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REVISTA DA MADEIRA - EDIÇÃO N°68 - DEZEMBRO DE 2002

Usinagem

Usinagem

Nos ltimos anos, a engenharia de manufatura tem sido desafiada no sentido de atender a crescente demanda de produo, deparando-se com a necessidade de usinar diferentes tipos de materiais, com propriedades mecnicas mais definidas, e para certos produtos com maior resistncia ao corte. Assim, o foco das ferramentas de corte e dos processos de usinagem tem se concentrado em apresentar solues especficas para cada tipo de material a ser usinado, fornecendo novos materiais, ligas e tecnologias de usinagem atravs de princpios que levem a uma otimizao cada vez maior da reduo de custos de produo.

O processo de usinagem em pinus adota os princpios de um trip de sustentao para a tomada de decises em um processo, em que a qualidade de usinagem desejada est diretamente associada a expectativa do mercado a que ela se destina. Assim poderamos ter uma qualidade de usinagem especfica para um cliente A e que poderia no satisfazer um cliente B.

O conceito de aspectos produtivos no processo de beneficiamento de pinus, passa por fatores como produtividade, custo, mercado, equipamento e mo-de-obra, entretanto um item imprescindvel a ser considerado a Usinagem.

Ao considerarmos que as duas espcies de pinus mais utilizadas na manufatura no Brasil so Pinus elliottii e Pinus taeda, a princpio, poderamos considerar que as caractersticas fisico-mecnicas destas espcies seriam semelhantes, porm nem sempre isto verdadeiro. Mesmo considerando o fato de que algumas empresas utilizam em seu processo uma s espcie de pinus, entretanto procedente de diferentes regies, e com diferentes condies climticas e de solo.

Durante o processo de usinagem, ou seja, quando o material est sendo cisalhado, a ferramenta fica exposta as cargas mecnicas, trmicas, e dinmicas to complexas que dificulta a disponibilidade destes materiais cortantes suficientemente adequados para suportar todas essas combinaes de cargas. As variveis que surgem durante o processo de usinagem requerem que o material cortante possua combinaes de propriedades tais como resistncia abraso, eroso, corroso, s altas temperaturas e aos choques trmicos bem como formao de fissuras e propagao de trincas. Tais combinaes de propriedades so somente encontradas em materiais cortantes de alta tecnologia tais como os materiais sinterizados e mesmo assim com restries. Especificamente no caso do pinus, no recomendado o Metal Duro (HM) que no gera uma melhor qualidade da superfcie usinada do que o ao dito rpido (HSS).



A maioria das industrias que trabalham com usinagem em seu processo produtivo tem dado uma contribuio valiosa para a melhoria da tecnologia de corte. O desenvolvimento de materiais cortantes desde as ferramentas de ao rpido, de metal duro, at de cermica com camadas resistentes ao desgaste, tem possibilitado a utilizao dessas ferramentas com velocidades de corte cada vez maior. E isto tem feito com que os fabricantes de mquinas operatrizes desenvolvam suas mquinas utilizando todas as exigncias desses novos materiais.

Para todos os tipos de usinagem de pinus, um dos principais elementos a ser considerado o esforo necessrio para a remoo do material. Este esforo pode ser traduzido para todas as ferramentas e em todos os processos de usinagem, desde o traamento das rvores na floresta, o posterior desdobro das toras na serraria, at o acabamento das peas beneficiadas seja com serra circular, serra fita, moldureira, ou em centro de usinagem. Podemos afirmar que um dos indicadores para uma melhor interpretao do real desempenho das ferramentas representado pelo esforo que solicitado esta ferramenta no processo. A idia transferir para uma forma matemtica o comportamento da ferramenta, associa-se a isto elementos que auxiliam na alocao de variveis ligada matria prima, ferramenta e s condies de corte.

a) Matria Prima

Os parmetros associados matria prima, mesmo sendo o pinus so diversos.

A densidade do pinus variando de 0,40 0,55 g/cm3, agravada pela variao em um espectro pequeno, em at 30%, dentro de uma mesma rvore. Este parmetro o mais utilizado para definir correlao com os esforos de corte. No entanto, importante salientar, que a densidade a conseqncia de toda a estrutura anatmica de uma espcie e por isso se utiliza a densidade a fim de simplificar as explicaes.

