Nas operações de usinagem que utilizam corte contínuo em materiais dúcteis, como por exemplo, o torneamento de aços baixo carbono, o controle do cavaco (tipo e principalmente forma) pode ser imprescindível para a produtividade da empresa. Esse problema se agrava quando novas gerações de ferramentas mais resistentes ao desgaste permitem o uso de altas velocidades de corte em máquinas CNC, em sistemas produtivos altamente automatizados, com mínima supervisão humana.
A formação do cavaco influencia diversos fatores ligados à usinagem, tais como o desgaste da fer- ramenta, os esforços de corte, o calor gerado na usinagem, a penetração do meio lubrirrefrigerante etc. Assim, estão envolvidos com o processo de formação do cavaco aspectos econômicos e de qualidade da peça, a segurança do operador, a utilização adequada da máquina-ferramenta etc.
Observando os tipos de cavacos formados em usinagem, verifica-se que os mesmos podem apre- sentar aspectos distintos, dependendo das variáveis independentes de entrada.
Pressupondo que as condições de corte na região de cisalhamento podem levar a um grau de de-
formação máxima εo, é possível distinguir os quatro principais tipos do cavaco no diagrama tensão de
cisalhamento (τ) × deformação (ε) conforme mostra a Figura 4.1.
O cavaco contínuo é o mais desejável do ponto de vista de acabamento da peça, durabilidade da ferramenta e energia consumida, pois ele desliza suave e uniformemente sobre a face (superfície de saída) da ferramenta. O material rompe na zona primária de cisalhamento com deformações elevadas
(εo < εP) e permanece homogêneo, com estrutura regular, sem fragmentação. As deformações não le-
vam a encruamentos acentuados. Apesar da forma de fita externa não apresentar nenhuma evidência clara de fratura ou trinca, esses fenômenos ocorrem para que uma nova superfície seja formada. O pro- cesso não é restringido por vibrações. O cavaco é removido com ajuda de quebra-cavacos e sua forma- ção é favorecida pela utilização de: ângulo de saída grande, avanço pequeno (pequena espessura de cavaco), velocidade de corte alta, ferramenta afiada, lubrirrefrigerante eficiente e máquina rígida.
Figura 4.1 – Tipos de cavaco em dependência das propriedades dos materiais
O cavaco lamelar (ou segmentados) ocorre quando a estrutura do material é irregular ou quando vibrações (geradas por grandes avanços e/ou altas velocidades de corte) levam a variações na espessura do cavaco. Apresentam-se constituídos de lamelas (ou segmentos) distintas justapostas em uma dispo- sição contínua. São caracterizados por grandes deformações (εP < εo < εR) continuadas em estreitas ban-
das entre segmentos com pouca ou quase nenhuma deformação nos seus interiores. Trata-se de um processo muito diferente do que se verifica na formação do cavaco contínuo. Podem ocorrer tanto para avanços grandes como para altas velocidades de corte.
No cavaco cisalhado (ou cavaco parcialmente contínuo), a formação é descontínua, pois a força de corte cresce progressivamente com a deformação do material até seu encruamento acentuado, rompimento e fragmentação (εo > εR), quando então a força cai bruscamente e a aresta cortante reinicia
o processo de deformação, repetindo-se o ciclo. A qualidade da superfície usinada passa a ser inferior e há uma tendência de se ter vibrações. Apresenta-se em geral como uma fita contínua, pois os efeitos da pressão e da temperatura caldeiam (soldam por fricção) os fragmentos. O que difere um cavaco cisalha- do de um contínuo (aparentemente), é que somente o primeiro apresenta serrilhado nas bordas. Po- dem ocorrer para velocidades de corte extremamente baixas (1 a 3 m/min).
O cavaco arrancado (descontínuo ou de ruptura) tem a forma de pequenos fragmentos indepen- dentes e distintos, gerados por ruptura (tensões de tração e compressão), já que não são capazes de suportar grandes deformações sem se quebrar. Os cavacos não são cisalhados e sim arrancados da su- perfície com o que a estrutura superficial da peça, muitas vezes é danificada por microlascamentos.
