Otimização dos parâmetros de fresamento com ferramentas toroidais na usinagem de moldes e matrizes

O fresamento é o principal processo de fabricação na manufatura de produtos, componentes, moldes e matrizes contendo formas geométricas complexas, nas indústrias automotiva, aeroespacial, naval e de bens de consumo.

Existem hoje do mercado diversas geometrias de ferramentas para fresamento. As fresas com geometrias toroidais tem ampliado seu uso, devido suas condições mais favoráveis para usinagem, propiciando maior rigidez, se comparada com fresas de ponta esférica, e acabamento em paredes que tendem a ser paralelas ao eixo da ferramenta, pois estas ferramentas possuem raio na extremidade. Estas ferramentas podem ser inteiriças (para diâmetros pequenos) ou com insertos.

O desgaste das fresas pode acarretar erros geométricos e comprometer a rugosidade da superfície usinada, o que exige posterior processo de polimento para se atingir a qualidade desejada, elevando os custos e tempo de fabricação, uma vez que o polimento de moldes e matrizes é realizado manualmente, devido a sua alta complexidade. A qualidade superficial e dimensional de moldes e matrizes podem afetar diretamente na qualidade do produto final. As operações de usinagem e polimento representam aproximadamente dois terços do custo total do processo de manufatura de produtos que utilizam moldes e matrizes.

Além de avarias, o desgaste da ferramenta é um critério importante para se determinar o fim de vida da ferramenta. Na maioria dos casos, o desgaste é caracterizado pelo aumento progressivo do desgaste de flanco.

Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo estudar a influência da velocidade de corte (vc) e do avanço por aresta (fz) no desgaste de fresas toroidais, para usinagem de moldes e matrizes. O principal objetivo é identificar os parâmetros que que otimizam a produtividade, considerando tempo de usinagem, volume de material removido, e desgaste da ferramenta.

Procedimento experimental

O trabalho experimental consiste basicamente em operações de fresamento e foi dividido em duas etapas:

a) Etapa 1: foram realizadas usinagens predominantemente de topo, variando a velocidade de corte (vc) e mantendo os outros parâmetros como profundidade de corte axial (ap), radial (ae) e avanço por aresta (fz) constantes.

b) Etapa 2: na segunda etapa do experimento as usinagens foram predominantemente tangenciais, variando o avanço por aresta e mantendo os outros parâmetros constantes, como apresenta a tabela 1. Os parâmetros foram definidos juntamente com os fornecedores das ferramentas, sendo que estes são os mais comumente empregados na indústria em operações de acabamento. Todas as usinagens foram desenvolvidas utilizando estratégia de passes paralelos no sentido de corte concordante.


Para a primeira etapa do estudo, onde foi variada a velocidade de corte, o critério de fim de experimento foi definido como sendo 10 horas de usinagem. A cada duas horas o experimento foi interrompido para ser feita a análise do desgaste no microscópio. Para a segunda etapa foi variado o avanço por aresta e o critério de fim de experimento seria quando o desgaste de flanco máximo (VBmáx) atingisse o valor de 0,08 mm. Nesta etapa avaliou-se o desgaste da ferramenta a cada uma hora. A figura 1 mostra a geometria do corpo de prova de dimensões 200 x 150 x 100 mm, bem como a trajetória da ferramenta.


Figura 1 - Dimensões da peça e trajetória da ferramenta

A matéria-prima estudada foi o VP Atlas, fornecido pela Villares Metals, possui boa usinabilidade sendo indicado para a manufatura de moldes. Possui dureza de aproximadamente 40 HRC . A tabela 2 apresenta a composição química do material.


A ferramenta utilizada foi uma fresa toroidal com recobrimento em TiSiN, com 10 mm de diâmetro e quatro arestas. A figura 2 apresenta a geometria da fresa e a tabela 3 suas dimensões principais.

Figura 2 - Geometria da ferramenta


Tabela 3 - Dimensões da ferramenta

Diâmetro (D) Raio (R) Comp. Corte (L1) Comp. Total (L) Diâmetro da haste (d) No de arestas

Foram realizadas análises dos desgastes das arestas durante o experimento, utilizando um microscópio digital USB. Foi medido a aresta de corte identificando o maior desgaste no flanco principal, conforme sugere norma a ISO 3685 (figura 3).



