I. USINAGEM DOS METAIS

4. Forças e potência de corte

4.1. Introdução

O conhecimento do comportamento e da ordem de grandeza dos esforços de corte nos processos de usinagem é de fundamental importância pois eles afetam:

A potência necessária para o corte;

A obtenção de tolerâncias apertadas;

O desgaste da ferramenta;

A temperatura de corte.

4.2. Forças durante a usinagem

As forças de usinagem são consideradas uma ação da peça sobre a ferramenta.

A força total resultante que atua sobre a cunha cortante da ferramenta durante a usinagem é denominada força de usinagem (Fu).

No processo de usinagem por abrasão, a força de usinagem praticamente não pode ser referida a uma única aresta de corte,devendo portanto ser referida à parte ativado rebolo num dado instante.

A princípio, nem a direção nem o sentido da força de usinagem são conhecidos, tornando-se impossível medi-la e conhecer melhor as influências de diversos parâmetros para o seu valor.

Então, não se trabalha com a força de usinagem propriamente, mas com sua componentes segundo diversas direções conhecidas.

4.2.1. Componentes da força de usinagem

Inicialmente, a força de usinagem é decomposta em:

Uma componente que está no plano de trabalho (Pf), chamada de força ativa (Ft), que é decomposta em várias outras forças; Uma componente perpendicular ao plano de trabalho, chamada de força passiva ou força de profundidade (Fp).

i. Componentes da força ativa (Ft)

As componentes da força ativa contribuem para a potência de usinagem, pois elas estão no plano de trabalho (Pf – plano em que os movimentos de usinagem são realizados). São elas:

Força de corte (Fc) – projeção de Fu sobre a direção de corte;

Força de avanço (Ff) – projeção de Fu sobre a direção de avanço;

Força de apoio (Fap) – projeção de Fu sobre a direção perpendicular à direção de avanço, situada no plano de trabalho;

Força efetiva de corte (Fe) – projeção de Fu sobre a direção efetiva de corte.

Assim, tem-se as seguintes equações:

Quando o ângulo da direção de avanço = 90º (no torneamento, por exemplo), tem-se:

22

22

ftap

fapt

FFF

FFF

22

22

ftc

fct

FFF

FFF

ii. Força passiva ou de profundidade (Fp)

É a componente da força de usinagem (Fu) projetada em um plano perpendicular ao plano de trabalho. Esta componente não contribui para a potência de usinagem, pois ela é perpendicular aos movimentos (é perpendicular ao plano de trabalho, onde ocorrem os movimentos de corte e de avanço).

É importante que se estude o comportamento e valor desta força, pois ela é responsável pela deflexão elástica da peça e da ferramenta durante o corte e, por isso, é responsável pela dificuldade de obtenção de tolerâncias de forma e dimensão apertadas.

Assim, tem as seguintes relações entre a força de usinagem, a força ativa e suas componentes, e a força passiva:

222

22

pfcu

ptu

FFFF

FFF

4.3. Potência de usinagem

Uma máquina-ferramenta gera potência para girar seu eixo árvore e executar o movimento de corte e para executar o movimento de avanço. Assim pode-se estabelecer as seguintes relações para as potências de corte e de avanço:

i. Potência de corte (Pc) –

Normalmente, Fc é dada em N (Newton) e Vc em m/min.

kWVF

P ccc 31060

ii. Potência de avanço (Pf) –

Normalmente, Ff é dada em N (Newton) e Vf em mm/min.

iii. Relação entre as potências de corte e de avanço

kWVF

Pff

f 61060

f

d

F

F

P

P

f

c

f

c

No torneamento tem-se que Fc ~ 4,5 Ff.

Tomando-se, como exemplo, uma operação de torneamento com d = 10 mm e f = 1 mm/rot, que são limites extremos para está análise, ou seja, d é muito pequeno e f muito grande, a fim de tornar a relação Pc/Pf a menor possível, tem-se:

Conclui-se que a potência de corte, em uma situação extrema, é 140 vezes maior do que a potência de avanço. Esta diferença permite desprezar a potência de avanço no dimensionamento do motor da máquina-ferramenta que usa apenas um motor para os movimentos de corte e avanço.

140f

c

F

F

iv. Potência fornecida pelo motor elétrico (Pm)

Sendo: - rendimento da máquina ferramenta. O rendimento varia de 60 a 80% em máquinas convencionais e é maior do que 90% em máquinas de comando numérico computadorizado (CNC).

c

mP

P

4.4. Variação da força de corte com as condições de trabalho

A força de corte pode ser expressa pela equação:

Sendo: Ks – a pressão especifica de corteA – a área da seção de corte.

Numa situação de corte ideal no torneamento, tem-se que:

AKF sc

fahbA p

faKhbKF pssc

i. Fatores que influenciam a pressão especifica de corte

Material da peça

O aumento do teor de carbono nos aços aumenta o valor de Ks. O inverso é verificado com o aumento dos teores de elementos como: P, Pb, B, MnS, que produzem a diminuição do Ks.

Dentre as propriedades de um material, aquela que mais pode ser correlacionada com a pressão especifica de corte é a tensão de ruptura (ou de escoamento) ao cisalhamento (r).

Material e geometria da ferramenta

Não é significativa a influência do material da ferramenta de corte sobre o valor de Ks. Um destaque deve ser dado as ferramentas com cobertura de TiN, que tendem a diminuir o atrito do cavaco-superfície de saída da ferramenta e ferramenta-peça, proporcionando valores menores de Ks do que os das outra ferramentas.

Os ângulos o (principalmente) e s provocam uma diminuição do Ks a medida que seus valores aumentam. Essa influência é marcante para a usinagem de materiais dúcteis e desprezível na usinagem de materiais frágeis.

Em geral se recomenda ferramentas com geometria negativa por fatores como: Cunha da ferramenta com maior resistência; Pastilhas intercambiáveis com geometria negativa possuem arestas dos dois lados (diminuindo o custo da pastilha).

Geometrias positivas (o e s positivos) somente são recomendados quando:

Necessita-se de baixa força de corte na usinagem de materiais dúcteis, quando é o caso de se ter uma máquina com baixa potência e/ou rigidez; Na usinagem de peças com paredes finas, de eixos finos e compridos e torneamento interno em acabamento, onde a ferramenta é pouco rígida e a obtenção de bons acabamentos superficiais é imposição do projeto.

Uma diminuição do ângulo de folga (o) aumenta o atrito entre a ferramenta e a peça e com isso o valor de Ks aumenta. Isso é crítico quando o é pequeno (menor do que 5º).

Um aumento o bem acima de 5º praticamente não tem influência no valor de Ks. No entanto, diminui a cunha de corte da ferramenta, diminuindo sua resistência aos choques.

O ângulo secundário de posição (r’) deve ser maior do que 50 para que não haja interferência entre a aresta lateral de corte com a superfície trabalhada da peça.

Seção de corte (A)

A pressão especifica de corte diminui com a área da seção de corte. Essa diminuição deve-se principalmente ao aumento do avanço. Durante o processo de formação do cavaco, parte do volume do material deformado não se transforma em cavaco, mas escorrega entre a peça e a superfície de folga da ferramenta, gerando o chamado fluxo lateral de cavaco.

A força consumida por esse fenômeno é relativamente grande para f pequeno (ou espessura de corte h).

A medida que f ou h crescem, o fluxo lateral de cavaco é relativamente menor, fazendo com que Ks

diminua.

Quando f aumenta, Vf também aumenta e, conseqüentemente, o coeficiente de atrito diminui pois torna o corte mais dinâmico.

O aumento da profundidade de usinagem (ap) praticamente não altera o valor de Ks a não ser para valores pequenos de ap, pois o aumento de ap só faz aumentar o comprimento de contato peça-ferramenta sem aumentar as velocidades envolvidas.

Concluí-se então, que o crescimento da força de corte é diretamente proporcional ao da profundidade de usinagem, mas quando o avanço aumenta a força de corte também aumenta, porém não na mesma proporção, já que ocorre uma diminuição do Ks.

f

Velocidade de corte (Vc)

Para baixas velocidades de corte, a presença da Aresta Postiça de Corte (APC) tende a diminuir o valor de Ks. Assim, na usinagem de materiais dúcteis em baixas velocidades de corte, os valores de Ks variam dependendo do tamanho e da geometria da APC.

Em Vcs usualmente utilizadas, ou seja, sem a presença de APC, os valores de Ks tendem a diminuir com o aumento de Vc. Esse fato deve-se:

À diminuição da deformação e da dureza do cavaco, e

dos coeficientes de atrito que o aumento de Vc proporciona.

Condições de lubrificação e refrigeração

Estado de afiação da ferramenta

Na presença do desgaste de flanco (VB) Ks aumenta à medida que o desgaste aumenta.

Quando o desgaste de cratera aparece juntamente com o desgaste de flanco, o crescimento de Ks já não é tão nítido.

Na usinagem de aços com ferramentas de metal duro recoberta, Ks aumenta lentamente com o VB até um valor crítico de VB a partir do qual Ks cresce rapidamente.

4.5. Cálculo da pressão específica de corte

Pesquisadores e instituições já propuseram fórmulas para o cálculo de Ks.

Kienzle propôs uma equação considerada suficientemente precisa para o cálculo de Ks em função da espessura de corte h. A aumento de Ks com a diminuição de h é uma propriedade geral que vale para todas as operações de usinagem.

Sendo: Ks1 e z propriedades do material.

zsz

ss hK

h

KK 1

1

Espessura de corte h (mm)

Assim, a força de corte é dada por:

A Sandvik Coromant apresenta a seguinte equação para o cálculo do Ks:

bhKbhKF zssc 1

29,04,0

h

KK stabeladoscorrigido

4.6. Fatores que influenciam as forças de avanço e de profundidade

Muito dos fatores que influenciam os valores de Fc, também influenciam os valores de Ff e Fp.

Mas, fatores como o raio de ponta da ferramenta (r) e os ângulos de posição (r) e de inclinação (s) têm mais influência sobre Ff e Fp.