da Usinagem
dos Materiais
" e segundo a direo perpendicular direo de corte. Em ferramentas
comaresta de corte retilineas:
Analogicamen,e, possvel definir a largura efetiva de corte (b.)
comosendo a largura calculada da seo transversal efetiva de corte a
ser retirada emedida na superfcie em usnagern principal, segundo a
direo normal dire-o efetiva de corte. Pela Figura 1.17 deduz-se a
Equao 1.12:
(1.9)[mm]\.
A espessura efetiva de corte (h) a espessura calculada da seo
transversalefetiva de corte a ser retirada e medida normalmente
superfcie em usnagem prin-
.segun o a dfreao perpendicUlar dfreao efetiva de corte CEquaao
I. 13) :
h.= h!t.l [rnrn] (1.13)(1+ sen2 Xr' tlil)
Por fm, a seo transversal efetiva de corte (A) a rea calculada
daseo transversal efetiva de um cavaco a ser retirado e medida no
plano normal
direo efetiva de corte. Na maioria dos casos (ferramentas sem
arredonda-mente de ponta), a seo transversal efetiva de corte (A.)
pode sr calculadapelas Equaes 1.14 ou 1.15:
(1.14)
(1.15)
A=a'"e p J"
A = b . h 8
.Assim, a seo transversal de corte (A), que a rea calculada da
seo
transversal de um cavaco a ser retirado e medida no plano normal
direo decorte, pode ser calculada pelas Equaes 1.10 ou LU:
REFERNCIAS BIBLIOGRFICASABNT (ASSOCIAO BRASILEIRA DE NORMAS
TCNICAS). NBR 6162 -Movimentos eRelaes Geomtricas na Usinaem dos
Metais: Terminologia.So Paulo, 1989.BLACK, J. T. "Introducton to
machning processes". Metais hamdoook.machining. 9. ed. Nova York:
ASM Internatonal, 1995.FERRA'tESI, D.Fundamentos da usinaera dos
metais. So Paulo: Blucher, 1977 .KALPAKJIAN, S. Manufacturing
enimeerin and technology. 3. ed. NovaYork: Addison-Wesley
Publishing Co., 1995.
McGEOUGH, J. A. Advanced methods of machining. Londres:
Chaprnanand Hall, 1988.
SHAW,M. C.Metal cutting principies. Londres: Oxford University
Press, 1984.TRENT, E. M.Metal cutting. 2. ed. Londres: Butterworths
& Co., 1985.
A =a fp c (1.10)
A = b h (l.11)
23.
(
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'-{
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/
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)
)
)
)
A geometria da ferramenta de corte exerce grande mrunca no
desempe-nho da usnagem. Por melhor que seja o material da
ferramenta, se a sua geome-tria no for preparada adequadamente, no
haver xito na operao. Tamanha a sua importncia que se faz necessrio
normalizar, da maneira mais conve-mente possvel, os ngulos da cunha
cortante para uniformizar a nomenclaturaentre os profissionais e a
literatura especializada. Como a norma brasileira NBR6163 -
Conceitos da Tcnica de Usimaem: Geometria da Cunha
Cortante:Terminologia (ABNT, 1980) trata desse assunto, as defnies
apresentadas aseguir baseiam-se nela.
2.1 DEFINiESAs seguintes definies adotadas so necessrias para a
determinao dos
ngulos da cunha cortante de uma ferramenta de usinagern,A
superfcie de sada (A) a superfcie da cunha de corte sobre a
qual
o cavaco se move - e por superfcie de folga entende-se a
superfcie que de-. termina a folga entre a ferramenta e a superfcie
em usnagern. Distinguem-se. a superfcie principal de folga CAa) e a
superfcie secundria de folga (Aa')Por meio do movimento relativo
entre a pea e a ferramenta, formam-se os
. cavacos pela ao da cunha de corte, composta pelas superfcies
de sada e defolga da ferramenta.
As arestas de corte so definidas pela interseo das superfcies de
sada ede folga. Deve-se distinguir a aresta principal de corte (8)
da aresta secundriade corte (S'): a primeira aquela cuja cunha de
corte, observada no plano detrabalho, e para um ngulo da direo de
avano (rp) igual a 90, indica a dire-o de avano; a segunda aquela
cuja cunha de corte, observada no plano detrabalh, e para um ngulo
da direo de avano (rp) igual a 90,indica a direocontrria direo de
avano.
Geometria da Ferramenta de Corte 25
A ponta de corte a interseo das arestas principal e secundra de
corte,ao passo que o ponto de corte escolhido serve como referncia
para a determi-nao das superfcies e dos ngulos da cunha de corte,
ou seja, as defnies sereferem a um ponto arbitrrio da ferramenta: o
"ponto de corte escolhido" ou o"ponto de referncia".
A Figura 2.1 representa os elementos de uma cUIi1i:a cortante de
uma fer-ramenta qualquer, enquanto a Figura 2.2 trata de uma
ferramenta de tornear. Ja Figura 2.3 representa uma fresa frontal,
e a Figura 2.4, uma broca helicoidal.
("
\\\
r
-
26 TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS Geometria da Ferramenta de
Corte
2.2 SISTEMAS DE REfERNCIA
Para a determinao dos ngulos na cunha de corte necessrio
empregarum sistema de referncia. Normalmente, so empregados dois
sistemas para. oestudo dos ngulos da ferramenta e dos ngulos
efetivos ou de trabalho: o sste-
2.2.1 Planos do sistema de referncia da ferramenta
A seguir so apresentados os principais planos localizados no
sistema de re-ferncia da ferramenta e essenciais determinao dos
ngulos da cunha decorte. Convm lembrar de que todos os planos aqui
descritos passam pelo pontode corte escolhido. A Figura 2.5 mostra
duas vistas em perspectiva dos planoslocalizados no sistema de
referncia da ferramenta. .J-
O plano de referncia da ferramenta (Pr) perpendicular direo
ad-rrutda de' corte, escolhida de modo que esse plano seja o mais
paralelo ou per-pendicular possvel superfcie ou eixo da ferramenta.
Nas ferramentas paratorneamento, o plano de referncia paralelo
superfcie de apoio do cabo. Jnas ferramentas de fresarnento ou
furao, ele contm o eixo de rotao dasferramentas.
