SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA INSTITUTO SUPERIOR TUPY MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA

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1 i SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA INSTITUTO SUPERIOR TUPY MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS ESTRATÉGIAS DE FRESAMENTO 3 E 5 EIXOS PARA A FABRICAÇÃO DE MOLDES Adriano Eudorico Albano Joinville 2008

2 ii SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA INSTITUTO SUPERIOR TUPY MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS ESTRATÉGIAS DE FRESAMENTO 3 E 5 EIXOS PARA A FABRICAÇÃO DE MOLDES Dissertação apresentada ao Programa de Pós - Graduação em Engenharia Mecânica do Instituto Superior Tupy, como requisito para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Adriano Eudorico Albano Orientador: Prof. Dr. Adriano Fagali de Souza Joinville 2008

3 iii ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS ESTRATÉGIAS DE FRESAMENTO 3 E 5 EIXOS PARA A FABRICAÇÃO DE MOLDES Adriano Eudorico Albano Dissertação defendida e aprovada em 03 de novembro de 2008, pela Banca examinadora constituída pelos Professores: Prof. Dr. Adriano Fagali de Souza (Orientador) Instituto Superior Tupy Prof. Dra. Sueli Fischer Beckert Instituto Superior Tupy Prof. Dr. Reginaldo Teixeira Coelho EESC - USP

4 iv Dedicatória Dedico esse trabalho a Deus que me Concedeu a oportunidade de chegar Até aqui e a todos que de uma forma ou De outra contribuíram para esse trabalho

5 v Agradecimentos Ao Professor Dr. Adriano Fagali de Souza do Instituto Superior Tupy, pela orientação e acompanhamento passo a passo durante o desenvolvimento desse trabalho. À Ferramentaria SOCIESC, especialmente ao Sr. Lauro dos Anjos Filho e ao Sr. José Carlos da Silva pelo incentivo à pesquisa e desenvolvimento tecnológico na área de Moldes e Matrizes. A todos os colaboradores da equipe técnica da ferramentaria Sociesc e demais envolvidos que se engajaram na realização desse projeto. Ao aluno de iniciação científica Caio Zafalon pelo comprometimento no processamento dos dados estatísticos. À Empresa Villares Metals pelo fornecimento da matéria prima utilizada nos experimentos de usinagem. À empresa DELCAM, pelo sistema CAD/CAM utilizado nesse trabalho. À empresa GRV software, pela utilização de software de gerenciamento de custos CPS. Ao laboratório de Metrologia Sociesc pelo envolvimento nas medições tridimensionais do experimento.

6 vi SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO E CONTEXTUALIZAÇÃO Objetivos Gerais Objetivos Específicos Estrutura do trabalho REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Principais programas computacionais empregados na fabricação de moldes Sistemas CAD Sistemas CAM Operações de usinagem na fabricação moldes Usinagem por eletroerosão (Electrical Discharge Machining - EDM) Processo de fresamento de moldes Fundamentação usinagem 5 eixos Operações de fresamento em 5 eixos TRABALHO EXPERIMENTAL Materiais e equipamentos Material utilizado Máquinas-ferramenta e acessórios Programas computacionais utilizados Geometria do corpo de prova Parâmetros de processos Parâmetros de corte para fresamento 3 eixos Parâmetros de corte para fresamento 5 eixos Usinagem dos eletrodos Usinagem do corpo de prova por eletroerosão Métodos de avaliação Tempos de fabricação Custos de Fabricação Verificação dos erros geométricos RESULTADOS E DISCUSSÕES Estudo dos tempos de fabricação Tempos de programação CAD/CAM Tempo de fresamento da geometria...68

7 vii Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão Tempo específico de processo e tempo total de processo Custo de fabricação Estimativa simplificada de custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos Simulação simplificada do tempo estimado para amortização do investimento Avaliação dos erros geométricos CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS...88

8 viii RESUMO ALBANO, Adriano Eudorico. Análise Comparativa entre as Estratégias de Fresamento 3 e 5 Eixos para a Fabricação de Moldes. Joinville: IST, Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica. Atualmente, a indústria fabricante de moldes e matrizes tem-se deparado com uma acirrada concorrência no mercado mundial, além de exigências na redução dos prazos de entrega, redução de custos, e aumento de qualidade. Desta forma, as indústrias neste segmento devem estar atualizadas tecnologicamente para manter a competitividade. Nas últimas décadas, algumas tecnologias vêm se consagrando para apoiar este segmento, tais como: tecnologias computacionais de apoio (sistemas CAD/CAM/CAE/CAI), processos de usinagem em altas velocidades (High Speed Machining HSM) e a tecnologia de usinagem por fresamento utilizando 5 graus de liberdade, conhecida como fresamento 5 eixos. Devido a sua complexidade e custo, atualmente a usinagem 5 eixos é usualmente empregada na indústria aeronáutica, a qual necessita de sua aplicação. Com o desenvolvimento tecnológico e redução dos custos de implantação desta tecnologia, tende-se aplicar o fresamento 5 eixos para a indústria de moldes e matrizes. Alguns trabalhos científicos podem ser encontrados na literatura, tratando pontos científicos e tecnológicos sobre o tema. Entretanto, uma investigação sobre a viabilidade de aplicação e benefícios da usinagem 5 eixos na indústria de moldes e matrizes ainda é uma lacuna. Desta forma, este trabalho tem por objetivo realizar uma avaliação comparativa entre os processos de usinagem por fresamento, empregando 3 e 5 eixos de movimentação, para a indústria fabricante de moldes para a injeção de termoplásticos. A fabricação de moldes, empregando estas duas técnicas de fresamento foram avaliadas minuciosamente, envolvendo as etapas de programação CAD/CAM, o processo de fresamento e as operações de usinagem por eletroerosão. A usinagem por eletroerosão é muitas vezes necessária devido a limitações do processo de fresamento 3 eixos. Com o objetivo desenvolver o conhecimento aplicado à indústria de moldes, a geometria de um produto comercial foi selecionada para formar o corpo de prova. Dois corpos de prova foram fabricados, cada qual utilizando técnicas de fresamento 3 e 5 eixos. Foram obtidos os tempos de fabricação, custos e erros dimensionais para ambos os processos. Os resultados detalham os benefícios e limitações do fresamento 3 e 5 eixos para a referida indústria. Palavras-chave: Fresamento 5 eixos, Fabricação de Moldes, CAD/CAM, Eletroerosão

9 ix ABSTRACT ALBANO, Adriano Eudorico. Análise Comparativa entre as Estratégias de Fresamento 3 e 5 Eixos para a Fabricação de Moldes. Joinville: IST, Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica. Currently, the die and mould industry has a strong worldwide competition and requires to be technologically updated. Some important technologies have been developed successfully in the last decades to support this industrial segment, such as computational software (CAD/CAM/CAE/CAI), the High Speed Machining technology, and the 5 axis milling. Due to the complexity and cost, the last technology has been used only for the industry that requires its application, such as the air craft industry. Many scientific research can be found about the theme, but the technical and financial viability to apply 5 axis machining in die and mould industry is still a lack of knowledge. Therefore, this work aims to compare the application of 3 axis milling against 5 axis milling for mould fabrication. A real geometry was defined as workpiece. Appling 3 and 5 axis milling, two workpiece were fabricated. The entire fabrication time, as well as costs concerned and the geometry errors were assessed. The results shows the benefits and limitation about 3 and 5 axis milling applied for mould fabrication. Keywords: Five Axis Milling, Die and Mold Manufacturing, CAD/CAM, Electric Discharge Machining.

10 x LISTA DE FIGURAS Figura 1: Cadeia de manufatura de produtos que utilizam ferramentais Figura 2: Etapas da manufatura envolvendo a cadeia CAD/CAM/CNC Figura 3: Trajetória da ferramenta calculada por um sistema CAM Figura 4: Pós-processamento de programas CNC Figura 5: Arquivo CNC pós-processado para fresamento 5 eixos Figura 6: Microtrincas geradas em peça usinada pelo processo de eletroerosão Figura 7: Contato da aresta de corte com o plano de trabalho θ Figura 8: Possibilidade de acesso da ferramenta de corte Figura 9: Principais trajetórias de ferramentas para acabamento de moldes Figura 10: Movimento da ferramenta em relação aos vetores paralelos ao seu eixo 34 Figura 11: Diferentes eixos de inclinação entre o par ferramenta-peça Figura 12: Usinagem com a lateral da ferramenta em estratégia Swarf Figura 13: Sistemas de coordenadas para 5 eixos Figura 14: Combinações de eixos para máquinas CNC s 5 eixos Figura 15: Usinagem em 5 eixos posicionais Figura 16: (a) Curva descontínua, problemas na modelagem da superfícies. (b) Gráfico de curvatura. (Fonte: SILVA, 2006) Figura 17: Cavidade usinada em estratégia 3D offset Figura 18: Cavidade usinada em estratégia 5 eixos SWARF Figura 19: Escopo de processo para o procedimento experimental Figura 20: Bloco de aço VP20 ISO empregado no experimento Figura 21: Máquina ferramenta Deckel Maho DMU Figura 22: Máquina ferramenta Deckel Maho DMC 104V linear Figura 23: Cones utilizados no experimento Figura 24: Máquina por eletroerosão utilizada no experimento Figura 25: Cavidade do experimento na máquina de medir por coordenadas Figura 26: Geometria da cavidade do agitador da máquina lavar roupas em 3D Figura 27: Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Figura 28: Regiões selecionadas para avaliar os erros dimensionais dos corpos de prova Figura 29: Representatividade percentual dos processos CAD/CAM para 3 eixos Figura 30: Representatividade percentual dos processos CAD/CAM para 5 eixos Figura 31: Tempos do processo CAD/CAM Figura 32: Quantidade de programas CNC e tamanho dos arquivos Figura 33: Corpos de prova fabricados Figura 34: Tempo de fresamento da geometria Figura 35: Tempo para fabricação dos eletrodos para as duas cavidades Figura 36: Região inacabada pelo fresamento Figura 37: Áreas com material remanescente para eletroerosão Figura 38: Tempo total de processo para eletroerosão Figura 39: Tempos específicos de processo Figura 40: Tempo total de processo Figura 41: Representatividade dos tempos por processo de fabricação Figura 42: Gráfico percentual para os custos de fabricação por tipo de fresamento. 77 Figura 43: Medição da região do produto Figura 44: Teste de normalidade para a região do produto... 83

11 Figura 45: Medição da região do fechamento principal Figura 46: Teste de normalidade para a região do fechamento principal Figura 47: Medição do fechamento secundário Figura 48: Teste de normalidade para a região do fechamento secundário Figura 49: Boxplot comparativo para os dois processos estudados Figura 50: Dados tecnológicos aplicados Figura 51: Calibração do apalpador RENISHAW através de esfera padrão na máquina de medir por coordenadas Figura 52: Desvios encontrados na calibração da máquina de medir por coordenadas Figura 53: Teste de normalidade da esfera medida na MMC xi

12 xii LISTA DE TABELAS Tabela 1: Composição química do aço VP Tabela 2: Parâmetros de corte utilizado no experimento em fresamento 3 eixos Tabela 3: Parâmetros de corte utilizado no experimento em fresamento 5 eixos Tabela 4: Parâmetros de corte utilizado no experimento no fresamento dos eletrodos Tabela 5: Parâmetros aplicados no processo de eletroerosão para as duas cavidades Tabela 6: Tabela custo hora/processo Tabela 7: Tabela de tempos de programação CAD/CAM para fresamento 3 eixos.. 63 Tabela 8: Tabela de tempos de programação CAD/CAM para fresamento 5 eixos.. 64 Tabela 9: Somatória dos tempos da etapa CAD/CAM Tabela 10: Tempo para modelamento e programação CNC de eletrodos Tabela 11: Tempo de fresamento dos eletrodos Tabela 12: Custo total de fabricação das cavidades Tabela 13: Estimativa de custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos Tabela 14: Custos/hora para a simulação simplificada de amortização do investimento Tabela 15: Tabela de amortização para 2 turnos de trabalho (adaptado de Neto e Pereira,2008) Tabela 16: Tabela de amortização para 3 turnos de trabalho (adaptado de Neto e Pereira,2008) Tabela 17: Tabela dos intervalos dos desvios encontrados nas superfícies inspecionadas... 87

13 xiii ABREVIAÇÕES E SIGLAS MDIC: Ministério do Desenvolvimento Indústria e Comércio Exterior APL: Arranjo Produtivo Local CAD: Computer Aided Design CAM: Computer Aided Manufacturing CAI: Computer Aided Inspection CNC: Comando numérico computadorizado CPS: Controle de Processos e Serviços MMC: Máquina de Medir por Coordenadas HSM: High Speed Machining EDM: Electrical Discharge Machining CLF: Cutter Location File CL: Cutter Location CC: Cutter Contact RPM: Rotações por minuto F: Avanço de trabalho (mm/min) ap: Profundidade de corte axial (mm) ae: Profundidade de corte lateral (mm) CDP: Corpo de prova Zw: Eixo original de trabalho em Z. Xw: Eixo original de trabalho em X. Zc: Eixo modificado de trabalho em Z. Θ: Ângulo de inclinação para o plano de trabalho modificado

14 Capítulo 1: Introdução e contextualização 14 1 INTRODUÇÃO E CONTEXTUALIZAÇÃO A indústria de moldes tem grande impacto no cenário atual, pois influencia diversos segmentos produtivos, tais como: eletrodoméstico, automobilístico, indústria civil, dentre outros. Estima-se que 600 empresas fabricantes de moldes e matrizes estejam sediadas na região de Joinville. Esse aglomerado de empresas forma um importante Arranjo Produtivo Local (APL) da indústria metal-mecânica, considerado dentre os cincos APL prioritários para o Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior MDIC (MDIC 2008). Resende e Gomes (2004) recomendam que para o desenvolvimento do segmento de moldes no APL de Joinville são necessárias ações conjuntas das empresas. Essas ações devem contemplar a formação e manutenção de banco de dados sobre experiências bem sucedidas visando o processo contínuo de inovação tecnológica e podem ser realizadas através de parcerias entre fabricantes de moldes e centros tecnológicos. A pesquisa realizada pela consultoria MAXIQUIM, no ano de 2001, demonstra a necessidade de desenvolvimento deste segmento no Brasil, conforme demonstram alguns indicadores apresentados a seguir: a) O déficit da balança comercial brasileira aumenta negativamente, alcançando de US$ 112 milhões a US$ 200 milhões no seguimento. b) O faturamento da indústria de moldes para transformação de termoplásticos é estimado em US$ 300 milhões por ano, no Brasil. Estima-se um faturamento bruto mundial de moldes e matrizes em torno de US$ 20 bilhões por ano. c) Crescimento em torno de 15% da demanda de termoplásticos, comparado ao ano anterior. d) Os Estados Unidos é o maior fornecedor mundial de moldes com faturamento superior a US$ 5 bilhões por ano, seguidos pelo Japão e Alemanha.

