Transcript
ANÁLISE DO ACABAMENTO DA SUPERFÍCIE E TEMPO DE USINAGEM NA MANUFATURA DE MOLDE DE SOPRO EM ALUMÍNIO 6351 OTIMIZANDO ESTRATÉGIAS DE USINAGEM.
Maicon Cancelier 1, Luiz Carlos de Cesaro Cavaler 1
[email protected],
[email protected].
1
Faculdade SATC, Engenharia Mecânica - Rua Pascoal Meller, 73 - CEP 88.805-380 CP 362 - Criciúma - SC - Brasil.
Resumo
Este trabalho tem como objetivo analisar a qualidade de acabamento da superfície e tempo de usinagem de um molde de sopro de uma embalagem plástica, fabricado em alumínio 6351T6, otimizando estratégias de usinagem na programação via CAM (Computer Aided Manufacturing). A análise foi realizada em 12 corpos de prova (CP) e foram alterados parâmetros como: estratégias de usinagem, ferramentas e velocidade de avanço da mesa (vf). O modelamento CAD (Computer Aided Design) foi feito através do software Solidworks® e a programação foi feita no software Edgecam®. Foram utilizadas duas estratégias de usinagem mais comuns em acabamento de moldes, a primeira chamada Parallel Lace e a segunda denominada Constant Cusp Finishing. A usinagem foi realizada em um centro de usinagem vertical e foram utilizados dois tipos de ferramenta para o acabamento, a primeira uma fresa de topo esférico com pastilhas intercambiáveis e a segunda uma fresa de topo semi-esférica inteiriça de metal duro, ambas com diâmetro de 10 mm. Na medição da rugosidade empregou-se o parâmetro de rugosidade média (Ra) e foi realizado três medições em cada CP, fazendo-se uma média dos três valores obtidos. Após o estudo, foi constatado que o CP que teve melhor desempenho foi o CP nº 2. Neste CP foi utilizada a estratégia de usinagem Parallel Lace, a ferramenta foi a fresa de topo esférico com pastilhas intercambiáveis e a velocidade de avanço da mesa (vf) foi de 2.037 mm/min. Palavras-chave: Acabamento da superfície; molde de sopro; alumínio 6351-T6; estratégias de usinagem; rugosidade.
1. Introdução
A usinagem de moldes e matrizes vem ganhando espaço de destaque no setor de manufatura na medida em que a economia mundial avança em direção à redução de lotes, configurações do produto ao cliente, grande diversidade de produtos, e principalmente, redução do seu tempo de vida, junto com a exigência de redução do tempo de lançamento de novos produtos (Helleno, 2004). Devido ao alto nível competitivo no mercado de moldes de sopro de embalagens plásticas, é indispensável a qualquer empresa trabalhar na redução de custos e prazos na entrega dos moldes. É nessa linha de pensamento que surge a necessidade de fazer com que o processo de usinagem seja cada vez mais rápido, priorizando sempre um acabamento da superfície com rugosidade N6, que em padrão de rugosidade média (Ra) seria de 0,8 µm. Estes dois fatores, rapidez na usinagem e bom acabamento, são diferenciais que refletem consequentemente no tempo total de fabricação e excelência do molde. Para conseguir este acabamento, é necessário aperfeiçoar as estratégias de usinagem da programação CAM gerando, dessa forma, uma melhor trajetória das ferramentas de corte. Em se tratando de usinagem CNC (Computer Numeric Control), é indispensável que as empresas de moldes de sopro façam a utilização da tecnologia CAD/CAM para poderem se tornar competitivas no mercado. Dentro desse contexto, é de suma importância que os softwares sejam utilizados da melhor forma possível, buscando a máxima eficácia na usinagem. Segundo Sandvik (2003), o CAM pode ser considerado um elemento-chave para se obter a máxima produtividade da máquina e da ferramenta. Somente através de estratégias adequadas, que garantem trajetórias suaves das ferramentas, volume de material removido constante e condições de corte favoráveis, obtém-se o bom acabamento da superfície, menor tempo de usinagem e maior vida útil da máquina e da ferramenta. O tempo médio gasto no processo de polimento de moldes de grande porte está em torno de 350 a 400 horas. Se esse tempo for reduzido pela otimização do processo de usinagem, não somente o custo de fabricação será reduzido, mas também a precisão da peça aumentará, pois a ferramenta executa um percurso de usinagem pré-definido. No trabalho manual de polimento, fatores como pressão e métodos de polir variam de uma pessoa para outra e, portanto as características de acabamento da superfície e de precisão dimensional são diretamente afetadas. Estima-se que, se forem utilizadas cerca de 50 horas a mais de programação e usinagem avançada e acabamento em uma máquina mais precisa, pode-se reduzir o poli-
mento de 100 a 150 horas. As peças serão mais precisas e exigirão menos tempo para a escolha das ferramentas (Gomes, 2001).
