Nos últimos anos, a engenharia de manufatura tem sido desafiada no sentido de atender a crescente demanda de produção, deparando-se com a necessidade de usinar diferentes tipos de materiais, com propriedades mecânicas mais definidas, e para certos produtos com maior resistência ao corte. Assim, o foco das ferramentas de corte e dos processos de usinagem tem se concentrado em apresentar soluções específicas para cada tipo de material a ser usinado, fornecendo novos materiais, ligas e tecnologias de usinagem através de princípios que levem a uma otimização cada vez maior da redução de custos de produção.
O processo de usinagem em pinus adota os princípios de um tripé de sustentação para a tomada de decisões em um processo, em que a qualidade de usinagem desejada está diretamente associada a expectativa do mercado a que ela se destina. Assim poderíamos ter uma qualidade de usinagem específica para um cliente “A” e que poderia não satisfazer um cliente “B”.
O conceito de aspectos produtivos no processo de beneficiamento de pinus, passa por fatores como produtividade, custo, mercado, equipamento e mão-de-obra, entretanto um item imprescindível a ser considerado é a Usinagem.
Ao considerarmos que as duas espécies de pinus mais utilizadas na manufatura no Brasil são Pinus elliottii e Pinus taeda, a princípio, poderíamos considerar que as características fisico-mecânicas destas espécies seriam semelhantes, porém nem sempre isto é verdadeiro. Mesmo considerando o fato de que algumas empresas utilizam em seu processo uma só espécie de pinus, entretanto procedente de diferentes regiões, e com diferentes condições climáticas e de solo.
Durante o processo de usinagem, ou seja, quando o material está sendo cisalhado, a ferramenta fica exposta as cargas mecânicas, térmicas, e dinâmicas tão complexas que dificulta a disponibilidade destes materiais cortantes suficientemente adequados para suportar todas essas combinações de cargas. As variáveis que surgem durante o processo de usinagem requerem que o material cortante possua combinações de propriedades tais como resistência à abrasão, à erosão, à corrosão, às altas temperaturas e aos choques térmicos bem como à formação de fissuras e à propagação de trincas. Tais combinações de propriedades são somente encontradas em materiais cortantes de alta tecnologia tais como os materiais sinterizados e mesmo assim com restrições. Especificamente no caso do pinus, não é recomendado o Metal Duro (HM) que não gera uma melhor qualidade da superfície usinada do que o aço dito rápido (HSS).
A maioria das industrias que trabalham com usinagem em seu processo produtivo tem dado uma contribuição valiosa para a melhoria da tecnologia de corte. O desenvolvimento de materiais cortantes desde as ferramentas de aço rápido, de metal duro, até de cerâmica com camadas resistentes ao desgaste, tem possibilitado a utilização dessas ferramentas com velocidades de corte cada vez maior. E isto tem feito com que os fabricantes de máquinas operatrizes desenvolvam suas máquinas utilizando todas as exigências desses novos materiais.
Para todos os tipos de usinagem de pinus, um dos principais elementos a ser considerado é o esforço necessário para a remoção do material. Este esforço pode ser traduzido para todas as ferramentas e em todos os processos de usinagem, desde o traçamento das árvores na floresta, o posterior desdobro das toras na serraria, até o acabamento das peças beneficiadas seja com serra circular, serra fita, moldureira, ou em centro de usinagem. Podemos afirmar que um dos indicadores para uma melhor interpretação do real desempenho das ferramentas é representado pelo esforço que é solicitado á esta ferramenta no processo. A idéia é transferir para uma forma matemática o comportamento da ferramenta, associa-se a isto elementos que auxiliam na alocação de variáveis ligada à matéria prima, à ferramenta e às condições de corte.
a) Matéria Prima
Os parâmetros associados á matéria prima, mesmo sendo o pinus são diversos.
A densidade do pinus variando de 0,40 á 0,55 g/cm3, é agravada pela variação em um espectro pequeno, em até 30%, dentro de uma mesma árvore. Este parâmetro é o mais utilizado para definir correlação com os esforços de corte. No entanto, é importante salientar, que a densidade é a conseqüência de toda a estrutura anatômica de uma espécie e por isso se utiliza a densidade a fim de simplificar as explicações.
A abrasividade, segundo parâmetro comumente evocado, não influencia diretamente sobre os esforços de corte, mas sobre o desgaste prematuro dos gumes. Conseqüentemente, os gumes desgastados ocasionaram esforços maiores. O pinus não é uma espécie abrasiva, mas a abrasividade do pinus é um fator a ser considerado, principalmente quando da usinagem em peças secas, onde á uma cristalização das resinas, isto pode ser evidenciado comparando diferentes espécies onde há uma maior concentração de resina
Especificamente para nossa matéria “madeira”, a direção de corte exerce um efeito importante sobre o esforço necessário para a usinagem. Um maior esforço é solicitado no topo, um esforço intermediário no sentido longitudinal às fibras, e um menor esforço no sentido transversal às fibras.
