Interface cavaco-ferramenta

A interface cavaco-ferramenta é identificada como uma pequena área na superfície de saída da ferramenta em contato com a superfície do cavaco e que está sob a ação da força de corte. Trent e Wright (2000) dividiram esta área em duas regiões, denominadas de zona

aderência e zona de escorregamento, com distintos fenômenos ocorrendo em cada região. A zona de aderência se inicia na aresta de corte e se estende para dentro da superfície de saída. A zona de escorregamento se desenvolve ao longo da periferia da zona de aderência. A Figura 3.1 representa as regiões de aderência (região hachurada compreendida entre as letras B e C) e de escorregamento (região adjacente à zona de aderência, compreendida entre as posições das letras EFKH e no comprimento de contato CD) na superfície de saída da ferramenta de corte. Para uma melhor compreensão dos fenômenos tribológicos que ocorrem nestas regiões, é necessário abordar o comportamento do atrito e da distribuição das tensões normal e de cisalhamento desenvolvidas na interface durante a usinagem de metais.

FIGURA 3.1 - Representação das zonas de aderência e de escorregamento. FONTE - TRENT E WRIGHT, 2001, p. 40 – Figura adaptada

Segundo Burwell (1957/58), qualquer operação de usinagem gera uma superfície com rugosidades que apresentam picos e vales, podendo chegar da ordem fracionária do comprimento de onda da luz (2000 Å). Quando duas superfícies são colocadas justapostas e com movimento relativo, o contato ocorrerá inicialmente nas asperezas, ou seja, nas irregularidades dos picos das superfícies, como observado nas Figuras 3.2(b) a 3.2(d). Todo carregamento normal à superfície (N) é suportado por estas asperezas; nesta condição, a área real de contato (AR) é bem menor que a área aparente ou nominal (A) e indicado pelo regime I (AR < <A) na Figura 3.2(b). Portanto, elevada pressão local é desenvolvida na interface, o que suscita deformação plástica dos picos com consequente aumento de área real (Ar), com maior distribuição da carga normal (N), regime II (AR < A), vide Figura 3.2(c). A força normal, juntamente com o movimento relativo, é responsável por originar a força de atrito ou força

tangencial (F). Hutchings (1992) define a força de atrito como a resistência oferecida por um corpo ao movimento relativo sobre outro corpo.

FIGURA 3.2 - Regime de atrito sólido (a) distribuição das tensões cisalhante e normal, (b) Regime I, (c) Regime II e (d) Regime III.

FONTE – SHAW, 2005, p. 214 – figura adaptada

Na maioria das situações que envolvem superfícies técnicas, os efeitos do atrito na interface tribológica obedecem a lei de atrito de Coulomb e são quantificados pelo coeficiente de atrito de Coulomb (µ), que representa a constante de proporcionalidade entre força de atrito (Fa) e força normal, e é expresso pela Equação 3.1:

Onde F_a representa a força de atrito e N é a força normal atuantes na interface.

Se a força normal for aumentada de modo a deformar totalmente os picos de rugosidade (valor que ultrapassa o limite de escoamento do material de menor resistência), a área real de contato se torna igual à área aparente, caracterizando o regime III (A_R = A), vide Figura 3.2(d). Nesta condição, uma forte adesão é verificada na interface e, de acordo com Blau (2008), além de um carregamento excedente, grande afinidade química e elevadas forças de ligações atômicas são responsáveis pela intensa adesão na interface de um par tribológico. Neste regime, a força normal não tem mais influência sobre a força de atrito, portanto, a lei de atrito de Coulomb perde sua aplicação e a força atuante passa a ser a de cisalhamento do material de menor resistência. Do ponto de vista tribológico, não existe mais atrito, pois não há movimento relativo entre um par tribológico e sim movimentos de discordâncias interatômicas. Contudo, Dieter (1988) defende a teoria que, em condições de aderência onde a força de cisalhamento é constante, é possível calcular o valor do “coeficiente de atrito de aderência (μa)”, no qual a tensão de cisalhamento é igual à tensão de fluxo no cisalhamento

(Kc) e a tensão normal igual a tensão de escoamento do material de menor resistência σy. Usando o critério de escoamento de Von Mises, pode se obter o valor do coeficiente de atrito de aderência conforme a Equação 3.2:

(3.2)

Este valor tem sido adotado em trabalhos que empregam o método de elementos finitos (EF) e tem-se verificado uma boa conformidade com os valores reais, embora vários trabalhos indiquem valores muito maiores sob condição de aderência. Shaw (2005) faz uma diferenciação das condições de atrito abordadas anteriormente identificando os três regimes de atrito no contato sólido e a relação entre tensão de cisalhamento (τ) e tensão normal (σ) em cada regime, conforme mostra a Figura 3.2(a). Os regimes I e II representam as condições verificadas na zona de escorregamento, enquanto o regime III, a zona de aderência. Durante a usinagem todos os regimes ocorrem simultaneamente.

