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ENSAIOS EXECUTADOS AJUDAM A DEFINIR QUAL A MELHOR FRESA PARA O ACABAMENTO DE AÇO ENDURECIDO

 

 

Por: Adilson José de Oliveira e Anselmo Eduardo Diniz

Ensaios executados ajudam a definir qual a melhor fresa para o acabamento de aço endurecido .

Estudo realizado procura ajudar a definir sobre qual tipo de fresa deve ser escolhida, com diâmetros na faixa de 8 a 15 mm, para o fresamento em acabamento de aço endurecido em matrizes. As fresas inteiriças são mais caras, porém mais rígidas e, por isso, tendem a ter vida de ferramenta maior e acabamento superficial melhor. Fresas com pastilhas e suporte de aço são uma terceira alternativa: a fresa com pastilha e suporte também de metal duro, um pouco mais cara do que a fresa com suporte de aço, mas mais rígida. Para chegar à resposta, foram realizados ensaios de vida de ferramenta para os três tipos de fresas nos diâmetros de 8 e 12 mm, e foi medida a rugosidade das superfícies usinadas.Dessa forma ficou mais fácil escolher o tipo de fresa apropriado para cada situação.

Para agilizar o processo de fabricação , tem se utilizado à cada vez mais o fresamento em superfícies de aço endurecido de matrizes e moldes em vez do processo de eletroerosão.Isso se deve a vantagens como maior rapidez do processo, menos risco de queima da pela, ausência de fluído de corte e economia pela eliminação do eletrodo. Porém, como matrizes são cavidades muitas vezes profundas e com raios pequenos, surge o problema de falta de rigidez da ferramenta, uma vez que é necessária a utilização de fresas com pequeno diâmetro e grande balanço.

A deflexão da ponta de uma barra em balanço, como é o caso da ferramenta de fresamento, é evidenciada pela equação 1 e figura 1.

 

db = P.L³
3.E.I

Onde:
I = Momento de inércia da barra
E = Módulo de elasticidade da barra
L = Distancia entre o ponto de aplicação da força e o apoio
P = Força aplicada

De acordo com a equação 1, vê-se que, para ter balanço grande da ferramenta (parâmetro L da equação) na usinagem de cavidades profundas, é necessário que a ferramenta tenha um alto módulo de elasticidade e um alto momento de inércia.

No processo de usinagem de matrizes de aço endurecido têm-se três opções de ferramentas: inteiriça de metal duro, com pastilha de metal duro e suporte também de metal duro. Um metal duro típico, com composição de 90% de carbeto de tungstênio e 10% de cobalto, possui módulo de elasticidade de 550 GPa, enquanto um aço típico (ABNT 4340 com 45 HRC) tem módulo de elasticidade de 200 GPa. A partir desses dados, conclui-se que a ferramenta inteiriça de metal duro e a ferramenta com pastilha e suporte de metal duro são mais rígidas (defletem menos) do que a ferramenta com pastilha de metal duro e suporte de aço.

Portanto , é preciso saber o quanto a falta de rigidez da ferramenta com suporte de aço influencia a vida da ferramenta e a rugosidade da peça. Além disso, é necessário que se faça uma comparação entre uma ferramenta de metal duro inteiriça e uma ferramenta de metal duro, para se descobrir qual é a mais rígida. Considerando-se que as duas têm o mesmo módulo de elasticidade, aquela que possuir maior momento de inércia, será mais rígida.

No caso da necessidade de utilizar ferramentas de pequeno diâmetro (menores que 8 mm), a ferramenta inteiriça de metal duro é a única opção. No entanto, para fresas de diâmetro grande (acima de 16 mm), a fresa inteiriça torna-se muito cara e a melhor opção passa a ser a fresa com pastilha de metal duro e suporte de aço. Para diâmetros entre 8 e 16 mm, porém, há duvidas sobre a melhor opção.

Analisando o custo a mais interessante é a fresa com pastilha de metal duro e haste de aço, em termos de custo, porém deve-se fazer uma comparação de vira de ferramenta e rugosidade da peça em relação às outras opções. É importante saber também se a fresa com pastilha de metal duro e suporte de metal duro pode ser uma opção intermediaria em relação ao custo e ao desempenho, comparativamente com as outras duas ferramentas. Com o objetivo de responder a essas perguntas, foram feitos os ensaios a seguir.

ANALISE REFERENTES AOS ENSAIOS .

A máquina-ferramenta utilizada foi um centro de usinagem vertical modelo S40, da Mori Seki (Japão), que possui eixo-árvore com rotação máxima de 12.000 rpm. Todos os ensaios foram realizados no laboratório de usinagem da Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp (SP). O ensaio constituiu no fresamento e corpo-de-prova de aço endurecido D2 com dureza de 61 HRC, realizado com diferentes tipos de fresa. Cada ensaio continuou até que o desgaste de flanco da ferramenta atingisse Vb = 0,2 mm, momento considerado como fim de vida.

