Análise do processo de desbaste e acabamento por fresamento do aço AISI P20

O trabalho conjunto entre as indústrias e as instituições de pesquisa para a resolução de problemas de construção de ferramentas tem se mostrado uma boa prática para a elevação da competitividade deste setor.

Novas tecnologias e desenvolvimentos do ITA (Instituto Tecnológico de Aeronáutica) foram aplicadas em um grupo de seis ferramentarias da ACIJ (Associação Empresarial de Joinville SC), visando a otimização do processo de fabricação de cavidades.

O tema de fresamento para desbaste e para acabamento foi escolhido para otimizar o desempenho do processo de fresamento do grupo de empresas do núcleo de ferramentarias da ACIJ. O desenvolvimento tecnológico nesta área de atuação resultou no aumento de produtividade e conseqüentemente, na diminuição dos custos de fabricação de uma ferramenta, aumentando a competitividade das empresas no seu ramo de negócio.

A proposta deste trabalho foi qualificar e otimizar o desbaste e o acabamento do aço P20, baseado nos seguintes pontos:

– Otimização das estratégias de corte para desbaste e acabamento;
– Comparação da geometria de três ferramentas de corte com diâmetro definido para desbaste e acabamento.
Todas as atividades deste projeto foram realizadas e coordenadas em conjunto pelas duas instituições. O projeto contou ainda com o suporte tecnológico da AIM (Associação de Inteligência em Manufatura).
– As etapas de estudo do desbaste e do acabamento foram regidas pelo seguinte roteiro:

Estratégias de corte para desbaste e acabamento. Foram as situações de estudo criadas pelo grupo da ACIJ;
– No laboratório do ITA, foram reproduzidas estas situações, dentro da limitação encontrada, tais como outra máquina-ferramenta, outro suporte de ferramenta, outra fixação e tamanho de peça. No entanto foram considerados os mesmos balanços de ferramentas e parâmetros de corte;
– As melhores práticas, estratégias de corte e ferramentas encontradas na matriz de ensaio executada no ITA, foram aplicadas e analisadas no chão-de-fábrica das empresas participantes;
Este projeto foi coordenado tecnicamente em conjunto por representante do ITA e por representante da ACIJ.

PROCEDIMENTOS DOS ENSAIOS E CARACTERIZAÇÃO DOS PARÂMETROS DE CORTE UTILIZADOS

Para o desenvolvimento da tecnologia de usinagem do aço AISI P20, tema do presente trabalho, foram estabelecidos os seguintes tópicos:
– Desenvolvimento e implementação de estratégias de usinagem de desbaste para características de processo usuais dessas ferramentarias;

Desenvolvimento e implementação de estratégias de usinagem para acabamento (qualidade superficial máxima de Rz= 5 µm), para características de processo e;
– Identificação das ferramentas ideais para a usinagem do aço estudado (AISI P20). Para os testes de fresamento foi fixada uma matriz que incluía:
– Diferentes formas para os testes de fresamento (filetes, paredes e cavidades);

– Ferramentas diferentes com mesmo diâmetro para utilização em testes de desbaste e;
– Ferramentas diferentes com mesmo diâmetro para utilização em testes de acabamento.

PLANO EXPERIMENTAL PARA CADA TESTE

De maneira a organizar os procedimentos, desenvolveu-se um plano experimental para cada um dos testes realizados, conforme descrito na seqüência a seguir:

a) Especificação da ferramenta de corte

A geometria padrão da ferramenta a ser utilizada apresentava as seguintes especificações, sugeridas pela AIM e fornecidas pela Sandvik, em função das geometrias tipicamente utilizadas:
– Geometria de desbaste: fresa de topo reto e toroidal, com insertos intercambiáveis de 25 mm de diâmetro (Figura 1) e;
– Geometria de acabamento: fresa de topo esférico, com insertos intercambiáveis, diâmetro 16 mm
(Figura 2).

Figura 1 – Fresa de topo reto e toroidal

Figura 2 – Fresa de topo esférico

b) Determinação dos parâmetros de usinagem
Os parâmetros de corte, tanto de desbaste quanto de acabamento, foram estipulados pelo ITA como sendo os usuais, objetivando introduzir nos experimentos as condições possíveis de aplicação no chão-de-fábrica.

c) Dimensionamento dos corpos de prova
As medidas do corpo de prova foram definidas de maneira que coubessem na mesa da máquinaferramenta e que permitissem a execução das estratégias estipuladas para os experimentos. Para um bom aproveitamento do material durante os ensaios, determinou- se a utilização de blocos de 100 mm. Além disso, nestas dimensões os corpos de prova novos ainda podem ser movimentados manualmente sem que haja a necessidade explícita de equipamentos auxiliares para a carga da peça na máquina.