Existem dois planos de corte: o principal e o secundrio.jO plano
de corte2.rincipal da ferramenta ceJ tangente. aresta de corte e
perpendicular aoplano de referncia da ferramenta. Por sua vez, o
plano de corte secundrio da _ (
o sistema de referncia da ferramenta necessrio para a
determinaoda geometria da cunha de corte da ferramenta durante as
etapas de projeto,execuo e controle da ferramenta. J o sistema
efetivo de referncia ne-cessrio para a determinao dageometria da
cunha de corte da ferramentadurante o processo de usinagern, Alm
desses, outro sistema de referncia po-der ser necessrio para a
determinao do posiconarnento da ferramenta emrelao mquina.
Aps a seleo do sistema de referncia a ser utilizado, possvel
iden-tificar os planos e ngulos da ferramenta. Os planos e os
ngulos relativos aosistema efetivo de referncia possuem definies
anlogas aos correspondentes, encontrados no sistema de referncia,
da ferramenta e, portanto, no sero tra---tados neste livro.
rI
27 -{
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'-C-(-,(
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28 TEORIA DA USNAGEM DOS MATERIAIS 29Geometria da Ferramenta de
Corte
ferramenta (Ps') tangente aresta secundria de corte e
perpendicular ao pla-no de referncia da ferramenta, e ambos passam
pelo ponto de referncia.
Corno o prprio nome indica, o.J?lanoortogonal da ferramenta ~)
per-pendicular aos planos de referncia e de corte da ferramenta.
Esse plano tam-bm conhecido corno "plano de medida".
As Figuras 2.6, 2.7 e 2.8 mostram, respectivamente, os planos do
siste-ma de referncia da ferramenta em ferramentas usadas nas
operaes detornearnento, fresamento e furao.
,:". r>:
o piano admitido de trabalho (Pr) perpendicular ao plano de
referncia e.-...:.."" . I
paralelo direo admitida de avano. escolhido de tal forma que
fique omaisparalelo ou perpendicular possvel a uma superfcie ou
eixo da ferramenta.
Alm desses planos, so definidos ainda no sistema de referncia
daferramenta:
s Plano dorsal da ferramerua: (Pp): perpendicular aos planos de
refe-rncia da ferramenta e admitido de trabalho.
w Plano normal aresta de corte (P,,): perpendicular aresta
principalde corte.
D Plano ortconai superfcie de sada (Pg): perpendicular
superfciede sada e ao plano de referncia da ferramenta.
. Plano ortogonal superfcie defolga (Pb); perpendicular
superfcede folga e ao plano de referncia da ferramenta.
,';-',- "
:: -,.::.; ...: ," ,"". ~::' .... ,:
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) SI'If!l:Ell'ilN soa 1N39ifNISn ifQ VI!:I031 08
",
-
.t.e:u..~ de posio da ferramenta, o ngulo de posio secundrio da
ferramenta e
o ngulo de ponta da ferramenta: O ngulo de posio da ferramenta
(xl)
~---~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~i~~~~~~~~~~--~-~~~~aD~deortedafu~~en~~Jea~tidodetraballio~).
sempre positivo e situa-se sempre fora da cunha cortante, de
forma que oseu vrtice indica a ponta de corte. Esse ngulo mostra a
posio da arestade corte.
O ngulo de posio secundrio da ferramenta (X,.') localiza-se
entre o~ -
plano de corte secundrio da ferramenta (P;) e o plano admitido
de trabalho(PI). sempre positivo e situa-se sempre fora da cunha
cortante, de forma queo seu vrtice indica a ponta de corte. Esse
ngulo indica a posio da arestasecundria de corte.
Por sua vez, o ngulo de ponta da ferramenta (G',) formado pelos
planosprincipal de corte CP) e secundrio de corte (P/). Os ngulos
medidos noplano de referncia so suplementares, isto , vale a relao
representada naEquao 2.1:
32 TEORIA OAUSINAGEiv1 DOS MATERIAIS
)
, .' .~..>ViS:~P(S'OP~~;~...~.'....:l.~(
...':'Dir.~:;.~~drTiida.de ~c6rt~:::
j
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Geometria da Ferramenta de Corte 33
2.2.2 ngulos do sistema de referncia da ferramenta
Os ngulosCia cOOhi':c8;iante destnam-se determinao da posio e
daforma da cunha de urna ferramenta. So agrupados de acordo com
oplano no qualesto localizados,ou seja, em ngulos medidos no plano
de referncia, no plano decorte e no plano ortogonal.
(2.1)
Noplano de corte encontra-se apenas o ngulo de inclinao da
ferramen-ta (?.), medido entre a aresta de corte (S) e o plano de
referncia da ferramenta(P). O ngulo de inclinao sempre agudo e seu
vrtice indica a ponta decorte. Ele positivo quando, observando-se a
partir da ponta de corte, a arestade corte encontra-se na regio
posterior em relao ao plano de referncia,orientando-se, para tanto,
segundo o sentido de corte.
Outros trs ngulos so medidos no plano ortogonal: o ngulo de
folga daferramenta, o ngulo de cunha da ferramenta, e o ngulo de
sada da ferramen-ta. O ngulo de folga da ferramenta (a) est situado
entre a superfcie de folga, ~(A) e o plano de corte da ferramenta
(P). O ngulo de. c1L.'1..h.ada ferrarr.ent~
-
34 TEORIA DA US!NAGEM DOS MATERIAIS
S!!.J formado pelas superfcies de sadalA~ e de folga .(jaJ-
Finalmente, o.!ngulo de sada da ferramenta (y.) se localiza entre a
superfcie de sada (A)e o plano de referncia da ferramenta (Pr)' De
maneira anloga ao ngulo deinclinao, o ngulo de sada tambm sempre
agudo e positivo quando a in-terseo entre a superfcie de sada e o
plano ortogonal encontra-se na reg to
_ (>
o sentido de corte.
