Ao rpido, High Speed Steel (HSS)
SUMRIO
INTRODUO41.0 HISTRIA52.0 AO RPIDO, HIGH SPEED STEEL (HSS)5
2.1 COMPOSIO QUMICA6
3.0 A ORIGEM DO HSC7
3.1 O QUE NECESSRIO?8
3.2 GENERALIDADES84.0 MQUINAS FERRAMENTAS10 4.1 SISTEMAS DE
FIXAO DAS FERRAMENTAS11 4.2 COMANDOS NUMRICOS124.3 BALANCEAMENTOS
EM ALTA VELOCIDADE DE CORTE135.0 OPERAES DE SEMI-ACABAMENTO EM
FRESA TOROIDAL145.1 INFLUNCIA DA GEOMETRIA NA FERRAMENTA NA
QUALIDADE SUPERFICIAL DA PEA216.0 OPERAO DE ACABAMENTO COM FRESA DE
TOPO DE PONTA ESFRICA226.1DESGASTE E DETERIORIZAO EM FRESA DE PONTA
ESFRICA26 CONCLUSO30REFERNCIAS31
INTRODUO
Neste trabalho iremos apresentar algumas caractersticas de
composio da fabricao da higt speed, sua histria, trazendo os
primrdios e tambm evoluo durante o inicio em que se comeou a us-la
at as tecnologias que a incorporam agora.
O trabalho traz ainda alguns exemplos grficos comparativos do
material em que a se forjada e o tipo de usinagem em que aplica
para cada caso, detalhando a velocidade de avano, profundidade de
corte, quebra de cavaco e outros itens que so fundamentais na hora
em que deseja usinar determinado material.1.0 HISTRIA
O primeiro grande impulso causado nos materiais de ferramentas
aconteceu na virada do sculo XIX, quando desenvolveram o primeiro,
Ao rpido (HSS).
Em meados de 1899, Frederick Taylor e Maunsel White, trabalhando
na Bethlehem Steel, Pennsylvania EUA, fizeram extensivos testes com
os melhores aos ferramenta, aquecendo a temperaturas muito mais
altas do que as utilizadas na indstria. Taylor elaborou estudos
para determinao das velocidades e profundidades de corte da
usinagem de metais.
O ao rpido revolucionou a prtica de usinagem naquela poca, dando
um grande aumento na produtividade. As velocidades de corte puderam
ser aumentadas em uma ordem de grandeza: de 3 a 5m/min com
ferramentas de ao carbono para 30 a 35 m/min com os aos rpidos.
Exatamente por isso, estes aos levaram este nome.
2.0 AO RPIDO, HIGH SPEED STEEL (HSS)Liga de ao composta por 0,67
a 1,3% C, 5 a 12% Co, 3,75 a 4,5% Cr, 03% Mn, 4 a 9% Mo, 2 a 20% W,
1 a 5% V e apropriado tratamento trmico.Para aumentar a vida til do
ao rpido, as ferramentas so s vezes revestidas por uma camada de
outro metal. Um exemplo o TiN (Nitreto de Titnio). A maioria dos
revestimentos geralmente aumenta a dureza torna a ferramenta mais
lisa. O revestimento permite a ponta da ferramenta cortar
facilmente o material sem que partes deste fiquem incrustadas
(presas) a ferramenta. O revestimento tambm ajuda a diminuir a
temperatura associada ao processo de corte e aumenta a vida da
ferramenta.
O uso principal do ao rpido continua a ser na fabricao de vrias
ferramentas de corte: brocas, fresas, serras, bits de usinagem,
discos para cortar engrenagens, plainas, etc., embora tambm seja
usado em prensas ultimamente.
Aos de alto teor de carbono continuam sendo uma boa escolha para
uso em baixas velocidades onde uma boa preciso necessria, como em
plainas manuais, em talhadeiras, formes etc.
High Speed Machining (HSM), ou ainda High Speed Cutting (HSC),
hoje a ltima palavra em termos de tecnologia para usinagem. Esta
tecnologia est em constante desenvolvimento, e por isso, existem
muitas dvidas sobre este assunto. As atuais propostas e fundamentos
da HSC esto causando hoje o mesmo impacto que o CNC causou h 40
anos atrs.
Solues de alto nvel tecnolgico para HSC s podem ser
desenvolvidas por uma empresa que est familiarizada com a alta
demanda do setor aeroespacial, que construa plantas industriais
perfeitas e avanadas, e que consiga fazer a diferena perante os
demais concorrentes. Por isso a maioria das empresas do setor
aeroespacial conta com a Siemens como parceira, desde a construo da
fbrica at a usinagem dos componentes.
O CNC SINUMERIK 840D em conjunto com a linha SIMODRIVE 611D, a
linha de motores lineares 1FN e os equipamentos SIMATIC S7, possuem
todos os recursos necessrios para a utilizao da HSC. Muitas
empresas fornecedoras de peas para grandes fabricantes do setor
aeroespacial, assim como os prprios fabricantes, utilizam
tecnologia SIEMENS para manter a qualidade de seu produto e a
garantia de prazo de entrega.