15 Capítulo 1: Introdução e contextualização 15 e) Relata-se uma concorrência crescente de países como França, Itália, Península Ibérica e principalmente dos Tigres Asiáticos (Coréia, Taiwan e Singapura) além da China. Segundo Vallejos e Gomes (1998) a baixa capacidade competitiva e tecnológica dos fabricantes de moldes e matrizes nacionais atribui-se aos elevados preços e prazos de entrega de seus produtos, em relação àqueles praticados no mercado internacional. A pesquisa realizada por Gregolin e Antunes (2002) demonstra a necessidade de aprimorar a fabricação de moldes no Brasil, necessitando de desenvolvimento tecnológico para se igualar aos países considerados desenvolvidos. Em função das demandas atuais de mercado, as linhas automotivas, de eletrodomésticos e de telefonia móvel têm exigido cada vez mais agilidade, rapidez e flexibilidade no desenvolvimento e fabricação de moldes de injeção (LUCIANO et al, 2002). Souza e Bonetti (2007) apresentam a cadeia de manufatura à qual a indústria de moldes encontra-se inserida. A fabricação de moldes foi subdividida nas etapas: i) processos de fabricação, ii) processos de usinagem, iii) processos de fresamento, como ilustra a Figura 1. Figura 1: Cadeia de manufatura de produtos que utilizam ferramentais Fonte: SOUZA e BONETTI, (2007)

16 Capítulo 1: Introdução e contextualização 16 Dentre as operações envolvidas, o fresamento das cavidades do molde são as operações mais significativas, pois, além de produzir o produto final, pode influenciar diretamente as operações subseqüentes, repercutindo na qualidade, custo e tempo de fabricação do produto (SOUZA e BONETTI, 2007). Conforme apresentado por Boujelbene et al (2004), a maior porcentagem do custo de um produto fabricado pela injeção de plástico é relativa à manufatura do molde (30% do custo total) e a maior porcentagem desses custos está relacionada à usinagem. Fallböhmer (1996) conclui que mais de 60% do tempo de fabricação de um molde ou uma matriz é consumido na fabricação das partes funcionais, as quais incluem superfícies complexas. Na fabricação das partes funcionais do molde, Bonetti (2008) identificou o tempo de usinagem em cada etapa de fresamento. Para tanto, o autor avaliou 45 processos de fabricação de moldes de médio porte e identificou que 51% do tempo total de fresamento são despendidos em operações de desbaste, 18% em etapas de préacabamento e 31% para o acabamento. Deve-se considerar que, embora o acabamento não seja a etapa mais representativa de usinagem, é a operação que influenciará diretamente o produto final, em termos de qualidade dimensional, tempo e custo. Observa-se no mercado atual uma forte tendência na fabricação de produtos contendo formas suaves e harmônicas para compor os produtos. Segundo Lazoglu (2003), a utilização de objetos e produtos contendo formas geométricas complexas fez com que a necessidade de novas tecnologias de fabricação fosse intensificada. A complexidade geométrica dos produtos impõe novos desafios para a cadeia de manufatura de moldes, além da redução dos prazos de entrega, aumento da qualidade dimensional do molde e redução dos custos (BAPTISTA e SIMÕES, 1999). Dessa forma, o mercado global obriga os fabricantes de moldes e matrizes a buscarem continuamente a modernização de seu parque fabril, caso contrário, perderão competitividade, se não adotarem novas tecnologias e processos de fabricação (GEIST e FINZER, 2000).

17 Capítulo 1: Introdução e contextualização 17 Desde 1998, empresas brasileiras de pequeno, médio e grande porte têm buscado investimentos em novas tecnologias de fabricação, dentre elas a usinagem em alta velocidade, High Speed Cutting (HSC) ou High Speed Machining (HSM) (Deonísio, 2004), mas somente na última década novas tecnologias de usinagem têm sido aplicadas com eficiência na indústria de moldes, como usinagem em altas velocidades combinada com a usinagem em 5 eixos posicionais ou em 5 eixos simultâneos, trazendo reais vantagens para o processo (COLDWELL et al, 2003). Tradicionalmente, na fabricação de moldes, aplica-se o fresamento em 3 eixos (X, Y, Z). Máquinas-ferramenta com mais eixos simultâneos de movimentação ainda são escassas nas 1 ferramentarias, pois, além dos custos de implantação, requerem o desenvolvimento de novos processos de fabricação. A falta de conhecimento sobre o tema também é um forte empecilho para aplicação do fresamento 5 eixos na indústria de moldes. As máquinas-ferramenta 5 eixos (5 graus de liberdade), além de 3 eixos elementares de trabalho, possuem mais 2 eixos rotativos que podem agir simultaneamente, trazendo à fabricação de moldes grande versatilidade. Entretanto, o processo se torna mais complexo, pois exigem-se sofisticados algoritmos matemáticos para calcular e simular as trajetórias da ferramenta, pelos sistemas CAM, além do conhecimento do processo de fabricação e operação dos equipamentos. O custo de implantação dessa tecnologia é maior em relação à tecnologia 3 eixos (SO et al, 2007). Na usinagem de moldes, a aplicação do fresamento 5 eixos pode propiciar maior alcance da ferramenta de corte, atingindo regiões inacessíveis pelo fresamento tradicional (3 eixos), reduzindo áreas de eletroerosão, permitindo a usinagem em elevadas profundidades, redução de vibrações e melhor acabamento superficial. O trabalho realizado por Baptista e Simões (1999) conclui que o fresamento 5 eixos ocasionou melhor acabamento superficial em relação ao fresamento 3 eixos. Entretanto não são avaliados no trabalho, os tempos de fabricação, os impactos no custo e na qualidade dimensional da superfície fresada. Essas características são importantes para identificar a real viabilidade de aplicação das técnicas de usinagem 5 eixos na indústria de moldes. 1 Nome atribuído às indústrias fabricantes de Moldes e Matrizes

18 Capítulo 1: Introdução e contextualização 18 Diversos trabalhos de pesquisas na área de usinagem por fresamento em 5 eixos podem ser encontrados na literatura. Estes trabalhos, muitas vezes, estão focados no desenvolvimento das tecnologias relacionadas a aplicação da usinagem 5 eixos, tais como: algoritmos para cálculo e simulação de trajetórias; desenvolvimento de novas configurações de máquinas-ferramenta; rotinas, sistemas de comando e controle numérico CNC; processo de corte; precisão do processo, etc. Entretanto, trabalhos para constatar os tempos de fabricação, custos envolvidos e qualidade da usinagem, comparando ao fresamento tradicional, 3 eixos, ainda são incipientes, embora fundamentais. Diante do contexto em evidência, o presente trabalho propõe desenvolver o conhecimento sobre a viabilidade técnica e econômica da aplicação do fresamento 5 eixos para a fabricação de moldes, em comparação com o fresamento 3 eixos. Com o objetivo de desenvolver o conhecimento aplicado à realidade industrial, a geometria de um molde para injeção de plástico foi utilizada como corpo de prova. Foram fabricados dois corpos de prova, aplicando os processos de fresamento 3 e 5 eixos. São avaliados detalhadamente os tempos requeridos em cada etapa de fabricação, envolvendo: programação e simulação da usinagem via software CAM; o modelamento de eletrodos (CAD); a usinagem CNC dos corpos de prova; a programação e usinagem dos eletrodos (CAM/CNC); usinagem por eletroerosão de cada corpo de corpo de prova. Diversos trabalhos de pesquisa estudam e propõe a tecnologia para o processo de fabricação por fresamento 5 eixos, entretanto, nota-se uma carência de informações sobre sua viabilidade na cadeia de fabricação de moldes. Foram computados os custos e tempos requeridos para a fabricação utilizando ambos os processos, possibilitando visualizar os benefícios da usinagem 5 eixos relacionados ao tempo de fabricação, assim como identificar as limitações e gargalos do processo. Para composição dos custos, foram computados os valores dos materiais empregados (aços e materiais para os eletrodos) assim como os valores/hora de cada processo, considerando o tempo empregado em cada etapa. Também se realizou uma inspeção geométrica nas regiões que compõem a área de fechamento do molde real, pois esta é uma região crítica em moldes de injeção de plástico. O processo foi realizado com o auxílio de uma máquina de medir por coordenadas CNC (MMC), integrado a um sistema computacional específico

19 Capítulo 1: Introdução e contextualização 19 (CAD/CAI), a fim de quantificar os erros de forma, ocasionados pelo processo de fresamento 5 eixos, em comparação com o fresamento 3 eixos. 1.1 Objetivos Gerais Este trabalho tem por objetivo geral desenvolver o conhecimento sobre a aplicação do processo de fresamento 5 eixos para fabricação de moldes e matrizes. Através de um estudo de caso, serão comparados os processos de fresamento 3 e 5 eixos, avaliando-se as diferenças tecnológicas que impactam nos tempos e custos de fabricação, além da qualidade dimensional gerada pelos processos de fresamento em estudo. 1.2 Objetivos Específicos Este trabalho tem por objetivos específicos: a) Desenvolver um processo de fabricação para a usinagem do corpo de prova aplicando as tecnologias CAD/CAM/CNC e eletroerosão, considerando o processo de fresamento 3 eixos; b) Desenvolver um processo de fabricação para a usinagem do corpo de prova aplicando as tecnologias CAD/CAM/CNC e eletroerosão, considerando o processo de fresamento 5 eixos; c) Descrever todas as etapas e sub-etapas de fabricação do corpo de prova; d) Modelar o corpo de prova e os eletrodos em um sistema CAD, executar a programação da usinagem dos eletrodos em sistema CAM e sua respectiva usinagem no centro de usinagem CNC. e) Identificar as regiões que necessitam usinagem por eletroerosão, conforme o processo de fresamento empregado; f) Realizar a usinagem dos corpos de prova, por fresamento em altas velocidades, utilizando 3 e 5 eixos. g) Realizar a usinagem por eletroerosão nas regiões necessárias para cada corpo de prova. h) Realizar um levantamento dos custos e tempos de fabricação de todas as etapas envolvidas, para cada caso de estudo. i) Verificar os desvios geométricos das superfícies de produto, superfície de fechamento principal e superfície de fechamento secundário, empregando

20 Capítulo 1: Introdução e contextualização 20 uma máquina de medir por coordenadas (MMC) e sistemas de inspeção (CAD/CAI). 1.3 Estrutura do trabalho Este trabalho está dividido em 5 capítulos, brevemente descritos a seguir, além das referências e apêndices. Capítulo 1 Introdução e contextualização Este capítulo apresenta o cenário da indústria de moldes, os principais processos relevantes para a sua fabricação, o escopo experimental e os objetivos propostos para realizar o trabalho. Capítulo 2 Revisão bibliográfica São apresentadas as principais tecnologias e ciências envolvidas nesse trabalho, suas especificações e características. Capítulo 3 Procedimento experimental Descreve-se cada etapa do experimento em sua respectiva ordem de execução, são apresentados os critérios a serem analisados, bem como os recursos empregados no trabalho. Capítulo 4 Análise dos resultados São analisados os resultados obtidos nos ensaios e realizadas as devidas comparações entre os processos de fresamento empregados. Capítulo 5 Conclusões Descrevem-se as conclusões finais do trabalho. Os aspectos importantes são evidenciados, além de sugestões para futuros trabalhos. Referências bibliográficas Contêm todas as referências bibliográficas deste trabalho. Apêndices Ao final desse trabalho, encontram-se informações adicionais para documentação e esclarecimentos.

21 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 21 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Atualmente, impulsionado pelo desenvolvimento tecnológico, a aplicação da tecnologia de usinagem por fresamento 5 eixos, para a fabricação de moldes e matrizes, pode se tornar um importante diferencial nesse segmento. Devido a restrições tecnológicas, implicando diretamente no custo e dificuldade de acesso, o fresamento 5 eixos era até então empregado somente em indústrias cuja aplicação era imprescindível, como a indústria aeronáutica, por exemplo. Com o avanço dos sistemas CAD/CAM e máquinas-ferramenta CNC, a tecnologia de fresamento 5 eixos passa a ter um novo enfoque, possibilitando maior facilidade de acesso e redução de custos. Desta forma, para atingir os objetivos propostos neste trabalho, a Revisão de Literatura apresenta os seguintes assuntos pertinentes ao tema: sistemas computacionais, processos de fabricação de moldes e máquinas-ferramenta, assim como busca levantar o estado da arte sobre a aplicação do processo de fresamento 5 eixos. 2.1 Principais programas computacionais empregados na fabricação de moldes Atualmente, a fabricação de moldes pode ser auxiliada das seguintes tecnologias computacionais: a) CAD (Computer Aided Design) destinado ao modelamento de produtos e projeto do ferramental; b) CAM (Computer Aided Manufacturing) planejamento, cálculo das estratégias de usinagem e simulação de usinagem; c) CNC (Computer Numeric Control) para realizar as operações de usinagem do molde utilizando os programas gerados pelo CAM; d) CAI (Computer Aided Inspection) associado a uma máquina de medir por coordenadas (MMC), faz a inspeção geométrica das superfícies usinadas, gerando relatórios comparativos entre a peça real e o modelamento CAD.

22 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 22 e) CAE (Engineering Aided Computer) através do modelo geométrico criado tornam possíveis simulações e definições sobre a qualidade da peça injetada, pontos para definição de canais de alimentação do molde, entre outras respostas tecnológicas, antes mesmo da conclusão do projeto e fabricação do molde. Esse procedimento auxilia o setor de desenvolvimento e engenharia nas decisões tecnológicas relativas ao desenvolvimento do produto. A apresentação e discussão sobre essas tecnologias estão apresentadas a seguir, enfatizando aquelas de maior relevância para este trabalho Sistemas CAD O arquivo gerado pelo CAD contém informações da geometria que será utilizada como base de dados para os outros sistemas computacionais. Dessa maneira, o CAD torna-se o elo da cadeia de fabricação, ressaltando a sua importância. Devido à demanda por produtos contendo formas geométricas complexas, um sistema CAD, para atender a indústria de moldes e matrizes, deve possuir recursos para o modelamento das geometrias. Nesse caso, os sistemas CAD modeladores de superfícies são os mais indicados (SOUZA e COELHO, 2003). Os principais fatores a serem observados, para qualificação de uma plataforma CAD que atenda às necessidades desse segmento são: capacidade de modelamento geométrico do software, relação clientes/fornecedores, confiabilidade da empresa que desenvolve o software, custo e treinamento (SOUZA et al, 2006). Silva (2006) discute as implicações encontradas no modelamento 3D de geometrias em sistemas CAD no processo de cálculos das trajetórias por sistemas CAM. Uma geometria com baixa qualidade pode repercutir em trajetórias de ferramenta calculadas de forma inapropriada, invadindo a peça a ser fabricada.

23 Capítulo 2: Revisão bibliográfica Sistemas CAM Utilizando a geometria modelada no CAD, o software CAM tem por objetivo calcular as trajetórias de ferramenta para a respectiva usinagem; realizar a simulação das trajetórias e gerar programas CNC para a máquina-ferramenta. A integração desses sistemas é demonstrada na Figura 2 (SOUZA e COELHO, 2007). CAD Modelamento CAM Estratégia das trajetórias Cálculo da trajetória CNC Interpolador Loop de controle Transferência de dados geométricos Pós-processador Programa NC Figura 2: Etapas da manufatura envolvendo a cadeia CAD/CAM/CNC (Adaptado de Souza e Coelho, 2007) Cabe ressaltar que erros e tolerâncias estão intrínsecos em cada transferência de etapas, dessa cadeia. No sistema CAM, as definições iniciais realizadas pelo usuário seguem a sistemática de trabalho descrita a seguir: a) Importação do modelo geométrico; b) Definição do bloco de matéria-prima para usinagem; c) Definição das ferramentas e dos respectivos parâmetros de corte; d) Escolha de uma estratégia de usinagem para que o CAM calcule o percurso da ferramenta; e) Simulação da usinagem. Tradicionalmente, as trajetórias de ferramenta são compostas por pequenos segmentos de retas. O cálculo dos pontos da trajetória, executado pelo programa CAM, é iniciado pelo cálculo do ponto de contato da ferramenta sobre a geometria CAD 3D. Esse ponto é denominado cutter contact (CC). A localização do ponto central da ferramenta em sua trajetória é denominada cutter location (CL). Os pontos CL s estão contidos no programa NC final (Figura 3) (SOUZA e ARIAS, 2008).

