701 2700 1 PB

Prévia do material em texto

25SCHNEIDER, E.L. et al. / UNOPAR Cient. Exatas Tecnol., Londrina, v. 7, p. 25-30, Nov. 2008
Análise dos Parâmetros de Usinagem no Acabamento Superficial de PolímerosArtigo originAl / originAl Article
Eduardo Luis Schneider*
André Canal Marques*
Roberto R. Faller*
Wilson Kindlein Júnior*
* Universidade Federal do Rio Grande do 
Sul (UFRGS)
Resumo
Neste estudo analisou-se a influência do avanço e da velocidade de corte da ferra-
menta sobre a temperatura e o acabamento de superfícies usinadas dos polímeros 
termoplásticos poliamida e poliuretano, usando uma máquina fresadora CNC. Para 
tanto, utilizou-se análises termográficas e também medidas de Rugosidade Média 
Aritmética (Ra). Os resultados das análises mostraram que a deformação viscosa, 
provocada por temperaturas na zona de corte acima da temperatura de transição 
vítrea (Tg) dos polímeros, exerce um papel decisivo na qualidade do acabamento 
superficial destes materiais, sendo que as melhores condições verificadas foram 
para velocidades altas de avanço e baixas velocidades de corte.
Palavras-chave: Materiais poliméricos. Parâmetros de usinagem. Engenharia.
Abstract 
This study analyses the influence of feed and speed of cutting tools in the temperature 
and roughness of machined surfaces of polyamide and polyurethane thermoplastic 
polymers, using a CNC milling machine. Thus, thermographic analyses and Arith-
metic Average Roughness (Ra) were utilized. The results of the analyses showed 
that viscous deformation, caused by temperatures in the cutting area above the glass 
transition temperature (Tg) of polymers, exerts a decisive role in the quality of the 
surface of these materials, whereas the best conditions were found for high speeds 
of feed and low speeds of cutting.
Key-words: Polymer materials. Machining parameters. Engineering
Análise dos Parâmetros de Usinagem no Acabamento Superficial de Polímeros
Analysis of Machining Parameters Effects on Polymers Surface Quality
1 Introdução
Durante o desenvolvimento de novos produtos o 
material do protótipo é escolhido com base em pré-
requisitos de projeto. Porém, na prática, o modelamento 
em CAD (Computer Aided Design) nem sempre está 
embasado em dados técnicos. Após a execução de 
um protótipo, muitas vezes, faz-se necessário realizar 
alterações nos parâmetros de usinagem visando melhor 
acabamento superficial.
Figura 1 - Modelo CAD do brinquedo: Jogo para crianças com deficiencia visual. Em A, o Alfabeto Braille em um 
dos lados do jogo. Em B, Sistema Numérico Braille do lado oposto.
Para a confecção de um brinquedo intitulado “Jogo 
para crianças deficientes visuais” (figura 1), premiado 
pela Abiplast em 2005, foram projetados e usinados, 
utilizando máquina CNC, 2 protótipos em diferentes 
polímeros, Poliamida (PA) tipo 66 e Poliuretano (PU). 
Evidenciou-se assim, a grande influência dos parâmetros 
de usinagem, como o avanço e a velocidade de corte da 
ferramenta de corte na qualidade do acabamento super-
ficial (MARQUES; FALLER; KINDLEIN JÚNIOR, 2006).
26 SCHNEIDER, E.L. et al. / UNOPAR Cient. Exatas Tecnol., Londrina, v. 7, p. 25-30, Nov. 2008
Análise dos Parâmetros de Usinagem no Acabamento Superficial de Polímeros
A usinagem de polímeros tem sido crescentemente 
utilizada e tem se tornado necessária quando a quantida-
de de peças ou produtos a serem produzidos não justifica 
o custo de usinagem com ferramenta para moldes ou 
extrusão por matriz, ou quando é necessário um produto 
com alta exatidão dimensional, como por exemplo, lentes 
poliméricas (XIAO; ZHANG, 2002).
Durante o processo de usinagem é gerado calor por 
deformação dos cavacos e o atrito com a ferramenta. 
Na usinagem de polímeros, devido a suas baixas con-
dutividades térmicas (quando comparadas com as dos 
metais), a maior parte do calor tem que ser removida pela 
ferramenta. Isso causa aumento na temperatura da zona 
de corte, a qual influencia o processo de duas maneiras: 
aumentando o desgaste da ferramenta e prejudicando 
a qualidade da superfície usinada (DONALDSON; PET-
TERSON, 1984).
