1.1 Tipos de movimentos 1.2 Grandezas de corte 1.3 Grandezas da apara 1.4 Superfícies maquinadas
1. MOVIMENTOS E RELAÇÕES GEOMÉTRICAS NA MAQUINAGEM
Na análise racional de qualquer processo de maquinagem é indispensável o estabelecimento de conceitos básicos sobre os movimentos e as relações geométricas. Estes conceitos devem ser utilizados por todos os que se dedicam quer à tecnologia da maquinagem, quer ao projecto e fabrico de ferramentas de corte e máquinas-ferramenta. Assim, torna-se necessário a sua uniformização, o que tem sido feito pelas principais associações de normas técnicas (DIN 6580-1963 e ISO 3002/I-1977).
Os conceitos que se apresentam de seguida são aplicáveis a quase todos os processos de maquinagem. A sua universalidade permite reduzir ao mínimo a quantidade de conceitos necessários à prática. Estes referem-se sempre a um ponto genérico da aresta de corte designado por ponto de referência.
1.1 Tipos de movimentos
Existem duas espécies de movimentos, os que provocam a formação da apara e os que não intervêm directamente na formação da apara.
No que respeita aos movimentos que provocam a formação da apara (principais) podemos distinguir os seguintes:
› o movimento de corte, que é o movimento entre a peça e a ferramenta que origina somente uma única remoção de apara durante uma rotação ou curso, mas que por si só não permite que novas porções de material a remover sejam retiradas.
› o movimento de avanço, que é o movimento entre a peça e a ferramenta e que proporciona, juntamente com o movimento de corte, um levantamento repetido ou contínuo da apara.
› o movimento efectivo de corte, que é o movimento resultante da composição dos dois movimentos anteriores.
A Fig. 1.1 ilustra os movimentos (principais) para os processos de arranque de apara, o torneamento, a furação, a fresagem e a rectificação.
Fig.1.1 Movimentos que promovem a formação da apara (principais).
Relativamente aos movimentos que não tomam parte na formação da apara (auxiliares) podemos distinguir os seguintes:
› o movimento de penetramento (profundidade de corte), que é o movimento entre a peça e a ferramenta e que determina a espessura da camada de material a ser retirada.
› o movimento de posicionamento que é o movimento entre a peça e a ferramenta, com o qual a ferramenta, antes da operação de maquinagem é aproximada da peça.
Podemos ainda referir o movimento de ajuste como sendo o movimento de compensação do desgaste. Porém, ele confunde-se geralmente com os dois movimentos anteriores.
Aos movimentos que promovem a formação da apara correspondem as respectivas direcções, percursos e velocidades.
A direcção do corte é a direcção instantânea do movimento de corte. Definições idênticas são válidas para os conceitos de direcção de avanço e direcção efectiva de corte.
O percurso de corte é o espaço percorrido sobre a peça pelo ponto de referência da aresta de corte segundo a direcção de corte, Fig. 1.2. Para o percurso de avanço e percurso efectivo de corte são válidas definições semelhantes.
A velocidade de corte (Vc) é a velocidade instantânea do ponto de referência da aresta de corte, segundo a direcção e sentido de corte. A velocidade de avanço (Va) e a velocidade efectiva de corte (Vec) têm definições análogas.
Fig.1.2 Fresagem tangencial (a empurrar) com fresa cilíndrica. 1 - dente 1 de fresa
2 - dente 2 de fresa Lc - percurso de corte La - percurso de avanço Lec - percurso efectivo de corte
Ao plano definido pela direcção e corte e pela direcção de avanço chama-se plano de trabalho. Designa-se por ângulo da direcção de avanço (ϕ) o ângulo entre a direcção de avanço e a direcção de corte e por ângulo da direcção efectiva de corte (η) o ângulo entre a direcção efectiva de corte e a direcção de corte, Fig. 1.3.
Pode relacionar-se, η, com Va e Vc e ϕ através de uma relação trigométrica. Atendendo à Fig. 1.3 vem:
Fig.1.3 Diagrama de velocidades.
(1.1.1) substituindo
(1.1.2)
e resolvendo em ordem a η, temos:
(1.1.3)
Geralmente, a relação Vc/Va é muito elevada, o que torna o ângulo da direcção efectiva de corte η desprezável na prática industrial. Por exemplo, na maioria das operações de torneamento pode tomar-se η = 0°.
1.2 Grandezas de corte
As grandezas de corte são grandezas que devem ser ajustadas na máquina-ferramenta directa ou indirectamente para o arranque da apara.
O avanço (a) mede o deslocamento relativo, na direcção de avanço, da ferramenta de corte e da peça para um curso elementar de trabalho ou para uma rotação. Um curso elementar de trabalho em máquinas de movimento de corte alternativo e uma
rotação em máquinas de movimento de corte (da ferramenta ou da peça) rotativo, Fig. 1.4 a) e b).
O avanço por minuto utiliza-se em qualquer máquina e é importante na determinação do tempo de corte.
Em ferramentas de aresta múltipla emprega-se o avanço por dente ou aresta de corte (ad) que é o percurso de cada dente, medido na direcção do avanço da ferramenta e corresponde à geração de superfícies de corte consecutivas. Temos então, Fig. 1.4 d) e e).
a = ad z (1.2.1)
Sendo z o número de dentes ou arestas de corte.
O penetramento (p) corresponde à espessura da camada de material retirada. Mede-se perpendicularmente às direcções de avanço e de corte. No caso de trabalho com ferramentas rotativas de arestas multiplas, por exemplo, a fresagem, a rectificação, a furação, podemos distinguir o penetramento radial (pr) e o penetramento axial (pa).
O penetramento radial (pr) é medido perpendicularmente ao eixo de rotação da ferramenta. Quando a direcção do movimento de avanço é perpendicular ao eixo de rotação da ferramenta (caso mais comum da fresagem) o pr será medido sobre o diâmetro da ferramenta, ou seja neste caso pr pode no máximo ser igual ao diâmetro da ferramenta, Fig. 1.4 a). Quando a direcção do movimento de avanço é paralela ao eixo de rotação da ferramenta (caso da furação) o penetramento radial é medido sobre o raio. Neste caso, pr pode no máximo ser igual ao valor do raio, Fig. 1.4 c).
O penetramento axial (pa) é medido paralelamente ao eixo de rotação da ferramenta, Fig. 1.4 e).
Em qualquer dos casos os valores de pr e pa são substituíveis por uma componente do movimento de avanço com a mesma direcção, caso exista.
A largura de corte (c) substitui o penetramento ou uma das componentes do penetramento, no caso de trabalho com ferramentas de forma.
Quando os valores de pr e pa forem muito diferentes, pode designar-se por penetramento o valor menor, chamando-se ao outro largura de corte.
1.3 Grandezas da apara
A caracterização dimensional da apara é importante, não pela apara em si, que como tal não tem utilidade industrial, mas sim como elemento definidor de uma
qualquer operação de maquinagem. Interessa que essa caracterização seja o mais universal possível, ou seja, aplicável a qualquer operação em qualquer máquina-ferramenta.
Fig.1.4 Grandezas de corte.
A caracterização dimensional da apara pode ser feita com base nas grandezas de corte ou nas grandezas relativas à própria apara. Estas são derivadas das primeiras e obtidas através de cálculo, diferem das obtidas através da medição da apara, devido à deformação plástica em compressão que acompanha a sua formação.
A espessura da apara (e) é medida perpendicularmente à direcção de corte instantânea e à superfície de corte, Fig. 1.5.
e = a sen χ (torneamento, aplainamento) (1.3.1)
e = sen χ (furação) (1.3.2)
A largura da apara (l) é dada pelo comprimento da aresta em trabalho, medida no plano perpendicular à direcção do movimento de corte, Fig. 1.5.
(torneamento, aplainamento) (1.3.4)
(furação) (1.3.5)
l = pa (fresagem) (1.3.6)
Fig.1.5 Grandezas da apara.