Os ngulos medidos no plano ortogonal so complementares,
portanto,vale a Equao 2.2:
a + R +".1 = 900o ""0 {o (2.2)
As Figuras 2.9,2.10 e 2.11 mostram, respectivamente, os ngulos
medidosno sistema de referncia da ferramenta em ferramentas usadas
nas operaes
'-.. de :omei~l}t; fresamento e furao. . ..5 /. O ~ ( TAN JV'J
Pr )\ I dJ,ri dL)V' f/'" ~e f~~l- ,
---_._---,.---..\f;-r"'---\ liS~O
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Geometria da Ferramenta de Corte"c.,
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36 TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS
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Vista S (sobre P') .:.'. .' .' s.
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Corte p:";ptnoP1 .. ~'" .'
P; '.' " . p"
-
te de materiais de clifcil usinabilidade e em cortes
interrompidos, por garantirmaior resistncia cunha de corte (f3o :::
90). Em contrapartida, a usinagern demateriais dcteis, como ligas
de alumnio e de magnsio, requer o emprego de
------;--~Er;:;s;;-:se-::7:n;::;-g;:;;ul:;-r;:;:o+t:;;cam;;;::;-;;:b::
-
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-
42 TEORIA DA USJNAGEM DOS MATERIAIS
mente, a ruptura. A Figura q.l mostra esquematicamente esse
planoou zona de cisalhamento primrio, defuda pelo ngulo de
csalhamen-to rP formado entre o plano de csalharnento e a direo da
velocidadede corte (v).
Deslizamento das laanelas: contum1l.l=Icto a p@IHltra~o da
ferramenta
Formao de Cavacos 43
(
(
(
(
na pea, haver uma ruptura parcial, ou completa, na. regio
decsalhamento, dependendo da extenso da propagao da trinca. As
propriedades do material e as condies de avano e de velocidade
de------,.c"'o""rtne"lrao detemlinar quanto o segmento de matenaI
rompldo permane-
cer unido ao cavaco recm-formado, dando origem a cavacos
contnuos
ou descontnuos, conforme a extenso e a resistncia da unio entre
asIarnelas de material rompido.
Sada do cavaco: devido ao movimento relativo entre a ferramenta
ea pea, inicia-se um escorregarnento da poro de material deforma-da
e rompida - o cavaco - sobre a superfcie de sada da
ferramenta.Enquanto tal evento ocorre, uma nova Iamela de material
(imediata-mente adjacente poro anterior) est se formando e passando
pelosmesmos processos. Essa nova poro de material tambm
escorregar
sobre a superfcie de sada da ferramenta, repetindo mais uma vez
ofenmeno.
o escorregamento sobre a superfcie de sada no obedece,
necessariamente,ao Modelo de Coulornb, uma vez que as.tenses
normais, a velocidade relativa entreas superfcies, e, em geral, a
temperatura, so muito elevadas. Isso provoca o surgi-mente de urna
regio denominada "zona de cisalhamento secundrio".
Dessa fOIma, o fenmeno da roJ:'fftao do cavaeo, nas condies
normaisde trabalho, peridico, uma vez que se tem, ciclicamente, as
fases de recalque,ruptura, deslizamento e sada do cavaco para cada
pequena lamela de material aser removido. Essa periodicidade do
fenmeno provoca excitaes dinmicas naferramenta de corte e
comprovada experimentalIriente por meio de fill1\agem,ou pela
frequnca e amplitude da fora de usinagem,
As primeiras observaes do mecanismo de formao de cavacos
permiti-ram a dealzao de um modelo simplificado, comparando-se as
Iamelas a um"baralho de cartas", ircialmente publicado por
Pispanen, em 1937, e ilustrado
na Figura 3.2 (FERRARESI, 1977).
Para facilitar o estudo cientfico da formao de cavacos, os
primeiros mo-delos propostos basearam-se em Simplificaes, sendo a
primeira. delas o modeloplano denominado "corte ortogonal"
(BOOTHROYD, 1981; ERNEST, 1940).
3.1 CORTE ORTOGONALNo corte ortogonal, a aresta de corte uma
reta normal direo de corte
e direo de avano, de maneira que a formao do cavaco pode ser
conside-
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44 TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS
rada um fenmeno bdrnensonal e que ocorre em um plano normal
aresta
cortante] ou seja, no plano de trabalho. A Figura 3.3 ilustra
dois exemplos deusinagern aproximando-se do corte ortogonal nos
processos de torneamento ede fresamento.
Alm das citadas, so admitidas algumas outras simplificaes, que
per-rnitem um tratamento matemtico do corte ortogonal e podem ser
estendidas aoutras operaes de usnagem. /1 vc I-] ~ t,{t7v. h 1;7 yc
::~I:: R[ > I
O f d - - vc"'v /ri s cavacos erma os sao contnuos, sem a formao
de aresta postiade corte (APe).
No h contato entre a superfcie ele folga da ferramenta e a
superfcieusnada.
A espessura de corte (h), equivalente ao avano (f),
suficientementepequena em relao largura de corte (b).
A largura da aresta de corte maior que a largura de corte (b). A
largura de corte (b) e a largura do cavaco (b') so idnticas.
A aresta de corte idealmente afiada e perpendicular ao plano de
trabalho.
Segundo esse modelo, considere um volume de metal representado
pelaseo "klmn" movendo-se em direo cunha cortante, conforme mostra
a Fi-gura 3.4.
Formao de Cavacos 45
Ao passar pelos eventos anteriormente descritos para a formao de
ca-vacos, definiu-se a zona primria de csalhamento, que passa a
serrepresen-tada pelo trao do plano de cisalhamento, segmento OD na
Figura 3.4. Aindasegundo esse modelo, a seo "klrnn", aps a total
deformao plstica, setransforma na seo "pqrs", que entra em contato
com a superfcie de sadada ferramenta. Nesse caso, essa regio
representada pelo segmento OB damesma figura.
3.2 RELAES CINEMTICAS E GEOMTRICAS NO CORTE ORTOGONAL
Por meio das simplificaes anteriormente descritas para o modelo
bi-.dimensional da formao de cavacos, foi possvel estabelecer
planos e rela-es geomtricas importantes para o equacionamento
matemtico do fen-meno. De acordo com aj mencionada Figura 3.4,
pode-se definir o grau derecalque como: D;",.""" R(.. :
h' oj
-
46 TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS
Alm disso, tem-se tambm:
hsen"'=-'f' l' (32)
h'5091>(90 rp + y) - T (3.3)
ou, reformulando-se: t , '(), '"\ ~ ",i(.~ ,t:" c :'.t,. r.. c,
;'..,f n\ ;..