Dentre vários modelos de distribuição das tensões normal (σ) e de cisalhamento (τ) propostos, o modelo mais comumente adotado é o de Zorev (1966), por apresentar valores próximos aos experimentais. Como observado na Figura 3.3, este modelo divide o comprimento de contato na interface cavaco-ferramenta em zona de aderência e zona de escorregamento, de forma que a tensão de compressão máxima é verificada na aresta de corte da ferramenta e decresce exponencialmente, assumindo o valor zero no final da zona de escorregamento, onde o cavaco perde o contato com a ferramenta. A tensão de cisalhamento é constante na zona de aderência e decai exponencialmente no início da zona de escorregamento, atingindo o valor nulo ao fim do contato do cavaco e a ferramenta.

FIGURA 3.3 - Modelo de distribuição de tensões normal e cisalhante. FONTE – TRENT E WRIGHT, 2001, p. 81 – figura adaptada

Conforme identificado por Trent (1988), na usinagem dos aços, principalmente os que sofrem grandes taxas de deformação, uma tensão de cisalhamento muito intensa é observada em decorrência da forte adesão verificada na zona de aderência e dois fenômenos de fluxo de material da peça sobre a superfície de saída da ferramenta predominam na interface: o primeiro é a formação da aresta postiça de corte e o segundo a formação da zona de fluxo.

A aresta postiça de corte se forma na interface cavaco-ferramenta por meio do mecanismo de deformação plástica no qual movimentos de discordâncias e encruamento ocorrem quando usinados metais polifásicos sob baixa velocidade de corte. A primeira porção do material da peça se une a interface cavaco-ferramenta por meio de ligações físico-químicas que, por efeito de altas tensões de compressão, se tornam fortes o suficiente para resistir ao movimento de cisalhamento na interface, formando uma nova superfície. Uma nova porção de material se adere a esta nova superfície e o movimento do cavaco sobre ela ocorre por deformação plástica da direção A para a B, conforme observado na Figura 3.4. Com isso, elevadas tensões de tração são desenvolvidas nas superfícies geradas e resultam em microtrincas que produzem fraturas nas regiões A e B, formando novas superfícies. Este é um forte indicativo de que a aresta postiça é unida à peça e não um corpo separado sobre o qual o cavaco desliza. Este processo se repete inúmeras vezes, com a formação de novas camadas de

aresta postiça. Como este fenômeno advém de uma severa deformação plástica que resulta no encruamento do material aderido, Trent (1988) observou a formação de microbandas alongadas na direção de deformação por cisalhamento e, ao realizar um ensaio de microdureza após a usinagem de um aço de médio teor de carbono, verificou uma dureza de 600 HV na aresta postiça de corte, ao passo que o corpo do cavaco apresentou uma variação de dureza entre 200 e 250 HV.

FIGURA 3.4 - Aresta postiça de corte. FONTE – TRENT, 1988, p. 51

A aresta postiça de corte precisa suportar altas tensões de compressão e de cisalhamento, portanto, seu crescimento é limitado. A aresta postiça cresce na direção do avanço, formando uma saliência na aresta de corte, até que o plano de tensão ao qual ela está submetida muda e parte da estrutura sofra fratura, podendo ser eliminada tanto na direção da superfície de saída quanto da superfície de folga da ferramenta. A Figura 3.5 apresenta uma sequência de imagens indicando as etapas da formação da aresta postiça de corte, iniciada pelo crescimento, seguida da mudança de forma e consequentemente do estado do plano de tensão e por fim, a quebra da aresta postiça, e sua eliminação na direção da superfície de folga da ferramenta, Trent (1988).

FIGURA 3.5 - Etapas da formação da aresta postiça de corte.

FONTE – BALZERS, 2010 - figura adaptada.

O tamanho e a forma da aresta postiça de corte dependem fortemente do material e das condições de usinagem. Uma aresta postiça de corte estável somente é formada em metais com mais de uma fase, por apresentarem, após o encruamento, uma tensão limite de resistência bem superior à tensão de escoamento e a manutenção da tensão de escoamento em temperaturas mais elevadas. Deste modo, a aresta postiça é capaz de suportar as altas tensões de compressão e de cisalhamento. Os metais puros, além de apresentarem valores de tensão limite de resistência próximos à tensão de escoamento, possuem baixa resistência à compressão, o que gera uma aresta postiça extremamente instável ou mesmo inexistente.

