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usinagem de moldes e matrizes

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A usinagem a alta velocidade é aplicável na produção de
moldes e matrizes? Para responder aos vários aspectos que
esta pergunta apresenta, pesquisadores da Escola de
Manufatura e Engenharia Mecânica da Universidade de
Birmingham, na Inglaterra, desenvolveram um trabalho
bastante extenso em que foram analisados itens como
ferramentas, porta-ferramentas e máquinas. E as ferramentas
da Sandvik Coromant, mais uma vez, provaram ter
performance adequada a este processo.
usinagem tem um impacto
substancial sobre os custos
de produção da indústria de
moldes e matrizes principal-
mente porque envolve a remoção
de grandes volumes de metal den-
tro de tolerâncias estreitas quanto
a geometria e acabamento super-
ficial das peças processadas. Além
disso, os aços-ferramenta usados
neste segmento industrial são mui-
tos e bem diferentes uns dos ou-
tros.
Para matrizes de forjamento e
fundição, a escolha geralmente re-
cai sobre os aços-ferramenta tra-
balhados a quente que podem su-
portar as temperaturas relativa-
mente altas envolvidas nestes pro-
cessos, onde se incluem os aços-fer-
ramenta trabalhados a quente à
base de cromo (AISI H13, por
exemplo) e à base de tungstênio
(como o AISI H21). Algumas ligas
A
Este artigo foi produzido pela equipe técnica da AB
Sandvik (Suécia), Divisão Coromant.
de aço, assim como aços baixa-liga,
também são usadas. As matrizes
para forjamento geralmente têm du-
reza de 45-46 HRC.
Os materiais típicos para mol-
des para injeção de termoplásticos
e termofixos são os aços-ferramen-
ta trabalhados a frio, incluindo
AISI P20, AISI P6, AISI 01 (en-
durecido a óleo) e AISI S7 (resis-
tente a choques), sendo também
aplicáveis alguns aços inoxidáveis,
ferros fundidos cinzentos e aços-
ferramenta trabalhados a quente, o
que faz saltar à vista o fato de que
a ampla variedade de materiais
para moldes reflete a diversidade
dos próprios plásticos que são pro-
cessados. A faixa de dureza típica
de tais aços no momento da usina-
gem é de 32-58 HRC.
Uma diversificada gama de for-
matos e tamanhos de cavidades é
produzida pela indústria de mol-
des e matrizes para a produção de
peças plásticas, forjadas e fundi-
das em matrizes. Raios de 0,25-3
mm são comuns nas cavidades das
matrizes e muitas delas precisam
de ângulos cônicos na faixa de 0,5-
5° para permitir a remoção das pe-
ças. A precisão dimensional neces-
sária pode ser de até ± 5 µm e a
precisão posicional das cavidades
é da mesma ordem de grandeza,
para garantir que não haja nenhum
ressalto entre as faces macho e fê-
mea de um conjunto de matriz. Em
muitos casos é necessário um va-
lor de acabamento superficial de
Ra 1 µm.
Nos últimos 60 anos, a HSM (de
High Speed Machining, ou Usina-
gem a Altas Velocidades) foi apli-
Teste de usinagem de uma cavidade
em um centro de usinagem
Matsuura FX-5 usando uma fresa de
topo Ball Nose (Ponta Esférica)
GC1020 da Sandvik Coromant. O
material é um aço endurecido AISI
H13 para matriz para trabalho a
quente
O Mundo da Usinagem – Sandvik Coromant do Brasil - 2. 2000 � �
plo, o fresamento em cópia e de ca-
vidades de peças de liga de alumí-
nio típicas da indústria aeroespa-
cial para rapidamente remover
grandes volumes de material.
Para a maioria das peças em
aço endurecido acima de 30 HRC,
as opções normalmente incluem a
usinagem do material na sua con-
dição mole (ou seja, recozido) se-
guida de tratamento térmico (para
cada em uma grande variedade de
materiais metálicos e não-metáli-
cos, inclusive para a produção de
peças com exigências bastante es-
pecíficas de topografia da superfí-
cie, além da usinagem de materiais
com dureza de 50 HRC para cima.