2. Revisão Bibliográfica
Nesta seção serão explanados assuntos pertinentes ao tema, tais como: informações sobre o alumínio, molde de sopro, usinagem CNC, parâmetros de corte de usinagem, sistemas CAD/CAM para o fresamento CNC e rugosidade.
2.1 Informações Gerais sobre o Alumínio
A variedade de usos do alumínio está relacionada com suas características físicoquímicas, com destaque para seu baixo peso específico, comparado com outros metais de grande consumo, resistência à corrosão e alta condutibilidade elétrica/térmica. (ABAL, 2007). A Tab. 1 compara as características dos três metais mais utilizados pela sociedade comtemporânea.
Tabela 1 – Comparação entre alumínio, aço e cobre. (ABAL, 2007).
Propriedades físicas típicas Densidade (g/cm3) Temperatura de fusão (ºC) Módulo de elasticidade (MPa) Coeficiente de dilatação térmica (L/ºC) Condutibilidade térmica a 25ºC (Cal/cm/ºC) Condutibilidade elétrica (%IACS)
Alumínio 2,7 660 70.000 23.10-6 0,53 61
Aço 7,86 1.500 205.000 11,7.10-6 0,12 14,5
Cobre 8,96 1.083 110.000 16,5.10-6 0,94 100
2.1.1 Características de um Molde de Sopro
Os moldes de sopro são usados para fabricação de peças plásticas ocas como: frascos, bonecas, carrinhos de brinquedo, reservatório de água para automóveis e até tanques de gasolina. Eles consistem em duas metades praticamente idênticas, onde cada parte trabalha com um bom sistema de refrigeração por intermédio de água gelada. Devido a serem moldes que não sofrem quase nenhuma força de atrito em seu funcionamento, somente tendo que suportar a pressão do ar injetado em suas cavidades, geralmente são feitos de ligas de zamak, alumínio,
zinco e ligas de cobre berílio, que são materiais de fácil fundição, se comparados com cavidades inteiras de aço ( Da Cruz, 2002). A Fig. 1 mostra exemplos de moldes de sopro.
(a)
(b)
Figura 1 – Exemplos de molde de sopro: a - molde de sopro para catchup, b - molde de sopro para detergente.
Os moldes de sopro podem ser feitos com uma ou mais cavidades, mas geralmente são projetados com duas ou mais, para resultar em maior produção. Logicamente que tudo isso depende do modelo da sopradora, sabendo-se que para cada cavidade a sopradora tem que permitir a adaptação de um cabeçote (Da Cruz, 2002).
2.1.2 Usinabilidade do Alumínio
De acordo com Diniz, Marcondes, Coppini (2001), o alumínio em geral pode ser facilmente usinado. A energia consumida por unidade de volume do metal removido é muito baixa. Apenas o magnésio e suas ligas podem ser usinados com a mesma taxa de energia consumida e o desgaste da ferramenta raramente é um problema (excesão feita às ligas de alumínio-silício, onde as partículas de silício presente são altamente abrasivas e desgastam rapidamente a ferramenta de metal duro). As temperaturas de usinagem são geralmente baixas e altas velocidades de corte podem ser usadas. Porém, com relação aos critérios de usinabilidade baseados na rugosidade da peça e na característica do cavaco, não se pode dizer que o alumínio tenha uma boa usinabilidade, pois em condições normais de usinagem o cavaco formado é longo e o acabamento superficial obtido é insatisfatório. Porém, bons acabamentos da superfície podem ser obtidos se a velocidade de corte for suficientemente alta e a geometria da ferramenta for adequada.
2.2. A usinagem CNC na Fabricação de Moldes
No passado, os processos para fabricação de moldes eram limitados, pois os processos de usinagem tradicionais (torneamento, fresamento, furação e retificação) não eram capazes de produzir a complexidade de contornos das cavidades e usinar muitos dos materiais utilizados na fabricação de moldes (Volpato, 1993). A evolução na construção de moldes e matrizes foi muito acelerada no século passado com o advento dos sistemas computacionais CAD e CAM e das máquinas CNC, que propiciaram excelentes resultados no setor de moldes e foram vistos como uma resposta a crescente necessidade do mercado de se projetar e alterar produtos com formas cadas vez mais complexas (Sant’ana, 2002). O modelamento e manufatura dos produtos com rapidez e com baixo custo faz com que a tecnologia CAD/CAM se transforme numa grande ferramenta para as empresas alcançarem a melhoria de seus produtos, permitindo o aumento da produtividade, rapidez na introdução de novos produtos e diminuição dos custos de manufatura (Perroni, 2011).
2.2.1 Parâmetros de Corte
Segundo Cavaler (2009), para a realização do processo de usinagem por fresamento existe uma série de parâmetros de corte a considerar. Eles descrevem quantitativamente os movimentos, as dimensões e outras características da operação de corte. A Fig. 2 apresenta os parâmetros existentes no processo.
Figura 2 – Parâmetros de corte no processo de fresamento periférico (Cavaler, 2009).