___ .~rRc -senr
A Equao 3.4 demonstra que o ngulo de csalhamento funo do grau
.de recalque e do ngulo de sada da ferramenta. Como esse ngulo de
sadatem uma pequena faixa de variao, nas aplicaes prticas (entre _8
e 20),a dependncia maior do ngulo de csalharnento fica por conta do
grau de re-calque. Como h restrio na superfcie de sada da
ferramenta por onde o ca-vaco deve escoar, consequentemente existe
uma desacelerao do volume dematerial a ser transformado em cavaco.'
Dessa forma, a espessura do cavaco sempre maior antes de ele se
formar, o que resulta em um grau de recalquesempre maior que a
unidade. Admite-se tambm que o volume do material nose modifica
durante a formao de cavacos. A Figura 3.5 mostra a relao entreo
ngulo do plano de cisalhamento e o grau de recalque.
- ......... ....... .......
Forma o de Cavacos
.~Ao contrrio do que possa parecer, o grau de recalque no
facilmente
obtido, pois o cavaco no possui uma espessura uniforme: ele
formado porlamelas justapostas com extremidades irregularmente
conformadas, porm, noscasos em que possvel sua correta estimativa,
pode-se encontrar o ngulo doplano de cisalharnento. Estimativas
melhores podem ser obtidas pela medida docomprImento e da
densidade; chegando-se rea de seo do cavaco,
Como o material recalcado para que o cavaco se forme, h uma
desacelera-o deste quando passa pela regio de cisalharnento. Essa
desacelerao pode ser
---eakllia4~z..que...o..:llOlume..nQ.s.e-.alt.era...d.urante o
processo. A Figura 3.6mostra a relao geomtrica entre as velocidades
envolvidas, ou seja, de sada docavaco Cvc.J e de cisalhamento (vz)
em relao velocidade de corte (vJ.
Ainda segundo o modelo idealizado, podem-se definir algumas
relaesentre essas velocidades, calculadas a partir da aplicao da
lei dos senos notringulo de velocidades da Figura 3.6, resultando
em:
sen~V.a." . Vc--= ::}seno sen[90 - (q) - r) J
(3.5)vc~v=v .c cos(!f; - y)
47
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48 TEORiA DA USINAGEM DOS MATERIAIS Formao de Cavacos
49:j":-
v" Vc COS Y. = ==> V =v .~--'--sen(90-cp) sen[90-(~-r)l Z c
COS(rjJ-r)
(3.6) que no lmte resulta em:
asE =-o ay (3.9)Usando-se as Equaes 3.4 e 3.5, tem-se:
VV ==-!:..
call R
(3.7) Segundo uma defiro j comum em processos de conformao para
gran-d$ defolma,;es, se ambas grandezas da EqJJao 39 forem
divididas pelo roea
)
J.1_.._)
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mo tempo, tem-se:Uma vez que os cavacos so formados por
cisalharnento, o estudo dadeformao em um elemento antes e depois de
passar pelo plano de cisa-lhamento pode trazer resultados
importantes,-conforme esquematzado naFigura 3.7.
V.o= ~._._-- (3.10)
Onde vy a velocidade de deslocamento dos cavacos na direo
perpendi-cular ao plano de cisalharnento. Pelas relaes geomtricas
entre as velocidades
na Figura 3.6, tem-se:
v = v cosCO')+ V serit o= y);; c ca.1' (3.11)
v = v sen(O')r c (3.12)
Substituindo as equaes 3.11 e 3.12 pela Equao 3.10, obtm-se:
v sen(dI-y)e = cot(rjJ) + -,c",,"',,-' ---,-'1'--'-o V
cSI3"J1,(rp)
Introduzindo agora a Equao 3.5, o resultado :
(3.13)
&'0 = cot(O') + tg(O'- r) (3.14)
Outra grandeza importante a velocidade com que o material
csalhadono plano de csalhamento, dada por:
(3.15)
Se a espessura do material que est sendo deformado for
semelhante espessura de uma lamela de cavaco e usando-se a Equao
3.6 pode-se ter umaidia da velocidade de deformao por cisalhamento
em uma operao de usi-nagem da seguinte forma:o grau de deformao, ou
deformao angular, pode ser definido como:
l1S :::;-o ~y
1 ( cosr)E:::;- Vco ~y cos(rp-r) (3.16)(3.8)
-
50 TEORIA D,A. USINAGEM DOS MATERIAIS
Portanto, em um processo de tornearnento de ao em condies
normais,pode-se estimar a velocidade de deformao do processo de
formao de cava-cos por meio dos seguintes valores: .
vc== 100 mlmin
r= 10q; = 20L1Y = 0,0025 mm
Formao de Cavacos 51
rIU (l tJ,. (tfht 5; PiI( 7 r.fS
3.3.1 Cavacos contnuos !'l/J 16Os cavacos contnuos so formados,
na usinagem de materiais dcteis,
como aos de baixa lga, alumnio e cobre, conforme mostrado
esquematica-
mente na Figura 3.8(a).
---'-----Result;do ~m 60: 6.7x 10-.5 8-' (FERRARESI, 1977).
De;;;iorm;::'Pode:--------
se afirmar que a velocidade de deformao da ordem de 10-5S-I para
um proces-so normal de usnagern. Essa velocidade de ruptura muito
superior na maioriados processos de conformao (5 S-I) ou nas
velocidades normalmente empre-gadas em testes de trao ou de toro,
fato que um dos responsveis pelasdiferenas encontradas quando se
utilizam os valores de tenso de csalhamentoobtidos em ensaios
padronizados e no clculo de foras de corte em usinagern.