24 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 24 Cutter Location Cutter Contact CL=CC Trajetória Figura 3: Trajetória da ferramenta calculada por um sistema CAM (Fonte: Souza e Arias, 2008) Os pequenos segmentos de retas são gerados, conforme tolerância de fabricação ao longo da superfície, limitando os tempos efetivos na usinagem, como constatou Guardiola et al (2007), em experimento comparativo entre diferentes tolerâncias de fabricação e a conseqüente distribuição dos segmentos ao longo da superfície. Todas essas limitações afetam os tempos de usinagem estimados pelo sistema CAM, ocorrendo oscilações da velocidade de avanço programada (SOUZA e COELHO, 2007). Para o caso da usinagem 5 eixos, essa limitação é enfatizada, pois, além dos 3 eixos cartesianos, a máquina deve controlar dois eixos rotativos adicionalmente. O Apêndice 1 ilustra que o avanço de trabalho (F) é parametrizado pela variável (Q). Ao assumir um valor fixo no programa, como por exemplo, mm/min, esse valor será interpolado para os 5 eixos, conseqüentemente afetando o valor real de deslocamento. Após os cálculos das trajetórias, deve-se realizar a usinagem em ambiente virtual, a fim de certificar os processos definidos e calculados pelo CAM. Para a simulação da usinagem em 5 eixos, é conveniente o modelamento de todo o sistema envolvido, como: fixação, dispositivos e a própria máquina, a fim de checar possíveis colisões. Um bom simulador deve fornecer uma animação 3D renderizada (Rendering), gerar uma peça virtual usinada e verificar o modelo criado pela simulação e o modelo CAD original (ROY apud SILVA, 2006). O Apêndice 4 ilustra a simulação da máquina realizada neste trabalho.

25 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 25 Para contemplar os objetivos desta dissertação, foram realizadas simulações de usinagem 5 eixos, considerando todo sistema de fixação-máquina; e foram levantados os tempos necessários para a simulação dos processos de usinagem 3 e 5 eixos. Concluídas as etapas anteriores, o software CAM deve gerar um arquivo, denominado CLF (Cutter Location File), contendo informações sobre o percurso da ferramenta e demais parâmetros. Esse arquivo ainda precisa ser convertido para linguagem específica da máquina CNC, cuja etapa de conversão é denominada pósprocessamento. Além de utilizar informações de sintaxe de cada comando numérico CNC, atribuem-se ao pós-processador características da máquina, tais como: número de eixos de movimentação, limitações de movimentação nos eixos cartesianos, limitações de rotação do eixo-árvore, dentre outros comandos que podem ser específicos para cada conjunto máquina-cnc. Portanto, dois elementos são necessários para o pós-processamento (SOUZA, 2004): a) Trajetória de ferramenta calculada pelo CAM em formato computacional; b) Pós-processador programa computacional que lê o arquivo CLF e o converte em um programa para ser executada em uma dada combinação máquina/cnc. Dessa forma, o pós-processador possibilita a utilização de qualquer arquivo CLF para qualquer configuração de equipamento (máquina/cnc), desde que a configuração dos eixos da máquina e do arquivo CLF seja compatível. A Figura 4 mostra um fluxograma da criação de um pós-processador específico para geração de programa CNC.

26 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 26 Dados de máquina Cutter Location File (CLF) calculado pelo CAM Gerador de pósprocessador Software/programação Pós-processador específico Programa NC Dados do CNC % N10G91G28X0Y0Z0 N20G40G17G80G49 N30G0G90Z10. N40T1M6 Figura 4: Pós-processamento de programas CNC (Fonte: SOUZA, 2004) A Figura 5 apresenta um programa CNC para fresamento 5 eixos pós-processado. O arquivo CLF é convertido em um arquivo texto e linguagem apropriada de uma máquina CNC com comando HEIDENHAIN ITNC 530. Figura 5: Arquivo CNC pós-processado para fresamento 5 eixos As coordenadas B e C referem-se às movimentações angulares da máquina, sendo B relativo ao eixo-árvore e o eixo C relativo à mesa.

27 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 27 Jung et al (2002) avaliaram o pós-processamento para fresamento 5 eixos e relatam que podem ocorrer erros provenientes da operação de reversão de fase. A reversão de fases é definida pelos autores como sendo a ocorrência de inversões nos deslocamentos angulares combinados com as inversões nos deslocamentos lineares, usualmente ao final de uma trajetória 5 eixos. Os autores propuseram algoritmos que promovem a diminuição do número de reversão de fases e também evitam a colisão da ferramenta na peça durante o processo. O pós-processador deve escolher uma conjugação angular correspondente para executar a operação sem colisões. 2.2 Operações de usinagem na fabricação moldes Os processos de usinagem para a fabricação de moldes são realizados através de usinagem por remoção de material. Dentre os processos envolvidos, geralmente são aplicados: o fresamento, a furação, o torneamento, a retificação e a eletroerosão (Electrical Discharge Machining - EDM). De acordo com Löttgen (2003), dentre todos os processos de usinagem de moldes, a eletroerosão e o fresamento são os mais utilizados, ambos são amplamente empregados para gerar cavidades com superfícies complexas Usinagem por eletroerosão (Electrical Discharge Machining - EDM) O processo por eletroerosão é baseado no princípio de remoção de material, através da ação de uma corrente elétrica controlada que gera, entre o 2 eletrodo e a peça, um efeito térmico capaz de remover material de acordo com a superfície do eletrodo. Na maioria dos casos, o eletrodo, fabricado pelo processo tradicional CAD/CAM e máquinas CNC, é de grafite ou cobre. Fuller (1989) lista como principais vantagens da usinagem por descargas elétricas: 2 Ferramenta em cobre ou grafite, construído sob medida para que sua forma seja representada na peça, pela ação da máquina EDM, através de descargas elétricas.

28 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 28 a) Possibilidade de usinar cavidades com finas paredes, uma vez que não há contato entre a ferramenta e peça; b) Capacidade de usinar as mais diversas geometrias, tais como: furos quadrados, retangulares, triangulares ou outra forma não convencional; c) Capacidade de usinar materiais de difícil usinabilidade, tais como: carboneto de tungstênio e aço ferramenta, uma vez que a dureza do material usinado não afeta o processo por descargas elétricas, muito embora a taxa de remoção de material esteja relacionada com o ponto de fusão desse material. O processo de eletroerosão é livre de rebarbas, diferenciando-se, nesse ponto, da maioria dos outros processos. Assim como outros processos de usinagem, a eletroerosão exige que seus parâmetros sejam rigorosamente conhecidos e quais deles podem ser manipulados para que se consiga obter condições ótimas de usinagem. Segundo Batalha (2002), quando a diferença de potencial entre a peça e o eletrodo é suficientemente elevada, uma descarga acorre através do fluido dielétrico, removendo uma pequena quantidade de metal da superfície da peça. Esse processo ocorre na freqüência entre 50 khz e 500 khz, com voltagem entre 50 V a 380 V e corrente de 0,1 a 500 A. Conforme Cruz (1993), os principais agentes do processo de usinagem por descargas elétricas de uma máquina-ferramenta de EDM são: a) Material do eletrodo-ferramenta; b) Material da peça; c) Fluido dielétrico. As principais variáveis de corte são: a) Freqüência de descarga elétrica; b) Tensão do arco; c) Intensidade de corrente. Tais grandezas de corte influenciam decisivamente nos três principais parâmetros de desempenho do processo, que são: a) A taxa de remoção de material; b) A relação de desgaste entre eletrodo e peça; c) A rugosidade superficial.

29 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 29 A taxa de remoção é o volume de material removido da peça na unidade de tempo e depende diretamente da energia empregada para um determinado regime de usinagem, bem como da freqüência. McGeough (1988) cita que esse parâmetro é também dependente de uma faixa muito grande de propriedades do material da peça a ser usinada como o ponto de fusão, por exemplo, além de ser influenciado pelas propriedades do eletrodo-ferramenta e por fatores geométricos, tais como forma e dimensões da ferramenta e da peça. A relação de desgaste é a razão entre o volume de material removido da peça e o volume de material gasto do eletrodo-ferramenta. Weller (1984) a define como um método conveniente para definir as características de desgaste de vários materiais usados na confecção de eletrodo-ferramenta, em diferentes condições de usinagem. Segundo Pandey (1985), a relação de desgaste é dependente das propriedades físicas e químicas desses materiais. O ponto de fusão, por exemplo, é citado como uma das propriedades que mais afeta a taxa de desgaste do eletrodo, sendo, portanto, uma das variáveis de maior influência, porém, outros fatores que exercem influência sobre a relação de desgaste, tais como: taxa de remoção de material, área da seção transversal dos eletrodos, conformação do eletrodo-ferramenta e a complexidade da forma geométrica que se deseja usinar tornam-se relevantes para a eficiência do processo. Segundo Lima e Corrêa (2006), a peça usinada pelo processo de eletroerosão apresenta sua superfície encoberta por camadas de material da própria peça que, ao sofrer a descarga elétrica, funde-se e, em seguida, se solidifica. Essa camada superficial é gerada pelas altas temperaturas na superfície que variam entre 10 a 50 mil graus Celsius, muito superior à própria temperatura de fusão do material usinado, no caso do aço, é em torno de 1560 graus Celsius. Essa camada superficial gerada é dura e de difícil polibilidade, ao contrário da superfície usinada em fresamento, que não gera camada superficial. A Figura 6 (no detalhe ampliado) mostra o exposto.

30 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 30 Figura 6: Microtrincas geradas em peça usinada pelo processo de eletroerosão (Fonte: LIMA e CORRÊA, 2006) A camada branca, gerada pelo processo de eletroerosão, caracteriza-se essencialmente pelo efeito térmico de austenitização e rápida têmpera superficial do material, sendo responsável pelo incremento da austenita retida superficial. Pela alta temperatura gerada na interface peça-eletrodo, gera-se, além da camada branca, microtrincas que diminuem drasticamente a resistência mecânica da superfície, implicando na vida útil do molde (NAVAS et al, 2007). Um molde necessita de uma boa resistência aos esforços cíclicos, pois sofre constantes choques térmicos durante o ciclo de injeção. Esses choques térmicos são propícios para a propagação das possíveis microtrincas geradas pelo processo de EDM. Isso se deve à entrada do material plástico quente e posterior resfriamento do produto ainda na cavidade, através de água ou outro líquido refrigerante. Além das implicações de resistência mecânica, oriundas do processo de EDM, deve-se considerar o expressivo tempo despendido nesse processo, onde estão envolvidos: o modelamento do eletrodo (CAD), a programação da fabricação do eletrodo (CAM), a usinagem do eletrodo (CNC), e o tempo do processo de eletroerosão. Na fabricação de moldes e matrizes, a eletroerosão é aplicada para realizar a usinagem de regiões onde a fresa não pode alcançar, por limitações geométricas. Portanto, todo processo de fabricação, capaz de reduzir ou eliminar o processo de EDM, pode representar uma significativa otimização. Nesse conceito, o fresamento

31 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 31 com 5 graus de liberdade passa a ser valorizado, pois permite usinar regiões inviáveis pelo fresamento 3 eixos, reduzindo assim as operações de eletroerosão. Este trabalho de mestrado avalia este caso Processo de fresamento de moldes Segundo Diniz et al (1999), o processo de fresamento é a operação com maior capacidade de remoção de material. Conforme a disposição dos dentes ativos da fresa durante o corte, o fresamento pode ser classificado em dois tipos sendo: fresamento tangencial e fresamento frontal. No primeiro caso, a superfície que está sendo gerada é paralela ao eixo da fresa, enquanto no fresamento frontal a superfície gerada é perpendicular ao eixo. No fresamento de superfícies complexas, o contato ferramenta-peça altera-se constantemente, tornando o processo instável, devido às constantes alternâncias entre o fresamento frontal e tangencial. O estudo realizado por Souza (2004) evidencia a grande alteração do processo de corte nessas condições, alterando fortemente a força de usinagem e a qualidade da superfície usinada. O posicionamento da ferramenta em relação à peça torna-se importante para o acabamento superficial. Conforme o ângulo de contato formado entre o par ferramenta-peça, pode-se melhorar o nível de acabamento da superfície usinada (CHEN et al, 2005); BOUZAKIS et al,1999). Souza (2004) também conclui que, com o centro de uma ferramenta de ponta esférica deslocado da região de corte, há uma melhora no acabamento superficial e uma diminuição dos esforços decorrentes do processo. Diante desse posicionamento entre o par peça-ferramenta, observa-se melhor aproveitamento da aresta de corte e, conseqüentemente, melhor desempenho. Na usinagem 5 eixos, é possível manter o centro da ferramenta fora do corte, dentro dos limites cabíveis, como ilustra a Figura 7 (CHEN et al, 2005).

32 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 32 Zw θ Zc Cw Onde: Zw: Eixo original de trabalho em Z. Xw: Eixo original de trabalho em X. Zc: Eixo modificado de trabalho em Z. Θ: Ângulo de inclinação para o plano de trabalho modificado. Xw Figura 7: Contato da aresta de corte com o plano de trabalho θ (Fonte: CHEN et al, 2005) Dessa forma, o fresamento em 5 eixos possibilita maior flexibilidade, podendo trabalhar com a ferramenta em uma posição mais propícia ao processo de corte. Outra ocasião bastante propícia ao fresamento 5 eixos é encontrada nos casos de usinagem de difícil acesso, utilizando apenas 3 eixos. O fresamento 5 eixos pode propiciar redução do comprimento de fixação das ferramentas (balanço). A Figura 8 ilustra esse caso. A redução do comprimento de balanço é importante para estabilidade do processo de corte. Figura 8: Possibilidade de acesso da ferramenta de corte

33 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 33 Tradicionalmente, na fabricação de moldes, aplica-se a usinagem por fresamento em 3 eixos (X, Y, Z). Dependendo da geometria a ser usinada, o processo fica inacabado em algumas regiões devido à limitação de acessibilidade aos cantos e alguns perfis. Nesse caso, operações de eletroerosão são necessárias. O processo tradicional para fabricação de moldes, segundo Souza e Bonetti (2007), normalmente, envolve as seguintes etapas: a) Desbaste: Operações de fresamento CNC, partindo de um material em estado bruto. Essa operação é executada em 2½ eixos, pois a ferramenta é posicionada em uma determinada altura em Z e depois executa movimentos em dois eixos, para remoção de material desse nível. Quando a remoção de material é finalizada, a ferramenta se posiciona em uma nova altura em Z (definida pela profundidade de corte), remove o material desse plano, repetindo o processo até a conclusão do desbaste (CHOI e JERARD, 1998). Normalmente, além do sobremetal teórico para ser removido na operação final de acabamento, um excedente de material permanece na peça, por limitações geométricas do processo, conforme estudado por CAPLA (2006). b) Alívio de cantos e pré-acabamento: essas 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 não alcança, devido a limitações geométricas. c) Acabamento por fresamento: essa é uma operação de fresamento CNC tridimensional, utilizando 3, 4, ou 5 graus de liberdade, conforme a disposição da máquina-ferramenta. Essa operação visa remover todo material excedente das operações anteriores e obter a melhor qualidade superficial possível no fresamento. A Figura 9 ilustra algumas opções de trajetórias de ferramenta para a usinagem de uma superfície semi-esférica (BITTENCOURT, 2006). Cada estratégia de usinagem pode ser mais adequada para uma geometria específica, como áreas planas, inclinadas, côncavas e convexas. Na usinagem de superfícies complexas, dependendo do grau de curvatura da superfície, a escolha da estratégia de corte é de grande importância para obtenção de uma superfície de melhor