A HSC est sendo muito utilizada em indstrias que exigem
velocidade de produo conciliada com preciso de usinagem. Isto,
devido aos diversos benefcios que a acompanham, tais como tempo de
produo e custos reduzido, excelente qualidade de acabamento e menor
distoro da pea final, menor stress do material, entre outros. A
produo orientada em HSC teve incio em 1976 com a indstria
aeroespacial, e ainda hoje, este o ramo que mais utiliza esta
tecnologia como ferramenta de produo.
2.1 COMPOSIO QUMICAQuando um ao ferramenta contm uma combinao
com mais de 7% tungstnio, molibdnio e vandio, com mais de 0.60%
carbono, ele chamado Ao Rpido. Esse termo, que descreve sua
habilidade de cortar metal rpido, usado desde 1940 quando a
ferramenta de ao predominante era a de alto teor de carbono, que no
era capaz de cortar em altas velocidades.
O tipo principal T-15 com 18% de tungstnio no mudou sua composio
desde 1910 e era o tipo mais usado at 1940, quando foi substitudo
pelo molibdnio-2). Hoje em dia, apenas 5-12% do ao rpido usado na
Europa desse tipo e apenas 2% nos EUA.
A adio de 10% de tungstnio e molibdnio no total maximiza a
dureza efetiva e a resistncia do ao rpido e mantm essas
propriedades sob altas temperaturas geradas quando se corta
metal.
3.0 A ORIGEM DO HSC
O conceito bsico da HSC foi desenvolvido pelo Dr. Carl Salomon
em 1931, o que resultou em uma patente alem. A idia consiste em
aumentar a velocidade de usinagem e assim diminuir a temperatura da
pea sendo usinado, o que causa um menor enfraquecimento do
material. A razo que a velocidade de corte (Machining Feed Rate)
maior do que a velocidade de conduo trmica, concentrando a maior
parte da dissipao de calor no material removido (cavaco). No existe
uma velocidade que determina se o processo de usinagem est ou no
sendo feito em HSC, pois este valor depende de outros fatores como
dureza do material a ser usinado, tipo da ferramenta utilizada,
ect. No entanto podemos citar como exemplos velocidades de spindle
variando de 20000 at 60000 rpm, e velocidades de corte entre 2 e 20
m/min. Na tabela abaixo, podemos observar um comparativo de
velocidades convencionais e de HSC.MaterialTipos de ferramentas
Brocas, Fresas para acabamentoFresas, Fresas de topo
Convencional (m/min)HSC (m/min)Convencional (m/min)HSC
(m/min)
Alumnio> 3053050> > 6103658>
Ferro fundidoMacio1523663661219
Dctil107244244914
AoLiga76244213366
Inoxidvel107152152274
Duro RC65241223046
Titanium38614691
Figura 1.0Ao invs de construir um conjunto partir de diversas
peas pequenas, a HSC permite que este seja construdo em um bloco
nico de material. Isto evita o desperdcio de at 60% de tempo de
montagem alm de melhorar a resistncia da pea final. Alm disso,
existe uma reduo no nmero de ferramentas utilizadas para compor o
conjunto e o peso da pea final muito menor. Certas formas de
usinagem seriam impossveis de serem construdas sem a utilizao da
HSC, como formas complexas, paredes extremamente finas, ou mesmo
com fendas muito estreitas.
