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FORÇAS DE USINAGEM NO FRESAMENTO DE AÇO PARA MATRIZES

Por: JOSÉ LUIZ SILVA RIBEIRO

A variação das forças de corte durante o fresamento frontal a seco de aços ferramenta pode ser avaliada através da velocidade de corte e do avanço por aresta. Os resultados deste estudo indicaram que, dentro da faixa de parâmetros utilizada, o avanço foi a variável que mais influenciou o aumento das forças de usinagem.

A procura pela redução de custos na fabricação de matrizes não é diferente dos demais segmentos industriais. Para atender a esta necessidade as empresas lançam mão de recursos computacionais cada vez mais poderosos e usinagem em máquinas CNC utilizando modernos conceitos de ferramentas com revestimentos tribológicos1 e metodologias de usinagem específicas para cada objetivo.

Problemas oriundos dos processos que envolvem a remoção de material estão relacionados tanto com a qualidade do acabamento superficial quanto com a geração de desvios geométricos e dimensionais. A busca pela solução das principais fontes destes problemas é incessante. Ela passa pela modernização de máquinas- ferramenta, melhoria do ferramental e confecção de desenhos mais elaborados das peças que se pretende usinar. Também é necessária a constante evolução das metodologias a serem empregadas, utilizando-se para isso dos recursos de projeto e fabricação auxiliados por computador (Computer Aided Design – CAD e Computer Aided Manufacturing – CAM).

O estudo das forças de usinagem permite otimizar os parâmetros de corte e assim assegurar menor gasto de energia, melhor acabamento e maior vida da ferramenta. Além disso, as forças de usinagem são determinantes para a qualidade geométrica e dimensional da superfície usinada, uma vez que suas componentes podem induzir deflexões em ferramentas mais esbeltas. Como no fresamento a área da seção transversal do cavaco varia periodicamente, as forças resultantes observadas na movimentação que ocorre entre peça e ferramenta também variam, gerando vibrações excessivas.

O material a ser usinado e seu estado de dureza, a velocidade de corte, o avanço e a profundidade de corte, o material da ferramenta, o material de recobrimento, a geometria da ferramenta escolhida, o uso ou não de fluido de corte, o desgaste da ferramenta, os efeitos térmicos, o atrito e as tensões geradas na remoção do cavaco são fatores que, em maior ou menor grau, afetam as componentes das forças de corte na operação de fresamento. Dessa forma, pode-se afirmar que o monitoramento destas forças é útil para prever ou acompanhar o desempenho global do processo.

A força total resultante é chamada de força de usinagem (Fu). Para determinar adequadamente a direção desta força, são primeiramente avaliadas as suas componentes e as direções conhecidas e, assim, calculados os esforços que daí resultam. Fatores como geometria e material da ferramenta, material da peça usinada e condições de operação afetarão os valores dos esforços necessários à correta usinagem.

A norma DIN 6584 (Deutsches Institut für Normung, 1982) descreve os termos técnicos de usinagem como força, energia, trabalho e potência [1]. Nesta norma, além de apresentada a decomposição da força de usinagem (Fu), dada em Newton2, é descrita a decomposição no plano de trabalho, que é denominada força ativa (Ft) e em uma componente perpendicular a este plano, denominada força passiva (Fp).
1 Tribologia: ramo da física que estuda o atrito.
2 Newton (N): unidade de medida para a grandeza Força.

A força ativa contribui para o cálculo da potência de usinagem pelo fato de se posicionar no plano onde os movimentos de usinagem são realizados. Ela se decompõe, por sua vez, em força de corte (Fc), que é a projeção da força de usinagem sobre a direção de corte, e em força de avanço (Ft), que é a projeção da força de usinagem sobre a direção de avanço. Cita ainda a força de apoio (Fap), que é a projeção da força de usinagem sobre a direção perpendicular à direção de avanço, situada no plano de trabalho. Na Figura 1 são apresentadas as disposições destas componentes da força de usinagem para a operação de fresamento frontal, juntamente com as seguintes velocidades: velocidade de corte (vc), velocidade de avanço (vt) e velocidade efetiva (ve), que representa a soma vetorial de vc e vt.