A Figura 4.2 mostra três dos quatro tipos de cavacos obtidos na usinagem de diferentes materiais durante a sua formação: contínuo, lamelar, cisalhado.
Quanto à sua forma, os cavacos podem ter a seguinte classificação: em fita, helicoidais, em espi- ral, em lascas ou pedaços. Entretanto, a norma ISO 3685 (1993) classificou mais detalhadamente a for- ma dos cavacos (Fig. 4.3).
(a) (b) (c)
Figura 4.2 – Tipos de cavaco: (a) contínuo; (b) lamelar; (c) cisalhado
Legenda: 1 Cavaco em fita; 1.1 Longo; 1.2 Curto; 1.3 Emaranhado. 2 Cavaco tubular; 2.1 Longo; 2.2 Curto; 2.3 Emaranhado. 3 Cavaco
espiral; 3.1 Plano; 3.2 Cônico. 4 Cavaco helicoidal tipo arruela; 4.1 Longo; 4.2 Curto; 4.3 Emaranhado. 5 Cavaco helicoidal cônico; 5.1 Longo;
5.2 Curto; 5.3 Emaranhado. 6 Cavaco em arco; 6.1 Conectado; 6.2 Solto; 7 Cavaco fragmentado. 8 Cavaco tipo agulha. Figura 4.3 – Formas de cavacos produzidos na usinagem dos metais (ISO 3685, 1993)
Diversos problemas práticos têm relação com a forma do cavaco produzido na usinagem, já que esta tem implicações nas seguintes áreas:
• Possível dano à ferramenta ou à peça. Um cavaco longo, em forma de fita, pode se enrolar na peça, danificando seu acabamento superficial. Isto é ainda mais sério em operações de corte interno, nas quais o cavaco em fita não tem como sair e acaba danificando bastante o acabamento da superfície usinada da peça. Além do dano à peça, o cavaco em fita pode também prejudicar a ferramenta: em operações de torneamento, por exemplo, quando o cavaco se enrola sobre a peça, ele tenta pene- trar entre a peça e a ferramenta, podendo causar a quebra da ferramenta. Em operações de furação, o cavaco em fita pode entupir o canal helicoidal da broca e causar também a sua quebra.
• Forças de corte, temperatura e vida da ferramenta. Ao se deformar mais o cavaco visando aumen- tar sua capacidade de quebra, pode-se aumentar bastante os esforços de corte, com conseqüente aumento da temperatura e diminuição da vida da ferramenta.
• Manipulação e armazenagem do cavaco. Um cavaco longo, em forma de fita, é muito mais difícil de manusear e requer um volume muito maior para ser armazenado que um cavaco curto com o mes- mo peso. Além disso, é necessário que o operador pare a máquina periodicamente para remover o cavaco amontoado. Isto representa um desperdício de tempo.
• Segurança do operador. Um cavaco longo, em forma de fita, pode atingir o operador e machucá-lo com gravidade.
4.1.1 Influência do material da peça
O material da peça é o que mais influencia a forma e o tipo dos cavacos.
Cavacos contínuos, lamelares e cisalhados podem ser produzidos em qualquer das formas mos- tradas na Figura 4.3, dependendo dos parâmetros de corte e do uso de quebra-cavacos. A obtenção destes depende muito da ductilidade (ou fragilidade) do material da peça e dos parâmetros de corte.
Os cavacos contínuos são gerados na usinagem de materiais dúcteis como os aços de baixo car- bono, alumínio e cobre. Os cavacos cisalhados são concebidos na usinagem de aços-carbono ligados ou não. Os cavacos lamelares são formados na usinagem de ligas de alta resistência térmica e mecânica (e.g. titânio, Inconel 718, AISI 4320). Já os cavacos do tipo arrancado só podem ser classificados quanto às formas de lascas, ou em pedaços, formados na usinagem de materiais frágeis como ferro fundido, bronze duro e latão.