A secção da apara (S) é calculada num plano ortogonal à direcção do movimento de corte, Fig. 1.5.
S = a p = e l (torneamento, aplainamento) (1.3.7) No caso de trabalho com ferramentas de forma, S = a c.
(furação) (1.3.8)
Na fresagem, as aparas arrancadas por cada aresta de corte de uma fresa são de espessura variável, podendo essa variação ir de zero ao avanço por dente (ad) para
uma mesma apara. A secção da apara é, pois, em cada instante igual ao produto da espessura pela largura da apara.
S = e l = pa ad sen ϕ (1.3.9)
1.4 Superfícies maquinadas
As superfícies de corte são superfícies geradas na peça pela ferramenta. As que permanecem na peça constituem as superfícies maquinadas. A superfície principal de corte é a superfície gerada pela aresta principal de corte da ferramenta. A superfície gerada pela aresta secundária (lateral) de corte da ferramenta designa-se por superfície secundária (lateral) de corte. A Fig. 1.6 ilustra o anteriormente referido para o caso do torneamento longitudinal.
Fig.1.6 Superfícies de corte no torneamento longitudinal.
BIBLIOGRAFIA
› BESNARD R., “Utilisation rationelle des outils coupants”, Edité por Société des Publications Mécaniques, Paris, (Ed. 1960).
› ROSSI M., “Máquinas-herramientas modernas”, Editorial Científica-Médica, Barcelona, (Ed. 1960).
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› GERLING H., “À Volta da máquina-ferramenta”, Torrens (Libreiros-Distribuidores), Lisboa (1967).
› BOOTHROY D.G., “Fundamentals of metal machining and machine tools”, McGraw-Hill, Tokyo, (1975).
› “Geometrie de la partie active des outils coupants - Partie I: Notions générales, systèmes de référence, angles de l’outil et angles en travail”, ISO 3002/I-1977(F), (1977).
› FERRARESI, D., “Fundamentos da usinagem dos metais”, Editora Edgard Blücher, São Paulo, (Ed. 1977).
› SHAW, M.C., “Metal cutting principles”, Oxford University press, London (Ed. 1984).
› BEDRIN C., ROUMESY B., “Usinage por outil coupant - Fascicule 1”, Technologie de Fabrication, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA), (1989).
2.1 Elementos funcionais das ferramentas
2.1.1 Elementos funcionais de posicionamento 2.1.2 Planos de referência
2.1.3 Elementos funcionais de forma 2.1.4 Elementos funcionais de corte
2.1.5 Avaliação dos elementos funcionais de corte
2.2 Nomenclatura dos diversos ângulos característicos de uma ferramenta de corte segundo diversas fontes
2. NOMENCLATURA E GEOMETRIA DAS FERRAMENTAS DE CORTE
As primeiras normas sobre nomenclatura e caracterização geométrica das ferramentas de corte foram estabelecidas para ferramentas de barra, com aresta rectilínea de corte ou seja a chamada ferramenta de base. O desenvolvimento das máquinas-ferramenta e dos processos de maquinagem obrigou à introdução progressiva de diversas normas (DIN 6581-1966 e ISO 3002/I-1977). Contudo, sempre existiu a preocupação destas serem aplicáveis a todos os processos de maquinagem. Os conceitos tradicionais foram considerados na medida do possível quando apresentavam uma dependência geométrica lógica.
Como se sabe certas ferramentas de corte, por razões tecnológicas, apresentam múltiplas arestas de corte (por exemplo, brocas, mandris, fresas) mas cada uma dessas arestas pode ser associada a uma ferramenta de base sendo a sua caracterização geométrica feita como se de tal se tratasse.
2.1 Elementos funcionais das ferramentas
Uma ferramenta de corte é constituída por duas zonas perfeitamente, diferenciadas: o corpo e a parte activa. A qualidade do trabalho realizado e a economia da operação dependem em grande parte da natureza da ferramenta de corte, da geometria da sua parte activa, da sua posição relativamente à superfície a maquinar e das condições de corte.
A caracterização geométrica das ferramentas de corte pode ser efectuada através dos seus elementos funcionais. Podemos distinguir os elementos funcionais de posicionamento, os elementos funcionais de forma e os elementos funcionais de corte. Os primeiros dizem respeito ao corpo e os restantes à parte activa da ferramenta.
2.1.1 Elementos funcionais de posicionamento
ferramenta idêntica em cada uma das sucessivas montagens da mesma sobre a máquina-ferramenta. Podemos distinguir o plano de base e a direcção do corpo da ferramenta de corte. O plano de base é a superfície pela qual deve ser executado o assentamento da ferramenta de corte na máquina. Deve ser geometricamente correcto e, portanto, maquinado. A direcção do corpo da ferramenta de corte é materializada por uma recta paralela ao plano de base contido numa face perpendicular a esse plano. Igualmente, esta face também deve ser maquinada.
Relativamente à parte activa da ferramenta de corte podemos salientar as seguintes designações fundamentais: a face de ataque, a face da saída principal, a face de saída secundária, a aresta de corte principal, a aresta de corte secundária e a ponta ou bico, Fig. 2.1.
A face de ataque é a superfície sobre a qual se forma e desliza a apara. As faces de saída são as superfícies da cunha cortante que se encontram frente a frente com as superfícies de corte. A aresta de corte principal, resulta da intersecção da face de ataque e da face de saída principal. A aresta de corte secundária, resulta da intersecção da face de ataque e da face de saída secundária. A ponta da ferramenta (bico) corresponde à zona da parte activa na qual se intersectam as arestas de corte principal e secundária. Pode ser arrendondada ou chanfrada.
Fig.2.1 Designações fundamentais da parte activa da ferramenta de corte. 2.1.2 Planos de referência
Para além dos elementos funcionais de posicionamento, definem-se nas ferramentas, planos sem realidade material (planos imaginários) com a finalidade
de servirem de referência na caracterização dos elementos funcionais de forma e de corte. Os planos em causa podem ser associados a dois referenciais bem distintos, a ferramenta em mão e a ferramenta em trabalho.
Quando consideramos a ferramenta em mão, a geometria da sua parte activa fica ligada à direcção de avanço suposta e aos elementos funcionais de posicionamento. Os ângulos da ferramenta em mão são obtidos por medida directa da ferramenta, através de instrumentos de medição. São invariáveis com a mudança de posição da ferramenta e independentes das condições cinemáticas de corte. O conhecimeto da geometria da ferramenta em mão, é necessário para a sua execução afiamento e metrologia.
Quando consideramos a ferramenta em trabalho a geometria da sua parte activa, depende das condições cinemáticas de corte e da posição de montagem da ferramenta na máquina. O conhecimento da geometria da ferramenta em trabalho é importante, já que é precisamente nas condições de trabalho que a parte activa da ferramenta deve apresentar geometria óptima.
Em qualquer dos dois referenciais apresentados a geometria da parte activa da ferramenta é definida com base em três planos, o plano de referência, o plano da aresta e o plano de trabalho.
2.1.2.1 Planos de referência da ferramenta em mão
O plano de referência (Pr) é um plano paralelo ao plano de base da ferramenta e que passa pelo ponto de referência (ponto genérico da aresta de corte).
O plano de aresta (Ps) é um plano tangente à aresta no ponto de referência e perpendicular ao plano de referência da ferramenta.
O plano de trabalho convencional (Pf) é um plano que é perpendicular ao plano de referência da ferramenta, passando pelo ponto de referência, e é paralelo à direcção do movimento de avanço suposto. A direcção de avanço deve ser paralela ou perpendicular à direcção do corpo da ferramenta, o mesmo acontecendo, portanto, ao plano de trabalho convencional.
A Fig. 2.2, ilustra os conceitos anteriormente referidos, relativos aos planos de referência da ferramenta em mão.
2.1.2.2 Planos de referência da ferramenta em trabalho (efectivos)
O plano de referência efectivo (Pre) é um plano perpendicular à direcção de corte efectiva, passando pelo ponto de referência.