De acordo com Cavaler (2009), têm-se as equações 1 e 2 para a determinação dos parâmetros de corte. Pode-se observar que os parâmetros de corte contidos nas equações são os mesmo existentes na Fig. 2. A velocidade de corte vc é a velocidade de deslocamento em linha reta de um ponto localizado no gume de corte ao longo da peça usinada e é definida por:
vc =
π.di.n 1000
[m/min]
(1)
Onde: di [mm]: Diâmetro de corte medido sobre os gumes (diâmetro dos gumes) n [min-1]: Frequência de rotação da fresa
A velocidade de avanço de mesa vf é definida por: vf = n . z . fz
[mm/min]
(2)
Onde: z: Número de gumes fz [mm/gume] : Avanço por gume
2.2.2 Modelamento de Peças por Sistema CAD
Inicialmente, o programador do CAM deve obter um modelo geométrico, o qual define tamanho, forma e topologia do elemento a ser usinado. A construção deste modelo pode se dar no próprio CAM, ou em sistema CAD independente, dependendo do tipo de integração entre CAD e CAM e da rotina de trabalho de cada ferramentaria. Um modelo geométrico pode ser representado de várias formas, em função da capacidade de cada modelador e da necessidade do usuário. Os tipos de representação e técnica de modelamento adotados influenciam na eficiência da sua transmissão do CAD para o CAM, nas possibilidades de manipulação da geometria, na maneira de se definir o processo e no tempo e confiabilidade do cálculo das trajetórias pelo algorítimo do software (Cavalheiro, 1998). A Fig. 3 apresenta um modelamento em 3D realizado por sistema CAD.
Figura 3 – Modelamento em 3D realizado por sistema CAD .
2.2.3 Estratégias de Usinagem na Programação CAM
Com o modelo geométrico preparado, inicia-se a programação do fresamento via CAM. Isso inclui a criação do bloco, seleção da ferramenta utilizada em cada operação, especificação dos parâmetros de corte, determinação dos movimentos globais da ferramenta (seleção da estratégia), seleção da área a ser usinada, determinação de parâmetros relativos ao posicionamento e movimentos locais da ferramenta (Oliveira, 2002). Segundo Souza, Bonetti (2007), normalmente, o processo tradicional para manufatura de moldes e matrizes envolve as seguintes etapas: • Desbaste: operações de fresamento CNC partindo de um material em estado bruto. Esta operação é executada em 2½ eixos, pois a ferramenta é posicionada em uma determinada altura em relação ao eixo Z e depois executa movimentos em dois eixos para remoção de material deste nível. Quando a remoção de material deste nível é finalizada, a ferramenta se posiciona em uma nova altura em relação ao eixo Z (definida pela profundidade de corte radial), remove o material deste plano, repetindo este processo até a conclusão do desbaste. Normalmente deixa-se um sobremetal para a operação final de acabamento; • Alívio de cantos e pré-acabamento: estas operações de fresamento têm a finalidade de eliminar grandes volumes de material deixados pelo desbaste. Podem ser realizadas devido à ineficiência do processo ou para remover material em áreas onde a ferramenta de desbaste é incapaz de alcançar devido às limitações geométricas; • Acabamento por fresamento: esta é uma operação de fresamento CNC tridimensional, utilizando 3, 4, ou 5 graus de liberdade, conforme a disposição da máquina-ferramenta. Esta operação visa remover todo material excedente das operações anteriores e obter a melhor qualidade superficial possível no fresamento.
A Fig. 4 apresenta os três processos citados anteriormente, na sequência: desbaste, alívio de cantos e pré-acabamentos e acabamento por fresamento.
(a)
(b)
(c)
Figura 4 – Estratégias de usinagem CAM: a – processo de desbaste, b – processo de re-desbaste, c – processo de acabamento (Oliveira, 2002).
2.3 Rugosidade
A textura superficial pode afetar signifivamente várias propriedades como atrito, desgaste, transmissão de calor, resistência mecânica, fadiga e fluxo de fluídos. Especificamente para moldes e matrizes, estas propriedades estão intimamente ligadas ao seu desempenho em serviço. Portanto, a rugosidade nos moldes e matrizes é extremamente importante e deve ser avaliada por seus parâmetros externos, assim como sua integridade supercicial (Calil e Boehs, 2004).
2.3.1 Definição
A rugosidade de uma peça manufaturada é afetada pelo processo de fabricação, pela geometria da ferramenta e pelos parâmetros de corte, ressaltando o mais importante como sendo o avanço juntamente com o raio de ponta da ferramenta. A rugosidade média aritmética Ra é o parâmetro mais utilizado nas indústrias, na qual se verifica a rugosidade média (Tedesco, 2007). Segundo Ramos (2003), a estratégia de usinagem selecionada no software CAM para o acabamento da superfície afeta diretamente a rugosidade. Em seus experimentos na usinagem de uma hélice, a estratégia de usinagem 3D offset obteve a menor rugosidade. O autor sugere que a correta escolha da estratégia e o sucesso da usinagem e acabamento dependem fortemente da habilidade dos operadores do software de CAD/CAM.
