3. Processo de Formação do Cavaco
3.1. Processo de formação do cavaco
O processo de formação do cavaco pode ser considerado complicado, pois combina interações de deformação plástica, geração de nova superfície, taxa de deformação e efeito térmico, força de fricção e aquecimento da superfície usinada e interação química.
Cavaco é a porção de material da peça, com característica geométrica irregular, retirada pela ferramenta. Seu mecanismo de formação vai depender de fatores cristalográficos, tais como orientação dos cristais, sistema de deslizamento e densidade de discordâncias móveis da peça usinada. Sua formação envolve um processo cíclico de quatro fases:
i) deformação elástica;
ii) alta deformação plástica no plano de cisalhamento primário (PCP);
iii) abertura de trinca no plano de cisalhamento primário e
iv) deslizamento do material usinado sobre a superfície de saída (Ag).
A Figura 1 retrata o ciclo de formação do cavaco. Nela se vê o elemento volumétrico “klmn”, sendo recalcado (deformação elástica), com uma velocidade de corte (Vc), contra a superfície de saída. Em “od”, é visto o plano de cisalhamento primário (PCP), no qual ocorrem altas deformações plásticas (cisalhamento concentrado). Em “o”, a localização da abertura da trinca no plano “od”. “qprs” representa o elemento “klmn” totalmente deformado (plasticamente) na forma de lamelas, deslizando sobre superfície de saída. Na mesma figura, o avanço de corte (h = fc) e a espessura do cavaco, após usinagem (h’), são grandezas relativas ao cavaco – sendo dependente da condição de resistência ao cisalhamento na interface cavaco-ferramenta. O ângulo de cisalhamento (tgf = cosgo/[h’/h-sengo]) é formado entre o plano de trabalho (Pf) e o plano “od”. A velocidade do cavaco sobre a superfície de saída da ferramenta (Vcav = Vc*h/h’ = senf* Vc/cos [f - go]) é assumida variar tangencialmente no meio da linha da espessura do cavaco (h’) e com intensidade constante. O comprimento de contato (Lc = h*sen [f + ba - go] /senf*cosba) refere-se à área de contato cavaco-ferramenta no corte ortogonal, onde ba é o ângulo de fricção.
O cisalhamento concentrado no plano primário (PCP), com taxas de deformação da ordem de 104-106 s-1, domina a formação do cavaco, e é o principal fator que provoca alterações superficiais e subsuperficiais das propriedades mecânicas da peça (mudança da estrutura cristalina); porém, essas alterações dependem do processo, parâmetros de corte e estado físico do material usinado.
Uma boa indicação do grau de deformação ao longo do plano de cisalhamento primário pode ser fornecida pelo ângulo de cisalhamento (f). Ele influencia a tensão de cisalhamento e a temperatura na zona de cisalhamento primária. comentam que esse ângulo governa o acabamento da superfície usinada, a tensão sobre a ferramenta de corte, a força de usinagem, a temperatura de corte e a energia consumida no processo de corte.
Quanto maior o grau de recalque (Rc = h’/h), menor o ângulo de cisalhamento; e assim, maior é a deformação na zona de cisalhamento primária. Em outras palavras, maior é a resistência ao movimento do cavaco sobre a superfície de saída (Ag), em virtude da interação cavaco-ferramenta; e das condições de corte. Esse ângulo depende das condições de corte, tais como avanço e velocidade de corte como pode ser visto na Figura 2.
Figura 2 - Ângulo de cisalhamento (Vc, f)
A deformação média do material usinado na zona de cisalhamento primária depende do ângulo de cisalhamento (f) e do ângulo de folga (ao) (etp = ao/senf*cos [f - ao]). Cabe ressaltar que, o ângulo de cisalhamento, dentre outros fatores, depende da geometria da ferramenta e das condições de interface (atrito) cavaco-ferramenta.