3.1 O QUE NECESSRIO?
A utilizao da tecnologia HSC depende tanto da mecnica quanto da
eletrnica que a equipa, por isso o conjunto completo que forma a
mquina deve ser desenvolvido para tal finalidade. Os itens mais
importantes na questo da mecnica so o spindle e o cabeote
(toolholder), pois a ferramenta est diretamente ligada a estes dois
componentes (no caso de um centro de usinagem). O balanceamento e a
simetria do conjunto spindle+cabeote essencial para um bom
desempenho da mquina, j que neste conjunto que so exercidas as
foras de usinagem. Devemos tambm nos preocupar com a formao de
cavacos, e dar preferncia aos cavacos "quebrados" (em pedaos de 2 3
cm) ao invs de cavacos contnuos (ou fita), pois os primeiros geram
menos calor e menor desgaste da ferramenta.A eletrnica utilizada
para estas aplicaes, alm de ser de ltima gerao, deve controlar
alguns itens essenciais para a HSC: -Processamento rpido de blocos
de movimento (block cycle time) -Pr-processamento - Leitura
antecipada de blocos de movimento para gerenciamento da velocidade
(look-ahead) -Transformaes (p.ex. transformao para 5 eixos)
-Eliminao de erro de contorno -Correes de ferramenta precisas
(dimenses, desgaste, etc...) -Compensaes para erros
mecnicos/induzidos - Mxima segurana de mquina devido alta
velocidade dos eixos
3.2 GENERALIDADESDefine-se fresamento em HSM (High Speed
Machining) como sendo o fresamento de topo com elevadas velocidades
de corte (altas rotaes) e elevada velocidade de avano. Na realidade
o conceito de HSM algo bem mais abrangente do que simplesmente
girar um eixo em altas rotaes. O conceito HSM envolve a redefinio
de parmetros como mquinas com alta rotao e elevada rigidez, sistema
de fixao bem balanceado, ferramentas capazes de suportar as condies
de corte extremamente severas, tecnologia CAD/CAM e funes de
comandos CNC com 47 processamento look-ahead. H contudo algumas
limitaes e dificuldades que devem ser lembradas ao se trabalhar com
HSM: excessivo desgaste das ferramentas, necessidade de mquinas
extremamente caras, balanceamento do sistema de fixao das
ferramentas e a necessidade de materiais para ferramentas e
revestimentos cada vez mais sofisticados, alm de programas
computacionais e capacidade de processamento e armazenamento de
dados das mquinas de comando numrico (Fallbhmer et al., 2000). O
desenvolvimento da tecnologia HSM ocorreu principalmente pela
necessidade da indstria de moldes e matrizes obter produtos com
melhor acabamento superficial, em um menor espao de tempo. A
eliminao de trabalhos manuais em decorrncia de um melhor acabamento
final conseguido por HSM de extrema importncia para as empresas que
trabalham com essa tecnologia. H inmeras vantagens na utilizao de
processos HSM, quais sejam: alta taxa de remoo de material, reduo
do tempo de fabricao das matrizes, baixas foras de corte, dissipao
do calor com a alta taxa de cavaco removido e por conseqncia menor
distoro geomtrica das peas, melhor acabamento superficial, melhor
preciso final das peas, reduo na formao de rebarbas e ainda a
possibilidade de simplificao do ferramental e eliminao de trabalhos
manuais de acabamento.
A indstria de moldes e matrizes um dos segmentos do setor
metal-mecnica que est alcanando benefcios significativos com a
utilizao da tecnologia High Speed Machining. As empresas que
produzem moldes e matrizes trabalham com lotes unitrios de
produtos, alocando assim todos os custos de produo diretamente
sobre um nico produto. Como grande parte dos custos atribudo ao
processo de usinagem, 48 uma vez otimizado esse processo, a reduo
dos custos se torna-se imediata. As empresas tornam se ento mais
competitivas, pois alm de reduzirem custos, conseguem tambm uma
melhoria na qualidade de seu produto final. Para o domnio da
tecnologia HSM necessrio que se entenda bem todas as fases do
processo. Geralmente as etapas de um processo de usinagem em alta
velocidade de corte podem ser divididas da seguinte maneira:
1. Tratamento trmico para a obteno da dureza necessria;
2. Usinagem em desbaste (em alguns casos a operao de desbaste
realizada antes do tratamento trmico);
3. Pr-acabamento;
4. Acabamento com ferramenta de metal duro, cermet, metal duro
inteirio, cermica mista ou PCBN;
5. Usinagem por eletroeroso de cantos e canais profundos. Como
principal benefcio da tecnologia HSM pode-se destacar a reduo ou a
total eliminao das operaes manuais de acabamento, pois essas, alm
de serem extremamente morosas, tm um impacto na preciso geomtrica e
dimensional das peas. Outro importante aspecto positivo da
tecnologia HSM a diminuio no tempo das operaes mecnicas de
acabamento em at 50% (Silva et al., 2001), alm de um melhor
acabamento superficial das peas.
4.0 MQUINAS FERRAMENTASA fim de satisfazer as altas exigncias do
processo, a tecnologia HSM requer uma nova concepo de ferramentas,
sistemas de fixao e de mquinas de comando numrico. Para mquinas de
alto desempenho, em que se esperam vibraes mecnicas em freqncias e
potncias bem mais altas que as normalmente observadas, as
propriedades de amortecimento da estrutura so de extrema
importncia. Portanto a estrutura de uma mquina para trabalhar em
rotaes compatveis com os eixos-rvores disponveis deve ser mais bem
projetada em sua forma, ou utilizar materiais com melhores
propriedades de amortecimento (Teixeira, 2002). Alm da capacidade
de amortecimento, as estruturas das mquinas-ferramentas devem tambm
ser capazes de evitarem grandes variaes trmicas, pois essas podem
influir na tolerncia dimensional das peas que esto sendo usinadas.
Medidas como projeto de estruturas simtricas, compensao trmica
atravs do resfriamento contnuo da estrutura e projeto com materiais
de baixo coeficiente de dilatao trmica so medidas eficazes que
minimizam consideravelmente o problema. As altas rotaes dos
processos HSM exigem eixo-rvore adequado, alm de mancais capazes de
suportar os desgastes. A utilizao de mancais com rolamentos de
esferas cermicas tem sido uma boa opo. Da mesma forma que o
eixo-rvore da mquina para altas velocidades, os acionamentos de
movimentao dos eixos tambm devem acompanhar a evoluo. Isso se faz
necessrio para que a espessura de corte seja mantida dentro de
valores possveis para que se formem cavacos por cisalhamento, tanto
para processos de fresamento quanto de torneamento.