34 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 34 qualidade. Souza et al (2008), avaliaram a influência de diferentes estratégias de corte na qualidade superficial e no tempo total de fabricação de um molde para injeção de plástico. Trajetórias 3D Offset Espiral Radial ascendente Radial descendente Passes paralelos Figura 9: Principais trajetórias de ferramentas para acabamento de moldes (Fonte: BITTENCOURT, 2006) Considerando o fresamento 5 eixos e as trajetórias exemplificadas pela Figura 9, a ferramenta pode percorrer traçados semelhantes, com inclinações na ferramenta, a fim de obter melhor posicionamento da mesma. No fresamento 3 eixos, a trajetória da ferramenta segue a orientação em relação aos vetores paralelos ao eixo da ferramenta, conforme ilustra a Figura 10a (sentido vertical, eixo Z). No fresamento 5 eixos, a ferramenta pode obedecer a uma inclinação conforme o vetor normal à superfície (Figura 10b) (CHOI e JERARD, 1998). Fig. a: Fresamento 3 eixos. Vetor da trajetória paralelo ao eixo vertical. Fig. b: Fresamento 5 eixos. Vetor da trajetória pode ser relacionado ao vetor normal à superfície Figura 10: Movimento da ferramenta em relação aos vetores paralelos ao seu eixo A movimentação de um ponto A para um ponto B, na trajetória em 5 eixos, pode ocasionar deslocamentos translacionais e rotacionais simultaneamente ou não. A Figura 11a exemplifica a usinagem sem rotação de posicionamento entre a ferramenta e a peça (fresamento 3 eixos). A Figura 11b exemplifica uma usinagem

35 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 35 onde ocorre movimento rotacional em torno do eixo Y. A Figura 11c, uma usinagem em torno do eixo X. Essas rotações posicionais podem ocorrer simultaneamente e, dependendo da concepção da máquina, pode ocorrer pela rotação da ferramenta, pela rotação da peça ou pela rotação de ambas. Fig. a: Ferramenta paralela ao eixo Z Fig. b: Ferramenta rotacionada em relação ao eixo Y Fig. c: Ferramenta rotacionada em relação ao eixo x Figura 11: Diferentes eixos de inclinação entre o par ferramenta-peça Uma estratégia de usinagem muito utilizada no fresamento 5 eixos é denominada Swarf. Esta estratégia permite usinar com a lateral da ferramenta, enquanto percorre o contorno da peça, como ilustra a Figura 12. Figura 12: Usinagem com a lateral da ferramenta em estratégia Swarf (Fonte: DELCAM, 2005)

36 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 36 Langeron et al (2003) demonstram em seu estudo a necessidade de novos desenvolvimentos para cálculo das curvas de interpolação em 5 eixos, a fim de diminuir os pontos de controle e os pontos com descontinuidade das trajetórias da ferramenta, além da necessidade de buscar melhor controle das movimentações simultâneas dos eixos lineares em combinação com os eixos angulares. Segundo Lux (1999), no campo de fabricação de moldes, há um crescente aumento do processo de fresamento em altas velocidades (High Speed Machining HSM), para usinagem de aços endurecidos. Nessa indústria, materiais endurecidos são usualmente usinados por eletroerosão. Com a aplicação da usinagem HSM, a tendência é reduzir as operações de EDM nesses casos. Shulz (1997) foi um dos primeiros a reconhecer o potencial da tecnologia HSM, em especial para a área de fabricação de moldes. O autor conclui que o processo HSM reduz a força de usinagem, melhora a qualidade superficial, reduz a temperatura em detrimento da vida útil da ferramenta de corte (LONGBOTTON e LANHAM, 2006). Pasini e Zeilmann (2004) concluíram que as cavidades fabricadas em HSM apresentaram menor desgaste durante sua utilização e uma vida útil e produtividade maior em relação à mesma cavidade fabricada por EDM. Os autores também concluíram que a aplicação do processo HSM, em substituição ao processo por EDM, gerou ganhos nos seguintes quesitos: a) O tempo de processo de fabricação da cavidade foi até 75% menor; b) Melhor aspecto superficial e menor variabilidade dimensional; c) O custo do produto manufaturado referente à produção das cavidades teve uma redução global de 56% (R$ 0,09 por peça executada pela cavidade em EDM contra R$ 0,04 por peça executada pela cavidade fresada por HSM). O processo HSM, pode ser até 4 vezes mais rápido que os processos convencionais (SANDVIK, 2003), evidenciando o estudo apresentado por Pasini e Zeilmann (2004), ganhos reais em sua aplicação. Com a complexidade das geometrias dos moldes, a acirrada concorrência internacional e prazos de entrega cada vez mais curtos, o processo de fresamento a

37 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 37 altas velocidades, combinados com o processo de fresamento em 5 eixos, pode representar um diferencial competitivo. 2.3 Fundamentação usinagem 5 eixos Em 1958 a força aérea americana através de um projeto financiado pelo governo, executou um estudo para viabilidade de construção do primeiro centro de usinagem vertical em 5 eixos. A empresa CINCINNATI assinou um contrato para construir e testar uma versão eletrônica capaz de controlar 5 eixos em uma fresadora vertical. Por falta de tecnologia computacional na época, esse processo foi considerado impraticável. Somente com a evolução dos sistemas controladores CNC, das plataformas CAD/CAM e as pesquisas para desenvolvimento dessa tecnologia, é que foi possível a simulação e o controle das trajetórias em 5 eixos (HERRIN, 1995). Segundo Santos (2006), o número de eixos de uma máquina ferramenta, se refere ao número de graus de liberdade ou ao número de movimentos independentes controlados nos barramentos da máquina. Na programação CNC, os eixos principais são classificados como eixos geométricos. O eixo é uma direção segundo a qual se podem programar os movimentos relativos entre a ferramenta e a peça de forma contínua e controlada. A nomenclatura ISO usa um sistema de coordenadas, obedecendo a um plano de trabalho, o qual corresponde a dois eixos lineares de deslocamento e um eixo paralelo à ferramenta de corte. Além dos eixos cartesianos (X, Y e Z), na usinagem em 5 eixos, é atribuído uma possível rotação sob um eixo cartesiano, conforme ilustra a Figura 13.

38 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 38 Eixo A: Rotação em torno do eixo X Eixo B: Rotação em torno do eixo Y Eixo C: Rotação em torno do eixo Z Figura 13: Sistemas de coordenadas para 5 eixos (Fonte: SANTOS, 2006) Segundo Sakamoto e Inasaki (1993), as máquinas-ferramenta em 5 eixos, comerciais, estão classificadas em 3 grupos, conforme a combinação de eixos rotativos. Ao primeiro grupo, atribui-se o sentido de orientação na ferramenta (eixoárvore); ao segundo grupo podem-se atribuir rotações na mesa da máquina e na ferramenta e, no último grupo, as máquinas realizam as rotações de posicionamento apenas na mesa da máquina (Figura 14). Fig. a: Ferramenta com orientação Fig. b: Ferramenta e peça com orientação Fig. c: Somente peça com orientação Figura 14: Combinações de eixos para máquinas CNC s 5 eixos (Fonte: SIEMENS, 2003) Para cada caso e projeto de máquina, há graus de liberdade diferenciados, justificando o investimento do equipamento, conforme a gama ou tipo de peças a fabricar. Basicamente, os processo de usinagem por fresamento em 5 eixos pode ser empregado em 2 modalidades:

39 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 39 a) Usinagem 5 eixos posicionais (também conhecido como 3+2 eixos): Nesse processo ou máquina, a remoção de material é realizada em movimentações de 3 eixos. Entretanto, a máquina pode se posicionar em outras duas direções. Nesse caso, a programação CNC, assim como a verificação de colisões requer menor esforço. Essa aplicação beneficia, principalmente, a usinagem profunda ou regiões específicas, como ilustra a Figura 15. Usinagem em 5 eixos posicionais Figura 15: Usinagem em 5 eixos posicionais b) Usinagem 5 eixos simultâneos: Nesse caso, a remoção de material pode ser realizada em movimentações da ferramenta em 5 eixos, simultaneamente. Exige-se maior trabalho para programação CNC e a verificação de colisões. Entretanto, possibilita maior versatilidade de trabalho. Segundo Silva (2006), a grande aplicação para o fresamento em 5 eixos simultâneos está na operação de acabamento, a qual se caracteriza por uma pequena quantidade de material a ser removida e que necessita de condição constante de contato entre ferramenta e a superfície de trabalho. Essa técnica é indicada para usinagem de formas complexas. Tsutsumi e Saito (2004) estudaram a precisão de posicionamento e movimentação de uma máquina 5 eixos com eixos rotativos na mesa. Nesse trabalho, os autores concluem que a precisão da usinagem 5 eixos foi inferior à usinagem 3 eixos, devido à movimentação rotacionais dos eixos, que podem interferir na precisão de posicionamento no instante de corte. O procedimento experimental foi executado em uma máquina 5 eixos, com inclinações na mesa. Utilizando equipamento de inspeção de máquinas CNC (ballbar), foram verificados

40 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 40 os erros de movimentação, rotacionando os plano de trabalho em x, e em y. Os autores investigaram os erros provenientes da movimentação sincronizada dos eixos que pode e deve ser controlado e corrigido na própria máquina CNC. Os erros encontrados nessa investigação estavam na ordem de 45 µm. Não foram avaliadas a precisão de movimentação sincronizada de máquina em 5 eixos simultâneos. Neste trabalho foi avaliado o processo de fresamento 3 e 5 eixos simultâneos para a fabricação de formas complexas de moldes para injeção. Foram avaliados os tempos envolvidos para que o corpo de prova proposto fosse totalmente concluído, os custos e a qualidade dimensional da geometria usinada pelos dois métodos de fresamento. 2.4 Operações de fresamento em 5 eixos Langeron et al (2003) desenvolveram um algoritmo de trajetória de ferramenta em sistema CAM para suavizar os movimentos dos 5 eixos simultâneos através interpolações polinomiais a fim de obter melhor definição da trajetória e da compensação da ferramenta em superfícies complexas. Nesse estudo esse algoritmo foi testado em diferentes máquinas CNC, a fim de verificar o acabamento superficial e tempos de usinagem. Em todas as máquinas avaliadas, apresentou redução dos tempos de usinagem e melhora do acabamento superficial. So et al (2007) propuseram um algoritmo para estimar, de forma mais precisa, o tempo real de usinagem para o fresamento 5 eixos. Tsutsumi e Saito (2004) propuseram um método de controle dimensional para avaliar os desvios posicionais e angulares de trajetórias em 5 eixos. Munlin et al (2004) desenvolveram um algoritmo para minimizar os erros e invasões na superfície usinada por fresamento 5 eixos, empregando fresas de topo plana com raio (toroidal). Becze et al (1999) propuseram um modelo matemático para prever os esforços e os mecanismos de desgaste de ferramentas em usinagem por fresamento 5 eixos de aços endurecidos Houve o estudo da morfologia do cavaco e a vida da ferramenta em fresamento 5 eixos. Os autores concluíram que não houve incremento significativo na vida da ferramenta, durante o fresamento 5 eixos de desbaste e nem de semi-acabamento com relação ao fresamento 3 eixos. Somente no acabamento houve um significativo aumento da vida da ferramenta, na

41 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 41 ordem de 60%. Questões sobre tempos, custos e desvios geométricos de fabricação não foram abordados. Os autores se fixaram na avaliação dos principais mecanismos de desgastes resultantes do fresamento 5 eixos. Ilushin et al (2005) e Marino et al (1998) estudaram a otimização dos tempos de cálculo para realizar a simulação e detecção de colisões na usinagem 5 eixos. Baptista e Simões (1999) estudaram a influência dos principais parâmetros de usinagem no fresamento 3 e 5 eixos de superfícies complexas, para redução dos tempos de acabamento manual (polimento) das superfícies acabadas. Os autores compararam os dois processos através de medição de rugosidade da superfície usinada, e nesse estudo, não foram avaliados os custos envolvidos no processo de fabricação nem os erros geométricos ocorridos em ambos os processos de usinagem. Bouzakis et al (1999) propuseram a otimização das condições de corte no fresamento 5 eixos, empregando diferentes ângulos de inclinação da ferramenta ao longo da superfície usinada. Obtiveram resultados significativos relativos ao acabamento superficial e otimização das condições de corte. Lim et al (2002) estudaram o acabamento superficial na usinagem 5 eixos de aletas de turbinas contendo paredes finas. Foram realizadas usinagens com diferentes orientações de corte e trajetórias. Os autores avaliaram 8 condições de corte e somente uma apresentou acabamento aceitável, sem vibrações durante processo. O detrimento da qualidade, segundo os autores, ocorreu na maioria dos casos devido a vibrações durante a usinagem. A vibração foi reduzida em um dos casos, devido à orientação da trajetória. Silva (2006) estudou a influência da integração entre os sistemas CAD e CAM para o fresamento 5 eixos de componentes de turbinas a gás e concluiu que problemas e limitações das trajetórias calculadas pelo CAM, tais como invasões da ferramenta na peça, ocorrem em função da qualidade da geometria modelada no CAD. Descontinuidades na superfície modelada podem ocasionar erros de cálculos das trajetórias. A descontinuidade se caracteriza por um ponto na curva onde haja interrupção da curvatura. Isso é ilustrado na Figura 16a e evidenciado graficamente na Figura 16b.

42 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 42 Figura 16: (a) Curva descontínua, problemas na modelagem da superfícies. (b) Gráfico de curvatura. (Fonte: SILVA, 2006) Gomes et al (2005) compararam o acabamento e o ciclo de fabricação para cavidade de um componente automotivo fresando dois corpos de prova, um em 3 eixos e outro em 5 eixos simultâneos. Na cavidade onde foi feito o fresamento em 3 eixos, adotou-se a estratégia em 3D offset. A Figura 17 ilustra a trajetória da ferramenta, conforme simulação. Figura 17: Cavidade usinada em estratégia 3D offset (Fonte: GOMEZ et al, 2005) Para o experimento em 3 eixos, foi utilizada uma ferramenta de diâmetro de 4 mm com 2 facas de corte. Na cavidade onde foi feito o fresamento em 5 eixos simultâneos, foi adotada a estratégia em Swarf, que se caracteriza como na utilização da lateral da ferramenta, acompanhando o perfil (superfície), reduzindo o número de incrementos transversais. A Figura 18 ilustra a trajetória da ferramenta Swarf 5 eixos.