A usinagem somente foi realizada na região do corpo de prova em que as propriedades mecânicas estavam homogêneas. Desse modo, a peça bruta foi primeiramente desbastada para a remoção das superfícies oxidadas ou encruadas irregularmente, antes da execução de qualquer ensaio.

 

METODOLOGIA DOS ENSAIOS

Antes do ensaio, foram preparadas folhas de registro de dados em uma seqüência pré- definida. Cada folha de registro de dados era exclusiva de um conjunto de parâmetros de usinagem (inserto, condições de usinagem e critério de fim de vida da ferramenta).

O suporte de fixação da ferramenta de corte foi mantido sempre na mesma posição, de modo a assegurar o mesmo balanço de ferramenta para todas as situações. Antes da troca de cada ferramenta de corte, garantiu-se a limpeza do assento do suporte, assegurando desta forma um posicionamento adequado da ferramenta.

Os ensaios são diretamente influenciados pelo desenvolvimento dos materiais da ferramenta de corte e revestimentos. A proposta para esse trabalho era aplicar as distintas geometrias ensaiadas nas diversas situações de engajamento da ponta da ferramenta (semi-acabamento e acabamento).

A eficiência das ferramentas de corte foi avaliada em função do comportamento das mesmas nas diversas situações. A análise dos resultados seguiu os seguintes critérios:

 

– Medição do desvio da haste da ferramenta;
– Acabamento da superfície usinada;
– Medição dos esforços da ferramenta de corte;
– Desenvolvimento de estratégias de semi-acabamento e acabamento;
– Medição de ruído e;
– Determinação da vida útil de ferramenta relativa às duas melhores ferramentas analisadas.

1. Metodologia para análise do desvio da haste da ferramenta de corte

O erro dimensional produzido na superfície da peça ocorre, fundamentalmente, pelo deslocamento da haste da ferramenta. No caso do corte concordante, no momento da entrada do gume na peça, a maior espessura de usinagem (h) provoca uma retração da haste da ferramenta de corte, originando um erro dimensional na peça.

O comprimento da ferramenta (fator exponencial 3) e o diâmetro (fator exponencial 4) influenciam diretamente no desvio da haste da ferramenta. Ou seja, o desvio será tanto maior quanto maior for o comprimento da haste e quanto menor for o diâmetro da ferramenta de corte.
Para os distintos modelos de geometrias da ponta das ferramentas, foi montada uma matriz de parâmetros de corte, nas condições de acabamento, com duas variações de avanço por dente (fz) PR fundidade de corte axial (ap) e profundidade de corte radial (ae).

2. Metodologia para análise do acabamento superficial das peças

Os parâmetros de rugosidade, R a (desvio médio aritmético de rugosidade ou rugosidade média) e R z (profundidade média de rugosidade) foram medidos na direção do avanço e na direção perpendicular ao avanço. Cada medição foi realizada três vezes nas respectivas direções. Foi utilizado equipamento da Mitutoyo para este procedimento.

3. Metodologia para análise de estratégias de desbaste e acabamento

Em virtude das condições geométricas desvantajosas na fabricação de matrizes, a aplicação das ferramentas de corte requer o uso de estratégias de corte orientadas, para evitar situações de engajamento crítico da aresta de corte e assegurar as condições ótimas de usinagem.
Para a garantia de efetividade de processo no fresamento, é importante aplicar os resultados obtidos nos passos descritos de “a” até “c” para as geometrias complexas.
Em parceria com o setor de CAD/CAM das empresas do grupo, foram definidas três características geométricas complexas (cantos, esquinas e rampas), como apresentado na Figura 3, e de engajamento da ferramenta de corte (entradas, saídas e mergulho) para cada etapa (semi-acabamento e acabamento), tipicamente ocorrentes no chão-de-fábrica das empresas participantes do estudo, conforme mostrado na Figura 4.