Figura 1 – Componentes das forças de usinagem nos processos de fresamento

Como nos processos de fresamento o ângulo de direção de avanço p se encontra em constante variação (diferentemente dos processos de torneamento, onde este valor é sempre uma constante p = 90º, fazendo com que a força Fap se confunda com Fc), a força ativa resultante será expressa como a resultante das componentes Fap, Fc e Ft, por meio da equação 1:

Equação 1:

A força passiva ou de profundidade (Fp) é a projeção da força de usinagem em um plano perpendicular ao plano de trabalho e não contribui para a potência de usinagem, uma vez que é perpendicular aos movimentos exercidos neste plano, onde ocorrem os movimentos de corte e de avanço. Entretanto, deve ser estudada, pois é responsável pela deflexão elástica da peça e da ferramenta durante o corte e, dessa forma, responsável pelas variações de tolerâncias de forma e tolerâncias dimensionais quando estas são muito rígidas. Em resumo, a força de usinagem será a resultante da força ativa (Ft, equação 1) e da força passiva (Fp) e expressa pela equação 2 como:

Equação 2:

À exceção da força passiva ou de profundidade (Fp), que coincide com a força exercida no eixo Z (F2), as forças Fap, Ft e Fc são de difícil mensuração, como já exposto. Entretanto a sua resultante Ft também pode ser obtida pela análise vetorial das forças Fx e Fy. Estas componentes da força ativa podem ser determinadas com facilidade pela utilização de um dinamômetro capaz de medir os esforços distribuídos nos planos cartesianos X, Y e Z (Figura 2).

Figura 2 – Decomposição das forças de fresamento em dinamômetro Kistler

Como as forças de usinagem variam periodicamente de acordo com a rotação do eixo, cada aresta da fresa exerce uma força para cisalhar o material, que se repete periodicamente a cada rotação. Em um processo ideal de fresamento, o gráfico de força em função da posição angular seria uma senóide. Entretanto, os resultados experimentais apresentam variações substanciais entre as forças Fx e Fy não somente referentes à sua intensidade, mas também em sua forma em relação ao ângulo de rotação da fresa, devido à complexidade da dinâmica de corte [2].

Estudos mostram ainda que no fresamento de cavidades a deflexão das ferramentas varia durante todo o ciclo de usinagem, incluindo não somente os segmentos retos como também os cantos [3]. A exatidão da usinagem dos cantos é influenciada pela deflexão da haste e da fresa, causada pela variação das forças cortantes. A forma de melhorar a usinagem dos cantos consiste em diminuir as profundidades radiais de corte para reduzir os esforços e assim minimizar os erros da deflexão das ferramentas. Através de um efetivo planejamento de processo é possível alcançar uma redução gradual nas larguras radiais dos cortes durante a usinagem dos cantos. Assim, há necessidade de identificação das condições de usinagem para controlar o processo e permitir que a ferramenta sofra os mínimos erros de deflexão.

Um estudo para o prognóstico da distribuição das forças de corte nos eixos X e Y, de forma a prever a deflexão das ferramentas, com o objetivo de facilitar a análise do comportamento da força, apresenta gráficos de força em função de avanço.

A conclusão destes estudos revela uma tendência de crescimento praticamente linear das forças Fx e Fy com o aumento do avanço [4]. Comportamento semelhante ocorre com a força em relação à penetração de trabalho. Ainda segundo as pesquisas, a distribuição ideal de forças de corte permite evitar ou minimizar os processos de acabamento uma vez que em muitos casos basta uma usinagem de semi-acabamento para se obter a exatidão exigida nas peças fresadas.

Dentre os erros que podem ser causados pelas variações das forças de usinagem, o que exerce maior influência no acabamento e na tolerância dimensional é a deflexão da ferramenta. No fresamento de topo a deflexão varia durante todo o processo, tanto na usinagem de segmentos retos quanto na de cantos. A exatidão no acabamento e na tolerância dimensional é, portanto, fortemente influenciada pela deflexão da ferramenta, que é causada pela variação das forças de corte, pelo diâmetro e pelo comprimento da fresa. Deve-se buscar a melhor relação entre o comprimento e o diâmetro da fresa, a diminuição da penetração de trabalho (ae), permitindo reduzir as forças de corte e, desta forma, os erros devidos à deflexão da ferramenta e, se possível, a diminuição da largura usinada (ap) no fresamento de cantos, principalmente na usinagem de cavidades.

Modelos matemáticos e algoritmos numéricos têm sido desenvolvidos para se ter uma previsão das deflexões estática e dinâmica de ferramentas [5, 6].