A Fig. 5 apresenta o parâmetro de rugosidade média Ra.
Figura 5 – Rugosidade média aritmética Ra (Tedesco, 2007).
3. Procedimento Metodológico
Neste capítulo serão expostos todos os procedimentos realizados durante a realização deste projeto. A Fig. 06 mostra o fluxograma para a realização do projeto.
Figura 6 – Fluxograma para a realização do projeto
3.1 Caracterização do Material
A liga de alumínio empregada neste projeto foi a 6351-T6, por ser um metal leve, macio e resistente, muito maleável e dúctil, além de ter uma excelente resistência a corossão e durabilidade devido à camada protetora de óxido. É uma liga que tem como elementos principais o magnésio e o silício. A denominação T6 indica que o alumínio sofreu um tratamento térmico de solubilização seguido de envelhecimento artificial. Na Tab. 2 e 3, constam as informações técnicas sobre o alumínio 6351-T6.
Tabela 2 – Composição química (em %) do alumínio 6351-T6
Liga 6351
Si 1
Fe 0,5
Cu 0,1
Mn 0,6
Mg 0,6
Zn 0,2
Ti 0,2
Outros 0,05
Alumínio 96,75
Tabela 3 – Propriedades mecânicas do alumínio 6351-T6
Limite de Escoamento [MPa] Limite de Resistência a Tração [MPa] Alongamento Mínimo em 50 mm [%] Dureza [HB]
240 295 8 90-105
3.2 Máquina Utilizada
A máquina utilizada para a fabricação dos CP foi um centro de usinagem vertical de três eixos, marca Mazak, modelo FJV-200. Na Tab. 4, constam as principais características técnicas da máquina.
Tabela 4 – Características técnicas do centro de usinagem Mazak FJV-200
Avanço rápido Deslocamento ( X / Y / Z ) Dimensão da mesa Spindle Tipo de cone da ferramenta
12.000 mm/min ( 560 / 410 / 410 mm ) 800 x 460 mm 12.000 rpm, 30 HP CAT40
3.3 Ferramentas Utilizadas
Para a usinagem dos CP serão utilizados três modelos de ferramentas, um modelo único para o processo de desbaste e dois modelos para o acabamento, visto que o acabamento será o objetivo principal deste estudo. Para o desbaste será utilizado uma fresa de topo toroidal com diâmetro de 25 mm, marca Mitsubishi Materials, modelo AJX09R252SA25S. Em conjunto será utilizada uma pastilha da mesma marca, e modelo JDMT09T320ZDSR. Para a usinagem do acabamento dos corpos de prova serão utilizados dois modelos de ferramentas. A primeira uma fresa de topo esférico com pastilhas intercambiáveis e diâmetro de 10 mm. O cabeçote e a pastilha são da marca Mitsubishi Materials, sendo o cabeçote modelo SRFH1012M, e a pastilha modelo SRFT10. A outra ferramenta utilizada será uma fresa de topo semi-esférica inteiriça de metal duro, também de 10 mm de diâmetro. A marca também é Mitsubishi Materials e o modelo é VF2SSBR0500. Para ambas as ferramentas de acabamento o comprimento de balanço adotado foi de 42 mm. A Fig. 7 mostra detalhes sobre as ferramentas e comprimento de balanço.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 7 – Ferramentas utilizadas: a – fresa de topo toroidal com pastilhas intercambiáveis, b – fresa de topo esférico com pastilhas intercambiáveis, c – fresa de topo semi-esférica inteiriça de metal duro, d – comprimento de balanço.
3.4 Modelamento e Escolha das Estratégias de Usinagem
Para dar início ao processo de usinagem dos CP, foi necessário primeiramente definir um modelo a ser usinagem e precisou-se também determinar quais estratégias de usinagem que seriam utilizadas para obter um melhor acabamento da superfície usinada. O modelamento do CP foi realizado através do software Solidworks®. O modelo selecionado foi uma cavidade de um molde de sopro, que é apresentado na Fig. 8.