A abrasividade, segundo parmetro comumente evocado, no influencia diretamente sobre os esforos de corte, mas sobre o desgaste prematuro dos gumes. Conseqentemente, os gumes desgastados ocasionaram esforos maiores. O pinus no uma espcie abrasiva, mas a abrasividade do pinus um fator a ser considerado, principalmente quando da usinagem em peas secas, onde uma cristalizao das resinas, isto pode ser evidenciado comparando diferentes espcies onde h uma maior concentrao de resina

Especificamente para nossa matria madeira, a direo de corte exerce um efeito importante sobre o esforo necessrio para a usinagem. Um maior esforo solicitado no topo, um esforo intermedirio no sentido longitudinal s fibras, e um menor esforo no sentido transversal s fibras.

O esforo de corte tambm influenciado pela umidade da madeira a ser usinada. A princpio h um pequeno incremento do esforo da ferramenta partindo de 0% de umidade at atingir aproximadamente 9%, a partir da qual o esforo ao corte vai decrescendo de uma forma acentuada at o ponto de saturao das fibras, aps o ponto de saturao das fibras o esforo decresce de forma menos acentuada com incremento da umidade. O melhor exemplo para mostrar a influencia da umidade o caso da laminao. Os esforos elevados necessrios para esta operao so consideravelmente reduzidos com uma tora muito mida.

O efeito da temperatura quanto ao esforo requerido para a usinagem de pinus significativo. A este fator est relacionado tambm ao sentido do corte. Para um corte de transversal, o aumento da temperatura implica em um decrscimo conseqente do esforo requerido, entretanto uma inclinao menos acentuada para os cortes longitudinal e de topo. O mesmo exemplo da laminao de tora pode ser utilizado para ilustrar a importncia da elevao de temperatura, associada alta umidade, para produzir laminas de pinus.

Outro elemento associado matria prima a sua heterogeneidade, apesar do gnero pinus apresentar uma distribuio uniforme das caractersticas anatmicas, ele possui uma alterao sistemtica de lenho outonal e primaveril, e com isso o processo de usinagem apresenta comportamentos diferenciados para a ferramenta. A existncia de ns, onde se tem uma rea de extrema densidade associada a um lenho primaveril com densidade bem menor, engendrar conseqentemente variaes importantes dos esforos de corte.



b) Ferramenta

Um primeiro elemento associado a ferramenta o seu dimetro, sendo ele inversamente proporcional ao esforo necessrio para usinagem, ou em outras palavras, quanto maior o dimetro da ferramenta menor ser o esforo para usinagem.

O ngulo de ataque ou ngulo gama (?), exerce uma relao com o esforo durante a usinagem no sentido de que um acrscimo deste ngulo implica em um menor esforo para o processo. Alem disso, a rugosidade do peito do dente, outro fator com influncia no esforo de corte. O aumento da rugosidade do peito do dente ou da faca, gerado por uma afiao no cuidadosa ou, gerado principalmente pelo acmulo de resina nas ferramentas, criar um aumento no esforo e, com um agravante, a reduo da qualidade da pea usinada, fato este muito comum no processo de usinagem de pinus.

Com o incremento do comprimento do gume, haver uma maior resistncia ao corte da ferramenta, assim a necessidade de uma maior potencia instalada. Os menores esforos esto associados aos menores comprimentos do gume. O comprimento do gume o nico parmetro diretamente proporcional, ou seja, se dobra o comprimento, dobra o esforo.

Algumas tcnicas podem ser utilizadas para amenizar o esforo sobre as ferramentas no processo de usinagem. Uma delas posicionar o gume das facas ou serras em um ngulo obliquo direo do sentido de corte, definido como ngulo lambda (?S), proporcionando um ataque progressivo. Isto pode ser possvel para cabeotes com inclinao no local de fixao das facas, normalmente estas ferramentas possuem facas com pastilhas recambiveis. Alm de minimizar o esforo de corte, a qualidade da superfcie usinada consideravelmente melhorada. Outra forma de reduzir o esforo a distribuio de pastilhas em um sentido helicoidal, porm sem uma inclinao do gume em relao ao sentido de corte. Este tipo de disposio das facas define um menor esforo da ferramenta, com menor consumo de energia. A ao da ferramenta com gume inclinado resulta tambm em sua maior longevidade, e uma reduo no nvel de rudo.

c) Condies de Corte

Associado a condio de corte, o primeiro parmetro fortemente relacionado ao esforo a velocidade de avano. Esta normalmente mencionada em metro linear por minuto (m/min), com a qual uma pea passa por uma ferramenta. Assim um incremento na velocidade de avano implica em uma elevao quase exponencial do esforo de corte sobre a ferramenta. Uma velocidade de avano muito baixa implica um esforo baixo, mas um super aquecimento do gume, maior tempo de trabalho e conseqentemente menor vida til da ferramenta.