Resumindo, materiais frágeis tendem a formar cavacos na forma de pequenas partículas (descon- tínuos). Por outro lado, materiais dúcteis tendem a formar cavacos longos e contínuos que são perigo- sos e difíceis de manusear. Por isso, muito se tem feito no sentido de aumentar a capacidade de quebra do cavaco em materiais dúcteis.
4.1.2 Influência da geometria da ferramenta
Em princípio, o ângulo de saída (γ) deve ser o maior possível, pois isto determina uma retirada mais fácil do cavaco. Entretanto, um aumento de γ diminui a resistência da ferramenta e aumenta sua sensibilidade aos choques. Em geral, um aumento no ângulo de saída (γ) tende a mudar as formas do cavaco da direita para a esquerda (Fig. 4.3), isto é, produzir cavacos em fitas (ou contínuos).
Um ângulo de inclinação (λ) positivo com ângulo de posição χr = 90o faz com que o cavaco flua no
sentido de se afastar da superfície usinada, enquanto que com um ângulo λ (−), o cavaco flui na direção da superfície usinada. Com um ângulo λ = 0, o cavaco flui em sentido aproximadamente paralelo à su- perfície usinada. Um ângulo λ positivo ou negativo gera cavacos sob forma helicoidal e contínua, en- quanto que um λ neutro gera cavacos sob forma espiralada e contínua, situação em que um grande volume pode ocasionar acidentes.
A curva de concordância reduz a espessura do cavaco na quina. Se o raio da curva (rε) é pequeno,
apenas a espessura da parte final do cavaco é reduzida. Se rε é grande, a redução da espessura é gradu-
al, diminuindo a pressão específica de corte e a quantidade de calor gerado na quina da ferramenta.
4.1.3 Influência dos parâmetros de corte
Em geral, um aumento na velocidade de corte (vc) ou uma redução no avanço (f) tendem a mudar
a forma do cavaco de fragmentado para contínuo (da direita para a esquerda na Fig. 4.3). A Figura 4.4 mostra como as formas de cavaco são afetadas pelo avanço e pela profundidade de corte.
Figura 4.4 – Efeito do avanço e da profundidade de corte na forma dos cavacos
O avanço f é o parâmetro mais influente, seguido da profundidade de corte ap, a afetar a forma
do cavaco. A espessura (h) e a largura (b) do cavaco são modificadas em função de f, de ap e do ângulo
de posição (χr) da ferramenta conforme equação (4.1) que será devidamente detalhada na Seção 5.2.2.
χ = p =
r
a h
sen
b f (4.1)
Pode-se observar que, para um mesmo f e uma mesma ap, uma diminuição do ângulo χr propicia
uma diminuição da espessura (h) do cavaco e um aumento da largura (b). De maneira geral, quanto menor for esta espessura, mais flexível é o cavaco e, portanto, maior será a dificuldade de quebra. Isso pode inclusive prejudicar o acabamento usinado.
As formas de cavacos longos é que causam os maiores transtornos quanto à segurança de produ- tividade, exigindo, portanto, mais cuidado e especial atenção ao seu controle. Apesar de os parâmetros de corte serem escolhidos na maioria das vezes para evitar ou reduzir a formação de cavacos contínuos, o método mais efetivo para produzir cavacos curtos é a utilização de quebra-cavacos postiços ou inte- grais (anteparo ou cratera). Os quebra-cavacos modificam a superfície de saída das ferramentas, cau- sando uma curvatura mais acentuada nos cavacos e levando-os à quebra por flexão.
Existem diversas geometrias de pastilhas intercambiáveis, com quebra-cavacos moldados na su- perfície de saída, destinadas a quebrar o cavaco em uma determinada faixa de condições de usinagem,
principalmente f e ap. (Fig. 4.5). Pode-se dizer então que uma ferramenta projetada para quebrar o ca-
vaco em operações de desbaste médio (f e ap médios) não quebra o cavaco se for utilizada em opera-
Figura 4.5 – Região de usinagem f × ap adequada para cada tipo de quebra-cavacos