3.3 TIPOS DE CAVACOS
Durante a usnagem, uma nova superfcie gerada na pea pela remoode
material na forma de cavacos. Morfologcarnente, os cavacos podem
ser con-tnuos, descontinuos e segmentados. Em geral, cavacos
contnuos aparecemdurante a usnagern de materiais dctes, enquanto os
descontnuos surgem em
consequncia da formao de um fluxo de elementos de cavacos
quebrados em pe-daos durante a usnagem de materiais frgeis. Existem
vrias vantagens emproduzir cavacos curtos. A quebra do cavaco pode
ocorrer naturalmente du-rante a sua formao, corno no caso da
usnagern de bronze e de ferro fundido,ou sua quebra pode ser
conseguida pelos quebra-cavacos. Nesse caso, prova-velmente. apenas
a forma do cavaco ir se alterar. Entretanto, em uma classi-ficao
mais detalhada, os tipos de cavaco podem ser; contnuo,
parcialmentecontnuo, descontnuo, e segmentado.
A obteno dos trs primeiros tipos depende muito da ductilidade
(oufragilidade) do material da pea e dos parrnetros de corte. J o
ltimo tiporefere-se a cavacos produzidos geralmente na usinagem de
materiais de baixacondutivdade trmica e na presena de
"cisalharnento catastrco (ou adab-tico)" (RECHT, 1964).
Nesse caso, o metal csalha na zona primria de cisalhamento com
grandesdeformaes e permanece homogneo, sem fragmentao. Apesar da
forma defita externa no apresentar nenhuma evidncia clara de
fratura ou trinca, essesfenmenos ocorrem para que uma nova
superfcie seja formada.
O tipo de cavaco tambm est fortemente ligado tenso normal no
planode cisalhamento, a qual depende. do ngulo de cisalhamento r/J
e das condiesde atrito na interface ferramenta/cavaco, ou seja, na
zona secundria de csa-lhamento (DOYLE, 1979). Na formao do cavaco
contnuo, no entanto, h umequilbrio entre a tenso normal e a de
cisalharnento no plano de cisalharnento,de forma que a trinca
surgida no momento da ruptura no se propague muito ourapidamente,
para que o cavaco no seja interrompido. A complexidade da an-Use se
deve ao fato de que tanto o primeiro quanto o segundo fator
dependem
(
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(
-
52 TEORIA DA US1NAGEM DOS MATERIAIS
)
)
)
das condiesde atrito na interface ferramenta/cavaco, isto , o
que promove atenso csalhante no plano de cisalhamento, necessria
abertura da trinca, a restrio que o cavaco tem ao se movimentar na
superfcie de sada da ferra-menta. Quanto maior for tal restrio,
maior ser a tenso provocada. E essamesma restrio que promove a
tenso de compresso no plano de cisalhamento
Formao de Cavacos 53
conta de a energia elstica acumulada na ferramenta no ser
suficiente para quea trinca se propague por toda a extenso do plano
de csalharnento; e presenade grande tenso.de compresso no plano de
cisalharnento, dificultando, assim,a propagao da trinca.
e qJ1P poder restringir a propagao da trinca)
Algumas aes podem favorecer a propagao da trinca, diminuindo a)
restrio ao movimento do cavaco na zona secundria de cisalhamento e,
por)_. - s:>~segl11te~tenso normal que determina a .~xte~scuia
trinct..?-o mesmoJ tempo que reduz a tenso de cisalharnento. A adio
de elementos como churn-) bo, tehirio, selnio e enxofre aos aos
pode favorecer a formao de cavacos, o) que ocorre com os chamados
aos de corte livre (MILOVIK,1983). Tais adies,
alm de reduzirem as tenses normais no plano de csalhamento
devido ao efei-) to lubrificante na interface ferramenta/cavaco,
tambm reduzem a tenso de) csalhamento necessria para dar ircio
trinca, pois fraglzam o material, Po-) rm, a geometria da aresta
(ou gume), principalmente o ngulo de sada, a velo-) cidade de
corte, o avano, a profundidade de corte,as incluses (a quantidade,)
a forma e a dureza) e a rigidez da ferramenta tambm so variveis
importantes
que influenciam o tipo de cavaco.
Os cavacos contnuos so indesejveis, pois podem causar acidentes,
da-nificar a superfcie usnada etc. Se eles no se quebrarem
naturalmente, umquebra-cavacos dever ser usado para promover a
segrnentao. O cavaco serento fragmentado, mas no pelos mesmos
mecanismos descritos a seguir como"cavacos segmentados".
Uma variao do tipo de cavaco contnuo o cavaco contnuo na
presenade aresta postia de corte (APC) (ALGARTE,1995), fenmeno
mostrado esque-rnaticamente na Figura 3.8(b) e que ser discutido em
detalhes mais adiante.
)
)
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J)
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3.3.2 Cavacos parcialmente contnuos
Trata-se de um tipo ntermedrio entre os cavacos contnuos e
descon-tL.'1UOS, no qual a trinca se propaga parcialmente pela
extenso do plano decisalhamento. , muitas vezes, denominado "cavaco
de cisalhamento" (FERRA-RESI, 1977). A propagao da trinca
interrompida por dois motivos, conformesugerido por Cook (1954):
perda de contato entre a ferramenta e o cavaco, por.
3.3.3 Cavacos descontnuos
Esse tipo mais comum na usnagem de materiais frgeis, como
bronzee ferros fundidos cinzentos, uma vez que no so capazes de
suportar gran-
----------u-es--defonmre-s-sem-se-quebrar;-Entretantv,-lJaxa;s-vetocidades-u-e-corte;---~---
ngulo de sada pequeno e grandes avanos tambm podem produzir
cavacos
descontnuos em materiais de baixa ductilidade. Com o aumento da
velocidadede corte, o cavaco tende a se tornar mais contnuo, pois
alm de mais calor serproduzido e, por conta disso, os materiais se
tornarem mas dcteis, a penetra-o de "contaminantes" na interface
ferramenta/cavaco para reduzir a tensonormal no plano de
cisalhamento torna-se mais difcil.
A Figura 3.8(c) mostra um cavaco descontnuo, no qual a trinca se
propa-ga por toda a extenso do plano de cisalhamento, promovendo
sua segmenta-o, A zona secundria de csalhamento tambm desempenha
importante papelpara que esse tipo de cavaco seja formado.
Inicialmente, o componente de foratangencal superfcie de sada menor
que a fora necessria para promovero escorregamento do cavaco. H,
ento, o desenvolvimento de uma regio dematerial esttico e a separao
do cavaco ocorrer com o aumento da relaoentre fora tangencial e
normal.