4.1 SISTEMAS DE FIXAO DAS FERRAMENTASA usinagem de matrizes e
moldes requer a utilizao de ferramentas longas para as mais
diversas profundidades de superfcies. muito importante se obter o
menor comprimento possvel na ferramenta, principalmente em operaes
de fresamento.Muitas vezes uma pequena diferena no comprimento em
balano da ferramenta pode ser a diferena entre trabalhar ou no com
boa produtividade ou mesmo no conseguir trabalhar. Para contornar
essa dificuldade, a utilizao de ferramentas modulares apresenta-se
como uma boa sada.
O Coromant Capto um sistema modular de acoplamento capaz de
manter uma boa flexibilidade e produtividade atravs de um nmero
variado de combinaes. Por meio desse sistema possvel construir uma
montagem usando suportes bsicos longos e curtos, extenses e redues
para alcanar o comprimento necessrio. Pode-se assim obter um
sistema em condies de se adaptar as mais variadas situaes de
fresamento, como o caso da usinagem de moldes e matrizes, em que h
uma enorme variedade de geometrias e profundidades de
superfcies.
Outro aspecto interessante do Coromant Capto o sistema de fixao
por parafuso central da fresa com os mdulos. O sistema de parafuso
central a maneira mais forte e barata para se fixar. Normalmente a
fora de fixao dobrada quando comparada com qualquer mecanismo de
fixao lateral (front clampling ).
Alm do comprimento da ferramenta, outro item de importncia o
sistema de fixao. O momento de flexo crtico em termos de vibraes e
um ponto muito importante para se reduzir o momento de flexo est na
fora de fixao. Sistemas de fixao hidrulicos permitem altas foras de
fixao e so capazes de manter baixo o batimento por um longo tempo
(Layne, 2001).
O sistema de fixao CoroGrip da Sandvik Coromant (Figura 3.1)
utilizado nesse trabalho, abrange todas as aplicaes (do acabamento
fino ao desbaste pesado).
Um suporte que pode fixar todos os tipos de ferramentas, de
fresas faceadoras a brocas com hastes cilndricas. A fora de fixao
simtrica no sistema mantm um baixo batimento por um longo tempo. O
desenho rgido dos suportes mantm o baixo batimento nas operaes de
desbaste. Para a obteno de alta fora de fixao deve ser usada uma
bomba hidrulica externa. Com uma presso 700 bar, a bucha externa do
mandril deslocada para cima, sobre a superfcie cnica, quando a
ferramenta fixada e para baixo quando a mesma liberada. Quando a
ferramenta fixada, o mecanismo de fixao se auto trava e no h
nenhuma presso hidrulica no suporte durante usinagem
(Sandvik-Coromant, 2002/a).
Figura 2.04.2 COMANDOS NUMRICOSOs processos de HSM tm realado a
necessidade de se desenvolver radicalmente tanto a tecnologia CAM,
quanto a tecnologia CNC. HSM no simplesmente uma questo de
controlar e impulsionar os eixos e girar os fusos mais rapidamente.
As aplicaes de HSM criam a necessidade de uma comunicao de dados
muito mais rpida entre diferentes unidades das cadeias dos
processos. Existem tambm condies especficas para o processo de
corte nas aplicaes de HSM com os quais os comandos numricos
convencionais no so capazes de lidar.
Para que as vantagens da tecnologia de usinagem com altas
velocidades de corte possam ser alcanadas, os comandos numricos
presentes nas mquinas devem possuir caractersticas tcnicas no
necessariamente exigidas, at o momento, para mquinas ferramentas. O
primeiro requisito a velocidade de processamento de blocos (linhas
de comando). Programas CNC para fresamento de superfcies complexas,
muito comuns em moldes e matrizes, geralmente consistem de uma
longa seqncia de comandos de interpolao que determinam a posio da
ponta da fresa. Neste caso, o tempo de processamento de bloco pode
representar uma limitao velocidade de avano. Outro recurso
necessrio a capacidade de interpolao simultnea de at cinco eixos.
Para a usinagem de superfcies complexas necessrio que uma fresa de
topo possa fresar com ngulos de at 90 graus trabalhando
perpendicularmente superfcie gerada. Isso s possvel com capacidade
de movimentao em 5 eixos, movendo-se a mesa (pea) ou o eixo-rvore.
Nesse caso o CNC deve compensar a geometria da mquina bem como o
comprimento e dimetro da fresa. Alm disso, o CNC deve garantir que
a velocidade de avano comandada seja mantida para a ponta da
ferramenta. So ainda desejveis recursos mais sofisticados,
permitindo que se modifique a inclinao da fresa em relao normal da
superfcie fresada durante a interpolao. Isto permite a otimizao da
usinagem durante a operao, atravs da eliminao de vibraes (Teixeira,
2002).