43 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 43 Figura 18: Cavidade usinada em estratégia 5 eixos SWARF (Fonte: GOMES ET AL, 2005) Após a realização do experimento de usinagem, os autores obtiveram os seguintes resultados: a) O tempo de usinagem foi de 27 minutos para a usinagem em 3 eixos e 1 minuto e 20 segundos para a usinagem 5 eixos, evidenciando o importante potencial de redução no processo de fabricação por usinagem 5 eixos, nesse caso. b) Segundo os autores, para a geração de programas 5 eixos, houve demanda maior de tempo para o modelamento CAD e para os cálculos e simulações em 5 eixos, devido à complexidade do processo. c) A média da rugosidade para a usinagem em 3 eixos, no sentido ortogonal, o valor Ra foi de 2,7 µm, enquanto para a usinagem 5 eixos, no mesmo sentido, foi obtido Ra igual a 4,28 µm. Verificou-se maior valor de rugosidade na peça fresada por 5 eixos. Como concluem os autores, esse fato ocorreu porque o diâmetro da ferramenta era pequeno e, provavelmente, houve flambagem da haste durante a usinagem. Nesse trabalho não estão evidenciadas questões relativas a possíveis áreas para eletroerosão nem os custos envolvidos nos processos 3 e 5 eixos. Também não foram considerados os possíveis erros geométricos entre os processos. Diversos trabalhos de pesquisas, na área de usinagem por fresamento em 5 eixos, podem ser encontrados na literatura. Esses trabalhos estão, muitas vezes, focados no desenvolvimento das tecnologias relacionadas à aplicação da usinagem 5 eixos, tais como: algoritmos para cálculo e simulação de trajetórias 5 eixos;

44 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 44 desenvolvimento de novas configurações de máquinas-ferramenta; rotinas e sistemas de comando e controle numérico; precisão do processo, etc. Entretanto, trabalhos que investigam os tempos de fabricação, custos envolvidos e qualidade da usinagem, comparando ao fresamento tradicional (3 eixos) e o 5 eixos para a fabricação de moldes e matrizes, ainda são incipientes, embora fundamentais. Com isso, a relevância do trabalho ora desenvolvido é avaliar sistematicamente os processos de fresamento de moldes, empregando as técnicas de 3 e 5 eixos, onde foram considerados: a) Os tempos de planejamento e programação da usinagem via software CAD/CAM, para os processos 3 e 5 eixos; b) Avaliação das áreas remanescentes para eletroerosão, para ambos os casos; c) Tempos de fresamento das cavidades e fresamento dos eletrodos necessários para cada processo de usinagem; d) Tempo de usinagem por eletroerosão para cada processo; e) Custos envolvidos para implantação de cada tecnologia; f) Custos envolvidos em cada processo; g) Avaliação geométrica do perfil usinado por ambos os processos.

45 Capítulo 3: Procedimento Experimental 45 3 TRABALHO EXPERIMENTAL Com o objetivo de estudar e avaliar os processos de fresamento 3 e 5 eixos para a fabricação de moldes, foi definida uma geometria para o corpo de prova a fim de representar, em suas formas geométricas, características comumente encontradas nesta indústria. Foram fabricados dois corpos de prova empregando ambos processos de fresamento. O procedimento experimental foi auxiliado pelos profissionais da SOCIESC Ferramentaria, e teve início no setor de projeto e fabricação, onde foram definidos o modelo geométrico e as estratégias de fabricação e fresamento. Após a conclusão dessa etapa, o trabalho se concentrou na fabricação dos dois corpos de prova utilizando as técnicas de fresamento 3 e 5 eixos. Na seqüência foram realizadas operações de usinagem por eletroerosão, necessárias para a remoção de material nas regiões onde a ferramenta de fresamento não pôde alcançar. Obteve-se uma significativa redução das regiões de eletroerosão para o fresamento 5 eixos. Foram quantificadas estas reduções, em termos de área, tempo de fabricação dos eletrodos, tempo de eletroerosão e a repercussão ao custo de fabricação. Após executar a fabricação dos dois corpos de prova e realizar uma avaliação detalhada entre os processos de fresamento, foi realizada a inspeção geométrica das superfícies usinadas e uma avaliação dos erros de forma ocasionados por cada método. O custo e o investimento dos processos de usinagem 3 e 5 eixos foram avaliados. Para auxiliar a visualização do procedimento experimental realizado, a Figura 19 apresenta todas as etapas e sub-etapas realizadas. O item Método de Avaliação foi detalhado com mais ênfase a fim de propiciar uma avaliação e comparação criteriosa entre os processos de fabricação estudados. O procedimento experimental está então subdividido nos tópicos de materiais e equipamentos, corpo de prova e métodos de avaliação.

46 Capítulo 3: Procedimento Experimental 46 Trabalho experimental Materiais e equipamentos Corpo de prova Parâmetros de processos Métodos de avaliação Avaliação dos erros geométricos Custos de fabricação Tempos de fabricação Calibração da MMC Custo total de fabricação Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Inspeção das superfícies Custo de fabricação por processo Amortização do investimento Tempos para fresamento da geometria Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão Figura 19: Escopo de processo para o procedimento experimental O procedimento experimental encontra-se detalhado a seguir. 3.1 Materiais e equipamentos Nesta seção são descritos os recursos empregados para o experimento como materiais, máquinas e programas computacionais necessários para obtenção e avaliação dos resultados experimentais Material utilizado Metals. A matéria-prima dos corpos de prova foi o aço VP20 ISO, fornecido pela Villares

47 Capítulo 3: Procedimento Experimental 47 Os aços empregados na fabricação de moldes necessitam ter características específicas como polibilidade e usinabilidade superior em relação aos outros aços ferramentas (MESQUITA e BARBOSA, 2004). A Tabela 1 apresenta os principais elementos químicos presentes na composição do VP20. Tabela 1: Composição química do aço VP20 Villares Similares ABNT-SAE DIN Wnr C % Mn % Cr % Ni % S % Mo % VP 20 ISO P ,36 1,60 1,80 0,70 <0,003 0,2 0 Dureza de utilização Hrc Sendo um aço destinado à fabricação de moldes para injeção de plásticos o mesmo é fornecido beneficiado com HRC, conferindo-lhe uma boa usinabilidade e excelente polibilidade. Mesquita e Barbosa (2004) avaliam que o compromisso de boa usinabilidade e polibilidade está relacionado ao teor de enxofre. Este elemento forma inclusões com o manganês, tipo MnS o que diminui o grau de polibilidade. Nesse contexto, o aço VP20 é produzido com baixo teor de enxofre e submetido a um tratamento com cálcio, durante o refino secundário na aciaria. No refino secundário o teor residual de cálcio será o responsável pela modificação do tipo e das inclusões, melhorando a usinabilidade sem perdas das características importantes para uma polibilidade superficial. A Figura 20 ilustra um dos blocos de matéria-prima utilizados no experimento. Figura 20: Bloco de aço VP20 ISO empregado no experimento Máquinas-ferramenta e acessórios O fresamento foi realizado em dois centros de usinagem verticais Deckel Maho de alta velocidade. O modelo DMU60 (Figura 21) possui como sua principal característica 5

48 Capítulo 3: Procedimento Experimental 48 eixos simultâneos com capacidade de deslocamento de X 630 mm, e Y 560 mm e Z 560mm podendo atingir a velocidade de avanço máximo em mm/min. O modelo DMC 104V LINEAR (Figura 22) com programação de 3 eixos simultâneos e capacidade de deslocamento de mm em X e 600 mm nas direções Y e Z e deslocamento máximo de velocidade de avanço de até mm/min, acionada por motores lineares. A potência para ambas as máquinas é de 19KW em rotação máxima de RPM. Ambas também estão equipadas com o CNC Heidenhain ITNC versão 530. Foi utilizado um sensor a laser para inspeção dimensional da ferramenta e também o sensor de contato eletrônico para realizar o referenciamento e dimensional do bloco de matéria prima na máquina (Heidenhain TS640 na máquina DMC 104V e Renishaw MP10 na máquina DMU 60). Figura 21: Máquina ferramenta Deckel Maho DMU 60 Figura 22: Máquina ferramenta Deckel Maho DMC 104V linear O sistema de fixação de ferramentas empregado nos experimentos foi o sistema térmico SRK da ISCAR, padrão ISO 40 para a DMC 104V e HSK 63 para DMU 60. Esse sistema faz a troca de ferramentas através de aquecimento por indução em equipamento específico. O formato cônico permite um melhor acesso à geometria a ser usinada (Figura 23a).

49 Capítulo 3: Procedimento Experimental 49 Fig. a: Cone Térmico Fig. b: Cone com fixação mecânica Figura 23: Cones utilizados no experimento Como estudo adicional, através de simulação com o software CAM, também foi empregado o cone com fixação mecânica por pinça ER 40, ilustrado na Figura 23b. Este tipo de fixação ainda amplamente empregado na indústria de ferramentaria. O objetivo foi verificar as limitações desse sistema de fixação para a fabricação de geometrias complexas. A usinagem por eletroerosão dos corpos de prova foi realizada em uma máquina CNC Charmilles Roboform 40 (Figura 24), com capacidade para tamanho de peças de até 370 x 1000 x 700 mm e curso em X de 500 mm, Y de 400 mm e Z de 450 mm tendo 64 Ampéres de corrente máxima de trabalho. Figura 24: Máquina por eletroerosão utilizada no experimento

50 Capítulo 3: Procedimento Experimental 50 Os dois corpos de prova foram inspecionados em uma máquina de medir por coordenadas Mitutoyo, com capacidade de medição em X 700 mm em Y 1000 mm e Z 500 mm. Essa máquina possui certificado NBR ISO/TEC17025, cuja emissão é realizada por laboratório acreditado à Rede Brasileira de Calibração. A Figura 25 ilustra o corpo de prova nos procedimentos de medição. Figura 25: Cavidade do experimento na máquina de medir por coordenadas A incerteza da máquina de medir por coordenadas, segundo o fabricante é de 5 µm e isso foi avaliado previamente através de um procedimento com uma esfera padrão, como consta no Apêndice Programas computacionais utilizados Para a geração dos programas CNC e modelamento da geometria de estudo foram utilizados dois programas computacionais CAD/CAM disponíveis na instituição: o Power Shape Versão 7.2 e o Powermill Versão 8.0. Estes softwares são desenvolvidos pela empresa Delcam International plc. Para o gerenciamento dos tempos e custos de fabricação foi utilizado o software CPS Versão 3.0 da empresa GRV Software. Para os resultados do experimento referente ao dimensional da superfície foi empregado o software 3D Tool na máquina de medir por coordenadas do laboratório de metrologia da SOCIESC.

51 Capítulo 3: Procedimento Experimental 51 Após a coleta de dados na máquina de medir por coordenadas, tornou-se necessário o processamento dos mesmos. Para essa finalidade foi utilizado o software estatístico Minitab para geração de gráficos e análise dos resultados. 3.2 Geometria do corpo de prova Foi realizado um breve estudo para definir a geometria do corpo de prova. Encontrou-se na geometria de um agitador para máquinas de lavar roupas, a forma adequada para ser utilizada no estudo proposto. Esta geometria contém um contorno em espiral e relativa profundidade, fazendo-se necessária uma análise minuciosa dos processos e estratégias de fabricação, para a fabricação do respectivo molde. A Figura 26 ilustra a geometria do corpo de prova, o qual representa um molde de injeção para a fabricação do agitador de uma máquina de lavar roupas. A região ilustrada em amarelo representa a região de produto e em azul, as superfícies de fechamento da cavidade do molde. Essas duas regiões fazem fronteiras entre si, separando o produto da área de fechamento do molde. Esta região deve possuir elevada precisão, pois representa a vedação entre as cavidades do molde, evitando rebarbas e imperfeições na peça injetada. Figura 26: Geometria da cavidade do agitador da máquina lavar roupas em 3D

52 Capítulo 3: Procedimento Experimental 52 A escolha da geometria do agitador permite uma avaliação detalhada de importantes aspectos para o fresamento 3 e 5 eixos. Esses aspectos envolvem todos os requisitos tecnológicos de processo, planejamento e execução para cada etapa de fabricação necessária para obtenção dos tempos, custos e desvios geométricos em cada tipo de fresamento. 3.3 Parâmetros de processos Neste item estão apresentados os parâmetros de usinagem para os processos de fresamento dos corpos de prova e dos eletrodos, assim como os parâmetros de eletroerosão Parâmetros de corte para fresamento 3 eixos Os parâmetros de cortes para o experimento foram escolhidos de acordo com as recomendações de catálogo técnico dos fornecedores das ferramentas (METALWORKING, 2007; MILLING TOOLS, 2007). As características das ferramentas de cortes foram definidas com auxílio do programador CNC para cada operação de desbaste, pré-acabamento e acabamento final. A Tabela 2 ilustra todas as ferramentas e parâmetros empregados nesse experimento. Tabela 2: Parâmetros de corte utilizado no experimento em fresamento 3 eixos Ferramenta [mm] RPM F (mm/min) ap[mm] (Prof. de corte axial). ae[mm] (Prof. de corte radial). Diâmetro 63 raio % diâmetro Diâmetro 25 raio % diâmetro Diâmetro 12 raio Diâmetro 12 raio % diâmetro Diâmetro 6 raio Diâmetro 3 raio 1, Diâmetro 2 raio

53 Capítulo 3: Procedimento Experimental 53 Esse valores estão inseridos nos planos de usinagem gerados pelo CAM que se encontram no Apêndice Parâmetros de corte para fresamento 5 eixos O mesmo critério foi utilizado para a seleção e escolha das ferramentas e parâmetros de corte para o fresamento em 5 eixos. A Tabela 3 ilustra todas as ferramentas e parâmetros empregados nesse experimento. Tabela 3: Parâmetros de corte utilizado no experimento em fresamento 5 eixos Ferramenta [mm] RPM F (mm/min) ap[mm] (Prof. de corte axial). ae[mm] (Prof. de corte radial). Diâmetro 63 raio % diâmetro Diâmetro 20 raio % diâmetro Diâmetro 25 raio % diâmetro Diâmetro 10 raio 0, % diâmetro Diâmetro 12 raio % diâmetro Diâmetro 12 raio Diâmetro 4 raio Diâmetro 3 raio 1, No Apêndice 5, multimídia, todos os planos de usinagem gerados pelo CAM são apresentados com os detalhamentos das ferramentas empregadas e parâmetros de trabalho Usinagem dos eletrodos Os parâmetros e ferramentas empregados no fresamento dos eletrodos são apresentados na Tabela 4. Os eletrodos foram fresados em 3 eixos.

54 Capítulo 3: Procedimento Experimental 54 Tabela 4: Parâmetros de corte utilizado no experimento no fresamento dos eletrodos Ferramenta [mm] RPM F (mm/min) ap (Prof. de corte axial). ae (Prof. de corte radial). Diâmetro 25 raio 0, % diâmetro Diâmetro 12 raio 0, % diâmetro Diâmetro 6 raio 0, % diâmetro Diâmetro 4 raio 0, % diâmetro Diâmetro 4 raio Diâmetro 2 raio Diâmetro 1 raio 0, Usinagem do corpo de prova por eletroerosão Os parâmetros do processo de usinagem por eletroerosão empregados foram recomendados pelo fabricante da máquina CHARMILLES (1993) e estão apresentados na Tabela 5. Tabela 5: Parâmetros aplicados no processo de eletroerosão para as duas cavidades Processo Taxa de remoção Taxa de desgaste do Acabamento (mm³/min) eletrodo (%) superficial (Ra) Desbaste ,6 Pré-acabamento ,2 Acabamento 3, ,6 Nota-se, na Tabela 5, que quanto menor a taxa de remoção de material empregada, maior o desgaste do eletrodo e melhor o acabamento superficial. Isso ocorre devido ao tamanho da faísca se concentrar em intervalos menores diminuindo o gap de contato entre peça e eletrodo gerando uma sobrecarga de corrente na superfície do eletrodo promovendo um maior desgaste do mesmo.

