Usinagem: temperatura, ferramentas e fluidos de corte

Questão 1 — Interface: ferramenta / peça / cavaco

a) Esta interface está relacionada à região onde ocorre a operação de usinagem, onde a ferramenta atua sobre a peça, gerando o cavaco (porção de material retirada da peça). Essa região possui alta pressão de contato que provoca deformação e atrito ao longo do processo, gerando aumento de temperatura. A elevação da temperatura causa problemas na interface, porque reduz a resistência e a dureza da ferramenta, aumentando o desgaste e fazendo com que a ferramenta perca o corte e precise ser substituída. Para evitar fusão ou danos por calor, é importante controlar a temperatura; assim, deve-se lubrificar para reduzir o atrito e refrigerar para retirar o calor.

b) Os fluídos de corte têm, em termos gerais, as seguintes funções básicas:

• Refrigeração — retirada de calor da região de corte.
• Lubrificação — redução do atrito entre ferramenta e peça, diminuindo a geração de calor.
• Remoção de contaminantes — evacuação de cavacos e partículas sólidas da zona de corte.
• Proteção contra corrosão — proteção da peça e da ferramenta contra oxidação.

Questão 2 — Influência da forma do cavaco

A forma do cavaco influencia o acabamento superficial da peça, o desgaste da ferramenta, a segurança do operador e a obstrução do fluido de corte, entre outros aspectos. Quando o cavaco é muito longo, o ângulo de saída tende a ser alto, o que aumenta o calor gerado e acelera o desgaste da ferramenta. Para minimizar esses problemas utiliza-se um quebra-cavaco, evitando emaranhamento, aquecimento excessivo e contribuição para o desgaste da ferramenta. Cavacos curtos fragilizam menos e tornam o material mais usinável. No entanto, cavacos muito longos ou muito curtos podem danificar a peça, prejudicando o acabamento.

Questão 3 — Temperatura de interface e velocidade de corte

A temperatura é o principal fator limitante no uso de ferramentas de corte em regimes de trabalho elevados, fixando as condições máximas de produtividade e a vida útil das ferramentas. A temperatura elevada na interface tende a reduzir a dureza da peça, o que pode facilitar o corte, mas afeta também a dureza da ferramenta, reduzindo a estabilidade do gume. A geração de temperatura está diretamente ligada à velocidade de corte, ao avanço e à profundidade de corte (em ordem de importância). Para trabalhar com temperaturas mais baixas, deve-se reduzir a velocidade de corte e, a partir daí, balancear os demais parâmetros. Controlando a temperatura, evita-se a perda de dureza da ferramenta e da peça, reduz-se a pressão de contato e o desgaste, e aumenta-se a vida útil da ferramenta.

Questão 4 — Comparação entre materiais de ferramentas

De modo geral, observa-se uma relação entre dureza e tenacidade: quanto maior a dureza, menor tende a ser a tenacidade. Materiais muito duros (por exemplo, diamante) apresentam tenacidade relativamente baixa; já materiais muito tenazes (como alguns aços-rápidos) apresentam dureza menor. Materiais intermediários (como cermets, algumas cerâmicas, metal duro e metal duro revestido) buscam um equilíbrio entre dureza e tenacidade. Um material ideal estaria numa combinação ótima entre dureza e tenacidade, mas é praticamente impossível alcançá-lo em termos absolutos devido às limitações dos materiais e das tecnologias disponíveis.

Questão 5 — Calor excessivo: controle dimensional e dissipação

O calor excessivo pode provocar dilatação térmica da peça, afetando o controle dimensional e a precisão das medidas. Para minimizar esse efeito, deve-se usar fluído de corte que reduza a temperatura suficientemente para evitar variações dimensionais significativas. O calor gerado na usinagem se dissipa principalmente por:

• cavaco;
• peça;
• ferramenta;
• e, como principal dissipador em muitos processos, o fluído de corte (refrigeração e remoção de calor).

Questão 6 — Usinabilidade e efeito da temperatura

Usinabilidade é o grau de facilidade ou dificuldade de usinar determinado material. Depende do estado metalúrgico da peça, da dureza, das propriedades mecânicas, da composição química e da microestrutura (por exemplo, grãos grandes tendem a reduzir a dureza e facilitar a deformação e o cisalhamento).