O esforço de corte também é influenciado pela umidade da madeira a ser usinada. A princípio há um pequeno incremento do esforço da ferramenta partindo de 0% de umidade até atingir aproximadamente 9%, a partir da qual o esforço ao corte vai decrescendo de uma forma acentuada até o ponto de saturação das fibras, após o ponto de saturação das fibras o esforço decresce de forma menos acentuada com incremento da umidade. O melhor exemplo para mostrar a influencia da umidade é o caso da laminação. Os esforços elevados necessários para esta operação são consideravelmente reduzidos com uma tora muito úmida.
O efeito da temperatura quanto ao esforço requerido para a usinagem de pinus é significativo. A este fator está relacionado também ao sentido do corte. Para um corte de transversal, o aumento da temperatura implica em um decréscimo conseqüente do esforço requerido, entretanto uma inclinação menos acentuada para os cortes longitudinal e de topo. O mesmo exemplo da laminação de tora pode ser utilizado para ilustrar a importância da elevação de temperatura, associada à alta umidade, para produzir laminas de pinus.
Outro elemento associado á matéria prima é a sua heterogeneidade, apesar do gênero pinus apresentar uma distribuição uniforme das características anatômicas, ele possui uma alteração sistemática de lenho outonal e primaveril, e com isso o processo de usinagem apresenta comportamentos diferenciados para a ferramenta. A existência de nós, onde se tem uma área de extrema densidade associada a um lenho primaveril com densidade bem menor, engendrará conseqüentemente variações importantes dos esforços de corte.
b) Ferramenta
Um primeiro elemento associado a ferramenta é o seu diâmetro, sendo ele inversamente proporcional ao esforço necessário para usinagem, ou em outras palavras, quanto maior o diâmetro da ferramenta menor será o esforço para usinagem.
O ângulo de ataque ou ângulo gama (?), exerce uma relação com o esforço durante a usinagem no sentido de que um acréscimo deste ângulo implica em um menor esforço para o processo. Alem disso, a rugosidade do peito do dente, é outro fator com influência no esforço de corte. O aumento da rugosidade do peito do dente ou da faca, gerado por uma afiação não cuidadosa ou, gerado principalmente pelo acúmulo de resina nas ferramentas, criará um aumento no esforço e, com um agravante, a redução da qualidade da peça usinada, fato este muito comum no processo de usinagem de pinus.
Com o incremento do comprimento do gume, haverá uma maior resistência ao corte da ferramenta, assim a necessidade de uma maior potencia instalada. Os menores esforços estão associados aos menores comprimentos do gume. O comprimento do gume é o único parâmetro diretamente proporcional, ou seja, se dobra o comprimento, dobra o esforço.
Algumas técnicas podem ser utilizadas para amenizar o esforço sobre as ferramentas no processo de usinagem. Uma delas é posicionar o gume das facas ou serras em um ângulo obliquo à direção do sentido de corte, definido como ângulo lambda (?S), proporcionando um ataque progressivo. Isto pode ser possível para cabeçotes com inclinação no local de fixação das facas, normalmente estas ferramentas possuem facas com pastilhas recambiáveis. Além de minimizar o esforço de corte, a qualidade da superfície usinada é consideravelmente melhorada. Outra forma de reduzir o esforço é a distribuição de pastilhas em um sentido helicoidal, porém sem uma inclinação do gume em relação ao sentido de corte. Este tipo de disposição das facas define um menor esforço da ferramenta, com menor consumo de energia. A ação da ferramenta com gume inclinado resulta também em sua maior longevidade, e uma redução no nível de ruído.
c) Condições de Corte
Associado a condição de corte, o primeiro parâmetro fortemente relacionado ao esforço é a velocidade de avanço. Esta é normalmente mencionada em metro linear por minuto (m/min), com a qual uma peça passa por uma ferramenta. Assim um incremento na velocidade de avanço implica em uma elevação quase exponencial do esforço de corte sobre a ferramenta. Uma velocidade de avanço muito baixa implica um esforço baixo, mas um super aquecimento do gume, maior tempo de trabalho e conseqüentemente menor vida útil da ferramenta.
A velocidade de corte em média é duzentas vezes maior que a velocidade de avanço e é expressa em metro por segundo (m/s). Esta velocidade está diretamente associada ao diâmetro da ferramenta, para uma mesma rotação de eixo, quanto maior o diâmetro da ferramenta maior será a velocidade de corte. Para uma velocidade de corte abaixo de 40m/s, há uma grande requisição de esforço necessária a usinagem, assim a velocidade de corte é inversamente proporcional ao esforço.