55 Capítulo 3: Procedimento Experimental Métodos de avaliação Com o objetivo de avaliar e comparar os processo de fresamento 3 e 5 eixos para a fabricação do corpo de prova, foram obtidas como variáveis de resposta: a) Os tempos de fabricação. b) Custos. c) Erros de forma. Estas variáveis de resposta e o método de avaliação foram detalhados a seguir Tempos de fabricação Os tempos de fabricação avaliados nesse trabalho foram subdivididos para os seguintes processos: a) Tempos envolvidos na programação CAD/CAM. b) Tempo para fresamento da geometria. c) Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão. Inicialmente, duas definições são utilizadas para realizar avaliações dos tempos de fabricação em cada processo: a) Tempo específico de processo. É o tempo de cada etapa de fabricação. Neste caso não são considerados os tempos não produtivos, tais como preparação e parada de máquina. São identificados o início e final de cada operação. Para obtenção deste tempo foram empregados recursos de software, como é o caso dos processos de usinagem CNC, fresamento e eletroerosão. Os tempos das etapas CAD/CAM foram cronometrados manualmente. b) Tempo total de processo. É o tempo real para fabricação, o qual repercute diretamente no custo de fabricação. Neste caso são computados os tempos de preparação de máquina e todos os demais tempos improdutivos que são contabilizados no orçamento de um trabalho industrial. Neste caso, os tempos totais de processo foram obtidos pelo software de planejamento e controle de produção, CPS versão 3.0 disponível na instituição, que oferece uma ferramenta para apontamento eletrônico dos tempos totais de processo. Cada início e fim de atividade são computados no sistema pelos profissionais envolvidos em cada processo avaliado.

56 Capítulo 3: Procedimento Experimental Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Para obtenção detalhada dos tempos envolvidos na programação CAD/CAM, os tempos específicos de processo foram divididos nas seguintes sub-etapas: a) Tempo de análise da geometria: o usuário deve definir os processos envolvidos conforme a geometria e sua complexidade que refletem diretamente na estratégia de cálculo de percurso da ferramenta. Essa sub-etapa contempla a necessidade ou não de eletrodos para regiões críticas da geometria onde o acesso da ferramenta não é possível resultando em áreas sem acabamento. O programador de fabricação nessa sub-etapa seleciona os tipos de ferramentas, parâmetros de corte e estratégias de usinagem de acordo com as operações de desbaste, préacabamento e acabamento. b) Tempo de cálculo: É o tempo necessário para o software CAM calcular o percurso da ferramenta. Foram avaliados os tempos consumidos no desbaste, pré-acabamento e acabamento. Esse tempo é influenciado diretamente pelas definições das fronteiras e das estratégias adotadas. c) Tempo de simulação: É o tempo necessário para o software CAM verificar possíveis colisões ou invasões da ferramenta em regiões fora dos critérios especificados pelo processo. d) Tempo de pós-processamento: É o tempo necessáiro para a conversão do arquivo CLF em linguagem máquina (programa CNC). e) Tempo para definição dos processos de eletroerosão: É o tempo consumido para definir as etapas de eletroerosão. Inicia-se no modelamento CAD dos eletrodos para as regiões remanescentes. Na seqüência, são executadas as usinagens dos eletrodos, obtendo-se os tempos necessários para o cálculo das trajetórias e simulação dos mesmos, via software CAM. A Figura 27 auxilia a visualização do método proposto para avaliação dos tempos envolvidos em programação CAD/CAM. Esta estrutura é empregada para a fabricação das duas cavidades estudadas.

57 Capítulo 3: Procedimento Experimental 57 Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Tempo de análise Tempo de cálculo Tempo de simulação Tempo de pósprocessamento Tempo para definição dos processos de eletroerosão Definições para as regiões de usinagem por fresamento Desbaste Pré-acabamento Modelamento CAD Definições para as regiões de usinagem por eletroerosão Acabamento Definição para usinagem dos eletrodos Tempos de cálculos para os eletrodos Tempos de simulação para os eletrodos Figura 27: Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Através da somatória total dos tempos requeridos pela etapa envolvendo sistemas CAD/CAM foram realizadas as avaliações dos processos. Esses tempos foram devidamente preenchidos em uma tabela de tempos, especialmente formulada para monitoramento dessas sub-etapas do processo, apresentado no Capítulo Tempo de fresamento da geometria Esta operação consiste na usinagem principal das cavidades. O tempo específico de processo é obtido pelo CNC. Esse tempo ocorre no momento que o operador realiza o início de operação até o momento que a máquina encerra o processo. Esse tempo fica

58 Capítulo 3: Procedimento Experimental 58 armazenado no relógio do CNC e foi devidamente registrado pelo operador na ficha de processo Tempo do processo de usinagem por eletroerosão Para o processo de eletroerosão os seguintes tempos foram computados: a) Tempo de fresamento dos eletrodos: é o tempo empregado para construção dos eletrodos. b) Tempo de preparação da máquina: é o tempo para os devidos alinhamentos da peça e do eletrodo na máquina de eletroerosão, escolha dos parâmetros tecnológicos e preparação do programa para início do processo. c) Tempo de usinagem por eletroerosão: É o tempo real de usinagem, para desbaste e acabamento. Um comparativo das áreas remanescentes deixadas por fresamento 3 e 5 eixos ilustram as diferenças encontradas no processo de eletroerosão. Um estudo adicional foi realizado para avaliar o alcance da ferramenta de corte na superfície do corpo de prova utilizando o sistema CAD/CAM. Com esse propósito foi realizado um levantamento das áreas (mm²) de material remanescente do fresamento 3 e 5 eixos, onde tornou-se necessário o acabamento da superfície pelo processo de eletroerosão. A usinagem por fresamento foi realizada com sistema de fixação térmico SRK (conforme ilustrado na Figura 23) Custos de Fabricação Os seguintes critérios foram levados em consideração para o levantamento de custos: a) Tempos total de processo (tempo obtido pelo sistema CPS). b) Custo hora/máquina (Tabela 6). c) Materiais empregados para confecção do corpo de prova.

59 Capítulo 3: Procedimento Experimental 59 A Tabela 6 apresenta o custo/hora de fabricação para cada processo. Esses valores são os atuais custos da SOCIESC Ferramentaria no ano de Tabela 6: Tabela custo hora/processo Processo Custo/hora CAD/CAM R$34,04 Eletroerosão R$39,79 Fresa Alta Velocidade 3 e 5 eixos R$63,23 O custo da matéria prima é calculado multiplicando-se o peso necessário para fabricação da geometria pelo custo em R$/Kg. Para o aço VP 20 o custo foi de R$ 13,00/KG + 5 % IPI e o cobre foi de R$ 34, % IPI (cotação de maio/2008). Ao término dos experimentos, foram levantados os custos envolvidos Verificação dos erros geométricos A análise dimensional tem por objetivo identificar os erros geométricos das superfícies usinadas pelo processo de fresamento 3 e 5 eixos. Com a integração entre softwares CAD/CAI e a máquina de medir por coordenadas, foi possível medir os erros geométricos das superfícies fresadas, nas principais regiões da cavidade, que são as superfícies de fechamento do molde e as superfícies do produto. Foram definidas três regiões para análise, conforme ilustrado na Figura 28.

60 Capítulo 3: Procedimento Experimental 60 Região do Fechamento Principal Região do Fechamento Secundário Região do Produto Figura 28: Regiões selecionadas para avaliar os erros dimensionais dos corpos de prova Para avaliação do processo de inspeção, foram escolhidos 10 pontos para a região do produto e 12 pontos para a região do fechamento principal e fechamento secundário, buscando evidenciar a dispersão obtida através de relatório dimensional de cada medição. Cada ponto foi medido 3 vezes e obtido a média aritmética. Após o procedimento de inspeção na máquina de medir por coordenadas, todas as medições foram avaliadas quanto ao seu nível de distribuição em torno da média aritmética dos valores encontrados. A inspeção tem como finalidade verificar a conformidade da forma obtida, com a forma modelada. Segundo Vessereau (2000), o grau de normalidade para um processo é inteiramente determinado pela média e pelo desvio padrão obtidos através dos resultados das amostras. O teste de normalidade foi realizado através da aplicação do software Minitab. O teste de normalidade para o estudo proposto demonstrou a freqüência com que cada ponto medido oscilou em torno de um valor referencial (modelo CAD). No Minitab a média é caracterizada pela variável Mean e o desvio padrão pela variável StDev, que são evidenciados nos gráficos de normalidade.

61 Capítulo 3: Procedimento Experimental 61 O afastamento em torno da média para ±2 desvios padrão caracteriza uma probabilidade de 95% para a distribuição dos resultados estarem dentro desse campo de variação. Se a dispersão em torno da média tender a zero, houve uma maior estabilidade no processo e com isso mais se caracteriza a normalidade. O aumento da dispersão em torno da média demonstra mais instabilidade nos resultados e processos avaliados podendo descaracterizar a normalidade para o processo em questão.

62 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 62 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Neste capítulo são apresentados e discutidos os tempos de cada processo relativos à fabricação do corpo de prova (Item 4.1). Posteriormente são avaliados os custos (Item 4.2) e os erros geométricos (Item 4.3). 4.1 Estudo dos tempos de fabricação Neste item são avaliados todos os tempos de fabricação envolvendo: a) Tempos de programação CAD/CAM. b) Tempo de fresamento. c) Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão Tempos de programação CAD/CAM Baseado no diagrama de tempos para o desenvolvimento das etapas de fabricação realizadas por sistema CAD/CAM, como apresentado previamente na Figura 27, as Tabela 7 e Tabela 8 foram elaboradas para registro de tempos em cada sub-etapa no CAD/CAM. As Tabelas foram preenchidas durante o experimento. Desta forma foi possível o acompanhamento sistemático e o registro dos tempos consumidos no processo de programação CAD/CAM para os processos de fresamento 3 e 5 eixos.

63 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 63 Tabela 7: Tabela de tempos de programação CAD/CAM para fresamento 3 eixos Caso 1: Processo de fresamento 3 eixos Definições iniciais pela análise da geometria Item 1: Tempo para análise e definição dos processos Tempo [min] Tempo para definir operações (desb /pré/acab / áreas - ferramentas, parâmetros). 60 Tempo para definir regiões de eletrodos 5 Programação dos processos de usinagem por fresamento Item 2: Tempo para programação de desbaste e pré-acabamento. Tempo de cálculo do desbaste - 3 eixos (tolerância 0,1) 135 Tempo de cálculo do pré-acabamento 3 (tolerância 0,1) 20 Tempo para simulações das operações de 3 eixos 125 Item 3: Tempo para programação do acabamento final Tempo para gerar geometrias auxiliares no CAD / fronteiras 20 Tempo para estudar as melhores estratégias 3 eixos 25 Tempo de cálculo das trajetórias 3 eixos (tolerância 0,01) 120 Tempo para simulações das operações de 3 eixos 135 Item 4: Definição dos processos para EDM Tempo de modelar eletrodos CAD 45 Tempo para definir operações de usinagem dos eletrodos 20 Tempo para calcular trajetórias de desbaste e pré-acab no CAM (tolerância. 0,1) 30 Tempo para calcular trajetórias de acabamento CAM (tolerância. 0,01). 30 Tempo para simulação 15 Tempo para extração de coordenadas de eletrodo 5 Item 5: Pós-processamento Tempo para pós-processamento 3 eixos - Cavidade 1 Tempo para pós-processamento dos eletrodos 1 Tempo Total 792 A Figura 29 ilustra a representatividade de cada etapa de fabricação na composição da somatória do tempo específico de processo, em uma análise horizontal da Tabela 7. 39% 18% 0% 8% 35% Definições iniciais para análise da geometria Tempo de desbaste e pré-acabamento Tempo para programação - acabamento final Definição dos processos para eletroerosão Pós-processamento Figura 29: Representatividade percentual dos processos CAD/CAM para 3 eixos

64 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 64 Observa-se que o tempo de acabamento é o que consumiu mais tempo da programação CAD/CAM, pois os cálculos e simulações requereram processamento e trabalhou-se com bandas de tolerâncias de 0,01mm. O desbaste consumiu nesse experimento 35% do tempo de programação enquanto que o acabamento necessitou de 39%. De forma análoga, a Tabela 8 foi preenchida com informações sobre o processo de usinagem 5 eixos. Tabela 8: Tabela de tempos de programação CAD/CAM para fresamento 5 eixos Caso 2: Processo fresamento 5 eixos Tempo [min] Definições Iniciais pela Análise da Geometria Item 1: Tempo para análise e definição dos processos Tempo para definir operações (desb /pré/acab 3-5 eixos / áreas - ferramentas, 120 parâmetros). Tempo para definir regiões de eletrodos 5 Programação dos processos de usinagem por fresamento Item 2: Tempo de programação desbaste. e pré-acabamento. fresamento 3 e 3+2 eixos Tempo de cálculo do desbaste - 3 eixos (tolerância 0,1) 150 Tempo de cálculo do pré-acabamento 3 e 2+3 (tolerância 0,1) 10 Tempo para simulações das operações de 3 eixos (incluir 3+2) 130 Item 3: Tempo para programação 5 eixos - acabamento final Tempo para gerar geometrias auxiliares no CAD / fronteiras 5 Tempo para estudar as melhores estratégias 5 eixos 30 Tempo de cálculo das trajetórias 5 eixos (tolerância 0,01) 330 Tempo para simulações das operações de 5 eixos 300 Tempo para checagem de colisão (Suporte + Peça ) (Máquina + Peça) 330 Item 4: Definição dos processos para EDM Tempo de modelar eletrodos CAD 30 Tempo para definir operações 5 Tempo para calcular trajetórias de desbaste e pré-acab no CAM (tolerância 0,1) 20 Tempo para calcular trajetórias de acabamento CAM (tolerância 0,01) 30 Tempo para simulação 5 Tempo para extração de coordenadas de eletrodo 5 Item 5: Pós-processamento Tempo para pós-processamento 3 e 3+2 eixos 2 Tempo para pós-processamento 5 eixos 3 Tempo para pós-processamento dos eletrodos 1 Tempo Total 1.511

65 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 65 A Figura 30 ilustra a representatividade de cada etapa de fabricação na composição da somatória do tempo específico de processo, em uma análise horizontal databela 8. 6% 0% 8% 19% Definições Iniciais para análise da geometria Tempo de desbaste e pré-acabamento Tempo para programação - acabamento final definição dos processos para eletroerosão Pós-processamento 67% Figura 30: Representatividade percentual dos processos CAD/CAM para 5 eixos Para o fresamento 5 eixos, como resultado observa-se que o tempo de acabamento é o que consumiu mais tempo da programação CAD/CAM, pois os cálculos e simulações requereram processamento e simulações mais complexas devido às movimentações dos eixos angulares. O desbaste consumiu nesse experimento 19% do tempo de programação enquanto que o acabamento necessitou de 67% do tempo de CAD/CAM. Utilizando as informações obtidas sobre os tempos específicos de processo, a Figura 31 permite uma nova comparação dos tempos para o fresamento 3 e 5 eixos em suas etapas de fabricação realizadas no CAD/CAM. Os resultados são baseados em uma análise vertical das tabelas 7 e 8.

66 Capítulo 4 - Resultados e Discussões EIXOS 5 EIXOS [Minutos] Tempo de análise Tempo de cálculo Tempo de simulação Tempo de pósprocessamento 2 6 Tempo para definição dos processos de eletroerosão Figura 31: Tempos do processo CAD/CAM O tempo de análise da geometria, onde ocorrem as definições das estratégias de fabricação, ferramentas, parâmetros e criação de fronteiras, para o fresamento 5 eixos foi superior em aproximadamente 46%, devido a complexidade e maior número de decisões a serem tomadas pelo usuário. O tempo necessário para o software CAM calcular as trajetórias de ferramenta foi 78% superior para o processo 5 eixos em comparação com o processo 3 eixos. O tempo necessário para checar colisões entre o suporte/peça e/ou ferramenta/peça consumiram um tempo significativo na fase de simulações. No processo 5 eixos há a necessidade de todo o sistema estar modelado, (máquina-peça-ferramenta), o que tornou a simulação cerca de 175% superior ao tempo de simulação para o processo 3 eixos. Este tempo demonstra a complexidade dos cálculos no processo 5 eixos. A máquina modelada para simulação é ilustrada no Apêndice 4.