4.3 BALANCEAMENTOS EM ALTA VELOCIDADE DE CORTE.Define-se
desbalanceamento como sendo a condio em que o eixo de massa
principal de um corpo giratrio, tambm conhecido como eixo de
inrcia, no coincide com seu eixo de rotao (Layne, 2001). H
diferentes tipos de desbalanceamento; desbalanceamento esttico
quando o eixo de massa de um rotor no coincide com o eixo de rotao
e paralelo ao eixo de rotao, desbalanceamento conjugado, quando o
eixo de massa no coincide com o eixo de rotao, porm o intercepta no
centro de gravidade do rotor. Finalmente tm-se o desbalanceamento
dinmico como sendo a condio em que o eixo de massa no coincide com
o eixo de rotao, no paralelo a ele e no o intercepta.
Quando se trabalha com velocidades acima de 8000 rpm, um
desbalanceamento relativamente pequeno pode produzir foras
extremamente altas sobre os mancais do eixo rvore medida que a
rotao aumenta. Essas foras certamente afetam as peas que esto sendo
produzidas assim como as mquinas-ferramentas.
Na pea o desbalanceamento produz ondulaes na superfcie do metal
como tambm acabamentos superficiais de qualidade bastante ruim. O
desbalanceamento pode tambm ter como conseqncia a incapacidade de
se manter tolerncias apertadas.
Nas mquinas, os efeitos das foras centrfugas provocam tenses
internas no eixo-rvore, normalmente resultando em falha prematura
do mancal do eixo-rvore. Alm dos efeitos mencionados acima, no se
deve esquecer o efeito negativo do desbalanceamento na vida da
ferramenta. Segundo Layne (2001), a vida da ferramenta pode ser
melhorada em at 50% usando-se suporte balanceado.
H dois tipos de fontes de desbalanceamento em suporte de
ferramentas; um controlvel (fixo) e outro incontrolvel (varivel).
Os desbalanceamentos provocados por fontes fixas so atribudos a
detalhes como rasgos de arraste em suporte de ferramentas, base no
retificada do flange V, pino de reteno e quaisquer outras
caractersticas geomtricas. As fontes fixas envolvem detalhes como
posio da pina, posio da porca da pina e fontes devido s prprias
ferramentas de corte. Para as causas fixas de desbalanceamento
recomenda-se o balanceamento esttico, enquanto para as causas
variveis recomenda-se o balanceamento dinmico.
5.0 OPERAES DE SEMI-ACABAMENTO COM FRESA TOROIDALA qualidade
final de uma matriz ou de um molde depende em muito dos resultados
das operaes finais de acabamento e semi-acabamento. Por sua vez, os
resultados de tais operaes encontram-se estreitamente ligadas s
operaes anteriores de desbaste leve e pesado. Quando o resultado de
uma operao de desbaste uma grande quantidade de sobre metal em
formato de escada, as foras de corte tornam-se variveis e h uma
grande deflexo da ferramenta. O resultado um material no uniforme
para o acabamento, o que acaba influenciando na preciso geomtrica
da pea final.
A utilizao de pastilhas redondas visa a obteno de transies
suaves entre os passes, e tambm um sobremetal menor e mais uniforme
para o semi-acabamento (Figura 3.2). Uma das principais
caractersticas das pastilhas redondas consiste no fato delas
gerarem uma espessura de cavaco menos varivel, possibilitando assim
taxas de avanos mais altas. O fato do ngulo de posio variar
continuamente de 0 a 45 possibilita uma ao de corte bastante suave.
Na profundidade mxima de corte o ngulo de posio 45 e na usinagem em
cpia com a periferia o ngulo 90. Isso tambm explica a resistncia
das pastilhas redondas, em que a carga de trabalho se forma
progressivamente.
Figura 3.0 - Superfcie gerada por ferramentas com pastilhas
redondas.Contudo, a grande vantagem de se trabalhar com altas
velocidades de corte e com pastilhas redondas reside no fato de se
trabalha com pequenos valores para a profundidade de corte (ae) e
para a profundidade axial de corte (ap). Como a velocidade de corte
alta, mantm-se uma boa produtividade e tambm um bom acabamento
superficial, geralmente atingindo um acabamento superficial final
em torno de Ra = 0,2m.
Figura 3.1 - ngulo de posio em funo da profundidade axila de
corte. (Sandvik-
Coromant, 2002/a).
Na Figura 3.4 observa-se uma relao entre a profundidade radial
de corte e o ngulo de posio. Para uma pequena profundidade radial
de corte tem-se um pequeno ngulo de posio. A espessura do cavaco
ser menor, resultando em baixas foras de corte e menor gerao de
calor. A temperatura na aresta da ferramenta ser menor, aumentando
a vida da ferramenta.
