O corte da madeira é um processo usado desde a revolução do neolítico, 9500 anos antes de Cristo. Nessa altura eram usadas ferramentas em pedra no sentido de preparar a madeira para aquecimento, fabrico de utensílios para caça e até para a construção de pequenas estruturas de abrigo 5.
As ferramentas de preparação de madeira foram evoluindo cada vez mais com a chegada da idade do bronze e do ferro. Nesta altura, o uso da serra de corte, essencialmente, ganhou uma grande relevância, sendo utilizada vulgarmente na construção civil. Agora, num mundo desenvolvido, todos os métodos utilizados na antiguidade, continuam a ser usados em grande escala na indústria madeireira5. No entanto, vários processos de maquinagem de madeira têm sido alvo constante de estudo, com o objetivo de otimizar os métodos inerentes ao processo. O corte ortogonal (Figura 2.6) é um processo simplificado de corte, mas que é usado frequentemente para se entender os processos de maquinagem mais simples até aos mais complexos.
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Figura 2.6-Ilustração do corte ortogonal na madeira.
A plaina (Figura 2.7) é um dos utensílios mais utilizados na carpintaria sendo que o seu princípio de funcionamento aproxima-se do processo de corte ortogonal.
Figura 2.7-Exemplo de uma plaina utilizada em carpintaria.
O funcionamento da plaina consiste na utilização de uma lâmina, com um certo avanço relativamente à restante estrutura inferior da ferramenta, que através do impulso do utilizador vai removendo camadas de material. O material removido sai sobre a forma de apara (cavacos) que pode ser um dos elementos mais importantes para a caracterização do processo de corte 15. Na plaina, uma das principais variáveis é a velocidade de corte proveniente do impulso dado pelo utilizador. Contrariamente ao idealizado inicialmente, a velocidade de corte não tem
grande influência nas forças de corte. O seu principal efeito direciona-se para o acabamento da peça final 15.
Na principal literatura, sugere-se que para bons acabamentos se garanta velocidades de corte entre os 0.2 m/s e os 6.3 m/s, na direção paralela ao fio, e entre 2.5 m/s e os 50 m/s quando efetuado o corte na perpendicular ao fio da madeira 16,17.
Relativamente à direção do corte, esta apresenta-se como sendo um dos parâmetros mais influentes no sucesso da maquinagem. As forças menores de corte resultam do corte segundo o sistema RT, enquanto as maiores encontram-se no sistema LT 17.
Kivima17, em 1950, foi pioneiro na investigação destes fenómenos de maquinagem na madeira. Começou por analisar os efeitos que a geometria e outros parâmetros da ferramenta tinham na maquinagem. Baseado na análise experimental concluiu que a primeira carga, aquela que dá início à fratura do provete, é inversamente proporcional à amolação (afiação) da lâmina. Lâminas afiadas dão origem a forças de corte menores, como previsível. Percebeu também que o ângulo de ataque da lâmina tem também um papel determinante no processo. Ângulos de ataque elevados resultam em aparas com maior espessura e consequentemente forças menores. Isto deve-se ao facto de as forças de compressão a atuar sobre a apara serem praticamente nulas, o que não acontece para ângulos de ataque inferiores.
Em 2009, Goli et al, desenvolveram mais ensaios experimentais de corte para as diferentes orientações da madeira validando os resultados experimentais obtidos anteriormente por Kivima 17,18.
Méausoone e Eyma et al estudaram a influência de algumas características anatómicas da madeira no respetivo corte. Concluíram que características associadas às propriedades intrínsecas da madeira, teores de humidade e fatores inerentes ao processo de maquinagem, apresentam as causas mais influentes no sucesso da transformação da mesma. Acrescentaram ainda ao seu trabalho uma análise da superfície de acabamento pós maquinagem. No sentido de levar a cabo os objetivos propostos usaram diferentes aparelhos capazes de medir rugosidades de superfícies. Perceberam nesta análise que o corte ao longo do fio proporciona um acabamento melhor do que o corte perpendicular ao mesmo. No entanto, os ângulos de ataque e a profundidade do corte também têm grande influência no acabamento da madeira 17,19.