Figura 3 – Geometria definida para os ensaios das estratégias de corte

Figura 4 – Estratégia de engajamento da ferramenta de corte

Uma vez definidas estas características, foram definidas três alternativas para cada situação. As melhores práticas encontradas para cada situação foram aplicadas diretamente no chão-de-fábrica. Todas as situações ensaiadas geraram um relatório de análise (comportamento de cada ferramenta em relação ao desvio da haste, acabamento superficial e medição de ruído).
Vale ressaltar que o desenvolvimento destas estratégias foi aplicado nos sistemas CAD/CAM utilizados pelas ferramentarias do grupo, pelos próprios colaboradores das empresas. No entanto, os desenvolvimentos foram realizados no ITA com o sistema NX3 da UGS.

4. Metodologia para avaliação da vida da ferramenta com distintos revestimentos

Utilizando um microscópio óptico e de ferramentaria, verificaram-se as condições iniciais em que se encontravam as ferramentas de corte, bem como os valores dos ângulos que compoem a sua geometria.
Os ensaios de vida de ferramenta foram realizados segundo Norma ISO 8688-2 e adequados conforme as características dos ensaios. O critério de fim de vida estabelecido foi o desgaste de flanco máximo (VBmax= 0,2 mm). Todavia, o desenvolvimento de cratera foi sempre observado. Este valor foi tomado como base, de modo a garantir a repetibilidade dos resultados. Um exemplo do comportamento da vida da ferramenta é apresentado na Figura 5.

As medições de desgaste foram realizadas de acordo com intervalos de comprimentos regulares, sendo efetuadas medições a cada 1 m, para cada variação de patamar de desgaste e a cada 3 m nos pontos de estabilização do gume no corte. O objetivo de tantas medições, uma vez que se poderia optar pela utilização de uma série de números normalizados já existente, foi o de verificar a variação dos patamares de estabilização do gume, bem como verificar o comportamento de corte, pelas derivadas das curvas de desgaste dos gumes das ferramentas, para se avaliar a repetibilidade dos ensaios.

Figura 5 – Desgaste progressivo de ferramenta de corte usinando aço AISI P20

Cada condição foi repetida uma vez e, em caso de discordância de resultados, se procedeu então a mais uma repetição. Nos ensaios foi medido o desgaste em todas as arestas de corte da ferramenta. Também foi considerado como marca de desgaste de flanco o maior valor encontrado dentre todas as arestas de corte.

As marcas de desgaste foram medidas no microscópio de ferramentaria Leica do ITA. Todas as ferramentas foram ajustadas com o mesmo comprimento em balanço, em relação à base do porta-ferramenta. Na Figura 6 estão apresentadas peças usinadas resultantes dos processos de otimização.

Figura 6 – Peças usinadas durante os testes.

CONCLUSÕES ESTRATÉGICAS SOBRE A PARCERIA AIM/ITA-ACIJ

O projeto “Análise do processo de desbaste e acabamento por fresamento do aço AISI P20 beneficiado no grupo do núcleo de ferramentarias da ACIJ” é pioneiro em âmbito nacional, no que concerne a relação entre empresas de porte médio e o meio acadêmico.
Em um curto espaço de tempo de 4 meses, as empresas do Núcleo de Usinagem e Ferramentaria da ACIJ tiveram acesso a um volume de informações direcionado para seus produtos e suas estruturas de chão-de-fábrica.
Isso resultou nos seguintes ganhos:

-Utilizou-se a competência da academia na velocidade demandada pelos parceiros industriais. Com isso, as tomadas de decisões tecnológicas, que necessariamente são realizadas pelas empresas, puderam ser auxiliadas por um agente externo (AIM/ITA);

-Os parceiros da Associação de Inteligência em Manufatura (AIM/ ITA) puderam ainda contribuir com soluções aplicáveis para a realidade do chão-de-fábrica das empresas;

-Fortaleceu-se a relação entre as próprias empresas do núcleo e;

-As empresas do núcleo se mostraram determinadas na busca da melhoria contínua e no desenvolvimento de novas soluções tecnológicas, mostrando para o mercado uma imagem de empreendimento tecnológico;

O vínculo criado abre perspectivas para projetos posteriores, onde, de antemão, pode-se recomendar as seguintes atividades:

-Benchmarking tecnológico e organizacional para ferramentarias, com o objetivo de verificação do estado organizacional e tecnológico do setor;

-Otimização do processo de fresamento de materiais com durezas superiores a 45 HRC, tipicamente utilizados para injeção de PVC, freqüentemente encontrados na região e;

-Auxílio na tomada de decisões para investimentos em novas tecnologias, baseado no perfil das empresas.

Por: Alex S. de A. Silva
Jefferson de Oliveira Gomes
Guilherme Oliveira de Souza

Fonte: Revista Ferramental