Devido aos pequenos valores de ae e ap, a velocidade de corte e
o avano por dente podem ser aumentados de 5 a 10 vezes se comparado
ao fresamento convencional
(Figura 3.4 e Figura 3.5), resultando em avanos de mesa e taxas
de remoo muito alta. Mantm-se assim uma boa produtividade, uma boa
qualidade final sem afetar a vida da ferramenta e a segurana do
processo.
Figura 3.4- Velocidade de Corte em Funo de ae, ap
(Sandvik-Coromant, 1999/b).
Figura 3.5- Avano por dente em funo da relao ae/ap para trs
classes de
ferramentas (Sandvik-Coromant, 1999/b).Os baixos valores dos
parmetros de corte e o avano mais rpido da mesa impedem a propagao
de calor para a ferramenta, ficando grande parte desse calor retido
na pea. A conseqncia um amolecimento do material da pea e a
diminuio da fora necessria para a realizao do processo de
corte.
A fresa de topo toroidal (Figura 3.6) uma ferramenta de alta
preciso para desbaste leve e semi-acabamento de moldes e matrizes e
perfis complexos, assim como fresamento de acabamento. Possui
grande versatilidade permitindo o desbaste de bolses atravs do
fresamento em rampa, a usinagem em contorno, o fresamento em perfis
e faceamento em condies difceis. O longo alcance a torna ideal para
bolses fechados e profundos e cavidades rasas. Projetada para
pequenas profundidades de corte 0,2 - 1 mm e avanos por dente at
0,5 mm, o que permite que os valores do avano por dente sejam
mantidos bem altos, pois o menor contato da aresta de corte resulta
em cavacos finos e pouca gerao de calor.
Figura 3.6- Fresa de topo toroidal em diversas operaes de
usinagem.
Na utilizao de fresas com pastilhas redondas em profundidades de
corte pequenas, sempre importante calcular a velocidade de corte
real baseada no dimetro de corte efetivo ou dimetro real (Figura
3.7). Caso esse aspecto no seja levado em considerao, ocorrero
graves erros de clculo da faixa de avano, que depende da velocidade
do fuso. Tais erros de clculo provavelmente faro com que o
desempenho da fresa fique abaixo de sua capacidade.
As equaes 3.1 e 3.2 permitem o clculo da velocidade de corte
efetiva a partir do dimetro efetivo.
Figura 3.7- Dimetro efetivo de uma fresa toroidal.
5.1 INFLUNCIA DA GEOMETRIA DA FERRAMENTA NA QUALIDADE
SUPERFICIAL DA PEAA geometria circular da aresta de corte da fresa
de topo toroidal provoca um perfil em formato de ondas na superfcie
usinada. A rugosidade terica (Figura 3.8) ento determinada pela
profundidade radial de corte (ae), pelo avano por dente (fz) e pela
inclinao entre a haste da fresa e a superfcie usinada. Na direo
transversal ao avano, a rugosidade terica influenciada
negativamente pela profundidade radial(equao 3.3) de corte, pela
inclinao da fresa em relao superfcie usinada e pelo raio da
pastilha redonda (R). J na direo longitudinal ao avano, a
rugosidade terica aumenta proporcionalmente ao avano por dente.
Entretanto a influncia do avano por dente menos sensvel, devido ao
elevado raio de ponta da ferramenta redonda (Oliveira, 2002).
Figura 3.8- Rugosidade terica transversal e longitudinal ao
avano (Oliveira 2002). Rth = ae 2/8R6.0 OPERAO DE ACABAMENTO COM
FRESA DE TOPO DE PONTA ESFRICA (Ball Nose)
Nas operaes de acabamento, a operao realizada por ferramentas de
ponta esfrica de pequeno dimetro e elevado comprimento, o que
diminui a estabilidade do sistema e induz vibrao do sistema. Para
se evitar esse tipo de problema, costuma-se diminuir a espessura do
cavaco mediante a diminuio do avano combinada com uma pequena
profundidade radial de corte (Silva et al., 2001). A alta
velocidade de corte passa ento a desempenhar um papel fundamental
na reduo do tempo de fabricao das peas, pois um baixo valor para o
avano e uma pequena profundidade radial de corte torna o processo
extremamente lento.
A estratgia de corte um ponto fundamental quando se trabalha com
fresas de ponta esfrica. Para um melhor acabamento e uma maior vida
da ferramenta, deve-se adotar o sentido concordante de fresamento
com movimentos ascendentes (Figura 3.9), pois desta maneira a
ferramenta se desloca subindo ao longo do perfil no chamado corte
em reverso. Dessa forma a espessura do cavaco tem um valor mximo
com uma velocidade de corte mais favorvel, evitando-se ento que se
tenha uma grande espessura do cavaco com velocidade de corte muito
baixa. importante tambm fazer com que a ferramenta permanea em
contato com a pea, o maior tempo possvel.
Todas as operaes de fresamento tm um carter interrompido ou
intermitente devido s caractersticas da ferramenta (mltiplos
dentes). A vida til ser consideravelmente mais curta se a
ferramenta for submetida a muitas entradas e sadas no material.
