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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 ������������ ����� ���� ��� � ������� ������������������������ � � ���������� ��� ����� � ������ ����� � �������� ��� ������� �� �� ����������������������� ������������� ������ ��� ��� � �� ����� � � ���� �� ���� �������������������������� �������� ������� ������� ������� � � ! � "#$�� ��%�� ������ &� �� '() "*+,�� � � � ������ ��������� � � ������� ����������� �� � � ��� ������� � ���������������� � ���-�� �� � ����� ��.������ ������ ���� � � /�� �� ����� �������� �� �������� �,��� � �� �� �� ������ ��� ���� ������ � ����� ����� � ��� ���� ��� � �� �� ������� �������� �0 ����� �������� � � �������� � � ����� ���� �� �������� � ��� � ����� � �����������������"!1,�� �������� �������� ���� � �� ����� ������� .���� � ������ � � ������� �� ������ �� 2� � �� � ��� � � �,/� ����� ������ ���� �� ������ � ,� �� ����� ���� ���&������������� ���������� �� ���� � � � �� ��� � 0�� ���� ���� ���� � �� ����� ���� � � ����� �� � ���������� �� �����3���� � ������ � � ��� ������������ � � ��� ���� 0��� � , � ����� � � � ����� � ����� ��� �� � ��� ��� � � ����� &������ "!1 ������� ������������ ���� ������ � ������� � .��������� �� ������� � #()�4))� ��/�� �� � � .������ � � � �������� �� ��� ������ ���� ����������� ������ ��� ������� 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 ����������()���/���� ����� ��� ��� �� ����� ��������� �����#���,�+�� �� � � � ������ � �� ��� � ������ � ����������� ���������� ��������� � �� �� �� �� ������ ������ ��� ��� ���� �� &������ �� ��5�� �� ���� ����������� ���������� ���� ��� ���� ���� �� �������� �� ���� ��� ������ ��,� ��� �� � ��� &� �� 6���� ���� � "!1� �%������������ �� ���������� ������� ����� ���������� � � ���� ������ � ��������� �������� ��#��� &������������������������ �� ����� ��� ���� ���������� ����� ��, � � O Mundo da Usinagem – Sandvik Coromant do Brasil - 2. 2000 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). � ����� ��� ���� �� �� ��������� �� ������� � ��� �� ������������ ���� ������������ ��, � ��� �� � � ��� ������������ �������� � � �������� �������� �� �������� � ������� ���������������� ���� ������� ����� � � �����7�.+8/ ��������� �� ������� �����������, +���������� � � ����� ����� ���� � �������������� �� �������������� �� �� ������������ ��9 ������������ ��� � ������� ��� ������������� �� �������� ������� � � ���� ���� ���� ��� ������������� ���� ��� ���� ��� � �,�����������������:+ #)4)��������� �� ������� ���� � 7�.+8/������ ��������������������� ������� ������� ��� ������������ ������� �� ������� � � ,����� � 9 ��� ��� � ������ ���� � #;#����� � ���������� �������������������� �� ����� �� ��;((���� �� ,�+������ �� ���������� �����������&�������� ��9 �� �� �� �� �� � ����� �� �� ������ � ��� ���������� �� ���������������, !�������� �� �%����� ����� ��������� � � �� �� ���������� ������� � ������� ���� ��������� ���� � ���� �� � ������&����� ()<����������� ������ ���������� � � � ����� � ��� ��� � ,�� �� � � ���� �� ��� �=��� ���� � �� ������� ������� ������������� ����� �6���� ���� ������"#$����� �� ������ ����� �������������-��������� � � 3������� � ����=������� ��� ��� & 4()�1��,� ��&� � �%��������� �� �� � 3�����=������� ���� ��� �� ��� ��=��������� ��9 ��� ���� ���,�>� ��� �� ������� ������ &������ ������ �� �� ����� ����� ����������� ��& � � ���� �� ���� ��������������� ���� ������ � � � ���� ���� ������ �� �� 2� ��� � ��� ��������%� ���� ���� �� ������, > � � ������ � ���������������� ����� ����;)����� ������ ���������� ����� ����� ������� ���������� � ������ � ������ ��������� �� � � � � �������� �� ������������������� � � �� � 3������� � ����=������� ��� ��� ������ ������ ��������� , � ���� � ��� ����� � ���� ��� ��� ��� ����� ���� �� ���� ����� ���� � 7�8���7�.