Durante cada ensaio, a ferramenta foi frequentemente retirada da máquina e levada para um microscópio óptico conectado a uma câmera fotográfica digital, que estava acoplada a um computador com software de processamento de imagens. Com isso a imagem da ferramenta em cada momento (diferentes níveis de desgaste) pôde ser armazenada e o valor de desgaste de flanco foi medido.

No momento em que o ensaio era interrompido para a medição do desgaste da ferramenta, também era medido a rugosidade da peça, tanto na direção paralela ao avanço (chamada de direção longitudinal), quanto na direção perpendicular ao avanço (chamada de direção transversal). Essa medição era feita com a peça na máquina, com o uso de um rugosímetro acoplado ao computador, para que o perfil de rugosidade também fosse armazenado.

Em todos os ensaios, o fresamento foi realizado em uma parede que formava ângulo de 75º com a parede horizontal (figura 2) nas seguintes condições de usinagem:

– Velocidade de corte Vc = 250 m/min
– Incremento da ferramenta em cada passe na direção vertical = 0,174 mm
– Incremento da ferramenta em cada passe na direção horizontal = 0,15 mm
– Avanço por dente = 0,15 mm.

 

O fluido de corte não foi utilizado na usinagem e o balanço da ferramenta (parâmetro L da equação 1) foi sempre de 70mm.
Os valores mostrados nos gráficos que seguem são as médias dos resultados obtidos em três-recplicas de cada ensaio.
O primeiro conjunto de ensaios comparou ferramentas com pastilhas com dois tipos de porta-ferramentas, um de aço e o outro de metal duro, e também dois materiais de pastilhas, ambos com revestimentos de nitreto de titânio-alumínio (TiAlN). O primeiro material era o metal duro microgrão da classe ISO P10 e o segundo, também microgrão da classe ISSO P20. A fresa utilizada tinha diâmetro de 12 mm.

 

ANALISE DOS RESULTADOS DE VIDA DE FERRAMENTAS

Os resultados de vida de ferramenta para esse conjunto de ensaios em sua análise, permite observar que a ferramenta P10, mais resistente ao desgaste e menos tenaz do que a P20, foi a que obteve maior tempo de vida útil, independentemente do porta-ferramentas utilizado. Isto aponta para o fato de que os mecanismos de desgaste que levaram a ferramenta ao fim da vida estão mais relacionados com abrasão e difusão do que com lascamento e trinca.

 

O conjunto porta-ferramentas de metal duro, devido à sua maior rigidez (maior módulo de elasticidade – equação 1), realmente proporciona maior vida da ferramenta. Quando se utilizou pastilha P10, a vida da ferramenta com porta-ferramentas de metal duro foi 43% maior do que quando se utilizou porta-ferramentas de aço. Quando se utilizou pastilha P20, esse percentual foi de 69%. Para se decidir entre o uso de um ou outro porta-ferramentas, há que se fazer uma análise de custo deles.
Apesar da diferença substancial de gastos com os dois tipos, deve ser considerado que, se bem utilizado, o mesmo porta-ferramentas pode suportar centenas de vidas de ferramentas (pastilhas).

ANALISE DOS VALORES MÉDIOS E DISPERSÃO PARA A RUGOSIDADE

Neste caso, a figura 4 mostra os valores médios e a dispersão, ao longo da vida da ferramenta, dos valores de rugosidade para todas as condições testadas neste conjunto de ensaios. A pastilha P10 mostrou melhor desempenho também neste quesito, muito provavelmente devido ao tipo de desgaste. A pastilha P20, por apresentar um desgaste mais rápido, fez com que tanto a média dos valores de rugosidade quanto a sua dispersão (principalmente para o porta-ferramentas de aço) fossem maiores do que os obtidos com a pastilhas P10.


É do tipo de porta-ferramentas porém, a maior influência nos valores de rugosidade. A maior rigidez do porta-ferramentas de metal duro e, consequentemente, a menor vibração, fez com que a usinagem realizada com ele resultasse em valores de rugosidade equivalentes obtidos com o porta-ferramentas de aço. Com isso, tem-se outra vantagem com o uso da porta-ferramentas de metal duro: é possível minimizar e até evitar o processo posterior de polimento da matriz.

Agora no segundo conjunto de ensaios, utilizaram-se ferramentas com três diâmetros diferentes: 16, 12 e 8 mm. Para a de 16 mm, foi usada apenas a ferramenta com suporte de metal duro e pastilha intercambiável de metal duro classe P10A, que teve melhor desempenho no primeiro conjunto de ensaios.

No caso de ferramentas de 12 e 8 mm de diâmetro, foram utilizadas tanto a inteiriça de metal duro (classe 1610, que é muito similar à classe P10 da pastilha intercambiável) quanto a com suporte de metal duro e pastilha intercambiável de metal duro (com a mesma classe P10A). As condições de usinagem foram as mesmas dos primeiro conjunto de ensaios. Os resultados da vida de ferramenta, tanto em tempo de corte quando em área usinada, são mostrados na figura 5 .