O acréscimo na velocidade de corte gera calor que 
aumenta a temperatura na zona do corte, aumentando 
também a mobilidade das moléculas de longo alcance 
do material, reduzindo assim o limite de resistência à 
tração ou o esforço de tensão cisalhante (DEBRA, 1984).
Usualmente nos processos de usinagem, alguns parâ-
metros como a profundidade de corte, o avanço por dente 
e a velocidade de corte, podem ser variados de forma 
independente dentro dos limites das máquinas utilizadas. 
Esses parâmetros têm grande importância industrial, pois 
eles são diretamente proporcionais ao tempo de produção 
e conseqüentemente ao custo do produto. 
Para obter uma boa qualidade superficial recomenda-
se selecionar os parâmetros de usinagem de modo que 
a temperatura da zona de corte não ultrapasse a tem-
peratura de transição vítrea (Tg) do polímero e que os 
cavacos não entrem no regime visco-plástico (SALLES; 
CORRÊA; GONÇALVES, 2003).
Figura 2 - Modelo CAD dos corpos de prova.
Neste trabalho verificou-se a influência da velocida-
de de avanço (por dente) e da velocidade de corte da 
ferramenta na temperatura e no acabamento de super-
fícies usinadas. Para tanto, utilizaram-se medidas de 
Rugosidade Média Aritmética (Ra) e também análises 
termográficas.
2 Materiais e Métodos
Os materiais utilizados foram o Poliamida tipo 66 
(com Tg entre 54 e 66 °C) e o Poliuretano (Tg entre 
120 e 160°C). Para a preparação das amostras para os 
testes de usinagem, foi utilizado um programa CAD para 
modelamento da geometria (figura 2). A idéia do formato 
escolhido foi facilitar a fixação das peças e aproveitar ao 
máximo o material.
Um programa CAM foi utilizado para criar as estraté-
gias de usinagem para padronização dos corpos de pro-
va, bem como a usinagem das superfícies das amostras 
(figura 3A). Com o mesmo programa foi possível realizar 
a simulação da usinagem para verificação de possíveis 
colisões (figura 3B).
Para a realização da usinagem foram utilizados os 
seguintes parâmetros: rotações (N) de 10.000 e 20.000 
rpm, velocidade de avanço (Vf) de 3.000, 1.500 e 500 
mm/min, diâmetro da ferramenta de 3 mm e profundida-
de de corte (P) de 1 mm. Os demais parâmetros foram 
calculados utilizando-se as equações que relacionam 
essas grandezas (Vc = n.Pi.d/1000; Vf = f.n; f = fz.z), 
Figura 3 - O Modelo CAM pode ser visualizado em A e a Simulação em B
(DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2000; SENAI, 1996). 
A tabela 1 apresenta um resumo com todos esses 
parâmetros. Foi utilizada uma fresadora marca Tecnodrill 
modelo Digimill 3D (potência 0,35 kW e rotação máxima 
de 24000 rpm) e uma fresa de marca Alltech modelo Eta 
0304 (material metal duro, de topo reto, ângulo de corte 
35º e 4 arestas de corte).
27SCHNEIDER, E.L. et al. / UNOPAR Cient. Exatas Tecnol., Londrina, v. 7, p. 25-30, Nov. 2008
Análise dos Parâmetros de Usinagem no Acabamento Superficial de Polímeros
A análise termográfica foi realizada com um Termó-
grafo Thermoteknix Visir 102, posicionado em frente à 
fresadora com enquadramento direcionado na zona de 
corte das amostras (figura 4) e utilizando uma emissi-
vidade de 0,90 para os dois materiais. As medidas de 
rugosidade das amostras foram realizadas de acordo com 
as normas: NBR ISO 4287, ISO 3274, ISO 11562 e ISO 
4288, utilizando um rugosímetro Mitutoyo Surftest 401.
Ensaio Rotação - N (rpm)
Velocidade 
de Corte - Vc 
(m/min)
Velocidade 
de Avanço - Vf 
(mm/min)
Avanço - f 
(mm/volta)
Avanço por 
aresta - fz 
(mm/dente)
1 10.000 94,248 3.000 0,30 0,08
2 10.000 94,248 1.500 0,15 0,04
3 10.000 94,248 500 0,05 0,01
4 20.000 188,496 3.000 0,15 0,04
5 20.000 188,496 1.500 0,08 0,02
6 20.000 188,496 500 0,03 0,01
Figura 4 - Termógrafo utilizado para as medidas 
das temperaturasdurante os ensaios de usinagem em 
A e amostra de poliuretano sendo usinada em B
3 Resultados e Discussão
A figura 5 demonstra um exemplo de imagem obtida 
com as medições de termografia para o PA e PU. 