67 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 67 Para os programas em 5 eixos foram necessários 6 minutos para o pósprocessamento e 2 minutos para o processo em 3 eixos, representando uma diferença de 200%, porém não tão significativo como no caso do tempo de cálculo e tempo de simulação. Deve-se ressaltar que o número de programas CNC para o fresamento em 5 eixos foi superior, assim como o tamanho dos arquivos. A Figura 32 ilustra a quantidade de programas necessários e o tamanho total dos arquivos gerados para a fabricação do corpo de prova para ambos os processos. Cavidade fabricada por fresamento 5 eixos Cavidade fabricada por fresamento 3 eixos Tamanho total dos arquivos posprocessados [Mb] 11,1 38,4 Quantidade programas Figura 32: Quantidade de programas CNC e tamanho dos arquivos Deve-se considerar que 16 programas foram efetivamente em 5 eixos, isso representa quase 70% do processo de fabricação. Os demais programas, como desbaste e alívio de cantos, foram realizados em 3 eixos. Isso ocorreu porque a geometria inicial foi um bloco cúbico de matéria-prima, favorecendo a remoção por camadas em estratégias 2 ½ eixos. A Tabela 9 representa os tempos específicos de processo empregados nas etapas de programação CAD/CAM para a geração dos arquivos necessários para a fabricação dos corpos de prova, oferecendo um comparativo entre o tempo total consumido para os dois tipos de fresamento em questão. O tempo apresentado refere-se à somatória dos tempos conforme realizado na Figura 31.

68 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 68 Tabela 9: Somatória dos tempos da etapa CAD/CAM Processo Fresamento 3 eixos Fresamento 5 eixos Tempo CAD/CAM 13,3 horas 25,18 horas A etapa de trabalho CAD/CAM para o processo de fresamento em 5 eixos requereu um tempo 89% superior em relação ao processo de fresamento 3 eixos. Isso ocorre devido à maior complexidade dos cálculos de trajetórias e simulações necessárias para o fresamento em 5 eixos, assim como maior variedade de decisões que o usuário deve tomar. A etapa CAD/CAM relativa ao tempo para definição dos processos de eletroerosão fará parte dos resultados e discussões envolvidos no item desse trabalho Tempo de fresamento da geometria A Figura 33 ilustra os corpos de prova fabricados no experimento de usinagem. Fig. a: Corpo de prova - Fresamento 3 eixos Figura 33: Corpos de prova fabricados Fig. b: Corpo de prova - Fresamento 5 eixos A Figura 34 apresenta a somatória do tempo de usinagem real para fabricação dos corpos de prova e a somatória relativa ao tempo de fresamento estimado pelo software CAM.

69 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 69 Tempo [horas] Corpo de prova Fabricado p/ fresamento 3 eixos Corpo de prova Fabricado p/ fresamento 5 eixos 8,7 11,71 10,11 15,05 0 Tempo estimado para fresamento pelo CAM Tempo Real de Fresamento Figura 34: Tempo de fresamento da geometria Comparando-se o tempo real de fresamento do corpo de prova, o processo 5 eixos consumiu um tempo 28,5% superior em relação ao processo de fresamento em 3 eixos. Isso ocorreu devido: a) A maior quantidade de programas gerados. b) À maior área de acabamento realizado no fresamento 5 eixos. c) Aos avanços reais de usinagem serem significativamente inferiores aos valores programados. A diferença entre o tempo estimado para fresamento pelo CAM se diferenciou do tempo real. Na usinagem 3 eixos o tempo real foi 16,2% superior e na usinagem 5 eixos o tempo real foi 48% superior ao tempo estimado pelo CAM. As principais razões pelas divergências entre os tempos estimados para fresamento pelo software CAM e os tempos reais de fabricação provém das limitações da máquina em seu tempo de processamento e as acelerações e desacelerações durante trajetória de usinagem, conforme estudo realizado por Souza e Coelho (2007). O software CAM não considera estas limitações do equipamento. A diferença entre o tempo estimado para fresamento pelo CAM e o tempo real de fresamento é superior no processo 5 eixos por este possuir 2 eixos adicionais para a máquina realizar o controle e movimentação. Em torno de 63% do tempo de trabalho no CAD/CAM se deve ao tempo de cálculo e às simulações e checagem de colisões para o fresamento 5 eixos simultâneos. Em Apêndice 5 eletrônico, encontra-se um vídeo dos processos de usinagem empregados.

70 Capítulo 4 - Resultados e Discussões Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão Nesta etapa, os tempos envolvidos são os tempos necessários para as definições efetuadas pelo usuário do sistema CAD/CAM, a fabricação dos eletrodos e o tempo de usinagem por EDM. Esses tempos são detalhados a seguir Modelamento e fabricação dos eletrodos Iniciou-se esta etapa com o modelamento geométrico e programação de CNC para fresamento dos eletrodos utilizando um sistema CAD/CAM. O tempo total para realizar todas as operações desta etapa foram obtidos através da somatória dos tempos específicos conforme a Tabela 10. Tabela 10: Tempo para modelamento e programação CNC de eletrodos Tempos para confecção dos Eletrodos Tempo [Horas] Fresamento 3 eixos Tempo [Horas] Fresamento 5 eixos Tempo para modelar eletrodos CAD 0,75 0,50 Tempo para definir operações 0,33 0,08 Tempo para calcular trajetórias de desbaste e préacabamento 0,50 0,33 no CAM (tolerância. 0,1). Tempo para calcular trajetórias de acabamento CAM 0,50 0,50 (tolerância. 0,01). Tempo para simulação 0,25 0,08 Tempo para extração de coordenadas de eletrodo 0,08 0,08 Tempo Total 2,41 1,58 Foram confeccionados três eletrodos para o corpo de prova fresado em 3 eixos, sendo que dois eletrodos foram necessários para remoção dos cantos e áreas não acabadas pelo fresamento, um eletrodo para complemento da borda do produto. Para o corpo de prova fresado em 5 eixos foram necessários apenas dois eletrodos sendo, um necessário para a remoção dos cantos não acabados pelo fresamento e outro para complemento da borda do produto. A Tabela 11 mostra o tempo de fabricação para cada caso.

71 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 71 Tabela 11: Tempo de fresamento dos eletrodos Processo Tempo específico 3 eixos [horas] Tempo específico 5 eixos [horas] Tempo para fabricação do eletrodo 1 1,52 1,13 Tempo para fabricação do eletrodo 2 1,61 0,74 Tempo para fabricação do eletrodo 3 0,74 - Tempo total de fabricação dos eletrodos 3,87 1,87 A Figura 35 apresenta os tempos específicos consumidos para a fabricação dos eletrodos. Corpo de prova fabricado por fresamento 5 eixos Corpo de prova fabricado por fresamento 3 eixos Tempo CAD/CAM Tempo para fresamento do eletrodo Tempo total (CAD/CAM+fresamento do eletrodo) 1,58 1,87 2,41 3,45 3,87 6, [Horas] Figura 35: Tempo para fabricação dos eletrodos para as duas cavidades Para o caso de estudo da cavidade fabricada pelo fresamento 3 eixos, o tempo total de fabricação dos eletrodos foi superior em 82% Estudo das áreas e regiões de eletroerosão A Figura 36 ilustra as áreas que devem ser erodidas, para os casos da usinagem 3 e 5 eixos onde foram gerados e fabricados os eletrodos. Para o fresamento foi utilizada a fixação térmica da ferramenta de corte, e em um estudo adicional foi realizada uma simulação de área com a utilização de fixação por pinça mecânica.

72 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 72 Área: ,79 (mm²) Área: ,73 (mm²) Área: 3.344,44 (mm²) Fig. a: Usinagem 3 eixos. Fixação de ferramenta convencional Fig. b: Usinagem 3 eixos. Fixação térmica da ferramenta Fig. c: Usinagem 5 eixos. Fixação térmica da ferramenta Figura 36: Região inacabada pelo fresamento Com a simulação gráfica foi possível identificar as regiões não usinadas pelo fresamento. O fresamento 5 eixos com fixação térmica teve a menor área com material remanescente para eletroerosão. Com o mesmo sistema de fixação, no fresamento 3 eixos, essa área aumentou 3 vezes. Na pior situação, a área deixada para eletroerosão aumentou cerca de 13 vezes com a utilização de sistema de fixação por pinça mecânica no fresamento 3 eixos. Isso deixa evidente que o sistema de fixação adequado contribui significativamente para redução da área de acabamento por eletroerosão, assim como a usinagem 5 eixos facilitando o acesso da ferramenta em regiões mais críticas da geometria. A Figura 37, evidencia as regiões deixadas sem acabamento para as duas cavidades. A cavidade fresada em 3 eixos com fixação térmica apresentou uma área aproximadamente de 2,81 vezes maior que a cavidade fresada em 5 eixos. Abaixo as regiões de material remanescentes deixadas para eletroerosão.

73 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 73 Áreas remanescentes para EDM Figura 37: Áreas com material remanescente para eletroerosão Em Apêndice 5 eletrônico, encontra-se um vídeo dos processos de eletroerosão empregados Tempo total de processo para eletroerosão O apontamento eletrônico com o software CPS foi utilizado para obter o tempo total de processo para eletroerosão, como ilustra a Figura 38. O sistema apenas registra o tempo inicial e final de processo, acionado pelo usuário. Tempo preparação 1,5 3,84 Cavidade fabricada por fresamento 5 eixos Cavidade fabricada por fresamento 3 eixos Tempo específico de processo para eletroerosão 1,18 20,3 Tempo total de processo (EDM+preparação) 2,68 24, [Horas] Figura 38: Tempo total de processo para eletroerosão A diferença de tempo total do processo de eletroerosão (EDM) foi de aproximadamente 8 vezes entre os dois casos de estudos. Este fato evidencia a

74 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 74 eficiência do processo de usinagem 5 eixos, para usinagem de regiões profundas e complexas Tempo específico de processo e tempo total de processo O tempo específico de processo nesse trabalho constituiu-se na somatória de todas as horas necessárias para a fabricação de cada corpo de prova como apresenta a Figura 39, constituindo-se apenas nas horas reais de trabalho em cada operação. [Horas] ,3 25,18 Tempo específico de processo CAD/CAM Corpo de prova fabricado por fresamento 3 eixos Corpo de prova fabricado por fresamento 5 eixos 10,11 15,03 Tempo específico de processo para fresamento do CDP 3,87 Tempo específico para fresamento dos eletrodos 20,3 1,87 1,18 Tempo específico de processo para eletroerosão 47,58 43,26 Somatória dos tempos específicos dos processos Figura 39: Tempos específicos de processo O tempo total específico para construção do corpo de prova fabricado por fresamento em 3 eixos consumiu 47,58 horas e para o corpo de prova fabricado em 5 eixos esse tempo foi de 43,26 horas. Em termos percentuais para os casos em estudo, isso significa uma economia média de aproximadamente 10% no tempo específico de fabricação. O tempo total de processo constitui-se no tempo computado pelo início e fim de operação via apontamento eletrônico para fins de custos, pois trata-se do tempo específico de processo adicionado aos tempos improdutivos. A Figura 40 ilustra para os dois tipos de fresamento estudados, os resultados referente às somatórias desses tempos.

75 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 75 Corpo de prova fabricado por fresamento 3 eixos Corpo de prova fabricado por fresamento 5 eixos [Horas] ,75 66,69 Tempo total de processo Figura 40: Tempo total de processo O tempo total de processo é o tempo contabilizado no cálculo dos custos industriais. O corpo de prova fresado por 3 eixos teve um tempo total de processo (registro via apontamento eletrônico) no valor de 80,75 horas e o corpo de prova fresado por 5 eixos apresentou um valor total de 66,69 horas, representando uma diferença de tempo total de processo de 21%. Para o corpo de prova fresado por 3 eixos houve um número maior de preparações e alinhamentos de processos, pois no fresamento foram necessários duas preparações do bloco na máquina, e no processo de EDM um número maior de eletrodos exigiu mais tempo para preparações, contribuindo para esse resultado. Para a indústria de moldes, o processo de fresamento em 5 eixos favorece positivamente os prazos de entrega devido à redução de operações e tempos de processos necessários à conclusão de uma cavidade. A Figura 41 ilustra a representatividade percentual dos processos de fabricação, envolvendo as técnicas de 3 e 5 eixos. 21% CAD/CAM 58% CAD/CAM 28% 51% Fresamento do corpo de prova Eletroerosão 35% Fresamento do corpo de prova Eletroerosão 7% Fig. a: Fresamento 3 eixos Fig. b: Fresamento 5 eixos Figura 41: Representatividade dos tempos por processo de fabricação

76 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 76 Para a cavidade fresada em 5 eixos observa-se que o processo de CAD/CAM teve a maior fatia do tempo com 58% do tempo total de fabricação, seguido pela operação de fresamento, consumindo 35% do tempo total de fabricação da cavidade. Para os outros processos os tempos foram bem menos significativos, com o tempo específico de eletroerosão de apenas 7% (incluído a fabricação dos eletrodos). Para o corpo de prova fresado em 3 eixos observa-se que a distribuição dos tempos foi distinta. O processo de eletroerosão ficou com a maior fatia do tempo, requerendo 51% do tempo total de fabricação (incluído a fabricação dos eletrodos), seguido pelo CAD/CAM com 28% e o fresamento com 21%. Para o processo em 5 eixos o CAD/CAM teve o maior impacto de tempo (58%) devido aos cálculos, simulações e controles necessários para a realização da usinagem. Na fabricação por fresamento 3 eixos, para a geometria proposta, o processo de eletroerosão teve o maior impacto de tempo (51%) em função da área remanescente ter sido muito maior em relação ao processo 5 eixos. 4.2 Custo de fabricação O custo de fabricação avaliado nesse trabalho foi obtido multiplicando o tempo total de processo requerido por cada etapa e seu respectivo custo por hora (conforme Tabela 6), adicionado ao custo da matéria-prima, tem-se o custo total de cada corpo de prova, como detalhado na Tabela 12. Tabela 12: Custo total de fabricação das cavidades Processo Aço Cobre CAD/CAM Fresamento EDM Fabricação eletrodos Custo total 3 Eixos R$1.500,75 R$337,41 R$826,66 R$1.436,38 R$960,26 R$325,38 R$5.386,84 5 Eixos R$1.500,75 R$120,44 R$969,14 R$1.793,63 R$106,77 R$162,69 R$4.653,41 O processo de fresamento 5 eixos resultou em uma redução de 13,6% do custo de fabricação das cavidades, comparando-se ao processo 3 eixos. Essa redução se caracterizou principalmente pela minimização da necessidade de eletroerosão e consequentemente diminuição da necessidade de fabricação de eletrodos.