Diferentemente da aresta postiça de corte, a zona de fluxo é formada em decorrência de elevadas taxas de remoção de material e velocidades de corte, que geram elevado valor de tensão compressiva na superfície de saída da ferramenta e grandes quantidades e taxas de deformação plástica próxima à interface cavaco-ferramenta com o consequente aumento de temperatura. Nesta condição, o fluxo de cavaco ocorre por deformação plástica confinada a uma estreita banda de cisalhamento, que se inicia na interface cavaco-ferramenta e, segundo Trent (1988), tem uma espessura que varia entre 10 a

100 μm. Ao variar a velocidade de corte e o avanço na usinagem de um aço com 0,4% C, Trent (1988) identificou uma pequena faixa onde ocorre a transição da formação da aresta postiça de corte para a formação da zona de fluxo e ratificou a mudança do mecanismo de deformação plástica de movimento de discordâncias e encruamento na formação da aresta postiça para o processo de recuperação dos grãos seguido de movimento de discordâncias na formação da zona de fluxo, o que gera uma grande quantidade de novos contornos de grãos e grãos equiaxiais muito pequenos. Devido às altas quantidades e taxas de deformação plástica por cisalhamento desenvolvidas na zona de fluxo, torna-se impossível a identificação da microestrutura desta região por meio de microscopia óptica. Conforme pode ser observada na Figura 3.6, a estrutura perlítica-ferrítica de um aço é completamente destruída na zona de fluxo e facilmente identificável acima dela (Trent, 1988).

FIGURA 3.6 - Imagem da zona de fluxo do cavaco. FONTE – TRENT, 1988, p. 57 – figura adaptada

Na presença da zona de fluxo, a ligação na interface cavaco-ferramenta é muito mais intensa que na presença da aresta postiça de corte. Este fenômeno é justificado pela elevada pressão normal atuante na interface cavaco-ferramenta e pelas altas temperaturas desenvolvidas na interface que, segundo Astakhov (2006), podem atingir valores superiores a 1000⁰ C. Existe um gradiente de velocidade na zona de fluxo, que se apresenta em regime estacionário na superfície de saída da ferramenta e aumenta de maneira proporcional à espessura até atingir a velocidade de saída do cavaco. Uma porção de material da peça aderida à ferramenta em regime estacionário associada a altas temperaturas cria condições favoráveis ao mecanismo de difusão sólida (tanto do material da peça em direção à ferramenta quanto em sentido oposto), tornando a ligação na interface ainda mais forte. A força de ligação na interface é maior que a

força de ligação interatômica do material de menor resistência (peça), como observado por Trent (1988) durante um experimento utilizando um dispositivo de parada rápida, observou uma grande quantidade de material da peça aderido à ferramenta.

Na zona de escorregamento, o contato real, definido por Shaw (2005) como regime III (AR = An), e a zona de fluxo são totalmente suprimidos. Condições de aderência e deslizamento são observadas simultaneamente e a intensidade destas condições varia de acordo com o comprimento de contato da zona de escorregamento, pois estão intimamente relacionadas à tensão normal desenvolvida na interface. Segundo Zorev (1966), esta tensão normal apresenta o valor máximo (valor semelhante ao da tensão de cisalhamento do material da peça) no início da zona de escorregamento, condição que favorece a adesão e restringe o deslizamento, e decresce exponencialmente até assumir o valor zero quando o cavaco perde o contato com a ferramenta. Nesta região são observadas a presença dos regimes II (A_R < A_n) e I (A_R < <A_n) e a força de atrito é proporcional ao carregamento normal, consequentemente, o movimento relativo entre o cavaco e a ferramenta ocorre na interface por meio do fenômeno conhecido como stick-slip.