 

 

Analise de Resultados de Vida de Ferramentas com a Relação Tempo de Corte e Área Usinada.

Pode-se observar que quando as características da matriz a ser usada permitirem diâmetro máximo de 16 mm, é melhor utilizar uma ferramenta inteiriça de 12 mm, que teve vida bem maior do que a ferramenta com pastilha de 16 mm, mas o custo também é mais elevado. Outra opção é a ferramenta com suporte de metal duro e pastilha de metal duro, também de 12 mm, que apresentou vida similar à obtida pela ferramenta de 16 mm de diâmetro.

Foi menor a vida da ferramenta de 16 mm de diâmetro com pastilha foi menor do que a da ferramenta inteiriça de metal duro, e da mesma ordem de grandeza que a da ferramenta com pastilha de 12 mm – apesar de ser bem mais rígida do que essas duas. Isso se explica pela seguinte razão: quando se tem diâmetro maior, a rotação da fresa é menor para se atingir a mesma velocidade de corte. Assim, a velocidade de avanço era maior e, com isso, a remoção de cavaco provavelmente incentivou o desgaste e diminuiu a vida da ferramenta de 16 mm.

No momento em que o máximo diâmetro da ferramenta a ser utilizado for 12 ou 8 mm, a escolha entre ferramenta sólida (inteiriça) ou com pastilha deve ser baseada em uma análise de custos, já que a ferramenta inteiriça (mais cara) apresentou vida maior para ferramentas com esses dois diâmetros.

Diretamente relacionada com a rigidez da ferramenta ,está a tendência de diminuição da vida da ferramenta (vida da ferramenta sólida maior do que a ferramenta com pastilha e vida da ferramenta de maior diâmetro maior do que a vida da ferramenta com menor diâmetro), que ocorreu quando se usinou com ferramentas de 12 e 8 mm de diâmetro.

 

Essa figura mostra os valores segundo momento de inércia das varias ferramentas utilizadas e como este momento influencia a deflexão da ferramenta. Pode-se perceber que a diminuição da vida da ferramenta acompanhou a diminuição do seu segundo momento de inércia, e consequentemente o aumento da sua deflexão.

Resultados de rugosidade da peça para o segundo conjunto de ensaios. Também no que diz respeito à rugosidade da peça, a ferramenta com pastilha e 16 mm de diâmetro não apresentou desempenho superior ao das ferramentas de 12 mm. Assim, continua valendo o que foi citado: quando as características da matriz a ser usinada exigirem uma ferramenta de diâmetro máximo de 16 mm, é melhor utilizar ou uma ferramenta inteiriça de 12 mm ou uma ferramenta com suporte de metal duro e pastilha de metal duro também de 12 mm.

Notamos haver um valore de rigidez da ferramenta necessário para que ela suporte bem a vibração oriunda do corte, e essa rigidez é atingida pela ferramenta 12 mm. Assim, o aumento da rigidez causado pelo aumento do diâmetro da fresa para 16 mm não causou nem aumento da vida da ferramenta, nem diminuição da rugosidade da peça.

Já o diâmetro da fresa de 8 mm para esse balanço (70 mm) não foi adequado, principalmente quando se utilizou fresa inteiriça de metal duro, que gerou rugosidade da peça maior do que a da fresa com pastilha. Esse resultado está relacionado com a rigidez da ferramenta. Vê-se na figura 6 que o momento de inércia da fresa inteiriça de 8 mm é menor do que o da fresa com pastilha .

 

RESULTADOS DOS EXPERIMENTOS PERMITIU AS SEGUINTES CONCLUSÕES :

Com base nos experimentos, pode-se concluir, para o fresamento de acabamento de aço D2 endurecido, usando fresas de metal duro em condições similares às utilizadas nestes ensaios, que:

– As pastilhas da classe P10A tiveram maior vida útil do que a classe P20A, independentemente do porta-ferramentas utilizado.

– A utilização de pastilha em porta-ferramentas de metal duro com diâmetro de 8 mm proporcionou rugosidade da peça menor do que a obtida com a ferramenta inteiriça de mesmo diâmetro.

 

– A utilização de porta-ferramentas de metal duro proporcionou maior vida útil à ferramenta, quando comparada com a do porta-ferramentas de aço, independentemente da classe de pastilha usada.

– As ferramentas sólidas de metal duro tiveram maior vida útil do que as ferramentas com pastilhas

– Os valores de rugosidade da peça foram similares quando se usinou com fresa inteiriça de 16 mm, fresa inteiriça de 12 mm e fresa com pastilha de 12 mm e porta-ferramentas de metal duro.

– A utilização de porta-ferramentas de metal duro proporcionou rugosidade da peça compatível com o que se espera de um fresamento em acabamento de matrizes.

Fonte: artigo foi originalmente apresentado como palestra técnica no Congresso Usinagem 2006, realizado de 24 a 26 de outubro em São Paulo (SP). Reprodução Autorizada pelos autores

Aurores: Adilson José de Oliveira e Anselmo Eduardo Diniz são da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp, SP).

 

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