IJ,AI;K /I- CIJ)J/JIJ rI VI d/A p./vl.jJJr, I)a
-
54 TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS
como o titnio e suas ligas. O cisalharnento para formar o cavaco
comea aocorrer em tJ?1 plano de cisalhamento particular, quando as
tenses impostaspelo movimento da ferramenta contra a pea excedem o
limite de escoamentodo material da pea. A energia associada a essa
deformao convertida emcalor e, devido s propriedades trmicas do
material, altas temperaturas so
(
(Formao de Cavacos 55
Verificou-se, experimentalmente, que muitos materiais podem
sofrer c-salhamento terrnoplstco catastrfico, dependendo da
temperatura alcana-da durante a formao de cavacos e de suas
propriedades trmicas. Pesquisascientficas mostraram que um material
pode sofrer cisalhamento termoplsticocatastrfico - quando o efeito
de amolecimento devido ao aumento da tempera-
(
(
(
(
(
(desenvolVIdas de muna concentrada, o qUe provoca
amoleClfieIlCOlocalizadoe, consequentemente, um plano de
deslizamento, como ocorre na formao
mra supera o efeito do endureCh'tlento a frio ac:una de uma
determmada velo-cidade, chamada "crtica" (RECHT, 1964). Para o
Inconel 718, essa velocidade
As formas de cavacos longos que causam os maiores transtornos
quan-to segurana de produtividade, exigindo, portanto, mais cuidado
e especialateno ao seu controle. Apesar de os parrnetros de corte
poderem ser, namaioria das vezes, escolhidos para evitar ou reduzir
a formao de cavacoscontnuos, o mtodo mais efetivo para produzir
cavacos curtos a utilizaode quebra-cavacos.
-
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TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS
oo,-o ~u::::ro :::>> Ol(3 c.>._",:= c:U Q,) -o.c
otb
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o-o'"QJc:oU
oClCo-' I
3.5 CONTROLE DO CAVACONaSoperaes de usnagern que utilizam corte
contnuo em materiais dc-
teis, como o torneamento de aos-baixo carbono, por exemplo,o
controle docavaco pode ser imperativo para a produtividade da
empresa. Esse problemase agrava quando novas geraes de ferramentas
mais resistentes ao desgastepermitem o uso de altas velocidades de
corte em mquinas CN,em sistemasprodutivos altamente automatzados,
com mnima superviso humana. A pro-duode cavacos longos pode causar
os seguintes problemas:
As baixas densidades efetivas desse tipo de cavaco, devido ao
alto volu-me que ocupam, dicultam o manuseio nos processos
subsequentes demanuseio e descarte.
s Podem aderir pea, a partes da mquina, ou ferramenta,
criandosituaes de perigo ao operador por conta das altas
velocidades e do fiode corte em cavacos de material endurecido pelo
encruamento.
I
-
58 TEORIA DA USINAGEM DoOSMATERIAIS
Podem prejudicar o acabamento superficial ao aderir pea, ou
mesmolevar quebra da aresta de corte.
Aumentam a fora de usinagem, a temperatura e, em geral, diminuem
avida til das ferramentas.
PrejJldicam o acesso do fulido dg corte rea de formao de
cavacos.
,, f
I
ti :o~-o (c
diretamente proporcional razo h/r, onde r o raio de curvatura do
cavaco, c c
(ERNEST, 1940)., Se a deformao do cavaco no suficientemente
grande paracausar a fratura, h a necessidade de aumentar h' ou
diminuir r; a fim de conseguira quebra do cavaco. Mas h' depende,
principalmente, do avano ou da espessurade usinagem, o qual
prejudica o acabamento superficial se excessivamente aumen-
Formao de Cavacos 59
,- (.. (
~(
'00 (
.J-(
-(
Os quebra-cavacos podem ser postios ou integrais, pois ambos
modificama superfcie de sada das ferramentas, causando uma
curvatura mais acentua-da nos cavacos e levando-os quebra por fexo.
Alm dos quebra-cavacos,tambm j foram utilizadas variaes na
velocidade de avano, por meio dasquas criou-se uma situao
semelhante da furao intermitente. Em ambosos casos a velocidade de
avano reduzida a zero, ou quase isso, provocandoconcentrao de tenso
e a consequente quebra do cavaco. Essa estratgia, noentanto,
necessita de uma mquina CN com programa apropriado.
Outro mtodo bastante eficiente para a quebra do cavaco a injeo
defluido de corte em alta presso na superfcie de sada e em sentido
contrrioao da sada do cavaco. Se o jato for forte o suficiente,
haver fragmen!?o docavaco, conforme a sequnca mostrada na Figura.
3.12. .
De maneira geral, quanto menor for a espessura do cavaco, mais
flexvel ele, portanto, maior ser a.dificuldade de quebra. Os
cavacos que j sofreram inten-sas deformaes passando pelas zonas
primrias e secundrias de cisalhamentonecessitam de urna deformao
crtica (e.r) para quebrar depois de deixar a su-
perfcie de sada da ferramenta. A deformao que o cavaco sofrer
nesse ponto
tado. Dessa forma, procura-se reduzrr r,para promover a quebra
dos cavacos.O mtodo mais usual para aumentar a curvatura do cavaco
(diminuir rc)
a utilizao de quebra-cavacos postios ou integrais (superfcies de
sada comformatos especiais). O raio de curvatura rc pode ser
estimado de acordo com asdimenses dos quebra-cavacos, como ser
visto a seguir.
3.5.1 Quebra-cavacos postio
ro,= [Gn -ir)-CtcotO)]Co{ %) o [mm]Onde os smbolos esto de
acordo com a Figura 3.13.
(3.17)
3.5.2 Uuebra-cavacos integral tipo I: anteparo
o. -J tr =---+-, 2 h' [mrn] (3.18)Onde os srnbolos esto de
acordo com a Figura 3.14.
,- (
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)
60 TEORiA DA USINAGEM DOS MATERiAIS Formao de Cavacos 61
(lf)' Tambm se q; for muito pequeno, o cavaco pode no seguir o
contorno dacratera at que se obtenha um desgaste significativo.
