Vários fatores determinam os resultados dos processos de corte de metal. Entre os fatores mais importantes e menos compreendidos está a espessura de corte dos cavacos gerados pela ferramenta. Basicamente, trata-se da medição da espessura do material não deformado em ângulo reto com a aresta de corte.

Este parâmetro está correlacionado, por exemplo, com as forças que afetam a ferramenta e a peça. Uma espessura de cavaco excessivamente grande resulta em lascamento e quebra da aresta de corte, enquanto a espessura insuficiente causa rápido desgaste da aresta.

Por esta razão, determinar e controlar a espessura do cavaco permite que uma fabricante maximize a produtividade e a eficiência do corte de metal, adapte os processos de corte a materiais específicos da peça e controle os custos. A falta de compreensão da importância da espessura do cavaco leva muitos fabricantes a sobrecarregar ou subutilizar as ferramentas de corte, obtendo assim efeitos negativos sobre a vida da ferramenta e a produtividade.

Com isso, há modelos matemáticos que auxiliam na compreensão da importância funcional da espessura do cavaco. Os modelos de espessura do cavaco evoluíram de simples equações que descrevem lascas geradas em operações de torneamento no estado constante a fórmulas complexas que levam em conta inúmeras variáveis no ambiente de corte interrompido de fresamento.

Figura 1 – Condições de corte possíveis para a ferramenta

Modelos de espessura do cavaco para fresamento

Em uma operação contínua de torneamento, a espessura do cavaco não é modificada. Em virtude das características do próprio processo de fresamento, entretanto, a espessura das lascas varia continuamente à medida que a aresta de corte entra e sai da peça.

Para simplificar a compreensão da espessura do cavaco no fresamento, pesquisadores de corte de metal desenvolveram, cerca de 40 anos atrás, o conceito de espessura média dos cavacos. A fórmula que eles produziram matematicamente cria um cavaco teórico da espessura média consistente. Esse conceito levou a uma melhor compreensão e controle do processo de fresamento.

Ao determinar a espessura média dos cavacos, é preciso levar em conta o contato radial do cortador com a peça, juntamente com a geometria de aresta de corte, o ângulo da aresta de corte e a taxa de avanço. O ajuste da taxa de avanço permite que um operador manipule a espessura do cavaco.

O grau de contato radial da fresa na peça pode variar de uma pequena porcentagem do diâmetro da fresa até 100% do diâmetro em uma operação de fresamento de rasgos. Um contato radial menor produz cavacos mais finos. À medida que o contato radial aumenta, a espessura do cavaco atinge seu diâmetro máximo em 50% do diâmetro da fresa. Quando o contato radial é superior a 50%, os cavacos começam a afinar novamente.

A preparação da aresta de corte também afeta a espessura do cavaco. Como regra geral, a espessura do cavaco deve ser, pelo menos, tão grande quanto o raio da aresta de corte. Por exemplo, um raio da aresta de 60 μm requer que o avanço seja ajustado para produzir uma espessura do cavaco de, pelo menos, 60 μm. Em uma taxa de avanço muito baixa, a aresta friccionará e o material da peça não será cortado.

Figura 2 – Espessura do cavaco no fresamento

espessura do cavaco deve ser, pelo menos, tão grande quanto o raio da aresta de corte. Por exemplo, um raio da aresta de 60 μm requer que o avanço seja ajustado para produzir uma espessura do cavaco de, pelo menos, 60 μm. Em uma taxa de avanço muito baixa, a aresta friccionará e o material da peça não será cortado.

As arestas de corte da ferramenta de fresamento geralmente apresentam preparações que aumentam o raio da aresta para fornecer proteção contra lascamento e quebra. Tais preparações incluem arredondados, chanfros e guias em T. Essas preparações permitem taxas de avanço mais agressivas ao fresar materiais difíceis ou superfícies brutas.

O objetivo é formar o cavaco atrás da aresta de corte e, assim, evitar a concentração de pressão e o impacto onde eles acelerarão o desgaste ou a quebra da aresta. O ajuste da taxa de avanço move o local da formação de cavacos e controla a espessura do cavaco. O aumento da taxa de avanço cria um cavaco mais espesso e a redução do avanço produz cavacos mais finos.