Figura 3 - Mecanismos de desgaste da ferramenta (ISO 3685)

Os experimentos foram conduzidos em um centro de usinagem Romi D600 com 7.500 RPM e comando Fanuc-0i, utilizando ar comprimido a 4 bar de pressão como agente refrigerante.

Resultados e discussões

A figura 4a mostra a ferramenta vista de topo e a região onde ocorreu o maior desgaste. A evolução do desgaste de uma das arestas é apresentada na figura 4b.


Figura 4a - Vista de topo da fresa - região em que foi analisado o desgaste


Figura 4b - Vista do desgaste progressivo da aresta, fz = 0.27 mm/aresta

Os valores das médias dos desgastes das quatro arestas de cada ferramenta, bem como o respectivo comprimento usinado, são mostrados na tabela 4 para a variação da velocidade de corte.

O gráfico gerado a partir das informações adquiridas na análise das arestas, variando a velocidade de corte (figura 5), mostra que para seis horas de usinagem, a velocidade de corte recomendada possui o mesmo desgaste da velocidade de corte máxima estudada. A partir daí é possível identificar uma tendência de elevar o desgaste com o aumento da velocidade de corte.

Figura 5 - Gráfico do desgaste da aresta em função do tempo

A tabela 5 mostra o desgaste para a variação do avanço por aresta.


Para operações de usinagem que necessitam maior precisão, em geral na indústria de moldes e matrizes, é frequentemente utilizado 0,08 mm no desgaste de flanco máximo. Recomenda-se, baseado nos resultados obtidos, elevar a velocidade de corte em 34% da velocidade recomendada (175 m/min), tendo-se um ganho de 23% sem elevar o desgaste de flanco, conforme figura 6.

Para operações as quais não requeiram elevada precisão (VBmáx de até 0,135 mm) observou-se que elevando a vc em 34% da recomendada (de 175 para 235 m/min), obteve-se um aumento de 23% de comprimento usinado, com aumento de 20% no desgaste de flanco (de 0,11 para 0,135 mm), considerando o total de 10 horas de usinagem. Dentro destes limites, a vc de 235 continua sendo a melhor opção de usinagem.

Em relação ao avanço por aresta, apesar de fz = 0,18 mm/aresta ser a condição que usinou o maior comprimento, mostrou-se menos eficiente que fz = 0,27 por ter levado 33% mais tempo (1h) usinando apenas 3% a mais. Isto é verificado na figura 6.

Figura 6 - Gráfico do desgaste da aresta em função do tempo

O fim de vida da ferramenta foi atingido com três horas de usinagem para os dois maiores valores de fz (0,27 mm/aresta e 0,23 mm/aresta), e quatro horas de usinagem para os dois menores (0,18 mm/aresta e 0,13 mm/aresta) como mostrado na tabela 6.

Conclusões

Neste trabalho, a velocidade de corte e o avanço por aresta foram alterados para identificar a influência destes parâmetros no desgaste e na sua vida útil de fresas. Os parâmetros de maior produtividade foram quantificados a fim de contribuir com o processo de usinagem de moldes e matrizes empregando fresas toroidais. Dentre as principais conclusões, destacam-se:

• Para operações que requeiram alta precisão (VBmáx de até 0,08 mm), elevar a velocidade de corte em até 34% (235 m/min) da velocidade recomendada (175 m/min), tem-se um ganho de 23% de produtividade sem aumentar o desgaste da aresta;

• Para operações as quais não requeiram elevada precisão (VBmáx de até 0,135 mm), observou-se que houve aumento de 20% no desgaste de flanco (de 0,11 para 0,135 mm) considerando o total de 10 horas de usinagem. Dentro destes limites, a vc de 235 m/min continua sendo a melhor opção de usinagem por apresentar 23% a mais na produtividade;

• Em relação ao avanço por aresta, apesar de fz = 0,18 mm/aresta ser o que usinou o maior comprimento, mostrou-se menos eficiente que fz = 0,27 por ter levado 33% mais tempo (1h) usinando apenas 3% a mais;

• O trabalho mostra que realizar estudos sistematizados de usinagem, para otimizar parâmetros de corte, podem elevar significativamente a produtividade das indústrias.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPq, às empresas KC Ferramentas e Villares Metals, a FEESC e ao laboratório GPCAM da UFSC.

Co-autores

Martin Rasmussen - martiin_r@hotmail.com

João Luiz da Costa - joao@kcferramentas.com.br

Adriano Fagali de Souza - adriano.fagali@ufsc.br

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