Em 2003, Axelsson, realizou trabalho experimental importante na área. Estudou 21 provetes de madeira avaliando entre outros parâmetros, a afiação da lâmina, o seu ângulo de
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ataque e a densidade do provete. Concluiu que o aumento da densidade dos provetes é o fator mais influente no acréscimo das forças de corte. Para além do trabalho experimental, criou com sucesso, um modelo analítico capaz de prever as forças de corte na maquinagem de madeira 17. Franz, Woodson e Koch, comprovaram, à semelhança de Axelsson, que quanto maior for o ângulo de ataque, menor serão forças de corte 20,17. Verificaram ainda que quando o corte é feito perpendicularmente ao fio, há um arrancamento de material, proporcionando um corte defeituoso. Este efeito de arrancamento justifica-se com as forças laterais que tomam valores maiores do que o normal. As forças laterais tendem a aumentar quando as lâminas de corte estão desgastadas ou danificadas 17. Antes de analisar a influência de todos os parâmetros de maquinagem é necessário garantir que a lâmina possui os requisitos necessários para o corte. Desgastes nas lâminas proporcionam o arrancamento de material e acabamentos desajustados.
Um estudo detalhado de Bier e Hanicke em 1963 descreve este fenómeno de desgaste e a influência que este tem no corte da madeira 17,20. Dividiram o desgaste da ferramenta em
três estágios e compararam a influência desse desgaste no corte. O primeiro estágio é quando se dá a iniciação do desgaste na ferramenta. Nesta fase há um acréscimo exponencial nas forças de corte. A segunda fase é quando a ferramenta se encontra já na fase intermédia do desgaste. O raio de gume começa a aumentar provocando um aumento linear nas forças de corte. Por último, quando o gume atinge um raio crítico, a lâmina entra em colapso. Como é previsível, nesta fase as forças de corte tornam a crescer de forma exponencial 17,20.
Ekevad e Marklund, em 2011, analisaram a influência do raio de gume nas forças produzidas lateralmente. Percebeu-se que lâminas bem afiadas produzem forças laterais insignificantes independentemente do sistema de propagação. As forças laterais começam a ganhar preponderância quando a lâmina começa a ficar danificada 21.
A apara é uma das principais características inerentes ao processo de corte da madeira. Esta pode ter um papel fundamental na caracterização dos fenómenos de maquinagem. Por esse motivo, vários estudos apontam para a sua caracterização procurando indiretamente otimizar os processos referentes à transformação da madeira.
Ernst, Merchant e, em conjunto, Lee e Shaffer, investigaram a formação da apara no processo de maquinagem em metais. Conseguiram estabelecer relações entre as condições de corte e a deformação da apara. Estas relações são bem-sucedidas quando analisadas para materiais isotrópicos, no entanto, para materiais anisotrópicos, como a madeira, estas relações
não têm o sucesso pretendido pelo facto da formação da apara variar consoante a direção da maquinagem 17.
Woodson e Koch complementaram o trabalho de McKenzie (1951) e Franz (1955), analisando a formação da apara proveniente do corte ortogonal em madeira. Estes autores testaram o corte de madeira com a metodologia apresentada neste trabalho. Fixaram o provete a ser testado numa mesa, sendo que depois passava uma lâmina eliminando uma determinada camada de madeira, formando assim uma apara. Concluíram que dependendo do corte, este daria origem a três tipos de aparas distintas 17,22:
- As aparas do tipo 1, originárias da maquinagem com elevado ângulo de ataque. Estas aparas dividem-se à frente da ferramenta por entrar em colapso devido à flexão17,22;
- Relativamente às aparas de tipo 2, os autores classificaram esta como sendo originária de lâminas muito afiadas. Apresentam um excelente acabamento devido à formação contínua da apara17,22;
- Por último, as aparas do tipo 3 caracterizam-se por serem irregulares e darem origem a superfícies rugosas e consequentemente a maus acabamentos. Isto deve-se fundamentalmente à utilização de ferramentas com algum desgaste e a ângulos de ataque relativamente baixos, ou até negativos.
A Figura 2.8 ilustra os diferentes tipos de aparas 17,22.
Figura 2.8-Vários tipos de aparas16.
Woodson e Koch, mais tarde, em 1970, voltaram a analisar o tipo de aparas analisando a influência dos teores de humidade na formação das mesmas17,22. Perceberam que o aumento do teor de humidade faz com que haja um acréscimo no tamanho das aparas e um decréscimo nas forças de corte17,22. Concluindo, percebe-se que a maquinagem depende de vários fatores. Uma lâmina com raios de gume reduzidos e em bom estado é a primeira coisa a salvaguardar. De seguida e não menos importante, é necessário fazer uma escolha criteriosa da espessura de
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corte, do angulo de ataque, da direção da madeira e de todos os restantes parâmetros abordados neste capítulo.