Essa condio aumenta a quantidade de esforos e a fadiga trmica na
aresta de corte. Ocorre tambm um considervel prejuzo para o
acabamento final da superfcie fresada, pois a cada entrada da
ferramenta na pea, esta se deflexionar e haver uma marca e um
excesso de material na superfcie usinada. Quando a ferramenta sai
da pea, as foras de corte e a flexo da ferramenta diminuiro e haver
tambm uma marca e uma leve rebaixo de material na superfcie
usinada.
Figura 3.9- Fresamento concordante e ascendente .Devido sua
grande versatilidade, as fresas de topo de ponta esfrica (Figura
3.10) so tambm bastante utilizadas na usinagem de superfcies curvas
em processos de fabricao de moldes e matrizes. Utilizadas
principalmente para operaes de acabamento e semi-acabamento com
altas velocidades de corte (Vc > 220 m/min), as fresas de topo
de ponta esfrica tm apresentado resultados bastante satisfatrios
quanto ao acabamento superficial, vida das ferramentas e s foras
presentes no processo.
Figura 3.10- Fresa de topo de ponta esfrica (Aspinwall et. al.
(2000/a)).
O clculo da velocidade de corte feito em relao ao dimetro
efetivo da ferramenta, conforme nos indicam as equaes
A Figura 3.11 ilustra o mecanismo de formao do cavaco durante o
corte de um material com fresa de topo de ponta esfrica. Como
mostra a Figura 3.12, a geometria da ferramenta produz um cavaco
curto, em forma de cunha.
Figura 3.11- Formao do cavaco durante o corte com ferramenta de
topo de ponta esfrica (Fallbohmer, 1996).
Figura 3.12- Cavaco em forma de cunha (Fallbohmer, 1996).
Diversos autores tm estudado o comportamento das fresas de topo
de ponta esfrica sob a influncia de vrios fatores como: tipo de
cobertura da ferramenta, posio da ferramenta em relao pea, utilizao
de fluido de corte e variao dos parmetros de corte. Aspinwall et
al., (2000/b) analisaram o comportamento dessas fresas ao usinarem
Inconel 718 ( 53% Ni , 19 % Cr , 18% Fe , 5 % Nb 3%Mo , 0,9% Ti ,
0,5 % Al , 45 HRC). Ferramentas com coberturas de TiAlCrN e com
cobertura de TiAlN (mono e multi-camadas) foram avaliadas sob vrias
condies de corte. As ferramentas com cobertura de TiAlCrN
apresentaram melhores resultados quando se avaliou a vida das
ferramentas e o acabamento superficial. A Figura 3.13 mostra o
efeito do tipo de cobertura no comprimento de corte. A operao foi
realizada sem fluido de corte.
Figura 3.13- Comprimento de corte obtido em funo do tipo de
cobertura
(Aspinwall et al., 2000/b).
6.1 DESGASTE E DETERIORAO EM FRESAS DE PONTA ESFRICADevido
complexidade das superfcies a serem usinadas, as fresas de topo de
ponta esfrica tm sido amplamente utilizadas na usinagem de
acabamento de aos endurecidos empregados na confeco de moldes e
matrizes. Utilizando fresas na usinagem de ao ABNT 1045 e
velocidade de corte variando de 100 m/min a 1600 m/min, Fallbohmer
et al., (1996) testaram vrios tipos de cobertura de ferramenta. A
Figura 3.14 mostra o comportamento do desgaste de flanco em funo do
comprimento de corte. Observou-se que as ferramentas de PCBN
apresentaram um desempenho consideravelmente superior em relao s
demais ferramentas. As ferramentas de metal duro com cobertura de
TiN apresentaram um desempenho superior aos outros tipos de
cobertura mais avanados, como TiCN e o TiAlN. Segundo Fallbohmer et
al., 1996, para se tirar maior proveito de ferramentas com uma
cobertura mais avanada, necessrio que se utilize ferramenta com
grande rigidez, o que s vezes extremamente difcil de se conseguir
em fresamento de matrizes, j que esse tipo de processo exige
ferramentas longas para a usinagem de raios, reentrncias e
cavidades, o que acaba reduzindo a rigidez do sistema.
Figura 3.14- Comportamento do desgaste de flanco para vrias
ferramentas
(Fallbohmer et al., 1996).
Elbestawi et al., (1997) analisaram o desgaste de fresa de topo
de ponta esfrica com pastilhas de PCBN durante a usinagem de ao
endurecido (55HRC). Eles constataram que a alta dureza do material,
associada alta velocidade de corte produz grande quantidade de
calor. Calor esse que amolece o material que est sendo usinado,
facilitando assim o processo de corte.