Rugosidade N6
Figura 8 – Modelamento do corpo de prova
Com o modelo definido, pode ser iniciado o processo de escolha das estratégias de usinagem e a programação, propriamente dita, para isso foi utilizado o software Edgecam®. O estudo da programação ocorreu através de três etapas: desbaste, pré-acabamento e acabamen-
to. final. O processo de redesbaste não foi necessário devido à geometria da peça não solicitar este tipo de processo. O foco do estudo ficará restrito somente ao último processo, que é o de acabamento final, pelo fato de esta etapa estar ligada diretamente ao acabamento final da superfície. Para acabamento final o software Edgecam® fornece duas opções de estratégias de usinagem. A primeira estratégia utilizada foi o Parallel Lace que consiste na usinagem baseandose nos ângulos das paredes do modelo. Essa estratégia consiste na movimentação da ferramenta em apenas dois eixos, fazendo o tangenciamento do perfil da cavidade. Após todo o tangenciamento aplica-se uma profundidade de corte radial (ae) definida pelo programador e volta a realizar o corte tangenciando o modelo. Este processo ocorre até que a ferramenta percorra toda a extensão do modelo. A Fig. 9 mostra as estapas da estratégia de usinagem Parallel Lace.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 9 – Etapas da estratégia de usinagem Parallel Lace: a – início da trajetória, b – meio da trajetória, c – final da trajetória, d – profundidade de corte radial (ae). A outra estratégia de usinagem utilizada foi a Constant Cusp Finishing onde a ferramenta faz uma trajetória helicoidal em toda a superfície da cavidade. Assim como na estratégia anterior, a ferramenta também faz o movimento tangencial à superfície da cavidade, porém no Constant Cusp Finishing a períodos onde ela trabalha os três eixos simultâneos. A Fig. 10 faz uma representação do movimento da ferramenta na estratégia Constant Cusp Finishing.
(b)
(a)
(c)
(d)
Figura 10 – Etapas da estratégia de usinagem Constant Cusp Finishing: a – trajetória 1, b – trajetória 2, c – trajetória 3, d – trajetória 4.
3.5 Usinagem dos Corpos de Prova
Primeiro foi realizado o processo de desbaste com a fresa de topo toroidal com pastilhas intercambiaveis. O segundo processo é o re-desbaste, que foi realizado com uma fresa de topo esférico com pastilhas intercambiáveis, porém esses processos não serão estudados. O último processo é o acabamento, este sim tem influência no acabamento final da superfície e por isso, para cada CP, foi utilizado métodos distintos de usinagem. Através das Eq. 1 e 2 e do catálogo do fabricante das ferramentas, podemos definir os parâmetros de corte. A Tab. 5 apresenta todos os parâmetros de corte do processo de acabamento de cada CP.
Tabela 5 – Características do processo de acabamento dos corpos de prova.
CP nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Estratégia
Ferramenta
Parallel Parallel Parallel Constant Constant Constant Parallel Parallel Parallel Constant Constant Constant
Fresa Interca. Fresa Interca. Fresa Interca. Fresa Interca. Fresa Interca. Fresa Interca. Fresa Inteiriça Fresa Inteiriça Fresa Inteiriça Fresa Inteiriça Fresa Inteiriça Fresa Inteiriça
vc [m/min] 160 160 160 160 160 160 110 110 110 110 110 110
n [rpm] 5.093 5.093 5.093 5.093 5.093 5.093 3.501 3.501 3.501 3.501 3.501 3.501
fz [mm] 0,17 0,20 0,23 0,17 0,20 0,23 0,15 0,20 0,25 0,15 0,20 0,25
vf [mm/min] 1.732 2.037 2.343 1.732 2.037 2.343 700 1.050 1.401 400 1.050 1.401
ae [mm] 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
ap [mm] 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
Os blocos para a fabricação dos CP foram fixados através de uma morsa hidráulica com pressão de aperto de aproximadamente 4 t. Para a usinagem de todos os corpos de prova, foi utilizado fluído de corte para uso geral, sem características especiais para alumínio. A Fig. 11 apresenta como o bloco de alumínio foi fixado para a realização da usinagem e durante o processo de usinagem.
(a)
(b)
Figura 11 – Processo de usinagem: a - fixação da peça, b - processo de usinagem. 3.6 Medição do Acabamento da Superfície Para obter o valor da rugosidade foi utilizado um rugosímetro portátil da marca Digimess e modelo TR100. O equipamento possui uma resolução de 0,01 µm. O parâmetro aplicado para a medição foi o Ra e o cutoff utilizado no equipamento foi de 0,8 mm. Foram realizados três medições ao longo do comprimento de cada corpo de prova e foi obtido um valor médio entre estas três medições. As medições foram realizadas na face inferior da cavidade. A Fig. 12 apresenta detalhes sobre o processo de medição da rugosidade.
Pontos de realização da medição (a)
(b)
(c)
Figura 12 – Processo de medição da rugosidade: a - rugosímetro, b - realização da medição, c - pontos de realização da medição.
4. Resultado e Análise
Nesta seção serão apresentados todos os resultados obtidos durante o processo de realização deste projeto.
4.1 Análise da Rugosidade
Conforme a Fig. 12, a rugosidade foi obtida utilizando um rugosímetro e fazendo uma média de três pontos ao longo do comprimento do CP. Nesta seção é mostrada uma análise da rugosidade dos CP utilizando como variáveis as ferramentas, velocidade de avanço (vf) e estratégias de usinagem. A Tab. 6 apresenta os resultados de rugosidade obtidos.
Tabela 6 – Resultados médios da rugosidade dos corpos de prova.