O plano de aresta efectivo (Pse) é uma plano tangente à aresta de referência e perpendicular ao plano de referência em trabalho. Este plano contém a direcção efectiva de corte.
Fig.2.2 Planos de referência da ferramenta em mão.
O plano de trabalho efectivo (Pfe) é um plano que contém a direcção de corte e a direcção de avanço passando pelo ponto de referência. Este plano é perpendicular ao plano de referência efectivo.
A Fig. 2.3 ilustra os conceitos anteriormente referidos, relativos aos planos de referência da ferramenta em trabalho (efectivos).
2.1.3 Elementos funcionais de forma
Os elementos funcionais de forma determinam o traço da ferramenta na superfície da peça a maquinar. Podemos distinguir a direcção da aresta, a forma da aresta e a orientação da ferramenta de corte.
A direcção da aresta pode ser definida através do ângulo de orientação da aresta (ψ) e do ângulo de posição da aresta (χ), Fig. 2.4. O ângulo de orientação da aresta (ψ) é o ângulo medido no plano de referência (Pr ou Pre) entre o plano de aresta (Ps ou Pse) e a direcção do corpo da ferramenta. O ângulo de posição da aresta (χ) é o ângulo medido no plano de referência (Pr ou Pre) entre o plano de aresta (Ps ou Pse) e o plano de trabalho (Pf ou Pfe).
Fig.2.4 Ângulos de orientação (ψ) e posição (χ) da aresta.
Note-se que estes dois ângulos, ψ e χ, não estão ligados por nenhuma relação geométrica absoluta já que a direcção de avanço não é um elemento material da ferramenta. O conhecimento do ângulo de orientação da aresta é necessário para definir a posição angular do plano de aresta sendo, portanto, importante nas operações de fabrico, afiamento e metrologia da ferramenta. O conhecimento do ângulo de posição da aresta é necessário para definir a posição do plano de trabalho, nomeadamente quando da montagem na máquina da ferramenta. É também muito importante na transposição de ângulos avaliados segundo um determinado plano de medida, para um outro plano de medida.
A aresta de uma ferramenta pode apresentar duas formas básicas, a aresta rectilínia, quando o perimetro da aresta é definido por um ou mais segmentos de recta e a aresta curvilínea, quando o perimetro da aresta é definido por um ou mais segmentos de círculo, Fig. 2.5. Na prática, a grande maioria das ferramentas apresentam aresta cuja forma é mista das duas formas base apresentadas.
O caso geral é o das ferramentas cuja aresta de corte é rectilínea exceptuando a zona da ponta, na qual surge um segmento de círculo a que corresponde o arredondamento da ponta da ferramenta. Quando o raio de ponta é pequeno relativamente ao comprimento da aresta, é lógico incluir a ferramenta no grupo das ferramentas com aresta de corte rectilínea. As ferramentas com aresta absolutamente rectilínea na zona da ponta não têm aplicação na prática industrial. Após os primeiros instantes de corte verificar-se-ia o boleamento da ponta devido ao desgaste.
Fig.2.5 Formas da aresta de corte.
Para um mesmo tipo de ferramenta e um mesmo valor do ângulo de orientação da aresta (ψ) existem para a ferramenta duas formas possíveis, simétricas, relativamente à direcção do corpo da ferramenta: a esquerda e a direita. A ferramenta é esquerda, quando voltamos a face de ataque para o observador e, colocando o corpo da ferramenta para cima, a aresta de corte principal da ferramenta fica à sua esquerda. A ferramenta é direita quando, nas condições anteriores, a aresta principal de corte fica à direita do observador. Existe um caso particular que é o das ferramentas cuja aresta principal de corte é perpendicular à direcção de corpo da ferramenta e é centrada relativamente ao seu corpo; neste caso, a ferramenta toma a designação de neutra.
2.1.4 Elementos funcionais do corte
Os elementos funcionais de corte influenciam entre outros aspectos o acabamento superficial da peça a maquinar e a vida da ferramenta de corte. Podemos distinguir: o ângulo de ataque, o ângulo de saída, o ângulo de gume e o ângulo de inclinação da aresta.
O ângulo de ataque (γ) é o ângulo que a face de ataque faz com o plano de referência (Pr ou Prs), pode ser positivo ou negativo.
O ângulo de saída (α), é o ângulo que a face de saída faz com o plano de aresta (Ps ou Pse); é sempre positivo.
O ângulo de gume (β) é o ângulo que fazem entre si as faces de ataque e de saída; é sempre positivo.
Entre estes três ângulos verificar-se-á sempre a seguinte relação:
α + β + γ = 90° (2.1.4.1)
A Fig. 2.7 ilustra os conceitos anteriormente referidos.
Fig.2.7 Ângulos de ataque (γ), de saída (α) de gume (β) segundo um determinado plano de medida.
Quando a aresta de corte não é paralela ao plano de base, a sua direcção definida pelo ângulo de orientação da aresta não é suficiente para a situar. É necessário um outro elemento para definir correctamente a posição da aresta, o ângulo de inclinação da aresta (λ). Este ângulo é o ângulo medido no plano da aresta (Ps ou Pse) entre a aresta e o plano de referência (Pr ou Pre) podendo ser positivo ou negativo, Fig. 2.8.
Fig.2.8 Ângulos de inclinação da aresta (λ). a) Positivo
b) Negativo
2.1.5 Avaliação dos elementos funcionais de corte
A avaliação dos ângulos da cunha cortante, ângulo de ataque (γ), o ângulo de saída (α) e ângulo de gume (β), pode ser feita recorrendo a diferentes planos de medição. Cada um desses planos dá origem a um determinado sistema de avaliação.
No sistema de ângulos ortogonais, Fig. 2.9 a), o plano de medida é perpendicular ao plano de referência (Pr) e ao plano de aresta (Ps) passando pelo ponto de referência. Os ângulos avaliados segundo este sistema tomam a seguinte designação:
αo - Ângulo de saída ortogonal βo - Ângulo de gume ortogonal γo - Ângulo de ataque ortogonal
No sistema de ângulos normais, Fig. 2.9 b), o plano de medida é perpendicular à aresta, passando pelo ponto de referência. Os ângulos avaliados segundo este sistema tomam esta designação:
αn - Ângulo de saída normal βn - Ângulo de gume normal γn - Ângulo de ataque normal
Os valores práticos dos ângulos de saída e de ataque dados em tabelas são avaliados ou no sistema dos ângulos ortogonais ou no sistema dos ângulos normais.
Fig.2.9 Sistema de ângulos a) Ortogonais
b) Normais
A metrologia das ferramentas é feita também segundo um destes sistemas. O conhecimento dos ângulos de saída e de ataque avaliados segundo um dos sistemas já apresentados não permite (no caso de λ 0) a colocação directa e fácil da ferramenta de corte em posição de afiamento. Para tal, é necessário considerar a direcção da recta de maior declive das duas faces em causa, justificando-se, assim, o sistema dos ângulos directos de afiamento.
Neste caso, são considerados dois planos de medida, perpendiculares ao plano de referência, e passando pelo ponto de referência, contendo um deles a recta de maior declive da face de ataque e o outro, a recta de maior declive da face de saída. Esses planos são perpendiculares ao traço (de intersecção) da face de ataque, (segmento A’ H’, Fig. 2.10) e da face de saída (segmento B’ h’, Fig. 2.10) no plano de referência.