Com o objetivo de estudar o mecanismo de desgaste e a vida
dessas ferramentas, Nelson et al., (1998) estudaram o desgaste de
fresas de topo de ponta esfrica na usinagem do ao ferramenta H13
(46 HRC). Trs tipos de ferramentas foram avaliados e tiveram seu
desempenho comparado.As ferramentas utilizadas durante os ensaios
foi um inserto de metal duro classe ISO K30 com cobertura de TiN
por processo CVD. Uma ferramenta de metal duro base de micro gros
VC101 (89% WC -1%TaC-10% Co) e duas classes de ferramentas de PCBN
(BZN-8100 -65% de CBN e BZN-6000 90% de CBN). A escolha dessas
ferramentas foi em virtude de sua grande utilizao no mercado.
Segundo Nelson et al., (1998), as ferramentas de metal duro com
cobertura de TiN tiveram um resultado bastante insatisfatrio se
comparada s ferramentas de metal duro base de micro-gros e de PCBN.
Esse fato foi atribudo grande quantidade de cobalto na constituio
qumica da ferramenta e incapacidade desta em resistir ao desgaste
por abraso. As ferramentas com micro-gros de metal duro
apresentaram um bom resultado em funo de uma maior dureza
proporcionada por sua microestrutura, e pela menor quantidade de
cobalto. Para velocidades de corte de at 150 m/min, as ferramentas
de micro-gros de metal duro apresentaram boa resistncia ao desgaste
por abraso. A partir desse nvel de velocidade de corte, a alta
temperatura da zona de corte facilita o desgaste causado por reaes
qumicas entre a pea e a ferramenta. Devido sua boa estabilidade
qumica a altas temperaturas, as ferramentas de PCBN conseguem
manter o corte mesmo em altas temperaturas, sendo assim indicadas
para serem utilizadas em velocidades de corte acima de 150
m/min.
A Figura 3.15 apresenta os resultados obtidos por Nelson et al.,
(1998) para cada tipo de ferramenta utilizada no experimento. Nela
observa-se um rpido desgaste das ferramentas de metal duro com
cobertura de TiN. Em compensao fica claro o bom desempenho da
ferramenta de PCBN, principalmente em altas velocidades de corte
(vc = 366 m/min).
Figura 3.15- Comportamento do desgaste de flanco (Nelson et
al.,1998).Existe atualmente uma forte tendncia em se utilizar
ferramentas de metal duro com cobertura base de titnio em
ferramentas de ponta esfrica. Dentre as coberturas utilizadas, o
TiAlN o tipo de revestimento que melhor se adapta quando so
necessrias altas velocidades de corte e dureza a quente. As
coberturas de TiN e TiCN, embora possuam tambm elevada dureza, no
suportam altas temperaturas, mantendo sua dureza numa faixa de
temperatura em torno de 400C a 450C. Segundo Dorr et al., (2001),
testes com fresas de topo de ponta esfrica com trs tipos diferentes
de revestimento (TiN ,TiCN e TiAlN), mostraram que as ferramentas
com cobertura de TiAlN superam em alguns casos, os demais tipos de
cobertura em at sete vezes. Esses resultados credenciam as
ferramentas de metal duro com revestimento de TiAlN para a usinagem
de matrizes, em que exigido da ferramenta uma alta dureza a quente.
A Tabela 3.1 resume as principais caractersticas dos materiais base
de titnio que so utilizados como cobertura nas ferramentas de metal
duro. Como se pode observar, as coberturas de TiAlN apresentam
significativa vantagem em relao aos demais tipos de revestimento.
Alm de possurem uma dureza superior, as coberturas de TiAlN
conseguem manter essa dureza em temperaturas bem elevadas, 800C
(Dorr et al., 2001). Embora alguns fabricantes afirmem que as
ferramentas de metal duro com revestimento de TiAlN mantenham sua
dureza em temperaturas de at 1000C. Alm da dureza elevada em altas
temperaturas, as coberturas de TiAlN possuem um baixo coeficiente
de atrito e um baixo coeficiente de condutibilidade trmica em relao
aos outros tipos de revestimento.
Tabela 3.1 Propriedades das coberturas a base de titnio (Dorr et
al., 2001).CONCLUSO
A definio de High Speed ou usinagem em alta velocidade de corte
pode ser descrita como a usinagem de materiais com gamas de
velocidade de rotao e taxa de avano bem acima das faixas
normalmente utilizadas e funo dependente do material a ser usinado.
Para o caso do alumnio como para alguns outros materiais no
ferrosos, outra definio para High Speed pode ser encontrada ou
descrita como sendo a de se usinar to prximo freqncia de ressonncia
da mquina. Um conceito para efetividade ou rendimento para uma
determinada usinagem pode ser descrita como encontrar a perfeita
combinao entre rotao, avano e profundidade de cortes to prximas
quando se comparadas mesma usinagem um pouco abaixo a freqncia de
ressonncia.BIBLIOGRAFIA
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http://www.google.com/#hl=pt-R&q=fresadora+high+speed&oq=fresadora+high+speed
> Acesso em: 15 Junho 2011.UOL.BR. Mecatrnica Atual. Disponvel
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. Acesso em: 15 Junho 2011.
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Acesso em: 15 Junho 2011.