Figura 5 - Termografias: Em A do PA, e em B do 
PU. Ambas referentes ao Ensaio 1 da tabela 1
Tabela 1 - Parâmetros utilizados nos ensaios de usinagem
Ensaio
Temperatura (ºC)
PA PU
1 70,9 95,6
2 80,7 98,7
3 95,5 99,5
4 79,8 109,8
5 86,2 122,5
6 108,2 137,5
Tabela 2 - Temperaturas máximas em ºC registradas nas 
termografias dos materiais analisados
28 SCHNEIDER, E.L. et al. / UNOPAR Cient. Exatas Tecnol., Londrina, v. 7, p. 25-30, Nov. 2008
Análise dos Parâmetros de Usinagem no Acabamento Superficial de Polímeros
Na tabela 2 pode-se observar as temperaturas máxi-
mas (em ºC) registradas nas termografias. 
Conforme os valores listados na tabela 2, observa-
se que o PU tende a aquecer mais na zona de corte da 
ferramenta, o que está de acordo com sua condutividade 
térmica que é um pouco menor que a do PA.
A figura 6 Amostra a variação da temperatura com o 
avanço por aresta nos ensaios. 
Conforme se observa na figura 6 A, ambos materiais 
tendem a aumentar a temperatura na zona de corte com 
a diminuição do avanço. Observa-se que esse comporta-
mento é mais pronunciado para as faixas de temperatura 
na qual os polímeros estão acima de suas Tgs, ocorrendo 
deformação viscosa. Isso fica evidente para o PU que na 
figura 6A onde a Vc utilizada foi de 94,248 m/min e não 
atingiu 100 ºC e ficou abaixo de sua Tg. 
Já na figura 6 B, NA a Vc utilizada foi de 188,496 m/
min e foi atingida a Tg do PU, sua variação da temperatu-
ra com o avanço por aresta foi consideravelmente maior.
Figura 6 - Variação da temperatura com o avan-
ço por aresta para a Vc de 94,248 m/min em A e de 
188,496 m/min em B
A tabela 3 mostra as medidas de rugosidade e a 
figura 7 o método de medição desse parâmetro. Para o 
ensaio 1, os parâmetros de ensaio provocaram no PU 
uma rugosidade elevada comparável em escala ao do 
ensaio 6 do mesmo material, porém sem a ocorrência 
de deformação viscosa, onde a elevada rugosidade é 
devida a temperatura de 137º C que é superior a Tg 
desse polímero.
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
0,08 0,04 0,01
Te
m
pe
ra
tu
ra
 (
ºC
)
Avanço por aresta (mm/dente)
Vc = 94,248 m/min
NA
PU
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
0,04 0,02 0,01
Te
m
pe
ra
tu
ra
 (
ºC
)
Avanço por aresta (mm/dente)
Vc = 188,496 m/min
NA
PU
A
B
Para o PA, os valores listados crescem devido ao 
aumento de temperatura provocado pela relação de 
parâmetros utilizados que provocam a elevação da tem-
peratura na zona de corte que para todos os ensaios 
esteve acima de sua Tg.
A relação de parâmetros que proporcionou a menor 
rugosidade para o PU foi a do ensaio 3, o que indica 
que para esse material, a combinação de velocidade de 
corte de 94,248 m∕min e avanço por aresta de 0,1 mm/
dente não gera deformação viscosa e conseqüentemente 
garante um bom acabamento superficial.
A maior velocidade de corte provocou um aumento na 
temperatura da zona de corte e, esse comportamento, 
foi mais pronunciado para os menores avanços (ensaios 
5 e 6) onde a temperatura da zona de corte tanto do 
PA quanto a do PU estiveram acima de suas Tgs, onde 
a mobilidade das moléculas de longo alcance dos 
polímeros é facilitada.
4 Conclusões
Os ensaios de usinagem realizados para os polímeros 
Poliamida tipo 66 e Poliuretano mostraram que ambos 
materiais tendem a diminuir a temperatura na zona de 
corte com o aumento no avanço por aresta e com a 
diminuição da velocidade de corte. Observou-se que 
essa variação da temperatura com o avanço por aresta 
e a velocidade de corte foi mais pronunciada para as 
faixas de temperatura onde os polímeros estão acima 
de suas Tgs.
As condições ideais de usinagem que proporcionam 
os melhores acabamentos superficiais devem ser 
baseadas nas propriedades dos polímeros tais como 
temperatura de transição vítrea e mobilidade molecular. 