Figura 3 – Espessura média dos cavacos

O ângulo da aresta de corte tem um efeito direto na espessura do cavaco. Quando o ângulo é de 90^o, assim como ocorre com uma fresa para esquadrejamento, a espessura do cavaco é 100% da taxa de avanço. Porém, em um ângulo de aresta de corte de 45^o, a espessura do cavaco é de 70% da taxa de avanço, pois a aresta se forma em um comprimento maior da aresta de corte. A redução do ângulo da aresta de corte torna o cavaco mais fino, e a taxa de avanço deve ser aumentada para manter a espessura do cavaco desejada.

Aplicação da equação da espessura média dos cavacos

A equação da espessura média dos cavacos leva em consideração o ângulo da aresta de corte da ferramenta e o contato radial da fresa. A figura 3 representa graficamente a aplicação da equação no fresamento lateral em azul e no fresamento central em vermelho.

No gráfico principal, o contato radial da fresa é comparado com o diâmetro correspondente, expressado como a relação a e/ Dc. O gráfico menor no canto da figura mostra o efeito do ângulo da aresta de corte.

A figura 3 ilustra uma situação em que a fórmula da espessura média dos cavacos não é totalmente eficaz. Ao fazer um fresamento lateral com contato radial que é muito pequeno em comparação com o diâmetro da fresa, a fórmula não funciona corretamente (veja a linha pontilhada).

Em um fresamento central, quando 50% ou mais da fresa é envolvido no corte, a linha vermelha mostra um aumento contínuo da taxa de avanço. Isso é contraditório em relação à experiência prática, na qual o maior contato da fresa geralmente impõe a redução da taxa de avanço. Consequentemente, o modelo da espessura média dos cavacos é mais útil quando o contato radial é maior do que 20% a 25% do diâmetro da fresa e menor do que 50% a 75% desse valor.

O modelo da espessura média dos cavacos baseia-se em fatores geométricos e simplifica uma situação complexa. Décadas de aplicação têm mostrado que o uso do modelo da espessura média dos cavacos em equações da vida da ferramenta fornece estimativas que são precisas em mais ou menos 15%. Esse nível de precisão é suficiente para cálculos de potência e torque e para muitas operações em materiais rotineiros da peça. Além disso, o tempo e o esforço dos cálculos necessários para resolver manualmente a equação da espessura média dos cavacos são razoáveis.

No entanto, quando as aplicações exigem um maior grau de precisão ou quando o fresamento envolve materiais difíceis de usinar, é necessário um modelo que inclui fatores adicionais.

Espessura equivalente do cavaco

O pesquisador sueco Sören Hägglund desenvolveu um modelo mais global que fornece uma medição denominada espessura equivalente do cavaco, que pode gerar previsões sobre a vida da ferramenta com precisões de mais ou menos 2%. No modelo mostrado na figura 4, o arco amarelo representa as espessuras variáveis do cavaco real conforme produzido pela fresa. A barra laranja, que ilustra a abordagem da espessura média dos cavacos, é uma versão solta do cavaco amarelo. A barra azul representa a espessura equivalente do cavaco.

Uma diferença importante é que o modelo da espessura equivalente do cavaco é fatorado no tempo que a aresta da ferramenta gasta durante o corte. Isso é significativo pois, como a porcentagem da fresa em contato com a peça varia, a aresta de corte gasta um período de tempo diferente no corte e a espessura do cavaco gerado também muda.

O modelo de espessura equivalente do cavaco também leva em consideração a influência do raio de ponta da ferramenta na espessura do cavaco. É empregado um conceito originalmente desenvolvido para operações de torneamento pelo engenheiro sueco Ragnar Woxén no começo dos anos 1930: a fórmula de Woxén. Esta calcula a espessura teórica do cavaco ao longo da ponta da ferramenta, basicamente endireitando o raio de ponta e permitindo que a área do cavaco seja descrita com um retângulo.

Figura 4 – Espessura equivalente do cavaco h_e para fresamento

Os cálculos de espessura do cavaco ajudam as fabricantes a evitar problemas que surgem quando os cavacos são mais finos do que um certo valor mínimo ou são mais grossos do que um determinado nível máximo. Quando o contato radial aumenta em relação ao diâmetro da fresa, a taxa de avanço deve ser baixada para manter a mesma espessura do cavaco. Isso garante que a espessura máxima do cavaco não se torne excessiva, uma condição que reduzirá a vida da ferramenta e, consequentemente, levará à quebra desta.