Sob circunstâncias estáveis do corte, a deflexão estática da ferramenta é mais significativa do que a dinâmica [6]. Os efeitos da deflexão dinâmica da ferramenta podem ser desconsiderados, uma vez que seu cálculo exigirá a elaboração de outro modelo matemático e o que se busca é conhecer os parâmetros que tornam o corte estável. Os efeitos da deflexão dinâmica serão somados à vibração da máquina e podem ser medidos com o auxílio de um acelerômetro3.

Vibrações em máquinas-ferramenta produzem instabilidade no processo de usinagem, o que sempre é seguido de ruído característico e deixa marcas sobre a peça usinada. A análise dos gráficos de força pode oferecer informações sobre vibrações excessivas ou inadequadas em processos de usinagem. Se as forças de corte apresentarem flutuações dinâmicas, estas podem estar representando instabilidade no processo [7].

 

3 Acelerômetro: instrumento para medição de aceleração. Pode também ser utilizado para medição de vibrações.


PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

O procedimento experimental foi realizado no Laboratório de Processos de Fabricação II do Departamento de Engenharia Mecânica/Mecatrônica da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC Minas), em um centro de usinagem Romi modelo Discovery 560 (potência de 9kW e rotação máxima de 10.000rpm), equipado com comando numérico Siemens 810D. Para medição das forças de usinagem foi utilizado o dinamômetro Kistler, modelo 9257 BA com acessórios e placa de aquisição instalada em um computador AMD K6 e o programa computacional Dynoware. O material utilizado foi o aço para trabalho a quente, denominado VHSuper, com propriedades similares ao aço ABNT H13 e ao aço normalizado DIN 1.2367, tanto em relação às suas características quanto a suas aplicações, com modificações na composição química nominal (composição = 0,36% Carbono, 0,30% Silício, 3,80% Cromo, 2,50% Molibdênio e 0,50% Vanádio).

Este tipo de material é indicado para a fabricação de matrizes e punções para forjamento de aços em alta velocidade, além de extrusão de ligas de alumínio, latão e magnésio, em operações acima de 500ºC nas quais sua elevada resistência a quente promove expressiva melhoria de desempenho. Se do indicado ainda para matrizes destinadas à fundição sob pressão. É fornecido em estado recozido, com dureza média de 230HB. Um tarugo com dimensões de 240 x 200 x140mmfoi utilizado como corpo de prova. Como ferramenta de corte foi utilizada uma fresa de topo toroidal Coromill 300 (R300-25T12 10M) com haste de acoplamento com rosca MAS BT (392.55T-40 12). Foram escolhidas três classes de pastilhas aplicáveis aos trabalhos de fresamento de aços alta-liga: GC4040, GC1025 e CT530, todas com geometria R300-1032EPM.

A classe GC4040 (ISO P40) é um metal duro com tamanho de grão em torno de 5ìm, apresentando elevada tenacidade e dureza em torno de 1.250HV. Com revestimento multicamada MT-CVD contendo TiN + TiCN + Al2 O3 , (dureza média de 2.500HV), sendo indicada para operações que exigem tenacidade no fresamento de aços. Pode ser utilizada em velocidades médias a baixas e com ou sem utilização de fluído de corte.

A classe GC1025 (ISO P10) também é um metal duro com tamanhos de grãos menores que 1ìm, com dureza média de 1.650HV e com revestimento PVD de TiCN (dureza em torno de 3.000HV). Esta pastilha é indicada para fresamento leve e médio de aços, onde a elevada resistência ao desgaste se faz necessária [8]. Finalmente, a classe CT530 (ISO P20) é um cermet4 sem revestimento, com dureza em torno de 1.490HV, indicada para operações de fresamento leve, principalmente quando se deseja usinagem sem refrigeração. A elevada resistência desse material à deformação plástica, à abrasão e à formação de aresta de corte postiça permite que as operações possam utilizar variadas gamas de velocidade de corte [9, 10].

Os testes de força foram executados por fresamento frontal discordante, sem a utilização de fluido de corte e por meio de passadas no sentido do maior comprimento do corpo de prova, diminuindo assim o número de entradas e saídas da ferramenta sobre o plano de trabalho. Os parâmetros de corte utilizados foram: velocidades de corte (vc) de 300, 370 e 440m/min e avanços por dente (f2) de 0,10, 0,15, 0,20 e 0,25mm/rot. Foram mantidos constantes os valores de profundidade de usinagem (ap = 0,5mm) e penetração de trabalho (ae= 12,5mm). Não foram realizadas réplicas deste experimento.