A direcção desses planos é dada pelo ângulo de referência da face de ataque (ϕc) que é o ângulo formado pelos traços da face de ataque (A’ H’), do plano de aresta no plano de referência e pelo ângulo de referência da face de saída (ϕa). Este é o ângulo formado pelos traços da face de saída (B’h’) e do plano de aresta no plano de referência. Os ângulos avaliados segundo este sistema tomam a designação que se segue:
αa - Ângulo de saída directo de afiamento γc - Ângulo de ataque directo de afiamento
Fig.2.10 Ângulos característicos de uma ferramenta com aresta de corte rectilínea. Geralmente, a velocidade de avanço é desprezável relativamente à velocidade de corte, de modo que não se justifica tomar em consideração o desvio ângular entre a velocidade de corte e a velocidade efectiva de corte. Neste caso, podemos considerar os ângulos da ferramenta em mão como sendo iguais aos correspondentes ângulos em trabalho (efectivos).
Quando a velocidade de avanço é significativa relativamente à velocidade de corte (por exemplo, na roscagem) é necessário considerar o desvio ângular entre a velocidade de corte e a velocidade efectiva de corte já que, neste caso, a diferença entre os ângulos da ferramenta em mão e os correspondentes ângulos em trabalho (efectivos) pode ser importante. É necessário alterar os ângulos da ferramenta em mão.
Uma outra situação em que se justifica a modificação dos ângulos da ferramenta em mão é quando a direcção do vector velocidade de corte não é perpendicular ao plano de referência da ferramenta em mão. Para facilitar as correcções necessárias consideram-se dois outros sistemas de avaliação, o sistema de ângulos laterais e faciais. Neste sistema, Fig. 2.11 a), o plano de medida é o plano de trabalho convencional (Pf). Os ângulos avaliados segundo este sistema tomam a designação:
αf - Ângulo de saída lateral βf - Ângulo de gume lateral γf - Ângulo de ataque lateral
Fig.2.11 Sistema de ângulos a) Laterais
b) Faciais
No sistema de ângulos faciais, Fig. 2.11 b), o plano de medida é um plano perpendicular ao plano de referência (Pr) e ao plano de trabalho convencional (Pf) passando pelo ponto de referência. Os ângulos avaliados segundo este sistema tomam a designação:
αp - Ângulo de saída facial βp- Ângulo de gume facial γp - Ângulo de ataque facial
Apresentam-se de seguida as expressões que ligam os ângulos avaliados segundo os diferentes sistemas estudados.
1º Caso - Aresta paralela ao plano base (λ=0)
(2.1.5.1) (2.1.5.2) (2.1.5.3)
2º Caso - Aresta inclinada relativamente ao plano base (λ≠0)
(2.1.5.4) (2.1.5.5) como λ é geralmente < 15° as diferenças são pouco significativas.
(2.1.5.6) (2.1.5.7) (2.1.5.8) (2.1.5.9) Notas: a) αo ≅ αn ≅ αa , χ < 15°
b) O ângulo de ataque, no sistema directo de afiamento (γc) só difere de γo e de γn de modo significativo quando o valor de λ se aproxima ou ultrapassa γo ou γn .
2.2 Nomenclatura dos diversos ângulos característicos de uma ferramenta de corte segundo diversas fontes
Na Tabela 2.1 apresentam-se os símbolos e designações anteriormente referidos segundo diversas fontes. Na Fig. 2.12 representam-se os ângulos por símbolos numéricos a que correspondem símbolos alfabéticos na Tabela 2.1, segundo alguns autores e diversas normas.
2.3 Ferramentas de aresta múltipla
Nas Figs. 2.13 e 2.14 apresenta-se a nomenclatura utilizada na caracterização das faces, arestas e pontas de corte de uma broca e de uma fresa de topo, respectivamente.
Fig.2.12. Ângulos característicos de uma ferramenta de corte de aresta rectilínea não paralela ao plano de base.
Ta b el a 2 .1 -S ím b o lo s e d es ig n a çõ es d o s d iv er so s â n g u lo s c ar a ct er ís ti co s d e u m a f er ra m en ta d e c o rt e d e a re st a r e ct ilí n ea n ã o p a ra le la a o p la n o d e b as e s e g u n d o v ár ia s f o n te s e a u to re s
Fig.2.14 Superfícies, arestas e ponta de corte de uma fresa.
BIBLIOGRAFIA
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3.1 Medição da força de maquinagem 3.2 Pressão específica de corte 3.3 Potência de maquinagem
3. FORÇA E POTÊNCIA DE MAQUINAGEM
A interacção entre a peça e a ferramenta, durante a maquinagem, dá origem ao aparecimento de uma força de contacto, responsável pelo arranque da apara. Geralmente, por simplificação consideram-se as componentes dessa força a actuar num ponto, embora, na realidade, actuem sobre uma determinada área de contacto. Excepção feita no caso do trabalho de metais por abrasão, onde se considera a área em trabalho da mó, num dado instante.
Designa-se por força de maquinagem (Fm) a força total que actua sobre a ferramenta durante a operação de corte. A força de maquinagem e as projecções desta sobre as direcções dos movimentos de corte, de avanço e de penetramento encontram-se repreencontram-sentadas na Fig. 3.1 para o caso do torneamento longitudinal (ferramenta de base) e na Fig. 3.2 para o caso da fresagem cilíndrica (ferramenta de aresta múltipla). A componente da força de maquinagem num plano ou segundo uma direcção é sempre obtida por projecção ortogonal sobre esse plano ou direcção.
Podemos, assim, definir:
› a força activa (Ft) como a projecção da força de maquinagem (Fm) no plano de trabalho efectivo.
› a força principal de corte (Fc) como a projecção da força de maquinagem (Fm) ou da força activa (Ft) na direcção de corte.
› a força de avanço (Fa) como a projecção da força de maquinagem (Fm) ou da força activa (Ft) na direcção de avanço.
› a força de penetramento -passiva- (Fp) como a projecção da força de maquinagem (Fm) na perpendicular ao plano de trabalho efectivo.
› a força de apoio (Fap) como a projecção da força de maquinagem (Fm) sobre a direcção perpendicular à direcção de avanço existente sobre o plano de trabalho efectivo. A força de avanço (Fa) e a força de apoio (Fap) são, portanto, duas componentes ortogonais de força activa (Ft) no plano de trabalho efectivo.
(3.1)
Fm - força de maquinagem Fa, Ft e Fc estão sobre o plano de trabalho efectivo Fc - força de corte (principal) Fp é normal ao plano de trabalho efectivo Fa - força de avanço Va - velocidade de avanço
Fp - força de penetramento (passiva) Vc - velocidade de corte Ft - força activa
Fig.3.1 Componentes da força de maquinagem no torneamento longitudinal.
A força de corte (Fc) compõe-se ortogonalmente com a força de avanço (Fa) quando coincide com a força de apoio (Fap), isto é, quando o ângulo da direcção de avanço ϕ for 90°. Neste caso, a expressão (3.1) reduz-se:
(3.2) A força de penetramento - passiva - (Fp) compõe-se ortogonalmente com a força activa (Fp) resultando a força de maquinagem (Fm):
ou
(3.4)
Fm - força de maquinagem Fa, Ft e Fc estão sobre o plano de trabalho efectivo Fc - força de corte (principal) Fp é normal ao plano de trabalho efectivo Fa - força de avanço Va - velocidade de avanço
Fp - força de penetramento (passiva) Vc - velocidade de corte Ft - força activa
Fig.3.2 Componentes da força de maquinagem na fresagem cilíndrica.
Finalmente, pode ainda definir-se a força efectiva de corte (Fec) como a projecção da força de maquinagem (Fm) sobre a direcção efectiva de corte.
3.1 Medição da força de maquinagem
A determinação das componentes da força de maquinagem, em particular da força de corte - principal - (Fc), nas operações por arranque de apara é um assunto muito importante não só na determinação da potência de maquinagem, mas também no estudo do desgaste e vida das ferramentas de corte. Também o cálculo dos mecanismos de accionamento das máquinas-ferramenta necessita do conhecimento da força de corte. Geralmente, é suficiente a determinação da força de
corte média. Porém, no estudo da estabilidade dinâmica das máquinas-ferramenta e do mecanismo da formação da apara é necessário a medida da variação da força de corte.