O fenômeno denominado stick-slip é conhecido como um relaxamento e oscilação do atrito na interface e, consequentemente, exige algum grau de elasticidade no contato de deslizamento para que ocorra periodicamente, (Blau, 2008). Este fenômeno é verificado em situações comuns e pode ser exemplificado por meio do movimento do limpador contra o para-brisa parcialmente molhado ou do movimento do arco nas cordas de um violino. Para uma abordagem da mecânica clássica, o stick-slip ocorre devido à quebra e a formação de novas ligações na interface, decorrentes da adesão durante o movimento de deslizamento entre duas superfícies sólidas não lubrificadas. O fenômeno ocorre sempre que houver uma grande diferença entre os coeficientes de atritos estático e cinemático. A Figura 3.7(a) representa uma situação típica de deslizamento de um pino (preso por uma mola em um suporte rígido) sobre uma placa que se move a uma velocidade constante. Inicialmente o pino se encontra na posição A e a placa (na posição I) se movimenta a uma velocidade suficientemente baixa para manter o movimento do pino solidário à placa. Nesta condição, a força de atrito estática, que possui intensidade bem superior à força da mola, atua na interface pino-placa e em virtude da adesão tem-se como constante de proporcionalidade o coeficiente de atrito estático. A mola é comprimida, conservando energia elástica até que o ponto II seja alcançado pela placa e o pino ainda continua na posição A, como pode ser observado na Figura 3.7(b). Neste ponto a força elástica da mola se torna superior à força de atrito estática, consequentemente, ocorre a quebra das ligações na interface e uma queda abrupta do

coeficiente de atrito, prevalecendo o coeficiente de atrito cinemático. A mola libera toda a energia elástica na forma de energia cinética e, por conseguinte, o pino desliza a uma velocidade muito superior que a da placa e rapidamente atinge a posição B com pouco deslocamento da placa, conforme representado na Figura 3.7(c). Neste ponto, a energia cinética cessa e a força da mola volta a ficar menor que a força de atrito, novas ligações são geradas na interface e o pino então se adere à placa novamente, criando condições para que o processo se reinicie.

FIGURA 3.7 - Etapas do fenômeno stick-slip: (a) pino aderido à placa na condição de atrito estático, (b) deslocamento da placa até o limite do atrito estático e (c) condição de atrito cinemático maior que estático e deslocamento do pino.

FONTE - Elaborada pelo autor, 2017

Uma situação análoga ao sistema pino-placa apresentado anteriormente é verificada nas operações de usinagem. Como o stick-slip é um fenômeno que depende do movimento relativo entre os corpos e da variação dos coeficientes de atrito estático e cinemático, ele ocorrerá na zona de escorregamento. Conforme citado anteriormente, a placa se desloca a uma velocidade muito baixa, situação análoga à ferramenta de corte, que possui uma velocidade de avanço bem inferior à velocidade de saída do cavaco. O coeficiente de atrito estático na zona de escorregamento ocorre pela adesão do cavaco na superfície de saída da ferramenta e a

variação das tensões normal e de cisalhamento gera condições de variação do coeficiente de atrito cinemático na zona de escorregamento. Uma provável variação do coeficiente de atrito na zona de escorregamento advém da teoria de crescimento de juntas. De acordo com Shaw (2005), o fenômeno de crescimento de juntas ocorre em regiões onde prevalece o atrito (zona de escorregamento), que é a associação de movimento de deslizamento com ao aumento da área de contato real. Para que um corpo, sujeito a tensões normal e cisalhante simultaneamente mantenha a tensão dentro do regime elástico, a tensão normal terá que reduzir. Contudo, se o carregamento permanece constante, a área aumentará para que as condições iniciais de tensões permaneçam constantes (Hutchings, 1992). O modelo de Coulomb não impõe limites ao aumento do coeficiente de atrito, que é unicamente proporcional à força normal, portanto, não representa uma condição real generalizada. Hutchings (1992) sugere um modelamento de coeficiente de atrito para uma interface fraca em que assume-se uma tensão de cisalhamento τ₁ menor que a tensão de cisalhamento do material de menor resistência e a tensão limite de resistência ao cisalhamento do material (τ₀). Neste caso, o coeficiente de atrito pode ser expresso pela Equação 3.3 e o seu comportamento ocorrerá conforme ilustrado na Figura 3.8.

( ⁄ ) (3.3)

FIGURA 3.8 - Comportamento do atrito em função da razão τ0/ τ1.

FONTE – HUTCHINGS, 1992, p. 32 – figura adaptada 0 0,5 1 1,5 2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Coe ficie n te d e atr ito (µ) τ₁/τ₀

Portanto, quando τ0/ τ1 tende à unidade, o coeficiente de atrito tende para o infinito (condição de aderência). Como Zorev (1966) demonstrou que as tensões normal e cisalhante decrescem exponencialmente na zona de escorregamento, com o valor máximo igual à tensão de cisalhamento do material da peça até alcançar o valor zero, quando o cavaco perde o contato com a ferramenta, o valor de τ1 corresponde a tensão de cisalhamento contido no intervalo entre τ0 e zero (condição de escorregamento).