Quatro furos com diâmetro de 8mm foram executados no corpo de prova para fixação, por meio de parafusos sextavados, no dinamômetro já montado na mesa da máquina. Após configuração adequada do programa Dynoware, na freqüência de aquisição de 400 Hz, foi procedida a verificação das leituras por meio de padrões.
Na seqüência foram iniciados os processos de obtenção dos dados de forças de corte nos eixos X, Y e Z.

 

4 Cermet : classe a base de carbonitretos de titânio que emprega o níquel como ligante (TiCN + Ni).

RESULTADOSE AVALIAÇÃO

As curvas de distribuição dos esforços nos eixos cartesianos, obtidas com o dinamômetro piezoelétrico, têm o aspecto mostrado na Figura 3. Pode-se verificar que, na configuração e na captura dos dados com a utilização do programa Dynoware, é possível obter os valores médios, máximos e mínimos das forças medidas, após seleção da faixa de tempo relativa ao percurso da ferramenta sobre a peçaemteste.

Figura 3 – Forças de usinagem em função do tempo. Pastilha da classe 4040 (vc = 370m. min e f2= 0,25mm/aresta)

Foram analisadas as forças resultantes nos eixos X, Y e Z, sendo que a força aplicada no eixo Y (Fy) foi representada com o sinal negativo, no gráfico, em função do posicionamento do dinamômetro sobre a base da máquina. Este sinal foi corrigido quando construídos os gráficos para estudo da relação entre estas forças e os parâmetros de usinagem estabelecidos para os testes. A força resultante no eixo Z (F2) é coincidente com a força passiva Fp, descrita anteriormente.

Nas Figuras 4 e 5 é possível avaliar a variação da força de usinagem Fx e Fy, respectivamente, para as três classes de pastilhas analisadas, em função de diferentes velocidades de corte. Todos os gráficos foram traçados com a mesma escala para facilitar a comparação dos dados apresentados entre eles. É possível perceber que a variação que ocorre nas forças Fx e Fy , quando são aumentadas as velocidades de corte, não é muito significativa. Uma explicação para este fenômeno é que, embora o incremento na taxa de remoção de material provoque o aumento da força de corte, por outro lado, o aumento na temperatura do cavaco se traduz em diminuição da mesma, mantendo pequenas variações nos esforços gerados. Percebe-se que, das três classes de pastilhas analisadas, a classe GC1025 apresenta os menores valores de força resultante, entretanto, há que se observar que o valor de avanço utilizado para esta classe, foi ligeiramente inferior aos demais.

Figura 4 – Força de usinagem Fx em função da velocidade de corte para as três classes de pastilhas testadas (530 e 4040: f2 = 0,15 mm/aresta e 1025: f2 = 0,10 mm/aresta)

 


Figura 5 – Força de usinagem Fy em função da velocidade de corte para as três classes de pastilhas testadas (530 e 4040: f2 = 0,15 mm/aresta e 1025: f2 = 0,10 mm/aresta)

Na Figura 6 é apresentada a variação da força passiva (Fp /F2) para as três classes de pastilhas analisadas, em função de diferentes velocidades de corte. Neste caso, percebe-se que existe um substancial incremento da força resultante no eixo Z, para as pastilhas da classe GC4040. Entretanto, a ferramenta CT530 (cermet) manteve variação mais moderada e a GC1025 apresentou um incremento substancial apenas com vc = 440m/min, possivelmente devido ao fato de estar trabalhando com condições de corte muito acima do recomendado. Comparado as ferramentas GC4040 e CT530, utilizadas sob condições de corte idênticas, observa- se que cermet o propicia valores de força passiva inferiores ao metal duro.

 


Figura 6 – Força de usinagem Fp / F2 em função da velocidade de corte para as três classes de pastilhas testadas (530 e 4040: f2 = 0,15mm/ aresta e 1025: f2= 0,10mm/aresta)

Este fato pode ser explicado pela diferença entre os valores de condutividade térmica das duas ferramentas, ou seja, por possuir condutividade térmica mais baixa, a ferramenta cermet retém calor na zona de corte, o que reduz a resistência ao cisalhamento da peça e, conseqüentemente, à força de usinagem.