O termo “Usinagem a Altas Velo-
cidades” se refere, em geral, ao fre-
samento de topo com altas veloci-
dades de rotação, como, por exem-
alcançar a dureza necessária) e re-
tificação de acabamento; ou a usi-
nagem por eletroerosão (EDM, de
Electrical Discharge Machining,
ou Usinagem por Descargas Elétri-
cas); ou o uso de ferramental apro-
priado de cerâmica mista ou de ni-
treto cúbico de boro policristalino
(PCBN) para proporcionar uma
usinagem limitada de cavidades
cilíndricas/planas.
Richard Harding e Andrew Mantle
realizando testes de usinagem
em alumínio intermetálico gama-
titânio usando um dinamômetro
de força de corte
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David Aspinwall, pesquisador sênior (centro), com Richard Dewes,
palestrante, e Andrew Mantle, companheiros de pesquisa na escola de
Manufatura e Engenharia Mecânica da Universidade de Birmingham, medindo
uma matriz usinada com altas velocidades
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A realização de perfis comple-
xos muitas vezes exige a combi-
nação dessas opções e, no caso de
moldes e matrizes, envolve tam-
bém o polimento manual. Com
isso, os custos de produção podem
ser altos e os tempos de entrega
excessivamente dilatados. Como
resultado dos avanços nas áreas de
ferramentas de corte, máquinas-
ferramentas e tecnologias CAD/
CAM, uma das aplicações mais
recentes de HSM é exatamente na
fabricação de moldes e matrizes a
partir de aços-ferramenta endure-
cidos. Por conta disso, hoje se per-
cebe uma redução significativa de
custos e prazos de entrega.
Há um projeto de pesquisa na
Universidade de Birmingham, na
Inglaterra, intitulado “Usinagem
com velocidades ultra-rápidas de
ligas ferrosas endurecidas” (veja
o box “Projeto de pesquisa: bus-
cando o melhor dentro do que é
bom”, na página 8), sobre o fre-
samento de topo de moldes e ma-
trizes com altas velocidades de cor-
te particularmente em aplicações
de desbaste de aço totalmente en-
durecido. Para executar a pesqui-
sa, a universidade comprou um
centro de usinagem da Matsuura,
o FX-5 de alta velocidade (20.000
rpm), que está instalado em sua
Escola de Manufatura e Engenha-
ria Mecânica. (Na página 31 da
edição anterior de “O Mundo da
Usinagem”, o artigo “As veloci-
dades de corte aumentam e tra-
zem benefícios”, contém mais in-
formações sobre esta máquina).

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A fresa de topo da classe GC 1020 teve
melhor performance na usinagem sem
refrigeração tanto em velocidades de corte
baixas quanto altas (100 e 200 m/min). A vida
útil atingiu 161 minutos, proporcionando um
comprimento de corte de 655 m
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Fresa de topo, inteiriça de metal
duro (grãos finos), com cobertura,
da Sandvik Coromant
O Mundo da Usinagem – Sandvik Coromant do Brasil - 2. 2000 � !
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O lado positivo da HSM inclui
altas taxas de remoção de metal,
baixas forças de corte e mínima
deformação da peça, além da pos-
sibilidade de usinar seções de pa-
redes finas e de se usar dispositi-
vos de fixação simples. Além dis-
so tudo, ela produz acabamentos
superficiais a partir de Ra 0,1 µm,
pouco ou nenhum dano à integri-
dade da peça, redução da va-
riedade de ferramentas de
corte necessárias ao proces-
so, peças livres de rebarbas
e um melhor e mais fácil es-
coamento dos cavacos.
Há, porém, uma série de
desvantagens que não devem
ser ignoradas, e entre elas es-
tão o alto desgaste das ferra-
mentas, a necessidade de ma-
teriais caros para as ferra-
mentas e o seu balanceamen-
to, porta-ferramentas com
cones de alta precisão, fusos
de alto custo e baixa vida útil
(a faixa típica é de 5.000-10.000
horas com velocidade rotacional
máxima), além de máquinas e sis-
temas de controle igualmente caros.
Os fabricantes de fresadoras e
centros de usinagem comumente
oferecem velocidades rotacionais
de 10.000 rpm como opção, sen-
do usuais velocidades de 20.000
rpm, mas fresadoras com veloci-
dades de fuso tão altas quanto
100.000 rpm também já estão dis-
poníveis. Tais máquinas freqüen-
temente são capazes de trabalhar
na faixa de avanço de 15 m/min
ou mais com acelerações rápidas
e desacelerações na faixa de avan-
ço de até 20 m/s2.