A medida das várias componentes da força de maquinagem é executada por dinamómetros ou plataformas dinamométricas. O sistema de medida é constituído pelo dinamómetro e o equipamento de amplificação e registo dos sinais de saída. Dos vários tipos de dinamómetros existentes dois são os mais comuns: o baseado no princípio extensométrico e o baseado no princípio piezoeléctrico.
No primeiro caso, quando sob a aplicação de uma força se altera o comprimento do extensómetro (fio metálico, delgado, colado entre duas lâminas de papel) varia a resistência eléctrica do mesmo e, utilizando um circuito eléctrico apropriado (ponte de Wheatsthone), podemos obter uma diferença de potencial.
No segundo caso, quando é comprimida uma lâmina delgada de um cristal, por exemplo, quartzo, cortada de um certo modo, apresenta, nas duas faces opostas perpendiculares ao eixo de pressões, cargas eléctricas de sinais contrários. É o efeito piezoeléctrico. Esta carga eléctrica cria uma diferença de potencial.
Os sinais provenientes do dinamómetro extensómétrico ou piezoeléctrico são introduzidos numa ponte amplificadora, no primeiro caso, e num amplificador de carga, no segundo. Os resultados podem ser visualizados ou num registador ou num microcomputador utilizando um “software” de aquisição apropriado.
3.2 Pressão específica de corte
A pressão específica de corte, ou seja a força de corte dividida pela área da secção transversal da apara, é dada pela seguinte relação:
(3.2.1) sendo, S a secção de apara e Fc a força principal de corte. Experimentalmente, verificou-se que a pressão específica de corte depende de vários factores, nomeadamente:
› do material a maquinar. Materiais com resistência mecânica diferente apresentam pressão específica de corte também diferente. Contudo, a relação entre a resistência mecânica do material a maquinar e o valor da pressão específica de corte não é proporcional. Ou seja, para iguais parâmetros de maquinagem o valor da pressão específica de corte de um aço com uma tensão de rotura de 1000 MPa não é o dobro do valor da pressão específica de corte
para um aço com uma tensão de rotura de 500 MPa.
› da secção de apara. Experimentalmente, verificou-se que a pressão específica de corte diminui com o aumento da espessura da apara, mantendo-se sensivelmente constante para um aumento da largura da apara.
› da velocidade de corte. Verificou-se na maquinagem de vários metais com ferramentas de carbonetos sinterizados (Vc>60 m/min) que a pressão específica de corte diminui lentamente com o aumento da velocidade de corte. Para velocidades inferiores, ou no caso de ferramentas de aço rápido, os valores da pressão específica de corte podem ser 5 a 20% superiores.
› do fluido de corte. Apenas nas velocidades de corte baixas os fluidos de corte contribuem para o abaixamento da pressão específica de corte. Esta diminuição é tanto mais significativa quanto mais fácil for a penetração do fluido na zona de contacto apara/ferramenta.
› da geometria da ferramenta. Quanto maior é o ângulo de ataque (γ) menor é o valor da pressão específica de corte. O ângulo de saída (α) quando muito pequeno provoca o aumento do valor da pressão específica de corte, dado o aumento do atrito entre a peça e a face de saída da ferramenta. A influência do ângulo de inclinação de aresta (λ) verifica-se apenas para valores negativos elevados; nesse caso a força de penetramento aumenta consideravelmente podendo flectir a peça, ou mesmo deslocar transversalmente a ferramenta. O valor da pressão específica de corte diminui com o aumento do ângulo de posição da aresta do corte principal (χ) desde que não se verifique influência da aresta lateral de corte, ou seja, para χl > 5°.
› do estado de afiação da ferramenta. Na gama de desgaste admissível da ferramenta, a pressão específica de corte pode chegar a atingir valores 30% superiores.
› da rigidez da ferramenta. Experimentalmente verificou-se que a rigidez, quando pequena, aumenta a pressão específica de corte.
O valor da pressão específica de corte (Ks) pode ser obtido experimentalmente recorrendo a ensaios de maquinagem simulando as condições de corte pretendidas, medindo a força de corte (Fc) e conhecendo a secção da apara (S) para o processo de maquinagem em causa (Secção 1.3).
Diversos investigadores e associações técnicas de normalização têm proposto fórmulas analíticas que relacionam a pressão específica de corte com as diversas grandezas que a influenciam. Porém, o número de variáveis que intervêm no processo
e o desconhecimento de outras, fazem com que essas fórmulas forneçam somente valores aproximados. Taylor, um dos primeiros investigadores, propôs as seguintes fórmulas:
(ferro fundido cinzento) (3.2.2)
(ferro fundido branco) (3.2.3)
(aço de construção) (3.2.4)
sendo, a o avanço e p o penetramento.
A AWF (Ausschuss für Wirtschaftliche Fertigung - Associação de produção económica) da Alemanha sugere a fórmula seguinte:
(3.2.5)
sendo, a o avanço e Cw uma constante do material e da ferramenta.
A ASME (American Society of Mechanical Engineers) apresenta a seguinte fórmula:
(3.2.6)
sendo, a o avanço, n o expoente do material a maquinar e Ca a constante do material da peça e da ferramenta.
Kronenberg indica a seguinte fórmula:
sendo, Ks a pressão específica de corte, Kso a pressão específica de corte em condições padrão, a o avanço, p o penetramento, G o índice de esbeltez, Go o índice de esbeltez padrão (≈ 5), S a secção da apara, So a secção da apara padrão (1mm2) e os expoentes g e f, dependentes do material da peça e da ferramenta.
Kienzle apresenta outra fórmula: Ks = Ks0 ez
sendo, Kso a pressão específica de corte padrão, e a espessura da apara e z o expoente característico do material.
Em qualquer caso, conhecidas as condições de corte, avanço (a) e penetramento (p), extraindo das tabelas apresentadas em várias publicações da especialidade as constantes, é possível obter uma estimativa realista do valor da força de corte (Fc).
3.3 Potência de maquinagem
A potência de corte total ou potência efectiva de corte (Pec) é igual ao produto da velocidade efectiva de corte (Vec) pela projecção da força de maquinagem (Fm) sobre a direcção efectiva de corte, ou seja, a força efectiva de corte (Fec).
Fig.3.3 Velocidade efectiva de corte (Vec) versus força efectiva de corte (Fec). Da Fig. 3.3 obtém-se para a velocidade efectiva de corte (Vec):
e para a força efectiva de corte (Fec)
(3.3.2) Temos, então:
Pec = Fec Vec = Fec Vec cos η + Fec Va cos(ϕ-η) (3.3.3) substituindo a força efectiva de corte (Fec) pelas expressões (3.3.2) vem:
Pec = Fc Vc + Fa Va (3.3.4)
Conclui-se, portanto, para o caso geral, que a potência efectiva de corte (Pec) é a soma da potência de corte (Pc) com a potência de avanço (Pa). Como a velocidade de avanço é, geralmente, muito pequena comparada com a velocidade de corte, podemos considerar sem erro considerável apenas a potência de corte (Pc):
Pc = Fc Vc (3.3.5)
Atendendo, no entanto, a que as máquinas-ferramenta apresentam um rendimento de transmissão de potência (η") inferior a 100%, a potência bruta de maquinagem (PB), ou seja, a potência mínima do motor de accionamento da máquina é dada por:
(3.3.6) sendo η" = 0,6 a 0,8 dependendo das dimensões, construção, carga e estado da máquina-ferramenta.