Para minimizar a rugosidade da superfície os parâmetros 
de usinagem devem ser relacionados de modo que não 
ocorra deformação viscosa.
Material
Ensaio
1 2 3 4 5 6
PA 1,24 3,1 3,72 4 7,02 9,38
PU 12,94 5,98 5,02 6,48 5,3 13,58
Figura 7 - Rugosímetro utilizado para as medidas de 
rugosidade
Tabela 3 - Medidas de Rugosidade (Ra)
29SCHNEIDER, E.L. et al. / UNOPAR Cient. Exatas Tecnol., Londrina, v. 7, p. 25-30, Nov. 2008
Análise dos Parâmetros de Usinagem no Acabamento Superficial de Polímeros
A relação de parâmetros de usinagem que gerou 
o menor valor de rugosidade e conseqüentemente o 
melhor acabamento superficial para o PA foi o ensaio 
1. Os ensaios 2, 3 e 4 também apresentaram valores 
baixos de rugosidade. Para o PU, porém, a combinação 
de parâmetros dos ensaios 1 e 6 acabaram provocando 
uma rugosidade elevada. Para esse material, portanto, 
a combinação de valores altos de avanço por aresta e 
baixos de velocidade de corte (ensaios 2 e 3) geraram 
um acabamento superficial com menor rugosidade.
Agradecimentos
Este artigo foi realizado com o apoio do professor Dr. 
Arno Krenzinger, CNPq e CAPES.
Referências
DEBRA, D.B. Design of laminar fow restrictors for 
damping pneumatic vibration isolators. CIRP Annals, v. 
33, p. 351-361. 1984. 
DINIZ, A.E.; MARCONDES, F.C.; COPPINI, N. L. 
Tecnologia da usinagem dos materiais. 2. ed. São 
Paulo: ArtLiber, 2000.
DONALDSON, R.R.; PATTERSON, S.R. Design and 
construction of a large, vertical axis diamond turning 
machine. Proceedings of the SPIE, v. 7, p. 433-462, 
1983.
MARQUES, A.C.; FALLER, R.R.; KINDLEIN JÚNIOR, 
W. Design de jogos: desenvolvimento de um jogo (en-
sino/aprendizagem) do alfabeto Braille para educação 
infantil. In: P&D DESIGN 2006 - CONGRESSO BRA-
SILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM 
DESIGN, Curitiba, Anais... Curitiba, 2006.
SALLES, J.l.C; CORRÊA, L.O; GONÇALVES, M.T.T. 
Effects of machining parameters on surface quality of 
the ultra high molecular weight polyethylene (UHM-
WPE). Revista Matéria, Rio de Janeiro, v.8, p. 1- 10, 
2003. 
SENAI. Informações técnicas-mecânica. 10. ed. rev. 
e ampl., Porto Alegre: CFP SENAI de Artes Gráficas 
“HenriqueD’Avila Bertaso”, 1996.
XIAO, K.Q.; ZHANG, L.C. The role of viscous deforma-
tion in the machining of polymers. International Journal 
of Mechanical Sciences, v. 44, p. 2317-2336, 2002.
30 SCHNEIDER, E.L. et al. / UNOPAR Cient. Exatas Tecnol., Londrina, v. 7, p. 25-30, Nov. 2008
Análise dos Parâmetros de Usinagem no Acabamento Superficial de Polímeros
Eduardo Luis Schneider
Doutorando em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de 
Materiais - Universidade Federal do Rio Grande do Sul 
(UFRGS). Docente da Universidade Federal do Rio Grande 
do Sul (UFRGS) 
e-mail: edu.ufrgs@gmail.com
André Canal Marques
Doutorando em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de 
Materiais - Universidade Federal do Rio Grande do Sul 
(UFRGS). Docente da Universidade do Vale do Rio dos 
Sinos (UNISINOS) 
e-mail: andrecm4@terra.com.br
Roberto R. Faller
Mestrando em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de 
Materiais - Universidade Federal do Rio Grande do Sul 
(UFRGS). Docente Universidade do Vale do Rio dos Sinos 
(UNISINOS) 
e-mail: robertofaller@yahoo.com.br
Wilson Kindlein Júnior*
Doutorado em Engenharias - Universidade Federal do 
Rio Grande do Sul (UFRGS). Docente da Universidade 
Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) 
e-mail: ndsm@ufrgs.br
*Endereço para correspondência:
Av. Osvaldo Aranha, 99/604 – Centro. CEP 90035-190. 
Porto Alegre/RS.