Uma questão crítica da HSM é
quanto ao controle do percurso da
fresa. Os dados do controle numé-
rico precisam ser fornecidos com
faixas mais altas e volumes maio-
res que para as máquinas-ferra-
mentas convencionais. Quando é
realizada usinagem em contorno,
são necessários pequenos e fre-
qüentes movimentos da fresa para
se obter a precisão desejada na
peça. As máquinas de altas velo-
cidades devem ser capazes de ar-
mazenar grandes volumes de da-
dos, e, também, de processá-los
muito rapidamente. Os controlado-
res comumente incorporam a fun-
ção “look ahead” (olhar adiante)
para dar à máquina a capacidade
de manter a precisão quando ocor-
rerem rápidas mudanças na dire-
ção do avanço.
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Do mercado total para fresas de
topo, uma fatia de aproximada-
mente 40% é de domínio exclusi-
vo daquelas que são fabricadas em
aço rápido (HSS), as quais, no
entanto, geralmente não são ade-
quadas para a HSM de aços endu-
recidos devido à sua baixa resis-
tência térmica e baixa rigidez. As
fresas de carboneto de tungstênio
(WC), ou seja, de metal duro, são
as mais comumente usadas, além
das de topo com ponta soldada de
WC ou as que incorporam pasti-
lhas intercambiáveis, disponíveis
em vários tipos com diâmetro mí-
nimo de 10 mm.
Para diâmetros menores, as fer-
ramentas inteiriças de WC, forneci-
das por um grande número
de fabricantes, são as pre-
feridas porque têm alta ri-
gidez e geralmente atendem
à demanda por altas tole-
râncias. Tais ferramentas
estão disponíveis em diâme-
tros a partir de 1 mm e o
que se sabe é que há pelo
menos um fabricante que as
fornece com diâmetro tão
pequeno quanto 0,2 mm.
Quando se fala em fer-
ramentas de WC está-se fa-
lando em microgrãos e co-
berturas específicas, como
nitreto de titânio (TiN), nitreto de
alumínio-titânio (TiAL)N e carbo-
nitreto de titânio Ti(CN). As ferra-
mentas de cermet à base de TiC,
Ti(CN) e (ou) TiN, mais que as de
WC, também são aplicadas em pro-
cessos HSM de materiais endure-
cidos para matrizes. As pastilhas e
as ferramentas inteiriças estão dis-
poníveis em faixas de diâmetro si-
milares às das fresas de WC.
As ferramentas de cerâmica
convencionais, como, por exem-
plo, as de óxido de alumínio (alu-
mina) reforçadas por whiskers,
permitem o uso de altas velocida-
des de corte graças à sua alta re-
sistência térmica e geralmente à
Efeitos de velocidades de corte e taxas de remoção
mais altas (1), acabamento superficial (2), forças de
corte (3) e vida da ferramenta (4)
,- � O Mundo da Usinagem – Sandvik Coromant do Brasil - 2. 2000
sua baixa solubilidade em muitos
materiais de peças, incluindo os
aços. Ainda que a baixa resistên-
cia a fraturas e as dificuldades de
fabricação normalmente restrin-
jam o uso dessas ferramentas no
fresamento de topo, elas são mos-
tradas em catálogos de alguns fa-
bricantes em diâmetros na faixa de
3 a 12 mm. As fresas de topo com
blanks de PCBN soldados em uma
haste de WC ou de HSS estão se
tornando mais amplamente dispo-
níveis e hoje já se pode dizer que
existe um bom número de empre-
sas que as fornecem.
Os fabricantes indicam diâme-
tros de 5 a 6 mm, mas há catálo-
gos com produtos de até 2 mm de
diâmetro. Além disso, há muitas
indústrias que produzem ferra-
mentas de diamante sob pedido.
Formatos alternativos de fresas de
topo com pastilhas intercambiá-
veis estão disponíveis em diâme-
tros maiores. O uso de ferramen-
tas de diamante policristalino
(PCD) para usinagem de aços é
contra-indicado devido à reação
do diamante com o carbono dos
materiais ferrosos e por reverter
a grafite em temperaturas que ul-
trapassam 750ºC.