BIBLIOGRAFIA
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4.1 Tipos e formas da apara
4.2 Apara aderente ou aresta postiça de corte (APC) 4.3 Quebra-aparas
4.4 Balanço energético
4.4.1 Medição das temperaturas 4.5 Corte ortogonal. Princípios 4.5.1 Postulados
4.5.2 Razão de corte
4.5.3 Análise vectorial das forças
4.5.4 Tensões no plano de corte ou de escorregamento 4.5.5 Deformação e velocidade de deformação
4.5.6 Expressões propostas para o ângulo de corte (ø) 4.5.7 Potência absorvida e cálculo prático da força de corte 4.6 Análise das forças e tensões no plano de corte
4.7 Análise das forças e tensões na face de ataque 4.8 Corte tridimensional
4. FORMAÇÃO DA APARA
Embora sejam diferentes os parâmetros de maquinagem nos variadíssimos processos utilizados na obtenção da forma das peças por corte com arranque de apara, o mecanismo de corte permanece nos seus princípios comum a todos eles e torna-se, assim, necessário estudá-lo com detalhe. Em primeira aproximação, a formação da apara nos processos de maquinagem, com ferramenta de corte, processa-se em duas faprocessa-ses.
Numa primeira fase, a aresta de corte da ferramenta penetra na peça e provoca o encalcamento de uma porção de material contra a face de ataque. A acção de encalque, surge porque o escorregamento da apara em formação é travado devido ao atrito com a face de ataque da ferramenta. Empurrada pelo material ainda não trabalhado a apara sofre, então, uma deformação plástica que se traduz num aumento da sua espessura. A força de maquinagem aumenta, progressivamente, até que as tensões de corte se tornam suficientemente elevadas, de modo a iniciar um escorregamento sem perda de coesão, entre a porção de material encalcado e a peça. Esse escorregamento realiza-se segundo os planos de deslizamento dos cristais constituintes da apara que estiverem nas imediações do plano de corte (ou de escorregamento), Fig. 4.1 a). O plano de corte corresponde à direcção para a qual as tensões de corte são máximas. Os cristais situados na região de corte (ou de escorregamento) têm os seus planos de deslizamento com as mais diversas orientações. Os cristais que estiveram em fase de deformação plástica e cujo plano de deslizamento coincidir com o plano de corte vão-se deformar provocando, em consequência, uma distorção angular nos cristais vizinhos segundo os seus próprios planos, ainda que de orientação diversa do plano de corte.
Numa segunda fase, continuando a penetração da ferramenta de corte em relação à peça, pode verificar-se a formação de uma fissura na região do corte. Essa fissura pode ser parcial ou total, dando origem, respectivamente, a uma apara contínua ou a uma apara descontínua. Na sequência do movimento relativo peça/ferramenta, verifica-se, então, um escorregamento da apara sobre a face de ataque da ferramenta, ao mesmo tempo que uma nova porção de material é encalcado sobre a face de ataque. Essa nova
porção de material prossegue o ciclo de corte, fissura (se for o caso) e escorrega sobre a face de ataque da ferramenta.
Do referido, concluiu-se que o mecanismo de formação da apara é um fenómeno periódico, mesmo no caso da formação de apara contínua, não existindo uma diferença básica, mas sim gradual entre esta e a apara descontínua. Tem-se em qualquer caso, alternadamente, uma fase de encalque e uma fase de corte, sendo a força de maquinagem, máxima na primeira e mínima na segunda.
Além da região de corte (escorregamento) ou “região de deformação primária” (I) é hoje, geralmente, reconhecida uma “região de deformação secundária” (II) devida ao atrito entre a apara e a face de ataque da ferramenta de corte, Fig. 4.1 b). Uma “área de extrema pressão” situa-se ligeiramente àquem da aresta de corte. De facto existe nesta área uma elevada pressão específica de contacto que em conjunto com a rugosidade da apara e da face de ataque determinam um atrito elevado que tende a opôr-se ao escorregamento da apara e é a causa daquela deformação secundária.
Fig.4.1 a) Formação da apara. Plano e região de corte (escorregamento). b) I - Região da deformação primária
II - Região de deformação secundária 4.1 Tipos e forma de apara
A apara pode apresentar-se, fundamentalmente, sob três tipos, Fig. 4.2: › contínua regular, característica de materiais dúcteis e do corte a médias e
› contínua irregular (com aderências), característica de materiais dúcteis maquinados a baixas velocidades de corte com e sem lubrificação. Esta apara aderente é a consequência mais evidente do atrito na face de ataque da ferramenta e da variação das propriedades mecânicas dos materiais com a temperatura.
› descontínua (ou de rotura), característica de materiais frágeis ou de condições de corte em que a zona de deformação primária se estenda para ângulos de corte reduzidos ou o estado de tensão na raiz da apara (eventualmente com tensões de tracção) facilite a propagação de uma fissura ao longo do plano de corte, como é o caso de aços macios muito sensíveis ao encruamento e do corte a velocidades reduzidas.
A modificação dos parâmetros de maquinagem numa operação de corte de um dado material pode determinar alteração do tipo de apara produzida. Assim, se se verificarem vibrações da ferramenta, uma apara contínua pode passar a apresentar uma variação sensível de espessura se a vibração é ligeira, ou transformar-se, mesmo, numa apara de tipo “descontínua não fragmentada”, se a vibração é elevada.
Fig.4.2 Tipos de apara.
Neste último caso a apara apresenta contudo uma característica típica, que é o facto de ser composta por elementos ponteagudos em vez de paralelos. No caso das brocas helicoidais, por exemplo, o ângulo de ataque diminui da periferia para o centro, enquanto que, pelo contrário, o ângulo de inclinação aumenta. Assim na periferia, onde a velocidade de corte é máxima, esta e o valor do ângulo de ataque são suficientes para que o tipo de apara produzida seja contínua para materiais dúcteis e descontínua para materiais frágeis. Todavia, a partir do meio raio para o eixo da broca, o ângulo de ataque e a velocidade de corte menores, conjuntamente com um ângulo de inclinação
maior, produzem a formação de aparas descontínuas, mesmo no caso de furação de aço macio.
Vejamos agora como podemos classificar a apara quanto à sua forma, Fig. 4.3: › apara lisa ou de fita, que ocupa muito espaço e dificulta a sua evacuação da
zona de trabalho, podendo provocar acidentes.
› apara helicoidal, que ocupa um espaço muito menor que a anterior e é de evacuação fácil.
› apara em espiral que é também uma forma conveniente.
› apara em lascas, preferida quando houver um espaço reduzido disponível para a evacuação ou quando a sua remoção for forçada por acção de um fluido de corte, como é o caso da furação profunda.
Fig.4.3 Formas de apara segundo a ISO 3685.
O controle da direcção de saída e da forma da apara tem especial interesse porque permite a sua evacuação eficiente da zona de trabalho, evitando o seu enrodilhamento nas partes móveis da máquina, na ferramenta e nas peças. Para além dos danos que pode produzir nestes elementos é uma fonte potencial de acidentes para o operador. O problema tem especial importância no caso de maquinagem de materiais dúcteis
a velocidades de corte elevadas, pois formam-se aparas contínuas resistentes cujo escoamento é muito rápido sobre a face de ataque o que as torna perigosas. Outro caso típico é o de operações múltiplas em máquinas automáticas em que as ferramentas de corte, por vezes, em grande número, são montadas na proximidade umas das outras e atacam o material em movimentos sucessivos, alguns deles simultâneos, que se processam num espaço relativamente restrito.
No que respeita às condições de corte, embora o aumento do avanço, através do qual se consegue uma maior espessura da apara, e a diminuição da velocidade de corte favoreçam a fragmentação da apara deve esclarecer-se, desde já, que a escolha de tais condições de corte se deve subordinar a outros critérios relacionados com as condições económicas de maquinagem. Por isso, vamos apenas referir como se pode controlar a apara através da geometria da ferramenta de corte. A influência dos ângulos de ataque e de inclinação da aresta e do raio de curvatura da ponta é muito importante na forma da apara obtida. A diminuição dos referidos ângulos implica uma maior deformação plástica no plano de escorregamento e, portanto, favorece a fragmentação da apara. Porém uma diminuição exagerada para valores negativos apresenta inconvenientes como o aumento da força de maquinagem e até vibrações na ferramenta de corte e, ainda, maior absorção de potência. A Fig. 4.4, representa esse tipo de influência para três valores de um ângulo de ataque (positivo, neutro e negativo). Pode verificar-se que o enrolamento da apara se faz segundo um ângulo complementar. Assim, da esquerda para a direita constata-se que a apara é obrigada a enrolar segundo um ângulo crescente a que corresponde, portanto, uma maior deformação plástica, para ângulos de ataque descrescentes.