Os quebra-cavacos do tipo anteparo - sejam eles postios ou
integrais,trabalhando sob condies normais de usinagern e quando
comparados a super-fcies de sada planas, no afetam
significativamente as foras de usnagem nas
3.5.3 Quebra-cavacos integral tipo 11:cratera
[rnm] (3.19)
Onde os smbolos esto de acordo com a Figura 3.15.
o quebra-cavacos integral tipo Il, mostrado na Figura 3.15, s
ser efetivose a espessura en for menor que o comprimento de contato
ferramenta/cavaco
mesmas con oes \y.L"~"-'uma aresta postia estvel pode se formar
ao longo da espessura e" (Figura3.15), aumentando de maneira
considervel o ngulo de sada e diminuindo asmencionadas foras de
usnagem (BOOTHROYD,1981).
Verncou-se tambm que o desgaste de fanco no muda
significativamentecom a aplicao de quebra-cavacos. Quanto ao
desgaste de cratera, os que-bra-cavacos do tipo anteparo reduzem a
rea de desgaste, enquanto os do tipocratera tendem a aument-Ia
(BOOTHROYD,1981). importante verificar nateoria dos quebra-cavacos
se estes iro garantir a reduo de rr. para que seatinja a deformao
critica "l que promove a quebra. Alm disso, as ranhuras
dosquebra-cavacos servem para conformar mais os cavacos,
tornando-os .menosdctes e, portanto, reduzindo a deformao
crtica.
As Equaes 3.17,3.18 e 3.19 podem ser utilizadas como orientao
parao projeto de quebra-cavacos, porm, deve-se tambm 'levar em
consideraooutros fatores, como fragilidade do material, raio
natural de curvatura e espes-sura do cavaco. Tambm afetaro a quebra
do cavaco a geometria da ferramen-ta, por meio dos 'ngulos de sada,
inclinao e posio, velocidade de corte,profundidade de usinagem e
rigidez da mquina-ferramenta. Quanto menor ongulo de sada, menor
ser o raio de curvatura natural e maior ser a espessurado cavaco.
Quanto ao ngulo de posio, alm de afetar a direo de sada docavaco,
quando este tende a sair perpendicular aresta, o ngulo afeta tambma
espessura, que aumenta com o aumento desse ngulo. O ngulo de
inclinaotem influncia direta na direo de sada do cavaco. Se for
negativo, direcionao cavaco contra a pea; se for positivo, o efeito
o contrrio. Um aumento davelocidade de corte tende a aumentar rc'
porque o comprimento de contatoferramenta/cavaco reduzido. Alm
dsso, a ductilidade do material elevada,tornando a quebra ainda
mais diffcil.
A combinao dos diversos efeitos que afetam a quebra do cavaco
pode serexemplificada por meio da Figura 3.16.
-
62 TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS Formao de Cavacos
3.6 INTERFAGEFERRAMENTA/CAVACOA formao do cavaco um processo
peridico, com cada ciclo dividido
em quatro eventos distintos, sendo o ltimo o movimento do cavaco
sobre asuperfcie de sada da ferramenta. As condies nas quais esse
escorregarnento
63
(
(
(
(
Os cavacos da Figura 3.16(c) so quebrados periodicamente
quandoen-contram a superfcie recm-usnada, o que danfca o acabamento
superficial. Oscavacos das Figuras 3.16(d) e 3.16(e) so quebrados
quando colidem com a su-perfcie da pea a ser usinada. Se a direo
lateral for suficiente, o cavaco podeevitar a pea, mas encontrar a
superfcie de folga, formando, assim, cavacoscomo os da Figura
3.16(f). Se a direo Iateral for ainda maior, podem produzircavacos
como os das Figuras 3.16(h) e 3.16(i), ou 3.160). Alm desses,
vriosoutros tipos podem ser observados, representando a combinao
dos cavacosmostrados na Figura 3.16(j) (SHAW,1986).
Com todos esses conceitos em mente, os fabricantes de
ferramentas demetal duro desenvolvem insertos com as mais variadas
formas de quebra-ca-vacos. Geralmente, os quebra-cavacos so
divididos em grupos para operaesde desbaste, semtacabamento e
acabamento, cada qual cobrindo urna faixa deavano e de
profundidade.
mecanismo de formao do cavaco, na fora de usinagern, no calor
gerado du-rante o corte e, consequentemente, na temperatura de
corte e nos mecanismose taxa de desgaste das ferramentas, afetando
assim seu tempo de vida. pre-ciso, portanto, entender como se
processa o movimento do cavaco ao longo dasuperfcie de sada
d.ferramenta.
O conceito clssico de atrito, baseado nas leis de Amonton e
Coulomb,no apropriado para aplicao em usinagem dos metais, pas,
nesse caso, afora de atrito proporcional fora normal, sendo a
constante de propor-cionaldade chamada "coeficiente de atrito". Em
condies usuais de corte,a presso normal superfcie de sada da
ferramenta , geralmente, bastanteelevada, chegando a 3,5 GN/mz na
usnagem de certos aos (TRENT, 1963).Estudos sobre esse fenmeno tm
se mostrado um grande desafio, principal-mente, por conta das altas
velocidades de sada dos cavacos, e pelas reduzds-simas reas de
contato ferramenta/cavaco. Para condies normais de corte,a
velocidade de sada do cavaco (voa) pode ser. de 120 m/rnn (ou 2
rn/s), e area de contato pode chegar a apenas 6 mm". Amaioria das
teorias modernasdisponveis derivou-se de estudos dessa interface
aps o corte ter sido inter-rompido e utilizando-se dispositivos
uick-stop, nos quas a ferramenta decorte retrada com velocidade
superior velocidade de corte (de duas a trsvezes maior), deixando a
raiz do cavaco em condies de anlise detalhadapor meio de
microscpios. Basicamente, esses dispositivos tm a funo
deestabelecer a operao de corte com o suporte da ferramenta apoiado
em umpino de ao endurecido. Esse pino possui grande rigidez e
capacidade de rup-tura sem deformao. Quando a formao do cavaco est
acontecendo, o pinose rompe e a ferramenta afastada da pea em alta
velocidade, quase instan-taneamente. A ruptura do pino de sustentao
da ferramenta pode se dar pormeio de uma exploso, usando-se plvora
de um cartucho, ou da fora de umamola, acelerando urna barra de
impacto. A Figura 3.17 mostra dois exemplosdesses dispositivos.