CP nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Estratégia Parallel Lace Parallel Lace Parallel Lace Constant Cusp Constant Cusp Constant Cusp Parallel Lace Parallel Lace Parallel Lace Constant Cusp Constant Cusp Constant Cusp
Ferramenta Fresa Interca. Fresa Interca. Fresa Interca. Fresa Interca. Fresa Interca. Fresa Interca. Fresa Inteiriça Fresa Inteiriça Fresa Inteiriça Fresa Inteiriça Fresa Inteiriça Fresa Inteiriça
vf [mm/min] 1.732 2.037 2.343 1.732 2.037 2.343 700 1.050 1.401 400 1.050 1.401
Ra [µm] 0,68 0,78 0,87 0,79 1,09 1,17 1,29 1,55 1,71 1,32 1,60 1,76
Conforme a Fig. 8, a face da cavidade deve ter rugosidade N6, que em padrão de rugosidade média (Ra) seria de 0,8 µm. Observando a Tab. 6, nota-se que apenas os CP nº 1, 2 e 4, com rugosidade média 0,68, 0,78 e 0,79 µm, respectivamente, estão em conformidade com a rugosidade desejável. Todos os CP que foram usinados com a fresa de topo semi-esférica inteiriça de metal duro, mesmo trabalhando com menores velocidades de avanço, se comparados com a fresa de topo esférico com pastilhas intercambiáveis, não obtiveram valores de rugosidade dentro do esperado. Pode-se observar que o CP que teve melhor desempenho usinado com a fresa de topo semi-esférica inteiriça foi o CP nº 7, sendo o valor de Ra igual a 1,29 µm, ficando acima da rugosidade média aceitável de 0,8 µm e consequentemente não estando
em conformidade com o projeto. Isso aconteceu porque a fresa de topo semi-esférica inteiriça de metal duro não possui uma camada de cobertura e o alumínio é um material mole, de fácil usinagem, porém com uma tendência muito grande a aderir no gume da ferramenta, aumentando a rugosidade da superfície. Já a fresa de topo esférico com pastilhas intercambiáveis apresentou melhor desempenho por fato de a pastilha ser polida, dificultando o acúmulo de material em sua face. Ela apresenta também melhor rigidez no processo de usinagem, pois o diâmetro de corte é 10 mm, porém o diâmetro do corpo é 12 mm, já a fresa de topo semiesférica inteiriça de metal duro tem o diâmetro uniforme de 10 mm. Outro parâmetro que se mostrou muito influente para o resultado da rugosidade média foi a velocidade de avanço (vf). O resultado esperado antes da realização dos testes pode ser comprovado após a fabricação dos CP e a medição da rugosidade. Utilizando como base os CP nº 1, 2 e 3, que foram fabricados com a mesma ferramenta e estratégia, pode-se observar que o CP com a menor velocidade de avanço (vf) apresentou a melhor rugosidade, e o que teve a maior velocidade de avanço (vf) apresentou a maior rugosidade. A Fig. 13 apresenta que foi citado anteriormente fazendo uma relação entre rugosidade e velocidade de avanço (vf). Os valores de avanço foram divididos por mil para melhor visualização do gráfico.
Rugosidade [µm] 2,343
Velocidade de avanço [m/min] 2,343
2,037
2,037
1,732
1,732
1,76
1,71 1,6
1,55 1,401 1,29 1,09
0,68
0,78
0,87
1,401
1,32
1,17 1,05
1,05
0,79
0,7 0,4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Figura 13 – Demonstrativo da rugosidade Ra e velocidade de avanço (vf).
12
Com relação às estratégias de usinagem, a que obteve melhor desemprenho foi o Parallel Lace. Verifica-se na Tab. 6 que a menor rugosidade utilizando o Parallel Lace foi de 0,68 µm e utilizando o Constant Cusp Finishing foi de 0,79 µm. O Parallel Lace proporciona um caminho da ferramenta uniforme, onde o corte é sempre no mesmo sentido, apresentando sempre um corte concordante. Já a estratégia Constant Cusp Finishing apresentou resultados inferiores devido à trajetória da ferramenta mudar o sentido de corte conforme a superfície da cavidade, ou seja, hora se caracteriza um corte concordante, hora um discordante. Na Fig. 14, pode-se ver claramente a trajetória da ferramenta nas duas estratégias.
Diferentes Mesmo
sentidos
sentido
de corte
de corte
(a)
(b)
Figura 14 – Trajetória da ferramenta: a - Parallel Lace, b - Constant Cusp Finishing.
4.2 Análise do Tempo de Usinagem
Além da rugosidade, que foi estudada na seção anterior, o tempo de usinagem é outro fator que tem muita influência no processo de fabricação de um molde. Neste estudo, foi medido o tempo de usinagem de todos os CP. A Tab. 7 a seguir, apresenta o tempo de fabricação real de cada CP.