+8/� ��;���� �� �-�� �� ������� � � ����� !�� ��?� +������ ������ � � � ��������� ���� ��2� @ ��� �������������� � �� �� ���������� ���������&����. ���A/��������������� ������.4B������;)��� �� 0���/,�� ���� �-�� �� � ��� ������� �������� � �����@������� � � � ����� �� ��#)) ��4))��0����.������ � � ��� ������� ��C,(CB�������#C,#C(����/��������� � � � � ����� �������� ��)�(����� �� ���� �� )�(� ��� �� ������� �� )�# ��0 �� �,�� � � � ��������������� 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 �������������������������������������������� �������� ��� Fresa de topo, inteiriça de metal duro (grãos finos), com cobertura, da Sandvik Coromant O Mundo da Usinagem – Sandvik Coromant do Brasil - 2. 2000 � ! "�#$%��� �� ��� � �&��'�(������)� �����*�&���� ��� 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. #$%��������������( ����+����������� ����� ���� ��� 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 � ,, ����������� ��������� � ����� ��� ���� �� >*� �� ��� �� .��������� �/����������� �������� ������ ����� ����� ,�D�� � �������� � ���������� ����7� ������������ ��� �� � � � �� ��� �� �� �� ������� ���������� �� ���� �� ���� ���� �� ����������� � ��� ��&������� ����6 ���, E� � �9 �� ���� � �� � ������� �� � ������ �� � � � ���� ��� � � � �� ��� ������������� ������� ���� �-�� �� � � ������� � � ����� � � � ������� ���������� ������� � � � ����� � ����� ���� ������ � ������� � � ,��������������� � ��� �� ���� ����� 6���� ���� � � ������ ��� � � � ���6��� ��������� ��� �� � � ���� ������ �� ����� ,� F� �� ��� ��� ��� � � ��� � � G+�� � �� � � ��� ����� � ��� � � �� &� ��� ��� ������ �� �����= �� ��������� �2� � �� �� ���� �� �� ���� . ������ ��� �� H�#)� µ�/� ���� ��� � � ���� � �������� � � �� ������� ������� � ������� � � ,� ���� � ������=��������������� � � �� I��� ��=��������� ��9 ��� ���� �, F��� �� ��� �� ����� ��� � � � ���������8� ��.J�� ��> �&����/� � J+�8�������������������� ����� -� ���������&���� ���������� � �� ����� ���� � � ���������������� �� � ���� ��� �������� �� ��� ������ ��� �� ��������������������� ������� ��� � � ���� ��� ���,� ��������� �� ��� � ��� � ��F����� � � �� � ������������������������������� ��� �� � �� ����� � ��� � � �������� � ������� ������ -���� � ����������� � ��� ��������� ����������������� ����������� ���� ����,�D��������� �� � � �� � � ���� � ����� ���� ���������� �� �-�� �� � ��(��;��H�� #)��������������� ���������2� � � ��� ���� ������ � ��� ����� �J+�8, ������� ������� ���� �-����� �� ���� 2� ���6 ��� � � ���������� � �������� � ��������������������� ��� �� ��� �� ����-�������� ��� �� � ��� � � ���� ������ ����� 6��� ������ � ������������ �,�>������ ��������������������� ����� ���� �������� 7� ��� ����� � �������� � ����������� � �� ��������������� � �����8� ��� �� �� �� ��� ���� ���� ��� ����� � �� � ,� �� �� � ������� �� � �����6��������������� �� ��� ��� �� ����� ���������������� � ���� ������� �� ���� ��� �� � ��� � � ����������� ����� �, J� ��� � ���� � �������������� ���K������� ���������� ���� � � � ���������8� ��.J�� ��> �&����/� � J+�8� 3�������������� ��������= ����� � � � ������� ����G+������ ����� � ,� �������� �� ��������� � ���� � � �� �� � � � �� �������� � �� ���� ������������,�>�� � � ��� �����������������"#$��� �� ���� ��������� ���� ������ ������� �� ���� ��� �� �������� � � ��� � J+�8� ���������� ����� �� ����� � ��������� � �� ����� ���� ������� ��,����� ��9 ������������ �� ������� ������������������ ��������� � ��� �� ��(���4)B��� �� ����� 3� �� �� � ��� ��2� � �� � ������,� > � �������������� ����6 ��������������� �� = � ������2� � ��� ����������� � ��� �� � ���� � ,� ��������������� ������� �� �� �������� ������ �� ��� ������������ �������������(����������)���)������ 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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