Fig.4.4 Influência do ângulo de ataque (γ) na deformação imposta à apara.
O ângulo de inclinação da aresta é o principal responsável pela direcção da evacuação da apara, conforme mostra a Fig. 4.5.
Fig.4.5 Influência do ângulo de inclinação (λ) na evacuação da apara.
Se uma aresta de corte é rectilínea e termina em bico vivo o enrolamento da apara é determinado pelo ângulo de ataque e a espessura da apara é sensivelmente uniforme; mas se existe uma curvatura no bico da ferramenta, além do enrolamento imposto pelo ângulo de ataque a apara sofre simultaneamente, enrolamento numa segunda direcção, devido a essa curvatura. A apara, neste caso, apresenta, geralmente, uma secção em cunha.
4.2 Apara aderente ou aresta postiça de corte (APC)
No caso de materiais dúcteis, de apara contínua, e devido ao atrito na área de extrema pressão, a apara tem tendência a soldar à face de ataque da ferramenta de corte. Se o atrito é elevado verifica-se a formação de uma apara aderente, também vulgarmente designada por aresta postiça de corte (APC). Quando a força de atrito por unidade de área é superior à resistência ao corte do material da peça, uma porção de apara, junto da face de ataque da ferramenta não escorrega ao longo do plano de escorregamento mas adere à face de ataque e solda-se a ela por acção da pressão de contacto e da temperatura. À medida que este processo prossegue, a apara aderente vai crescendo até atingir uma dimensão instável com rotura subsequente em três pedaços, Fig. 4.6: um que sai agarrado à apara; outro que fica aderente à superfície maquinada e, um terceiro, que permanece soldado à face de ataque da ferramenta e que constitui o núcleo de crescimento de uma nova apara aderente que por sua vez se romperá atingida a dimensão de instabilidade e, assim, sucessivamente.
A formação, estabilidade e dimensões da apara aderente têm um papel fundamental na vida da ferramenta de corte e no acabamento superficial das peças e, por isso, analisaremos os factores de que dependem. De facto, enquanto por um lado a apara aderente oferece certa protecção contra a formação de cratera na face
de ataque da ferramenta, pode causar o desgaste prematuro da superfície de saída (folga) devido à acção abrasiva dos fragmentos desagregados que se vão afastando da zona de corte agarrados à superfície maquinada. Estes fragmentos vão aumentar a rugosidade da superfície da peça e afectar, portanto, o seu acabamento. Devido à elevada deformação plástica e consequente encruamento do material da apara aderente, esta substitui-se à parte activa da ferramenta, desempenhando a parte frontal o papel de uma aresta deslocada que altera as relações geométricas de corte da ferramenta. A apara aderente aparece no corte de materiais de apara contínua, pois a pressão específica de corte e a temperatura desenvolvida na área de extrema pressão são, no caso da apara descontínua, insuficientes para produzir uma soldadura forte entre a apara e a face de ataque.
Fig.4.6 Rotura da apara aderente ou aresta postiça de corte (APC).
Por outro lado, a susceptibilidade do material ao tratamento térmico produzido pela temperatura de corte, é que determina a desagregação da apara aderente e, portanto, a sua estabilidade e dimensões. É a temperatura que, se suficientemente elevada, provoca a recristalização do material encruado da apara com o consequente amaciamento. No caso dos aços, este amaciamento é o resultado de uma mudança de fase (α a γ), pois não esqueçamos que as temperaturas de corte podem atingir 1000 °C ou mais.
No que respeita às condições de corte a que a maior influência exerce na formação e dimensões da apara aderente é a velocidade de corte, porque condiciona a temperatura de corte atingida. Supondo fixadas todas as outras condições de corte, existe uma velocidade crítica abaixo da qual e para valores bastante inferiores não
se verifica a formação de apara aderente ou, então, esta apresenta-se com dimensões reduzidas que todavia vão aumentando à medida que se utilizam velocidades mais próximas daquela velocidade crítica para a qual a dimensão da apara aderente é máxima. Para além deste limite, a velocidade de corte produz temperaturas elevadas que levam a um amaciamento do material da apara aderente pelo que esta diminui de dimensões e, para velocidades suficientemente elevadas, acaba por desaparecer. É por isso que na gama de velocidades de utilização dos carbonetos sinterizados se obtêm, geralmente, aparas contínuas sem formação de apara aderente. É este o tipo de apara desejável do ponto de vista de acabamento superficial da peça, potência de maquinagem e vida da ferramenta. Para avanços crescentes, a velocidade crítica verifica-se com valores decrescentes. O penetramento tem uma influência semelhante sobre a velocidade crítica embora de modo muito menos sensível. A frequência de formação da apara aderente cresce com o aumento da velocidade de corte e, enquanto nas baixas velocidades a apara aderente é estável, nas velocidades elevadas aparece e desaparece periodicamente.
No que respeita à geometria da ferramenta de corte o ângulo de ataque é o que maior influência exerce sobre a formação da apara aderente. Quanto maior mais elevada será a velocidade crítica, porque menor é a pressão entre a apara e a face de ataque, menor é a temperatura aí desenvolvida e portanto menor a tendência para a soldadura da apara à face de ataque da ferramenta. Uma vez que a maior ou menor resistência ao escorregamento da apara sobre a superfície de ataque condiciona as dimensões da apara aderente, devem ainda referir-se outros factores, nomeadamente, a microgeometria da superfície de ataque e, em particular, a orientação dos sulcos deixados pela mó de afiamento. Estes devem apresentar-se tanto quanto possível na direcção de escoamento da apara e não transversalmente a essa direcção. A utilização de fluidos de corte apropriados deverá considerar-se.
4.3 Quebra-aparas
A mudança da forma da apara pode efectuar-se modificando as condições de corte ou dando uma forma especial à face de ataque da ferramenta de corte, ou seja, utilizando quebra-aparas. A alteração das condições de corte no sentido do aumento da capacidade de quebra da apara deve conduzir a um aumento da deformação da apara no plano de escorregamento, o que pode conseguir-se do seguinte modo:
› diminuindo o ângulo de ataque e ângulo de inclinação da aresta da ferramenta de corte (usando eventualmente valores negativos)
› aumentando a espessura da apara e reduzindo a velocidade de corte.
A mudança das condições de corte de modo a obter uma forma adequada da apara deve ser tanto quanto possível evitada. A diminuição dos ângulos referidos aumenta a força de maquinagem, podendo ocasionar vibrações. A velocidade de corte e o avanço devem ser fixados pelas condições económicas de maquinagem. Assim, a solução passa pela utilização de quebra-aparas na face de ataque das ferramentas, o que permite obter aparas curtas. Ao contrário do que o nome poderia levar a concluir, a função do quebra-aparas é enrolar a apara e não quebrá-la directamente. É, no entanto, desse enrolamento que resulta a maior aptidão da apara a partir, dando origem às aparas curtas (helicoidal ou espiral).
O quebra-aparas deforma, elástica e plasticamente a apara. Devido à deformação elástica haverá na apara, à saída do bordo do quebra-aparas, um recuo elástico (efeito de mola), isto é, o raio de curvatura da hélice formada pela apara é maior que o raio de curvatura inicial (R’) obtido através da forma do quebra-aparas. Se a espessura da apara (e) for reduzida, isto é, se a relação R’/e for elevada, a parte da deformação elástica será grande e o raio da hélice da apara será bastante maior do que o raio de curvatura inicial. Por outro lado se a espessura da apara for elevada, ter-se-á maior deformação plástica e o raio de curvatura da hélice da apara será menor que no caso anterior.