Tabela 7 – Tempo de fabricação real dos corpos de prova. CP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Estratégia Parallel Lace Parallel Lace Parallel Lace Constant Cusp Constant Cusp Constant Cusp Parallel Lace Parallel Lace Parallel Lace Constant Cusp Constant Cusp Constant Cusp
Ferramenta Fresa Interca. Fresa Interca. Fresa Interca. Fresa Interca. Fresa Interca. Fresa Interca. Fresa Inteiriça Fresa Inteiriça Fresa Inteiriça Fresa Inteiriça Fresa Inteiriça Fresa Inteiriça
vf [mm/min] 1.732 2.037 2.343 1.732 2.037 2.343 700 1.050 1.401 400 1.050 1.401
Tempo [min] 90 80 74 91 81 75 180 130 105 184 132 106
Analisando a tabela, pode-se afirmar que, assim como na rugosidade, a fresa de topo esférico com pastilhas intercambiáveis apresentou melhor rendimento que a fresa topo semiesférica inteiriça de metal duro. Tomando como base os CP nº 1 e 7, que utilizaram a mesma estratégia de usinagem que foi o Parallel Lace. Nota-se que como a velocidade de avanço (vf) para o CP nº 1 é 1.732 mm/min e para o nº 7 é 700 mm/min, automaticamente o tempo de usinagem também será diferente, tanto que para o nº 1 foi 90 minutos e para o nº 7 foi de 180 minutos, uma diferença de 200%, ou seja, o dobro do tempo. Com relação as duas estratégias de usinagem, pode-se verificar que o tempo de usinagem não sofreu alteração significativa, quando utilizada a mesma ferramenta e a mesma velocidade de avanço. Observando os CP nº 1 e 4, o nº 1 foi fabricado em 90 minutos, já o nº 4 em
Tempo de Usinagem
91 minutos. A Fig. 15 a seguir apresenta o que foi citado acima. 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Corpos de Prova
Figura 15 – Demonstrativo do tempo de usinagem dos corpos de prova.
Anteriormente, no estudo da rugosidade, foi verificado que apenas os CP nº 1, 2 e 4 estavam de acordo com a rugosidade média N6 especificada. Com a análise do tempo de usinagem, pode-se afimar que o CP nº 2 será o mais indicado para atender a necessidade de fabricação do molde, visto que ele teve uma rugosidade média (Ra) em torno de 0,78 µm e sua fabricação durou aproximadamente 10 minutos menos que os corpos de prova 1 e 4.
4.3 Análise do Custo de Usinagem
Finalmente, após as conclusões da rugosidade e do tempo de usinagem, pode-se fazer um comparativo do custo da usinagem CNC entre os CP. Tomando como base um custo de R$ 20,00 por hora a usinagem CNC de um molde, pode-se construir um gráfico apresentando o custo de usinagem de cada CP. A Fig. 16 mostra o custo de usinagem dos CP.
Custo [R$]
24,66
25
26,66
27
30
30,33
3
6
2
5
1
4
35
35,33
9
12
43,33
44
8
11
60
61,33
7
10
Corpos de Prova
Figura 16 – Demonstrativo do custo de usinagem dos CP.
Pode-se observar que existe uma diferença de 150% no custo de usinagem CNC entre o CP nº 3 que foi o mais barato e o nº 10 que foi o mais caro. Utilizando dados reais de uma ferramentaria com um centro de usinagem trabalhando em regime mensal de 220 horas, utilizando os parâmetros de usinagem do CP nº 3, que foi o mais barato e considerando o custo de usinagem em torno de R$ 20,00 por hora, a capacidade de produção no setor de usinagem em 30 dias seria de 25 moldes a um custo de R$ 4.400,00. Se for feito o mesmo cálculo utilizando os parâmetros de usinagem do CP nº 10 que foi o mais caro, por exemplo, para fazer os mesmos 25 moldes iriam ser necessários 75 dias e o custo ficaria em torno de R$ 11.000,00, ou seja, seria necessário 45 dias a mais no tempo de fabricação e R$ 6.600,00 também a mais, no custo de fabricação.