O aumento da temperatura diminui a dureza da peça, reduzindo os esforços de corte e a resistência ao cisalhamento; porém, a temperatura elevada também reduz a dureza da ferramenta, dificultando o corte, aumentando a pressão de contato e elevando o desgaste, o que reduz a vida útil da ferramenta. Portanto, os efeitos da temperatura sobre peça e ferramenta são distintos e muitas vezes contrapostos.

Questão 7 — Profundidade, avanço e velocidade: influência na vida da ferramenta

Dos três parâmetros citados, a velocidade de corte é o que mais influencia a vida útil da ferramenta, seguida pelo avanço e, por fim, pela profundidade de corte. A velocidade de corte gera maior atrito e, consequentemente, mais calor, acelerando o desgaste. O avanço também contribui para a geração de calor, porém em menor escala; o aumento da profundidade de corte aumenta a pressão de contato e, por isso, tem menor influência no desgaste que a velocidade.

Para estruturar um modelo balanceado, recomenda-se reduzir a velocidade quando a temperatura e o desgaste forem críticos, ajustar o avanço para manter produtividade e acabamento aceitáveis e usar profundidades de corte compatíveis com a resistência da ferramenta e a rigidez do conjunto máquina-peça-ferramenta.

Questão 8 — Limitações: grandes profundidades, avanços e velocidades

Grandes profundidades de corte: a limitação está relacionada ao material da ferramenta e à sua natureza; muitas ferramentas não suportam grandes profundidades sem falhar.

Grandes avanços: a limitação ocorre devido ao acabamento superficial do sistema peça–ferramenta. Um avanço muito grande reduz a qualidade do acabamento e aumenta o desgaste da ferramenta por maior geração de calor.

Grandes velocidades: o sistema perde estabilidade; com mais rotações por unidade de tempo aumenta-se a temperatura do sistema e, pela menor estabilidade, há maior dificuldade em dissipar o calor adequadamente.

Questão 9 — Principais materiais para ferramentas de usinagem

• Aços-rápidos: aço-ferramenta tenaz, com elevada resistência ao desgaste e boa resistência ao calor. Estrutura martensítica.
• Metal duro: produto da metalurgia do pó. Alta dureza e resistência à compressão.
• Cermets: fase cerâmica combinada com fase metálica. Resistentes ao desgaste, estáveis quimicamente e com alta resistência à oxidação e à deformação plástica.
• Material cerâmico: alta dureza a quente, porém baixa condutividade térmica (dificulta a transferência de calor e faz com que as interfaces atinjam temperaturas mais altas) e baixa tenacidade (facilita trincamento e quebra da ferramenta).
• Diamante: material de maior dureza. Alto custo; usado quando se deseja alta precisão dimensional e acabamento espelhado (por exemplo, lentes e componentes ópticos).

Questão 10 — Tipos de cerâmicas para ferramentas

• Cerâmicas óxidas: alta dureza a quente, pouca resistência à flexão e extremamente sensíveis a choques térmicos (usinam-se a seco com cuidado). Empregadas em ferros fundidos e aços de alta resistência.
• Cerâmicas mistas: mais tenazes que as óxidas, com maior resistência de canto e gume, mais resistentes a variações de temperatura e ao desgaste.
• Cerâmicas de corte reforçado: melhoram propriedades de tenacidade e apresentam boa resistência a choques térmicos.
• Cerâmicas não-óxidas: elevada dureza a quente e boa resistência ao calor; apresentam maior tenacidade e resistência a choque térmico comparadas às óxidas.

Questão 11 — Funções dos fluídos lubri-refrigerantes

As principais funções dos fluídos lubri-refrigerantes são:

• Lubrificar — reduzir o atrito para diminuir a geração de calor e economizar potência da máquina, facilitando o deslizamento do cavaco.
• Retirar calor — dissipar calor pela ação refrigerante e reduzir a geração de calor pelo efeito lubrificante.
• Limpar — a aplicação em jato ajuda a remover partículas e cavacos da zona de corte, facilitando o controle visual da qualidade do trabalho.
• Proteger a interface ferramenta/peça — impedir oxidação da ferramenta e da peça, aumentando a vida útil da ferramenta e melhorando o acabamento.