Na comparação da evolução das forças de usinagem Fx e Fy geradas no plano de trabalho em função dos avanços estudados observa-se, respectivamente nas Figuras 7 e 8, a evolução quase linear do esforço em função do avanço. Nota-se a proximidade desta tendência ao se comparar as três classes de pastilhas avaliadas. O aumento do avanço produz um aumento do volume de material arrancado em função do tempo, resultando em maiores esforços gerados.

 


Figura 7 – Força de usinagem Fx em função do avanço por aresta para as três classes de pastilha testadas (vc = 370m. min)

 


Figura 8 – Força de usinagem Fy em função do avanço por aresta para as três classes de pastilha testadas (vc = 370m. min)

O aumento da força passiva (Fp /F2) em função do avanço por aresta, mantendo-se a velocidade de corte constante, é percebido na Figura 9 principalmente para as classes GC4040 e GC1025. A classe CT530 apresenta variação mínima na força de usinagem neste eixo. Mais uma vez, sua baixa condutividade térmica implica em força mais baixa. Pode-se verificar que o incremento do avanço é o parâmetro mais importante no aumento da força de usinagem nos três eixos. O aumento da velocidade de corte não produz incrementos significativos de força de usinagem.


Figura 9 – Força de usinagem Fp / F2 em função do avanço por aresta para as três classes de pastilha testadas (v = 370m. min)

Na comparação entre as classes de pastilhas utilizadas, empregando-se velocidade de corte constante vc = 370m/min, a variação do avanço por aresta resulta em ligeiro aumento na força de usinagem Fx (Figura 10) para as classes GC1025 e GC4040 e em ligeiro decréscimo para a classe Ct530.
Na avaliação da força de usinagem Fy esta variação é mais significativa para todas as classes avaliadas, como se verifica na Figura 11.


Figura 10 – Força de usinagem Fx em função da classe de pastilha avaliada, para os avanços por aresta f2 = 0,15 e 0,20mm/aresta, respectivamente (vc = 370m. min)

 


Figura 11 – Força de usinagem Fy em função da classe de pastilha avaliada, para os avanços por aresta f2 = 0,15 e 0,20mm/aresta, respectivamente (vc = 370m. min)

Na Figura 12 é possível perceber o aumento na força passiva (Fp /F2) para as classes GC1025 e GC4040. Observa- se que a pastilha de cermet (CT530) apresentou valores de força bastante próximos, tendo ligeiro decréscimo com o aumento do avanço, diferente do que ocorreu com as ferramentas de metal duro (GC1025 e GC4040). A pastilha de cermet foi a que apresentou os menores valores de força passiva em comparação com as pastilhas de metal duro revestido. Como esta componente é responsável pela deflexão elástica da peça e da ferramenta durante o corte, esta análise pode permitir a escolha da ferramenta que apresente menores variações de tolerâncias de forma e tolerâncias dimensionais, se estes fatores forem os mais significativos no processo.



Figura 12 – Força de usinagem Fp / F2 em função da classe de pastilha avaliada, para os avanços por aresta f2 = 0,15 e 0,20mm/aresta, respectivamente (vc = 370m. min)

Dentre os parâmetros avaliados, o avanço foi o mais expressivo na análise dos fatores que influenciaram as forças de usinagem. O aumento do avanço apresentou como conseqüência, o aumento destas forças, em especial o da força passiva (Fp /F2). Ao serem comparadas as três classes de ferramentas testadas, as pastilhas da classe CT530 apresentaram os menores valores de força passiva, as da classe GC4040 os maiores e as da classe GC1025 ocupando uma posição intermediária neste aspecto.

O aumento da velocidade de corte também resultou no aumento de forças de usinagem. Entretanto este aumento se deu de forma bem menos significativa do que o obtido com o aumento do avanço. Somente na avaliação da força passiva, quando as ferramentas GC4040 e CT530 foram solicitadas na vc = 440m/min que ocorreu um aumento significativo das forças obtidas na leitura do dinamômetro.

Estes estudos permitem a escolha de condições de corte que combinem produtividade com baixos valores de forças de usinagem e, conseqüentemente, menores esforços, que são causadores de deflexão nas ferramentas. Os componentes usinados terão como resultado maior qualidade dimensional e geométrica.

 

AGRADECIMENTOS

Este trabalho foi originalmente apresentado no XVI Simpósio de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Uberlândia em dezembro de 2006.
Os autores agradecem à Rede de Materiais para Usinabilidade Melhorada (REMAUSME), ao CNPq, à Villares Metals S/A, à Sandvik do Brasil S/A e à Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais.

Fonte: Revista Ferramental

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