5. Conclusões
A análise dos resultados dos ensaios realizados nos CP levou as seguintes conclusões: • Apenas os CP nº 1, 2 e 4 apresentaram acabamento da superfície aceitável tomando como base o valor de rugosidade N6 ou (Ra) igual a 0,8 µm, porém, ao analisar o tempo de usinagem, o CP nº 2 foi o mais indicado, pois seu tempo de fabricação foi de 80 minutos, sendo que o CP nº 1 e nº 4 tiveram tempo de fabricação de 90 e 91 minutos, respectivamente. • A fresa de topo esférico com pastilhas intercambiáveis teve melhor rendimento que a fresa de topo semi-esférica inteiriça devido a sua pastilha ser polida e por sua melhor rigidez, pois o diâmetro de corte é 10 mm, porém o diâmetro do corpo é 12 mm. Utilizando pastilhas intercambiáveis alcançou-se uma rugosidade mínima de 0,68 µm, enquanto utilizando a fresa inteiriça, o mínimo alcançado foi de 1,29 µm. • A velocidade de avanço (vf) teve grande influência no acabamento final da superfície quando comparados CP que foram utilizados a mesma estratégia de usinagem e a mesma ferramenta. Ela também tem influência direta no tempo de usinagem, quanto maior a velocidade de avanço, menor o tempo de usinagem e mais barato a fabricação do molde. • Teoricamente, quanto menor a velocidade de avanço, menor a rugosidade. Esta afirmação é válida quando se trabalha com ferramentas iguais, porém quando se utilizou ferramentas distintas pode-se ter resultados diferentes, visto que neste projeto a pastilha intercambiável teve maior avanço se comparado com a fresa inteiriça, e viu-se que a rugosidade teve menor valor na utilização da pastilha intercambiável. • Em relação à rugosidade, a estratégia de usinagem Parallel Lace obteve melhor desempenho do que o Constant Cusp Finishing. O Parallel Lace proporciona um caminho da ferramenta uniforme, onde o corte é sempre no mesmo sentido, apresentando sempre um corte concordante. Já a estratégia Constant Cusp Finishing apresentou resultados inferiores devido à trajetória da ferramenta mudar o sentido de corte conforme a superfície da cavidade, ou seja, hora se caracteriza um corte concordante, hora um discordante. Em relação ao tempo de usinagem, as duas estratégias apresentaram desempenho semelhante. • Dentro de uma programação CNC, pode existir uma diferença de até 150% no custo de usinagem, neste trabalho simulou-se que uma ferramenta pode usinar 25 moldes em 30 dias de trabalho com um custo de R$ 4.400,00 utilizando os parâmetros de usinagem corre-
tos, em contrapartida, utilizando os parâmetros incorretos, estes mesmo 25 moldes necessitam de 75 dias para serem usinados à um custo de R$11.000,00. • Para trabalhos futuros, ficam as seguintes sugestões: fazer o mesmo estudo, porém analisar também o processo de desbaste e pré-acabamento; fazer um estudo do desgaste das duas ferramentas de acabamento; fazer o mesmo estudo com outras superfícies.
Agradecimentos
Agradeço a João Carlos Cancelier que tornou este trabalho possível. Ao professor e orientador Luiz Carlos de Cesaro Cavaler pelo auxílio; e a todos os colegas que de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho.
Bibliografia
Abal; Fundamentos e aplicações do alumínio, São Paulo 2007.
Cavaler, L, C. C.; Usinagem dos materiais. Criciúma: edSatc, 2009.
Cavalheiro, A. J.; Sistematização do planejamento da programação via CAM do Fresamento de cavidades de moldes para peças injetadas. Dissertação de mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 1998.
Calil, L. F. P; Boehs, L.; A atenção dada pelas empresas à textura das superficies usinadas. Máquinas e Metais, São Paulo, v.41, n.466, p. 142-153, 2004.
Da Cruz, S.; Moldes de Injeção. São Paulo: Ed Hemus, 2002.
Diniz, A, E; Marcondes, F, C; Coppini, N, L.; Tecnologia da usinagem dos materiais. São Paulo: Ed Artliber, 2001.
Gomes, J. O.; Fabricação de superfícies de forma livre por fresamento no aço temperado DIN 1.2083, na liga de alumínio (AMP8000) e na liga de cobre (Cu-Be). Dissertação de doutorado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2001.
Helleno, A. L.; Investigação de métodos de interpolação para trajetória da ferramenta na usinagem de moldes e matrizes com alta velocidade. Dissertação de mestrado, Universidade Metodista de Piracicaba, Santa Bárbada D’Oeste - SP, 2004.
Oliveira, A. C.; Programação de estratégias de usinagem a altas velocidades (HSM) na manufatura de moldes e matrizes através de sistemas CAM. Dissertação de mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2002.
Perroni, F. A. O.; Capacitação em modelamento e manufatura de sólidos utilizando sitemas CAD/CAM. 19° Congresso de Iniciação Científica. Universidade Metodista de Piracicaba (UNIMEP), 2011.
Ramos, A. M; Relvas, C; Simões, J. A.; The Influence of finishing miling strategies on texture, roughness and dimensional deviations on the machining of complex surfaces. Journal of Materials Processing Technology, Amsterdam, v.136, n.1/3, p.209-216, May, 2003.
Sandvik; Usinagem em altíssimas velocidades. Sandivik Coromant, 2003.
Sant’ana, F. S.; O uso do CAM na construção de moldes e matrizes, Revista Máquinas e Metais, São Paulo, v.39, n443, p. 138-147, 2002.
Souza, A. F; Bonetti, I.; Estudo do contato ferramenta-peça no fresamento de formas geométricas complexas para a fabricação de moldes e matrizes. 8° Congresso Iberoamericano de Ingenieria. Pontifícia Universidad Católica Del Perú, 2007.
Tedesco, M. E.; Variação dimensional e macroestrutural do aço AISI 4140 em pecas usinadas por torneamento. Dissertação de mestrado, Universidade de Caxias do Sul, Caxias do Sul, 2007.
Volpato, N.; Recursos CAD/CAM voltados ao modelamento e à usinagem de cavidades para moldes, com estudo de caso de aplicação. Dissertação de mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 1993.