Outro fator associado às condições de corte é a espessura média do cavaco (em), onde independente da direção de corte ou do sentido do gume, o esforço cresce em função do aumento da espessura do cavaco. A solicitação do esforço em função do aumento da espessura média do cavaco, é percebida de forma mais amena no sentido transversal (0 , 90). A solicitação do esforço é maior no corte longitudinal (90 , 0), culminando no corte de topo (90 , 90) onde um pequeno aumento da espessura média do cavaco implica em um aumento significativo do esforço durante a usinagem.
A altura hD ou a profundidade do corte também tem uma influência direta no esforço necessário para a remoção do material usinado e este esforço é mais evidente nas direções longitudinais e de topo.
Potência
Conhecendo os esforços reais podemos calcular a potência necessária. Para o cálculo individualizado da potência necessária para usinagem de uma determinada peça de pinus, devemos nos valer de algumas grandezas, descritas em artigos anteriores.
As variáveis desta fórmula são:
Largura do material removido bD ou comprimento do gume envolvido (cm)
Avanço por dente fz ou passo da ondulação (mm)
Velocidade de avanço (m/min)
Comprimento do cavaco lC (mm)
Esforço de usinagem FU por centímetro de largura da peça (N/cm)
A determinação da espessura média do cavaco, dependendo do fz, torna-se necessária para a consulta no gráfico do valor do esforço de usinagem FU.
Esta prática de consultar o gráfico ou uma tabela para encontrar o FU, é feita como objetivo de ter este valor de forma aproximada, uma vez que para a determinação do esforço de usinagem para cada situação específica deveria ser feito ensaio em laboratório para definir os corretos valores. A definição da potência necessária representada por Pa (kW), é definida segundo a fórmula abaixo. Assim teremos o consumo de energia necessária para a remoção do material no processo de usinagem.
Calculado a potência global, é possível definir o consumo por área usinada, desta forma teremos a relação de consumo de energia baseado no esforço necessário para a remoção do material a ser usinado em kW/cm2.
A análise de consumo ou do esforço necessário para a usinagem do pinus deve ser considerada para cada plano de corte de forma independente. Como exemplo podemos citar o aplainamento de uma peça bruta, comparando os cabeçotes superior e inferior, considerando que ambos trabalhem com facas retas, apesar da aparente similaridade do processo, por razões técnicas há uma diferença na profundidade de corte e conseqüentemente no comprimento do cavaco lc, e por menor que seja esta diferença é o suficiente para termos condições diferenciadas no esforço de usinagem para cada uma das situações.
Os esforços necessários à usinagem do pinus pode ter sua interpretação resumida fixado-se elementos para as variáveis que compõem os indicadores, entretanto torna-se interessante o desenvolvimento destes indicadores para cada situação como diferentes condições de umidade, condições de afiação, ângulo das ferramentas, tipos de corte a serem executados. Está representada uma situação para Pinus sp, com densidade de 0,45 g/cm3, com umidade de 12%, onde a ferramenta de corte possui ângulo de ataque (?) de 30º. Em um aspecto geral observa-se independente do sentido de corte ser longitudinal, transversal ou de topo, um crescente incremento do esforço da ferramenta (N/cm), em função do aumento da espessura média do cavaco (em). Assim fatores como um progressivo aumento da velocidade de avanço, caso não haja uma compensação de outros fatores do processo de usinagem como alteração dos ângulos da ferramenta ou aumento da velocidade de corte implica em um maior esforço sobre a ferramenta de corte, e com isso incide uma série de implicadores já relacionados como maior desgaste da ferramenta e maior consumo de energia.
Para concluir, podemos afirmar que não é possível definir um esforço ou uma potência sem ter conhecimento detalhado do processo colocando em evidencia a interligação de todos os parâmetros. Alem disso, nunca devemos esquecer que o primeiro objetivo a ser alcançado, antes de conhecer os esforços de corte, é a qualidade a ser obtido. Um esforço elevado não é sinônimo de má-qualidade e um esforço baixo também não é sinônimo de alta qualidade. No entanto, devemos lembrar que qualquer ação para reduzir os esforços ajudará melhorar a qualidade da superfície usinada.
Arnaud Bonduelle - Doutor em Ciências e Tecnologia da Madeira, UFPR, Curitiba - PR, arnaud@floresta.ufpr.br
Eremar Antonio Ceni - Eng. Florestal, Chefe Qualidade Pesquisa e Desenvolvimento - Araupel S.A. – UFPR, Curitiba – PR, araupel@fiqnet.com.br |