A velocidade de corte em mdia duzentas vezes maior que a velocidade de avano e expressa em metro por segundo (m/s). Esta velocidade est diretamente associada ao dimetro da ferramenta, para uma mesma rotao de eixo, quanto maior o dimetro da ferramenta maior ser a velocidade de corte. Para uma velocidade de corte abaixo de 40m/s, h uma grande requisio de esforo necessria a usinagem, assim a velocidade de corte inversamente proporcional ao esforo.

Outro fator associado s condies de corte a espessura mdia do cavaco (em), onde independente da direo de corte ou do sentido do gume, o esforo cresce em funo do aumento da espessura do cavaco. A solicitao do esforo em funo do aumento da espessura mdia do cavaco, percebida de forma mais amena no sentido transversal (0 , 90). A solicitao do esforo maior no corte longitudinal (90 , 0), culminando no corte de topo (90 , 90) onde um pequeno aumento da espessura mdia do cavaco implica em um aumento significativo do esforo durante a usinagem.

A altura hD ou a profundidade do corte tambm tem uma influncia direta no esforo necessrio para a remoo do material usinado e este esforo mais evidente nas direes longitudinais e de topo.

Potncia

Conhecendo os esforos reais podemos calcular a potncia necessria. Para o clculo individualizado da potncia necessria para usinagem de uma determinada pea de pinus, devemos nos valer de algumas grandezas, descritas em artigos anteriores.

As variveis desta frmula so:

Largura do material removido bD ou comprimento do gume envolvido (cm)

Avano por dente fz ou passo da ondulao (mm)

Velocidade de avano (m/min)

Comprimento do cavaco lC (mm)

Esforo de usinagem FU por centmetro de largura da pea (N/cm)

A determinao da espessura mdia do cavaco, dependendo do fz, torna-se necessria para a consulta no grfico do valor do esforo de usinagem FU.

Esta prtica de consultar o grfico ou uma tabela para encontrar o FU, feita como objetivo de ter este valor de forma aproximada, uma vez que para a determinao do esforo de usinagem para cada situao especfica deveria ser feito ensaio em laboratrio para definir os corretos valores. A definio da potncia necessria representada por Pa (kW), definida segundo a frmula abaixo. Assim teremos o consumo de energia necessria para a remoo do material no processo de usinagem.

Calculado a potncia global, possvel definir o consumo por rea usinada, desta forma teremos a relao de consumo de energia baseado no esforo necessrio para a remoo do material a ser usinado em kW/cm2.

A anlise de consumo ou do esforo necessrio para a usinagem do pinus deve ser considerada para cada plano de corte de forma independente. Como exemplo podemos citar o aplainamento de uma pea bruta, comparando os cabeotes superior e inferior, considerando que ambos trabalhem com facas retas, apesar da aparente similaridade do processo, por razes tcnicas h uma diferena na profundidade de corte e conseqentemente no comprimento do cavaco lc, e por menor que seja esta diferena o suficiente para termos condies diferenciadas no esforo de usinagem para cada uma das situaes.

Os esforos necessrios usinagem do pinus pode ter sua interpretao resumida fixado-se elementos para as variveis que compem os indicadores, entretanto torna-se interessante o desenvolvimento destes indicadores para cada situao como diferentes condies de umidade, condies de afiao, ngulo das ferramentas, tipos de corte a serem executados. Est representada uma situao para Pinus sp, com densidade de 0,45 g/cm3, com umidade de 12%, onde a ferramenta de corte possui ngulo de ataque (?) de 30. Em um aspecto geral observa-se independente do sentido de corte ser longitudinal, transversal ou de topo, um crescente incremento do esforo da ferramenta (N/cm), em funo do aumento da espessura mdia do cavaco (em). Assim fatores como um progressivo aumento da velocidade de avano, caso no haja uma compensao de outros fatores do processo de usinagem como alterao dos ngulos da ferramenta ou aumento da velocidade de corte implica em um maior esforo sobre a ferramenta de corte, e com isso incide uma srie de implicadores j relacionados como maior desgaste da ferramenta e maior consumo de energia.

Para concluir, podemos afirmar que no possvel definir um esforo ou uma potncia sem ter conhecimento detalhado do processo colocando em evidencia a interligao de todos os parmetros. Alem disso, nunca devemos esquecer que o primeiro objetivo a ser alcanado, antes de conhecer os esforos de corte, a qualidade a ser obtido. Um esforo elevado no sinnimo de m-qualidade e um esforo baixo tambm no sinnimo de alta qualidade. No entanto, devemos lembrar que qualquer ao para reduzir os esforos ajudar melhorar a qualidade da superfcie usinada.

Arnaud Bonduelle - Doutor em Cincias 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