A vida útil das ferramentas tam-
bém foi objeto de estudo na Uni-
versidade de Birmingham, cujos
testes envolveram o uso de fresas
de topo Ball Nose (Ponta Esférica)
de WC e PCBN para usinar aços
AISI H13 endurecidos (50 HRC)
para matrizes para trabalhos a
quente (leia “Fresas WC Ball
Nose fazem bonito nos testes de
Birmingham” e “Ferramentas de
PCBN: raras, caras e não tão
boas”, nas páginas 9 e 12, respec-
tivamente).
Geralmente há consenso quan-
to à necessidade de balanceamen-
to das ferramentasusadas em pro-
cessos a altas velocidades de ro-
tação, mas cada caso tem de ser
analisado individualmente (o ar-
tigo “Você deve balancear suas
ferramentas?” — página 8 da
edição 1. 2000 de O Mundo da
Usinagem — fala extensivamente
sobre isso). O ferramental desba-
lanceado pode levar à oscilação
das forças centrífugas, repercutin-
do em desgaste da ferramenta, des-
gaste ou quebra do fuso, acaba-
mento superficial insatisfatório e
baixa vida útil.
Encontram-se no mercado má-
quinas que medem os níveis de
desbalanceamento e realizam o
balanceamento dinâmico e, com
base na experiência prática, foi
estabelecida uma norma (ISO
1940/1 BS 6868 Parte 1) com
classes de números para um balan-
ceamento de boa qualidade. Tra-
tam-se dos já bastante conhecidos
‘números G’, em que um número
menor indica uma alta qualidade
John Wedderburn e Richard Dewes, na Universidade de Birmingham,
observando a usinagem de aço endurecido com altas velocidades
A usinagem de moldes e
matrizes se beneficia
com os novos conceitos
de geometria e
desenhos de
ferramentas da Sandvik
Coromant
O Mundo da Usinagem – Sandvik Coromant do Brasil - 2. 2000 � ,,
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de balanceamento. Por exemplo,
G6.3 é apropriado para aplica-
ções onde as velocidades são bai-
xas, G2.5 é necessário para se
obter alta qualidade e G1.0 é
apropriado para aplicações com
altas velocidades rotacionais e
exigências de alta precisão.
A maioria dos centros de usi-
nagem utiliza uma norma interna-
cional (ISO297, BS1660 Parte 4)
para o cone de arraste, comumen-
te chamado de “cone ISO”. Para
aplicações de alta precisão, os ân-
gulos do cone atendem às especi-
ficações da norma com relação às
tolerâncias de ângulo (ISO1947,
BS4500 Parte 5). Essas normas
oferecem uma faixa de ‘números
AT’ a partir de AT1, para cones
de alta precisão com tolerância
muito estreita, até AT6, para ne-
cessidades menos exigentes. Além
disso, foi desenvolvida uma nova
interface de máquina-ferramenta/
porta-ferramenta, conhecida como
cone HSK (DIN 69893). Trata-se
de um sistema que tem uma haste
oca e cuja massa corresponde à
metade da massa de um cone ISO
convencional. Ele apresenta alta
precisão e repetibilidade na troca
do ferramental e, também, alta ri-
gidez e capacidade para transmis-
são de altos torques.
Em paralelo ao trabalho des-
crito no box “Projeto de pesqui-
sa: buscando o melhor dentro do
que é bom”, da página 8, a pes-
quisa da Universidade de Birmin-
gham também investigou os as-
pectos mais científicos da HSM,
como, por exemplo, a medição da
temperatura na zona de corte.
Este conhecimento levará a uma
melhor compreensão do desgaste
da ferramenta e de aspectos da in-
tegridade superficial da peça. Os
métodos de medição de tempera-
tura envolveram o uso de termo-
pares implantados na ferramenta
e na peça e medição com raios in-
fravermelhos.
Os resultados iniciais indicam
que na usinagem de aços endureci-
dos com ferramentas de carboneto
de tungstênio as temperaturas da
interface da fresa foram surpreen-
dentemente baixas, ficando normal-
mente dentro da faixa de 200 a
300ºC. Esse é mais um dado posi-
tivo que reforça o fato de que o WC
pode (e deve) efetivamente ser usa-
do pelas indústrias para a usinagem
de aços endurecidos para a produ-
ção de moldes e matrizes.
,. � O Mundo da Usinagem – Sandvik Coromant do Brasil - 2. 2000

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