A Figura 3a apresenta as forças de fricção ao longo do plano de cisalhamento primário (Fz) e secundário (Ft). Elas são as grandes responsáveis pelas deformações nesses planos. Também, podem ser vistas as forças de compressão normal ao primeiro (Fnz) e ao segundo (Fn). A Figuera 3b mostra o círculo de Merchant, que relaciona as forças de cisalhamento no plano primário (Fz = Fc*cosf - Ff*senf; Ft = Fc*sengo + Ff*cosgo) e de compressão (Fn = Fc*cosgo – Ff*sengo; Fnz = Fc*senf + Ff*cosf), com as forças de corte (Fc) e de avanço (Ff), obtidas durante processo de corte, através de um dinamômetro tridimensional.
Figura 3 - a) Forças nos planos de cisalhamento; b) Círculo de Merchant
3.2. Tipos de cavacos
Os cavacos formados durante um processo de corte podem ser do tipo:
i) contínuo;
ii) parcialmente contínuo;
iii) descontínuo ou
iv) segmentado.
Os três primeiros dependem muito da ductilidade e das condições de corte; enquanto que o último, normalmente, está presente na usinagem de materiais de baixa condutividade térmica, como as ligas de titânio.
O cavaco contínuo é o mais indesejável de todos, principalmente por ocupar grandes espaços físicos, poder ferir o operador, impedir o acesso do fluido na região de corte – e é peculiar de materiais dúcteis, que, apesar de se deformarem intensamente no plano de cisalhamento primário, não permitem a propagação da trinca ao longo deste plano (ver ponto “o” Fig. 1a). Portanto, tendem a formar cavacos em fita, ou enrolados, ou em hélice. Entretanto, materiais semidúcteis sob condições de baixas velocidades de corte e ângulo de saída e altos avanços podem gerar cavacos descontínuos.
O cavaco parcialmente contínuo é formado pela insuficiente propagação da trinca ao longo do plano de cisalhamento primário.
O cavaco descontínuo é peculiar dos materiais frágeis, nos quais a abertura de trinca propaga-se com facilidade ao longo do plano de cisalhamento primário, pois não suportam grandes deformações; e têm a grande vantagem de serem facilmente liberados da região de corte, sob quaisquer condições de corte.
O cavaco descontínuo é peculiar dos materiais frágeis, nos quais a abertura de trinca propaga-se com facilidade ao longo do plano de cisalhamento primário, pois não suportam grandes deformações; e têm a grande vantagem de serem facilmente liberados da região de corte, sob quaisquer condições de corte.
O cavaco segmentado é formado por grandes e continuadas deformações adiabática em estreitas bandas entre segmentos, com muito pouca ou quase nenhuma deformação no interior destes segmentos.
A Figura 4 ilustra os tipos de cavacos.
A Figura 4 ilustra os tipos de cavacos.
Figura 4 – Tipos de cavacos: a)contínuo; b)segmentado;c) descontínuo
3.3. Formas do Cavaco
A forma do cavaco depende, principalmente, do material da peça; contudo, sofre grande influência do tipo de cavaco e das condições de corte. Cavacos contínuos, parcialmente contínuos e segmentados são capazes de assumir qualquer forma, dependendo das condições de corte; enquanto que os descontínuos só aparecem na forma de pedaços. Altas velocidades de corte, avanços e ângulo de saída tendem a produzir cavacos em fitas.
De acordo com a norma ISO 3685 (1993), os cavacos podem assumir as formas de fita, tubular, espiral, helicoidal, arco e lasca - subdivididos em longos, curtos, emaranhados, conectados e soltos, conforme apresenta a Fig. 5.
Figura 5 – Formas de cavaco
3.4. Fenômenos da Interface Cavaco-Ferramenta
As condições da região de interface (cavaco-ferramenta) influenciam muito o mecanismo de formação do cavaco, a força de usinagem e a temperatura de corte; e, consequentemente, as taxas de desgaste da ferramenta de corte. Nessa região ocorre os seguintes fenômenos físicos:
i) zona de aderência;
ii) zona de escorregamento;
iii) zona de fluxo;
A zona de aderência é uma região com grande interação atômica ferramenta – cavaco (área real = área aparente), em virtude das altas tensões de compressão e de cisalhamento; e das altas temperaturas que ali ocorrem. Nessa região não há movimento relativo entre as partes em contato (cavaco-ferramenta); e estabelece-se, no cavaco, a zona de fluxo.
A zona de escorregamento é uma região periférica à zona de aderência, onde se tem atrito cinemático (m = Ft/Fn) ferramenta-cavaco, apenas com tendência de aderência (área real << área aparente).
As zonas de aderência, de escorregamento e de fluxo fazem parte do plano de cisalhamento secundário (PCS) e dependem das condições de usinagem, interação cavaco-ferramenta, das condições atmosféricas e do tempo de usinagem. A primeira é favorecida pelas altas velocidades de corte, pelo longo tempo de usinagem, pela grande afinidade química cavaco-ferramenta; todavia, pode ser inibida com a presença de elementos de livre-corte no material usinado.
A tensão de compressão (sn) ao longo da zona de aderência e de escorregamento decresce (assintoticamente) sobre a superfície de saída da ferramenta, do início da aresta de corte da ferramenta (máxima), até ao final da zona de escorregamento (nula), onde o cavaco não está mais em contato com a ferramenta. A tensão de cisalhamento no plano de cisalhamento secundário (tPCS), acima da zona de aderência, é constante, e igual à tensão de cisalhamento do material usinado (tR); enquanto que ao longo da zona de escorregamento, decresce (assintoticamente) do seu início (máxima), após a zona de aderência, até ao seu final (nula).
A zona de fluxo destaca-se pelas altas taxas de deformações com alta concentração de discordância, que está sob recuperação dinâmica e recristalização, em bandas termoplásticas de cisalhamento, nas quais novos contornos de grãos estão constantemente sendo gerados, sujeitos a grande difusão, mesmo em condições estáticas.
A Figura 6 ilustra as vistas, superior e lateral, da superfície de saída (Ag), com as zonas de aderência (segmento B-C) e escorregamento (segmento C-D).
Figura 6 – Zona de aderência, escorregamento e zona de fluxo
A aresta postiça manifesta-se na usinagem de materiais de distintas fases - em baixas velocidades de corte, pois é uma combinação que favorece as aberturas de trincas no material usinado, e o sucessivo acúmulo de material encruado acima da zona de adesão. As distintas fases facilitam as aberturas de trincas, devido as suas diferentes características de deformação,que geram um estado triaxial de tensões no material usinado.
Na presença da aresta postiça de corte a zona de fluxo é deslocada para o topo da APC, o que faz com que a geração de calor, devido ao movimento do cavaco sobre a superfície de saída, seja um pouco acima da superfície de folga. Este descolamento aumenta o ângulo de saída da ferramenta; e, com isso, diminui a força de usinagem e a temperatura de corte na região de interface cavaco-ferramenta; porém, pode causar o inconveniente de prejudicar o acabamento da superfície da peça, devido aos frequentes destacamentos de materiais da APC, que se aderem na superfície usinada, podendo, também, promover o desgaste adesivo nas superfícies da ferramenta.
A aresta postiça tende a diminuir com o aumento da velocidade de corte, devido ao aumento da temperatura de corte, que tende a inibir o processo de encruamento do material usinado sobre a superfície de saída da ferramenta de corte.
A Figura 7, ilustra uma raiz de cavaco com aresta postiça de corte (linha tracejada) com os pontos de trinca (A e B), que ajudam na formação da APC. Observa-se que a zona de fluxo (região de grandes deformações) nessa figura se encontra no topo da APC.
Figura 7 – Aresta postiça de corte (APC)
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2.1. Definição das variáveis estudadas
3. Salvamento dos tratamentos
3.1. Nome do grupo
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