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)
64 TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS
Quem mais difundiu a teoria das condies da interface
ferramenta/ca-vaco, nos meios cientficos, foi Trent, que desde 1963
identificou e definiucom muita competncia a "zona de aderncia"
(seizure zone ou stickingzone) e a "zona de escorregamento"
(sliding zone). A zona de aderncia seestende da aresta de corte
para dentro da superfcie de sada da ferramenta,'comuma zona de
escorregamento se desenvolvendo ao longo de sua periferia.A Figura
3.18 identifica essas duas zonas: linha BC = aderncia; linha CD
'"escorregarnento.
Formao de Cavacos 65
Em determinadas condies, a zona de aderncia pode ser
suprimida,prevalecendo apenas a condio de escorregamento ou zona de
escorrega-mente, citada no pargrafo anterior e abordada mais
frente. Outra situao a existncia da APC, fenmeno que pode ocorrer a
baixas velocidades de. .corte. A presena da APC altera a geometria
da cunha cortante, o -que afetatodo o processo de usnagern (fora,
temperatura, desgaste das ferramentas e
acabamento superficial).
3.6.1 Atrito no corte de metaisQuando duas superfcies so
colocadas justapostas e em eminente movi-
mento relativo, a rea de contato real (A) muito menor que a rea
de contatoaparente (A), devido s rncroirregulardades presentes em
qualquer superfcieacabada. Os contatos so estabelecidos apenas em
alguns picos das rregular-
dades, como ilustrado na Figura 3.19.
-
66 T~ORIA DA USINAGEM- DOS MATERIAiS
Aplicando-se uma fora normal (N), os pontos de contato so
deformadosplasticamente, e a rea de contato real (AR) aumenta para
suportar essa novacarga. A fora tangencal (F) (ou fora de atrito),
por conseguinte, aumenta
proporcionalmente, e o limte de proporcionalidade o coeficiente
de atrito ;..t,valendo, portanto, a Lei de Atrito de Coulomb. Se a
fora normal aplicada for au-mentada indefinidamente, pode-se
atingir uma situao em qU.>-Wdos os picosdas irregularidades se
deformaro de tal maneira que a rea real se iguala , rea
aparente {AR = A). A fora normal necessria para que isso acontea
defindacomo "fora normal limite" e, a partir desse valor, o aumento
da fora normal
no altera mais a fora tangencal (ou de atrito), isto , a fora
tangencal no mais proporcional fora normal, pois passa a ser
constante e assume valor su-
ficiente para vencera resistncia ao cisalhamento do material
menos resistente.
Nessas condies, a Lei de Atrito de Coulomb no tem mais
validade.
Trs regimes diferentes de atrito slido podem ser identificados
na F-
gura 3.20.
?':~r'::1i
/ t~~ {ft(J f C-/"1
No regime I, vale a Lei de Atrito de Coulomb (;..t:= da =
constante) eAII A. No regme m, no existe superfcie livre entre os
materiais, isto , AR =A, e'C independente de (J". Este comea a
existir a partir do valor de tenso normallimite (17
2), o regime II o de transio entre os regimes I e III, no qual o
coefi-
ciente de atrito diminui com o aumento da carga normal. WalIace
e Boothroyd(1964), entretanto, sugerem a transio brusca do regime I
para o III, com asupresso do regime li. Assim, aLei de Atrito de
Coulomb vale at o pontoB da
Figura 3.20, e a tenso normal mte passa a ser (J"r
Durante o corte dos metais, os regimes I e III ocorrem
simultaneamenteem pontos distintos ao longo do comprimento de
contato entre o cavaco e aferramenta. O modelo de distribuio de
tenso na superfcie de sada da fer-rarnenta, ilustrado na Figura
3.21, mostra que o comprimento de contato pode
ser dividido em duas regies distintas: "a regio de aderncia" e
"a regio de
escorregamento" (ZOREV, 1963).. Segundo esse modelo, a: tenso
normal mxrna na extremidade da aresta
e decresce, exponencalmente, at zero, no ponto onde o cavaco
perde contatocom a superfcie de sada. A tenso cisalhante constante
na zona de aderncia(e assume o valor do limite de resistncia ao
cisalhamento do material da pea
67{ I
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)i.
)
144 TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS
variveis de entrada, bem como a configurao geomtrica da operao
de corte.Por esse mtodo, a nterao entre a ferramenta e a pea
equacionada e desen-volvida com base nesses parrnetros de entrada,
solucionando-se as equaesque regem o comportamento do material e
suas condies de contomo. Nessemodelo, a ferramenta realmente produz
cavacos mediante a deformao e rup-tm'a do roatorililJ da pea, desde
qlle esses dados sejam fornecidos nas condiesde trabalho de
usinagem. A Figura 5.16 ilustra os resultados desse modelo.
'7; : :" .. : -;
"......... :...
Esses so os mtodos mais comuns de determinao terica da
tempera-tura na regio de formao de cavacos partindo-se apenas de
dados de entrada,sem, necessariamente, ter de se realizar a operao
de usnagem. H, no entan-to, mtodos de medio, ou de estimativa,
experimentais da temperatura emprocesso, os quais sero abordados a
seguir.
5.4 TEMPERATURA NA FORMAO DE CAVACOS: ESTIMATIVAS
EXPERIMENTAISPara avaliar o aumento de temperatura nas zonas de
corte, vrias tcnicas
foram desenvolvidas (BYRNE, 1987), e a maioria delas empregada
para medir
Temperatura no Processo de Usinagem 145
a temperatura da ferramenta. Os mtodos prticos mais utilizados
para a medi-
o da temperatura na regio de formao de cavacos so:
D Medio direta por termopares inseridos.
Medio da fora termoeltrica entre a ferramenta e a pea (mtodo
dotermopar ferramenta/pea).
MeeHo por radiae Qg calor com sepsores jnfraverrnelhos.D Medio
utilizando vernizes termosensveis.
Medio por propriedades metalogrficas.
Medio usando ps qumicos.
Medio usando o mtodo do filme PVD.
5.4.1 Termopares inseridos na ferramentaThornas Johann Seebeck,
nascido em 1770. foi o fsico responsvel pela
descoberta, em 1821, do efeito terr