Por outro lado, produzir cavacos mais espessos do que um certo valor mínimo é especialmente importante ao usinar materiais com encruamento, como superligas e titânio. Uma aresta de corte que produz cavacos muito finos cria uma área encruada que é cortada por arestas de corte subsequentes. O corte da camada resultante de material encruado acelera o desgaste da ferramenta e pode reduzir a vida da ferramenta em pelo menos um fator de três.

Figura 5 – Espessura equivalente do cavaco – modelo de Wóxen

Muitas empresas usinam materiais de encruamento da mesma forma que aços endurecidos, empregando profundidades de corte mais leves e taxas de avanço mais baixas. Como resultado, as fresas geralmente funcionam em parâmetros que produzem espessuras insuficientes do cavaco, com resultados de baixa qualidade. A escolha das técnicas de fresamento discordante ou concordante também afeta a espessura do cavaco e a usinagem de materiais de encruamento.

Espessura do cavaco e técnica de fresamento

Para compreender o conceito de espessura equivalente do cavaco, é importante considerar a maneira pela qual os cavacos são formados. No fresamento, isso pode ocorrer de duas formas diferentes, dependendo da rotação da fresa em relação ao movimento da peça. Os dois métodos são fresamento discordante (para cima) ou concordante (para baixo). No fresamento discordante, a fresa gira contra o sentido de avanço da peça. No fresamento concordante, a fresa gira no mesmo sentido que o avanço da peça.

No fresamento discordante, a aresta de corte entra na peça na profundidade de corte zero. O cavaco começa a formar na espessura mínima e acaba na espessura máxima. Por outro lado, o cavaco gerado no fresamento concordante começa na espessura máxima e é afilado até sua espessura mínima.

Ao fresar com o método discordante, a aresta de corte fricciona a peça antes de cortar, e o cavaco fino absorve muito pouco o calor. As duas condições contribuem para o encruamento da superfície da peça e redução da vida da ferramenta. Caem cavacos na frente da fresa e eles podem ser recortados e, com isso, degradar o acabamento da superfície. No fresamento horizontal, as forças de corte para cima podem elevar a peça, necessitando o uso de dispositivos de fixação complexos.

O fresamento concordante é preferível por diversas razões. Ele elimina o atrito da aresta de corte conforme faz o corte, maximizando a vida da ferramenta e reduzindo a geração de calor. É necessária menor potência da máquina, e os cavacos caem atrás da fresa para minimizar procedimentos de recorte e melhorar o acabamento da superfície e a vida da ferramenta.

Figura 6 – Fresamento discordante X fresamento concordante

Além disso, a ação de corte gera força para baixo, o que ajuda a estabilizar a peça e simplificar a fixação. A espessura inicial do cavaco permite que ele seja afastado do calor e minimiza o encruamento da superfície da peça ao usinar materiais como superligas, aços inoxidáveis e titânios.

No entanto, as forças para baixo criadas no fresamento concordante podem causar folga da mesa da máquina, especialmente em equipamentos de fresamento manuais e/ou mais antigos. A reação prejudica a precisão e aumenta a carga de cavacos na fresa até o ponto em que possa quebrar. Como resultado, o método de fresamento discordante pode ser necessário em situações que envolvam máquinas e peças menos estáveis.

O fresamento discordante também pode ser preferível no caso de peças fundidas, peças forjadas e material com camada cementada. Isto ocorre porque o corte discordante começa abaixo da superfície bruta ou endurecida do material, enquanto a entrada da ferramenta na peça na espessura total do cavaco no fresamento concordante pode causar o lascamento da aresta de corte, pois encontra a área endurecida do material.

Conclusão

O controle da espessura do cavaco é um fator importante em operações de fresamento bem-sucedidas. O aproveitamento total dos conceitos de espessura do cavaco envolve primeiro o cálculo da espessura equivalente do cavaco e, em seguida, a determinação dos limites mínimo e máximo da espessura do cavaco.

Como o modelo complexo da espessura equivalente do cavaco inclui uma coleção de variáveis, os cálculos necessários para resolver a equação consomem muito mais tempo e esforço do que o modelo simplificado para a espessura média dos cavacos. Fazer manualmente os cálculos em um ambiente de produção não proporciona eficiência de tempo e custo.

No entanto, a disponibilidade de softwares para calcular parâmetros de usinagem (como o oferecido pela Seco Tools) per­ mite que os usuários insiram os dados e resolvam as equações em segundos. Isso resulta em processos otimizados de fresamento que aumentam a produtividade.