A posição e forma dos quebra-aparas estão relacionadas com a espessura da apara, com a velocidade de corte e com o material a maquinar. Os quebra-aparas podem ser executados directamente sobre a ferramenta de corte ou podem ser postiços. No primeiro caso, a versatilidade de emprego da ferramenta é menor, além de que os custos de afiamento são superiores. No segundo caso, a posição do quebra-aparas pode ser regulada consoante as condições de maquinagem com vantagens evidentes, resultando em contra partida quebra-aparas de forma menos elaborada. A Fig. 4.7 mostra vários perfis de quebra-aparas afiados na face de ataque. Qualquer destas formas podem ser utilizadas em ferramentas de aços rápidos e, em particular, de carbonetos sinterizados.
Os quebra-aparas são basicamente definidos pela largura (b) e profundidade (t) e, adicionalmente, por outros elementos conforme o ser perfil. Nas pastilhas de carbonetos sinterizados afiam-se quase sempre quebra-aparas planos, igualmente afiados em ferramentas de aço rápido e, entre estes, os mais vulgares são os de tipo concordante e rampeado que mais se utilizam dado o seu fácil afiamento. Nos perfis dos quebra-aparas de plano concordante e plano rampeado, Fig. 4.7 c) e d), é válida a seguinte relação geométrica:
(4.3.1)
Fig.4.7 Principais tipos de perfis de quebra-aparas.
O quebra-aparas só terá óptimo efeito quando as suas dimensões mantiverem uma relação determinada com a espessura da apara, Tabela 4.1.
Tabela 4.1 Dimensões dos quebra-aparas ordinários.
Quando a largura (b) é reduzida, o bordo do quebra-aparas encalca a apara, resultando o aparecimento de vibrações e o desgaste rápido da ferramenta. Por outro lado, quanto mais dúctil for o material maquinado, maior é a necessidade do quebra-aparas e maior deve ser a profundidade (t). Aumentando-se gradualmente o valor da largura a partir de um valor pequeno obtém-se, primeiramente, a apara em lascas (apara fragmentada, em bocados); em seguida, a apara helicoidal e, no fim, a apara em fita.
Os quebra-aparas podem ser paralelos à aresta do corte ou oblíquos e, neste caso, o respectivo ângulo da posição de bordo (χb) pode ser positivo ou negativo como se representa na Fig. 4.8. Os quebra-aparas oblíquos fazem, em geral, com a aresta de corte ângulos entre ± 8° e ± 15°. Se a ferramenta de corte tem um raio de ponta grande deve talhar-se no bordo de saída normal um segundo ângulo de cerca de 50° com a aresta de corte, para evitar que o bordo de saída corte material.
Fig.4.8 Quebra-aparas executado na ferramenta com diferentes ângulos de posição de bordo (χb).
Nos quebra aparas postiços a sua fixação pode assumir várias formas construtivas de que se representa um exemplo, Fig. 4.9. Têm a vantagem de serem reguláveis e, portanto, adaptarem-se a várias condições de corte, ao contrário do que acontece com os quebra-aparas afiados. Há, no entanto, dois requisitos fundamentais a que devem obedecer: terem uma fixação sólida para que não haja deslocamentos sob a acção das forças a que estão submetidos durante o corte e um assentamento perfeito do quebra-aparas para que não seja possível que a apara se encrave entre ele e a pastilha. Funcionalmente, o seu perfil é semelhante ao de um quebra-aparas plano rampeado, com um ângulo, geralmente, de 50°. Por fim, refira-se que a presença do quebra-aparas provoca um aumento da potência de maquinagem necessária entre 5 e 20% mas podem verificar-se aumentos muito superiores se a sua geometria não for convenientemente escolhida.
4.4 Balanço energético
O desenvolvimento de calor no corte por arranque de apara tem as seguintes origens, Fig. 4.10.
› na região de escorregamento ou zona de deformação primária (I), devido ao atrito interno que acompanha a deformação plástica do material e subsequente escorregamento.
› no atrito entre a apara e a face de ataque da ferramenta na área ou zona de deformação secundária (II).
› no atrito entre a face de saída (folga) da ferramenta na área adjacente à aresta de corte e a superfície maquinada (III).
Foi experimentalmente comprovado que cerca de 90% do trabalho mecânico de maquinagem se transforma em calor cuja dissipação se vai fazer através da apara, da peça, da ferramenta e do meio ambiente (onde se considera incluído o fluido de corte).
Fig.4.10 Principais fontes de calor e zonas de deformação plástica. Sendo
› QI , o calor produzido na região de escorregamento (I) › QII , o calor produzido pelo atrito apara/ferramenta (II) › QIII , o calor produzido pelo atrito peça/ferramenta (III) › Qa , o calor dissipado pela apara
› Qf , o calor dissipado pela ferramenta › Qm , o calor dissipado pelo meio ambiente podemos escrever a seguinte equação de balanço térmico
(4.4.1) Os valores numéricos destas quantidades, isto é, a proporção das quantidades de calor gerado nas áreas I, II e III e a proporção das quantidades de calor dissipadas pela apara, peça, ferramenta e meio ambiente, dependem do tipo da operação de corte, do material da peça e da ferramenta, dos parâmetros de maquinagem, da geometria da ferramenta e das características do fluido de corte, quando presente. Assim, por exemplo, enquanto numa operação de torneamento a maior parte do calor é dissipado através da apara, na furação isso acontece através da peça. Enquanto no torneamento de uma liga de Alumínio, 73% do calor pode ser escoado pela peça, percentagem semelhante poderá ser escoada pela apara no caso de um aço. Num aço de construção, maquinado com uma velocidade de corte até 50 m/min. 75% do calor é gerado pela deformação plástica; esta poderá ser responsável por apenas 25% do total, se o mesmo aço é maquinado a 200 m/min. Portanto, é importante conhecer a temperatura atingida no corte e a sua distribuição. A Fig. 4.11 apresenta o caso de um aço torneado com carbonetos sinterizados a uma velocidade de corte de 60 m/min.
Pode verificar-se que a temperatura máxima da ferramenta não é atingida na aresta de corte, mas sim num ponto da face de ataque a uma certa distância dela. Nalguns casos, esta temperatura pode atingir valores da ordem de 1000 °C ou mais. Esta distribuição de temperatura é modificada em valor e em posição, pelas condições de corte e pelo desgaste da ferramenta. Nas interfaces em que existe contacto apara/ferramenta e peça/ferramenta, o valor da temperatura não é constante sendo, antes, variável de ponto para ponto, de acordo com o representado na Fig. 4.12.
Fig.4.12 Distribuição típica da temperatura nas interfaces.
Em regimes de elevadas velocidades de corte a justificação das altas temperaturas na área de extrema pressão é reforçada pelo facto de que a geração de calor por atrito nessa área passa a preponderar em relação à quantidade de calor gerada devido à deformação plástica na região de escorregamento.
Genericamente, podemos dizer que as temperaturas de corte dependem da quantidade de calor gerado, das secções de dissipação na peça, na apara e na ferramenta, da condutibilidade térmica dos respectivos materiais e da dissipação para o meio ambiente. Mais especificamente a temperatura é tanto mais elevada, quanto mais elevada a velocidade de corte, que é a principal condição, mas também quanto maior a secção da apara, ou seja, o avanço e o penetramento. Quanto mais elevada for a pressão específica de corte, (a qual está intimamente relacionada com a resistência do material da peça a maquinar) mais elevada será a temperatura atingida para as mesmas condições de maquinagem. Assim, a temperatura atingida no corte dos aços é mais elevada que a que se verifica no corte de materiais mais macios e menos resistentes como o Alumínio e suas ligas. Finalmente, quanto mais baixa é a condutibilidade térmica dos materiais a maquinar, como o Titânio, por exemplo, apresenta temperaturas de corte elevadas. A importância das temperaturas atingidas no corte tem implicação nos seguintes aspectos:
