força e portência usinagem

AULA 12

FORÇA E POTÊNCIA DE USINAGEM

91

Prof. Dr. André João de Souza

12. VARIÁVEIS DEPENDENTES DE SAÍDA:

FORÇA E POTÊNCIA DE USINAGEM

12.1. Introdução

Os estudos da força de usinagem que age sobre a cunha cortante e de suas componentes são de

grande importância, pois possibilitam estimar a potência necessária para o corte, bem como as forças

atuantes nos elementos da máquina-ferramenta, além de manter relação com o desgaste das ferramentas

de corte, influenciando a viabilidade econômica do processo. O conhecimento da grandeza e da

orientação da força de usinagem ou de suas componentes ortogonais é a base para:

projetar uma máquina-ferramenta, isto é, dimensionar corretamente estruturas, acionamentos,

fixações de ferramentas e guias, entre outros elementos;

determinar os parâmetros de usinagem em condições de trabalho;

avaliar a precisão de uma máquina-ferramenta em certas condições de trabalho;

gerar procedimentos para explicar o que ocorre na região de formação de cavaco;

definir metodologias para explicar os mecanismos de desgaste.

Além disso, a grandeza da força de usinagem é um critério para a usinabilidade de um material –

geralmente materiais de difícil usinabilidade apresentam forças de usinagem maiores.

12.2. Força de Usinagem

A força de usinagem “F” é a força que atua sobre a aresta da ferramenta durante a operação de

corte. As suas componentes são obtidas mediante uma decomposição ortogonal, de acordo com as

considerações tecnológicas e físicas da formação do cavaco.

A parcela projetada sobre a direção de corte (dada pela velocidade de corte) é a força de corte (Fc);

a parcela normal à direção de corte projetada sobre a direção de avanço (dada pela velocidade de avanço)

é a força de avanço (Ff); a parcela radial projetada perpendicularmente ao plano de trabalho é a força

passiva ou de profundidade (Fp).

De acordo com a Norma ABNT NBR 12545 (TB-391/1991), as forças de usinagem (F) geradas nos

processos de torneamento, furação e fresamento podem ser esquematizadas através da Figura 12.1.

A determinação das componentes da força de usinagem sempre foi uma área importante, tanto na

prática quanto na pesquisa, relativa às operações de corte com ferramentas de geometria definida. A

usinagem de um material usando parâmetros de corte definidos, meio lubrirrefrigerante específico e

ferramenta de corte determinada (material e geometria), gera forças, energia e potência de usinagem. Uma

mudança em qualquer uma das variáveis de entrada altera os valores das forças. Assim, se for necessário

modificar tais valores, dever-se-á alterar os parâmetros que geram estas forças.

As forças são importantes, pois influenciam as deflexões na ferramenta e na peça, afetando as

dimensões finais do componente usinado. As forças também são responsáveis pelos fenômenos de

vibração, comuns em usinagem. Busca-se sempre uma forma de se controlar as forças geradas (e a

potência consumida) para assim poder assegurar a integridade do sistema máquina/ferramenta/peça.

92


(a) (b)

(c)

Figura 12.1 – Componentes ortogonais da força de usinagem nos processos de: (a) torneamento longitudinal

externo; (b) furação em cheio; (c) fresamento tangencial discordante (ABNT NBR 12545)

As componentes da força de usinagem durante a operação de corte podem estar muitas vezes

sujeitas a alguma flutuação dinâmica ao longo do tempo por variações nos parâmetros de usinagem e/ou

oscilações do sistema porta-ferramenta(s) (Fig. 12.2). As duas principais causas são: instabilidade

dinâmica provocada pela variação da velocidade da ferramenta com relação à velocidade da peça e a

influência do achatamento da ponta da ferramenta com o desgaste na ação de corte.

A pressão específica de corte ks [N/mm2] equivale à energia de corte por unidade de volume

[J/cm3], ou seja, a energia necessária para remover uma unidade de volume do material da peça. Equivale

ainda à potência de corte necessária para remover uma unidade de volume de material da peça por

unidade de tempo [Ws/cm3].

Os mecanismos de deformação plástica e rupturas inerentes aos processos de usinagem podem ser

compreendidos pelo conceito de energia de corte. No corte com ferramentas de geometria definida, cerca

de ¾ da energia total é associada ao cisalhamento do cavaco na zona de deformação primária, na direção

do plano de cisalhamento, e o ¼ restante está associada aos efeitos nas interfaces cavaco/face da

ferramenta (zona secundária) e peça/flanco da ferramenta (zona terciária). A energia consumida no corte

93


essencialmente converte-se em calor. Desse calor, aproximadamente de 80% a 90% é transferido para o

cavaco, 5% a 10% à peça e 5% a 10% à ferramenta. A Figura 12.3 mostra as zonas (para um maior

entendimento, associe com a Fig. 10.3).

Figura 12.2 – Parcelas estática e dinâmica da força de usinagem em função do tempo de usinagem

(condições fixas de corte)

Figura 12.3 – Zonas de deformação do material no processo de usinagem

Os fatores que influenciam a energia de corte (ou pressão específica de corte) e, consequentemente,

as componentes da força de usinagem, são: material da peça; material e geometria da ferramenta;

parâmetros de corte; meio lubrirrefrigerante; estado da ferramenta.

12.2.1. Determinação teórica da força de corte

A determinação teórica ou experimental do ângulo de cisalhamento () permite a projeção da força

de usinagem (F) nas diversas direções de interesse. Como supracitado, sua previsão teórica se faz

necessária para os casos em que se pretende prever a potência de corte ou os esforços na estrutura e nos

elementos da máquina-ferramenta. No início do século XX, diversos pesquisadores constataram

experimentalmente que as componentes da força de usinagem variam com a área da seção transversal de

corte (A), em uma relação quase linear, em especial a força de corte (Fc), principal componente para a

determinação da potência de usinagem (P) necessária para o dimensionamento do motor de acionamento

do eixo-árvore da máquina-ferramenta. Da relação linear entre força de corte e área da seção de corte foi

proposta a primeira equação para a determinação teórica da força de corte:

Fc = ksA (12.1)

onde ks é a pressão específica de corte e A é a área da seção transversal de corte.

Força Estática: média dos dados de amostragem

Força Dinâmica:

limites de oscilação

numa certa freqüência

Transitório no início do corte, quando a ferramenta é engrenada

Tempo

Fo

rça

de

Usin

ag

em

F

(t)

F

t

cavaco

peça

atrito

deformação plástica

quebra do cavaco

Desgastede cratera

ferramenta

Desgastede flanco

Flanco

Face

cavaco

peça

atrito

deformação plástica

quebra do cavaco

Desgastede cratera

ferramenta

Desgastede flanco

Flanco

Face

94


Admitindo-se que a ferramenta não possua raio de ponta (r), a pressão específica de corte ks é a

força necessária para a remoção de uma área de corte equivalente a l,0 mm2. Inicialmente, imaginava-se

como sendo uma característica somente do material, similar à tensão de ruptura. Porém, ensaios

mostraram que a pressão específica varia segundo: o material da peça; o material e a geometria da

ferramenta; a área da seção de corte; a velocidade de corte; as condições de lubrificação e refrigeração; e

os desgastes da ferramenta.

12.3. Influência dos Parâmetros de Entrada

12.3.1. Material da peça

À medida que aumenta a porcentagem de carbono dos aços, ks (e, por conseguinte, Fc) aumenta.

Entretanto, o aumento da porcentagem de fósforo causa uma diminuição de ks, pois interrompe a matriz

ferrítica, austenítica ou martensítica do aço, facilitando a quebra do cavaco e a lubrificação da ferramenta

(S, Se, Te, Pb, Bi, Sn e N atuam no mesmo sentido).

Em geral, quando a dureza da peça cresce, ks também cresce, mas isso não pode ser uma regra, já

que materiais com dureza semelhantes podem ter ks bem diferentes, principalmente se um deles tiver um

dos elementos de liga citados no parágrafo anterior.

Dentre as propriedades de um material, aquela que mais pode ser correlacionada com ks é a tensão

de ruptura (ou de escoamento) ao cisalhamento do material. Mesmo assim, esta correlação deve ser feita

com cuidados, pois esta tensão é obtida em ensaios estáticos e o processo de formação de cavacos é

bastante dinâmico.

12.3.2. Material da ferramenta

Com a variação do material da ferramenta ocorre uma pequena variação do coeficiente de atrito

entre a peça e a ferramenta (superfície de folga) e entre a ferramenta e o cavaco (superfície de saída), mas

esta variação não chega a influir significativamente nos valores de ks (e, consequentemente, de Fc). Por

exemplo, ferramentas com cobertura de TiN tendem a diminuir esse coeficiente de atrito e, com isso,

propiciam valores de ks menores que com as outras ferramentas.

12.3.3. Geometria da ferramenta

Uma alteração do ângulo de folga () na faixa de 5o a 12

o não tem nenhum efeito evidente sobre as

componentes da força de usinagem. Entretanto, ângulos muito pequenos (menores que 5o) promovem um

aumento do atrito entre a peça e a ferramenta (superfície de folga), fazendo com que ks aumente. Da

mesma forma, uma alteração do raio de quina (r) não exerce nenhuma influência significativa sobre as

forças, enquanto for obedecida a exigência: ap 2r.

Quanto maiores os ângulos de saída () (principalmente) e de inclinação (), menores serão a

deformação e o trabalho de separação do cavaco da peça e, por conseguinte, menores serão: a

temperatura, a ks e o desgaste da ferramenta.

Porém, com o aumento do ângulo , a resistência da cunha da ferramenta diminui e a sua

sensibilidade aos choques aumenta. Assim, recomenda-se o uso de ângulos negativos () para fortalecer

a aresta de corte – principalmente na usinagem de materiais frágeis (com formação de cavacos curtos).

Somente na usinagem de materiais dúcteis (com formação de cavacos longos) em que esforços de corte

95


reduzidos são gerados, é que se recorre aos ângulos positivos (). A substituição de um ângulo por

um , nas mesmas condições de usinagem, exige uma potência de corte maior. Uma vez que esta

potência é transformada em calor, o acarreta um aumento da temperatura na região de corte. Esta é

uma das razões por que o é empregado somente na usinagem com pastilhas MD e cerâmica.

Um ângulo produz força no sentido longitudinal da ferramenta (força passiva Fp), tendendo a

afastá-la da peça. Esta força tende a reduzir os inconvenientes de folgas e apertos deficientes da

ferramenta, forçando o carro porta-ferramenta contra seu fuso de acionamento. No caso de peças com L/D

grande, deve-se usar 0 ou muito pequeno para evitar que surja a parcela passiva da força de usinagem,

deformando a peça e alterando as dimensões de usinagem.

Como visto na Aula 11, um pequeno ângulo r gera um cavaco fino e largo conforme Equação

(11.3) anteriormente apresentada. Com isso, a força de usinagem se distribui sobre um comprimento

maior da aresta de corte, diminuindo a pressão específica de corte sobre a ferramenta. Assim, um r

pequeno permite que se aumente o avanço de modo que ks seja mantida no valor máximo suportável pela

aresta. Isto permite uma substancial redução no tempo de usinagem.

A ação do ângulo de posição (r) sobre as forças de avanço (Ff) e passiva (Fp) ocorre devido à

localização geométrica da aresta principal de corte com relação ao eixo da peça. Com maiores valores de

r a componente da força de usinagem aumenta na direção de avanço (Ff), diminui na direção passiva (Fp)

e têm seu máximo em r 90o. Se r for aumentado, a espessura h do cavaco aumenta na mesma

proporção que a largura b diminui. Como a força de corte (Fc) é diretamente proporcional à ap

(equivalente a b), ela aumenta de maneira inversamente proporcional a f (equivalente a h), resultando das

duas variações uma pequena redução de Fc com aumento de r (Fig. 12.4).

(a) (b)

Figura 12.4 – (a) Influência de r nas componentes Ff e Fp em torneamento; (b) variação das três

componentes da força de usinagem com o aumento de r.

O raio de quina r tem o inconveniente de aumentar de 5 a 20% a potência necessária ao corte

provavelmente devido à indução dos dobramentos transversal e longitudinal do cavaco.

12.3.4. Parâmetros de corte

A Figura 12.5 apresenta qualitativamente a dependência das componentes da força de usinagem em

função dos parâmetros de corte (vc, f, ap).

A pressão específica de corte (ks) diminui com o aumento do avanço (f), já que com o crescimento

de f, a velocidade de avanço (vf fn) aumenta e, por conseguinte, o coeficiente de atrito diminui, pois o

corte se torna mais dinâmico.

96


(a) (b) (c)

Figura 12.5 – Dependência das componentes das forças de usinagem em relação a:

(a) profundidade de corte; (b) avanço; (c) velocidade de corte.

O aumento da profundidade de corte (ap) praticamente não altera o valor de ks (a não ser para

pequenos valores de ap), pois o crescimento de ap só faz aumentar o comprimento de contato

ferramenta/peça sem aumentar as velocidades envolvidas.

Portanto, pode-se dizer que o crescimento das componentes da força de usinagem é diretamente

proporcional ao da profundidade de corte (Fig. 12.5a), mas, quando o avanço cresce, as componentes

também crescem, mas não na mesma proporção, já que ocorre diminuição do valor de ks (Fig. 12.5b).

A presença da aresta postiça de corte (APC – fenômeno que será detalhado na Aula 15) tende a

diminuir ks devido ao efeito do aumento de que a APC proporciona. Assim, no corte de materiais

dúcteis com baixa vc (onde há ocorrência da APC), os valores de ks (e, portanto, das componentes de F)

variam dependendo do tamanho e da geometria da APC (vide Fig. 12.5c). Em velocidades de corte

usualmente utilizadas (sem APC), os valores de ks tendem a diminuir com o aumento de vc (e, por

conseguinte, da temperatura) por causa da redução da dureza do cavaco e dos coeficientes de atrito.

12.3.5. Meio lubrirrefrigerante

O fluido lubrirrefrigerante influi sobre ks modificando as condições de atrito entre peça e

ferramenta e entre ferramenta e cavaco. Quanto mais eficiente for a penetração do fluido e quão maior for

o seu efeito lubrificante, maior será a diminuição das componentes da força de usinagem. Em altas

velocidades de corte, essa penetração é dificultada.

12.3.6. Estado da ferramenta

Pode-se verificar uma variação da influência do desgaste da ferramenta sobre as componentes da

força de usinagem – dependendo do tipo de desgaste. Por exemplo, o desgaste de cratera (o qual conduz a

um ângulo de saída mais positivo) pode produzir uma diminuição destas componentes. Se, no entanto,

ocorrer um predomínio de desgaste de flanco, as forças tendem a aumentar de maneira continuada, pois a

área de contato entre a peça e o flanco aumenta (aumentando o atrito). Já Ff é insensível à formação da

cratera e Fp e Ff podem ser mais influenciadas pelo desgaste que Fc.

A medição da força de usinagem mostra-se eficaz na detecção de falhas transitórias na aresta de

corte da ferramenta. Em geral, uma mudança brusca e repentina no nível de amplitude do sinal de força

indica fratura (lascamento ou quebra) na ferramenta.

Existem dois diferentes pontos de vista sobre a fratura da ferramenta. O primeiro é baseado na

evidência de que as componentes Ff e Fp primeiramente crescem por causa do aumento do esforço

97


causado pela compressão dos fragmentos desprendidos da ferramenta por ela mesma contra a peça para

em seguida declinar para zero por causa da ausência da parte fragmentada da ferramenta. Isto ocorre antes

de a peça (ou ferramenta) completar uma volta completa. Depois disso, as componentes podem-se manter

em valores altos (pelo aumento do atrito da ferramenta contra a peça) ou baixos (o lascamento promoveu

uma afiação forçada da aresta de corte). O segundo ponto de vista explica que tanto Fc quanto Ff são

sensíveis à fratura, mas somente Fc exibe uma consistente mudança (decréscimo) de nível absoluto

quando a aresta de corte quebra. A magnitude da queda na Fc como consequência da fratura é

proporcional ao comprimento fraturado ao longo da aresta de corte. O nível da Ff pode aumentar ou

diminuir, dependendo da intensidade do lascamento.

Algumas das limitações inerentes na abordagem destas componentes são as perturbações causadas

pelas variações no material da peça, na velocidade de corte, na profundidade de corte e na geometria da

ferramenta. Estas variações podem gerar a mesma ordem de magnitude que os diferentes níveis de

desgastes e avarias em ferramentas de corte. Por exemplo, pode-se observar uma redução das forças com

o aumento da velocidade de corte (vc); isto se dá devido à redução da resistência do material em altas

temperaturas. As forças aumentam proporcionalmente com a profundidade de corte (ap); entretanto, isto

vale somente se ap for maior que o raio de quina (r) da ferramenta (vide Fig. 12.5a).

12.4. Potência de Usinagem

A potência de usinagem resulta da soma das potências necessárias para cada componente da força

de usinagem, bem como do produto da velocidade pela força e pelo cosseno do ângulo entre ambas.

Assim, somente as componentes de corte (Fc) e avanço (Ff) contribuem para a potência de usinagem.

Como na multiplicação da força pela velocidade os valores para a potência de corte (Pc) são muito

maiores que para a potência de avanço (Pf), o valor de Pf é geralmente desprezado nos cálculos da

potência do motor de acionamento Pmotor (Eq. 12.2):

c

motor

PP

(12.2)

é o rendimento do sistema de transmissão.

12.4.1. Considerações Importantes

Admita-se inicialmente que a área da seção transversal de corte (A) permaneça constante.

Aumentando-se o avanço (f) e diminuindo-se a profundidade de corte (ap) na mesma proporção, a pressão

específica de corte (ks) diminui, conforme já citado na Seção 12.3.4. Logo, para a mesma potência de

corte (Pc), mesma área da seção de corte (A), tem-se, de acordo com a Equação 12.3, a possibilidade de se

utilizar uma velocidade de corte maior. Isto permitirá uma remoção de maior quantidade de cavaco na

unidade de tempo e por unidade de potência.

s p cc c s c

c

K a f vF v K A vP

60000 60000 60000

(12.3)

Porém dois fatores importantes devem ser levados em consideração: o desgaste da ferramenta e o

acabamento da superfície usinada. Como será visto na Aula 15, o avanço influencia mais no desgaste do

que a profundidade de usinagem. Logo, um aumento da geração de cavaco proveniente do aumento do

98


avanço e da diminuição da profundidade de usinagem acarreta um desgaste maior da ferramenta – maior

ainda se este aumento de avanço for acompanhado pelo crescimento da velocidade de corte (como

sugerido anteriormente).

Também será visto que o aumento do avanço contribui para o aumento da rugosidade superficial da

peça. Portanto, a solução acima sugerida para diminuir a potência de corte (aumentar f e diminuir ap na

mesma proporção) ou para manter a potência constante e retirar maior volume de cavaco na unidade de

tempo (aumentar f e diminuir ap na mesma proporção e aumentar vc) trará danos para o desgaste da

ferramenta e para o acabamento da peça e só deve ser usada quando se tem problemas de potência na

máquina, ou em algum outro caso específico.

Na Aula 15 será mostrado também que a velocidade de corte tem uma influência bem maior no

desgaste da ferramenta do que o avanço. Assim, se o avanço é aumentado e a velocidade de corte

diminuída na mesma proporção, o volume de cavaco retirado na unidade de tempo é mantido constante e

a vida da ferramenta cresce consideravelmente. Porém, com isso, a força de corte (Fc) cresce (a força

cresce, mas a potência cai, pois ks diminui com o aumento do avanço e o produto apfvc fica constante –

Eq. 12.3), o que pode causar vibração.

Além disso, existem outras limitações a este procedimento:

A diminuição da vc não pode ser tal que fique menor que o valor da velocidade crítica (vcr) e comece a

produzir aresta postiça de corte (APC) e consequentemente maior desgaste da ferramenta.

O aumento do avanço causa aumento da rugosidade da peça e é limitado pelo raio de ponta da

ferramenta. Como regra geral para operações de torneamento, se o avanço for maior do que metade do

raio de ponta, a ferramenta corre o risco de quebrar.

força e portência usinagem

Documents