77 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 77 Os custos para o corpo de prova fresado em 5 eixos, apresentados na Tabela 12, evidenciam uma diferença de 25% superior nos custos para o fresamento e 17% superior no CAD/CAM 5 eixos, entretanto, para o processo de fabricação dos eletrodos houve uma inversão, tornando o processo 3 eixos 100% mais caro juntamente com o processo de usinagem por eletroerosão que atingiu 800% acima do valor alcançado em comparação ao processo 5 eixos. A Figura 42 ilustra a representatividade desses custos nos processos envolvidos para fabricação dos corpos de prova em 3 eixos e 5 eixos respectivamente. 41% 59% 23% 9% CAD/CAM Fresamento do CDP EDM Fabricação dos eletrodos 27% 32% 5% CAD/CAM Fresamento do CDP EDM Fabricação dos eletrodos 4% Fig. a: Custos de fabricação 3 eixos Fig. b: Custos de fabricação 5 eixos Figura 42: Gráfico percentual para os custos de fabricação por tipo de fresamento Para o corpo de prova fresado em 3 eixos, três processos consumiram mais tempo e também geraram maiores custos: o processo CAD/CAM, o fresamento do corpo de prova e o processo de eletroerosão. Os três respondem por 91% dos custos de processos sendo que em valores somam-se R$ 3.223,30 para essa cavidade. Para o corpo de prova fresado em 5 eixos os processos representativos para os custos foram: o fresamento do corpo de prova e o CAD/CAM que consumiram juntos o mesmo percentual representativo de 91% de todo o custo relacionado à fabricação. Em termos monetários somam-se R$ 2.762,77. Para os casos estudados, os custos dos processos de fabricação representam aproximadamente 75% do custo total da cavidade. O restante é referente à matériaprima (aço e cobre para eletrodos).

78 Capítulo 4 - Resultados e Discussões Estimativa simplificada de custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos Com o objetivo de realizar uma comparação efetiva de tempos e custos entre os processos neste estudo de caso, foi realizado um levantamento simplificado dos custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos. Desta forma, os ganhos de tempo puderam ser computados contra o investimento necessário. Realizando uma simples pesquisa de mercado, foram levantados os custos das máquinas CNC, software CAD/CAM e os valores mensais pagos aos profissionais que trabalham com cada tecnologia específica. A Tabela 13 apresenta os valores obtidos. Tabela 13: Estimativa de custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos Tecnologia Licença CAD/CAM Manutenção anual CAD/CAM Salários do operador da máquina/ano Salários programador CAD/CAM/ano Aquisição da máquina Fresamento3 eixos R$ ,00 USD ,00 R$ 5.400,00 USD 2.500,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 EU ,00 Fresamento 5 eixos R$ ,00 USD ,00 R$ ,00 USD 6.000,00 R$52.800,00 R$ ,00 R$ ,00 EU ,00 O custo anual obtido para a aplicação da tecnologia de fresamento em 3 eixos foi de R$ ,00 (USD ,00), enquanto que para o fresamento 5 eixos esse valor foi de R$ ,00 (USD ,00). Conclui-se que o custo para a implantação da tecnologia por fresamento 5 eixos é em média 46% superior a implantação da tecnologia por fresamento 3 eixos Simulação simplificada do tempo estimado para amortização do investimento Antes do investimento em uma nova tecnologia, é importante estimar seus benefícios e o tempo de amortização. Neste estudo, de forma simplificada, uma simulação demonstra o tempo de amortização de cada técnica de fresamento estudada. Os dados

79 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 79 são baseados na fabricação do corpo de prova proposto. São analisados duas situações, prevendo, na primeira, um ambiente industrial com 2 turnos e, na segunda, um ambiente com 3 turnos. A Tabela 14 apresenta os custos por processo e o custo médio entre os processos para a simulação proposta. Tabela 14: Custos/hora para a simulação simplificada de amortização do investimento CAD/CAM Eletroerosão Fresamento Custo médio (Custo médio aplicado na SOCIESC Ferramentaria para o fresamento 3 e 5 eixos) entre os três processos R$34,04 R$39,79 R$63,23 R$45,69 A Tabela 15 apresenta todas as variáveis envolvidas para a obtenção do tempo, em anos, para a amortização total do investimento com 2 turnos de trabalho. Tabela 15: Tabela de amortização para 2 turnos de trabalho (adaptado de Neto e Pereira,2008) Fresamento 3 eixos Fresamento 5 eixos a) Custo investimento R$ ,00 R$ ,00 b) Horas trabalho/ano 4224 horas 4224 horas c) (Horas trabalho/ano X Custo/hora) R$ ,00 R$ ,00 d) Lucro presumido (20%) R$53.416,00 R$53.416,00 e) Depreciação anual R$60.000,00 R$60.000,00 f) Lucro+Depreciação R$ ,00 R$ ,00 g) Horas otimizada/ano(21%) 0 horas 888 horas h) (Horas otimizadas X Custo médio) R$0,00 R$40.572,72 i) Lucro presumido(20%) sobre a otimização R$0,00 R$8.114,54 j) Total financeiro gerado R$ ,00 R$ ,54 k) Tempo em anos para amortização do investimento (Custo investimento/total financeiro gerado) R$ ,00/R$ ,00 5 anos e 9 meses R$ ,00/R$ ,54 5 anos e 11 meses

80 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 80 No item a são computados todos os custos de implantação das tecnologias em estudo, exceto os salários dos operadores da máquina que já estão computados no custo/hora de R$ 63,23. O item b é obtido através da multiplicação de número de horas/mês (176 horas) em dois turnos de trabalho pelo número de meses úteis no ano. Com dois turnos de trabalho computa-se 352 horas no mês e multiplica-se por 12 meses resultando em horas. O item c é resultante do número total de horas no ano multiplicado pelo custo/hora, resultando em R$ ,00 de possível faturamento gerado. Sobre o item c é acrescentado um lucro presumido de 20% sobre o possível faturamento gerado. A depreciação anual é o valor gerado que serve para amortizar financeiramente o valor da máquina para sua reposição, esse valor é uma aproximação do valor de aquisição da máquina dividido por 120 meses, gerando um custo fixo mensal que está embutido no valor hora sendo advindo do possível faturamento. Mensalmente é gerado um valor de R$ ,00 obtido do valor de depreciação acrescentando-se o lucro presumido de 20% no faturamento gerado. O item g propõe um valor de horas otimizadas para o processo por fresamento em 5 eixos. Essas horas otimizadas advém do resultado obtido nesse estudo de caso onde o processo de fresamento por 5 eixos foi 21% mais rápido no tempo total de processo e se tornou referência para essa simulação. Pelo número possível de horas trabalhadas no ano, foram contabilizados 888 horas de possível otimização na fábrica. Essas horas foram multiplicadas pelo custo médio, pois os ganhos são realizados pela média entre os três processos específicos avaliados: CAD/CAM, fresamento e EDM. Com os ganhos na otimização, aplicou-se o lucro presumido nesse valor também, resultando através da somatória do lucro, depreciação e otimização um total financeiro gerado (item j). Para um regime de 2 turnos o prazo de amortização ficou em 5 anos e 9 meses para o fresamento 3 eixos e 5 anos e 11 meses aproximadamente para o fresamento 5 eixos. A Tabela 16 apresenta todas as variáveis envolvidas para a obtenção do tempo em anos para amortização total do investimento com 3 turnos de trabalho.

81 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 81 Tabela 16: Tabela de amortização para 3 turnos de trabalho (adaptado de Neto e Pereira,2008) Fresamento 3 eixos Fresamento 5 eixos a. Custo investimento R$ ,00 R$ ,00 b. Horas trabalho/ano 6144 horas 6144 horas c. (Horas trabalho/ano X Custo hora) R$ ,00 R$ ,00 d. Lucro presumido (20%) R$77.697,00 R$77.697,00 e. Depreciação anual R$60.000,00 R$60.000,00 f. Lucro+Depreciação R$ ,00 R$ ,00 g. Horas otimizadas/ano(21%) 0 horas 1290 horas h. (Horas otimizadas X Custo médio) R$0,00 R$58.849,00 i. Lucro presumido(20%) sobre a otimização R$0,00 R$11.769,00 j. Total financeiro gerado R$ ,00 R$ ,00 k. Tempo em anos para amortização do investimento R$ ,00/R$ ,00 R$ ,00/R$ ,00 l. (Custo investimento/total financeiro gerado) 4 anos e 8 meses 4 anos e 7 meses O item b é obtido através da multiplicação de número de horas/mês em três turnos de trabalho pelo número de meses úteis no ano. Com três turnos de trabalho computase 512 horas no mês e multiplica-se por 12 meses resultando em 6144 horas. O item c é resultante do número total de horas no ano multiplicado pelo custo/hora, resultando em R$ ,00 de possível faturamento gerado. Sobre o item c é acrescentado um lucro presumido de 20% sobre o possível faturamento gerado. A depreciação anual é o valor gerado que serve para amortizar financeiramente o valor da máquina para sua reposição, esse valor é uma aproximação do valor de aquisição da máquina dividido por 120 meses, gerando um custo fixo mensal que está embutido no valor hora. Mensalmente é gerado um valor de R$ ,00, obtido do valor de depreciação acrescentando-se o lucro presumido de 20% no faturamento gerado. Pelo número possível de horas trabalhadas no ano, foram contabilizados 1290 horas de possível otimização na fábrica.

82 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 82 Essas horas como no caso anterior, foram multiplicadas pelo custo médio, pois os ganhos são realizados pela média entre os três processos específicos avaliados: CAD/CAM, fresamento e EDM. Com os ganhos na otimização, aplicou-se o lucro presumido nesse valor também, resultando através da somatória do lucro, depreciação e otimização um total financeiro gerado (item j). Para um regime de 3 turnos o prazo de amortização ficou em 4 anos e 8 meses para o fresamento 3 eixos e aproximadamente 4 anos e 7 meses para o fresamento 5 eixos. 4.3 Avaliação dos erros geométricos Utilizando-se as informações obtidas com o software CAD/CAI e a máquina de medir por coordenadas, foi realizado um trabalho estatístico auxiliado pelo software Minitab. As três regiões avaliadas são: a área do produto, a área do fechamento principal e a área do fechamento secundário, como detalhado no Capítulo 3. A Figura 43 mostra os resultados de uma das três medições para a superfície do produto. Cada ponto inspecionado é arquivado no sistema em forma de desvios referentes ao modelamento CAD. Figura 43: Medição da região do produto

83 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 83 A Figura 44 ilustra o teste de normalidade para a região do produto fabricado pelos dois tipos de fresamento empregados. Normal Normal Mean 0, StDev 0, N 27 AD 0,434 P-Value 0, Mean 0,003 StDev 0,02210 N 27 AD 1,321 P-Value <0, Percent Percent ,010-0,005 0,000 0,005 Produto 0,010 0, ,050-0,025 0,000 Produto 0,025 0,050 Fig. a: Cavidade Fresada em 3 eixos Fig.b - Cavidade Fresada em 5 eixos Figura 44: Teste de normalidade para a região do produto A variabilidade dos pontos na Figura 44a tendeu a uma distribuição normal. A média foi de 0,000 e o desvio padrão 0,005 com um intervalo em uma abrangência de ±10 µm atendendo a dois desvios padrão e dentro dos níveis de aceitação do processo. A Figura 44b ilustra o teste de normalidade para a região do produto fabricado por fresamento em 5 eixos onde a distribuição dos pontos obteve a média de 3 µm e o desvio padrão de 22 µm atingindo grau de normalidade, pois o intervalo de distribuição dos pontos medidos foi 30 µm sendo abaixo de dois desvios padrão, porém suplantando o intervalo de ±10 µm, valor aceitável para a qualidade do processo. A Figura 45 mostra os resultados de uma das 3 medições realizadas para a área do fechamento principal do molde.

84 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 84 Figura 45: Medição da região do fechamento principal A Figura 46 ilustra o teste de normalidade para a região do fechamento principal fabricado pelos dois métodos de fresamento empregados. Normal Normal Mean 0, StDev 0, N 27 AD 0,383 P-Value 0, Mean 0, StDev 0,01875 N 27 A D 0,718 P-Value 0, Percent Percent ,010-0,005 0,000 0,005 Fechamento Principal 0, ,050-0,025 0,000 0,025 Fechamento Principal 5 eixos 0,050 Fig.a Cavidade Fresada em 3 eixos Fig.b - Cavidade Fresada em 5 eixos Figura 46: Teste de normalidade para a região do fechamento principal A Figura 46a ilustra que a distribuição dos pontos tendeu a uma distribuição normal com um intervalo atingindo uma abrangência dentro de ±10 µm ( média 0,000 e desvio padrão 4µm). A Figura 46b, ilustra o teste de normalidade para a região do fechamento principal fabricado por fresamento em 5 eixos onde a distribuição dos pontos tendeu a uma distribuição normal na seguinte condição: a média foi de 4 µm e o desvio padrão foi 18 µm, atingindo um intervalo de distribuição dos pontos em uma abrangência dentro de ±2

85 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 85 desvios padrão (±30 µm), porém não atendendo aos requisitos de um intervalo de no máximo ±10 µm aceitável para o processo. A Figura 47 mostra os resultados de uma medição realizada para a área do fechamento secundário do molde. Figura 47: Medição do fechamento secundário A Figura 48a ilustra o teste de normalidade para a região do fechamento secundário fabricado por fresamento em 3 eixos. A distribuição dos pontos tendeu a uma distribuição normal com a média atingindo o valor de 4µm o mesmo valor ocorrendo para o desvio padrão, atendendo o requisito máximo de 10µm. A Figura 48b, ilustra o teste de normalidade para a região do fechamento secundário fabricado por fresamento em 5 eixos. O valor da média foi de 7 µm e o desvio padrão foi de 23 µm. Atingiu-se a normalidade para o intervalo de distribuição dos pontos dentro de ±2 desvios porém um valor de intervalo total de 62 µm suplantou o máximo aceitável para o processo que é de ±10 µm.

86 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 86 Normal Normal Mean -0, StDev 0, N 27 AD 0,899 P-Value 0, Mean -0, StDev 0,02313 N 27 AD 1,295 P-Value <0, Percent Percent ,015-0,010-0,005 0,000 Fechamento Secundário 0, ,075-0,050-0,025 0,000 Fechamento Secundário 0,025 0,050 Fig. a Cavidade Fresada em 3 eixos Fig.b - Cavidade Fresada em 5 eixos Figura 48: Teste de normalidade para a região do fechamento secundário Faz-se necessário uma avaliação adicional com base nos desvios encontrados. O gráfico disponível pelo software Minitab, denominado boxplot, representa graficamente a dispersão das amostras em 4 sub-divisões dentre os valores obtidos. É importante destacar que as amostras obtidas na máquina 3 eixos apresentaram desvios-padrão menores que os apresentados na máquina 5 eixos. Isso fica evidente no gráfico boxplot apresentado na Figura 49. Região do produto 3 eixos Região de fechamento principal 3 eixos Região de fechamento secundário 3 eixos Região do produto 5 eixos Região de fechamento principal 5 eixos Região de fechamento secundário 5 eixos Figura 49: Boxplot comparativo para os dois processos estudados Conforme apresentado na Figura 49, nota-se que os desvios dimensionais da máquina 3 eixos foi menor que a abrangência dos desvios da máquina 5 eixos. Observam-se no gráfico comparativo as seguintes condições em cada região:

87 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 87 a) Área do produto: para os dois casos verificou-se que a média encontra-se próxima do zero (medida absoluta do modelo CAD), havendo uma abrangência maior no fresamento 5 eixos interferindo na espessura do produto em torno de 60 µm. b) Área fechamento principal: região mais crítica do molde, pois tem a finalidade de promover a garantia de perfeita vedação. Para o fresamento 3 eixos a abrangência das medições ficou praticamente em torno da média (zero) com uma variabilidade de 20 µm e no fresamento 5 eixos acima da média, com uma variabilidade 60 µm. c) Área fechamento secundário: nessa região encontrou-se uma dispersão também na ordem de 60 µm para o fresamento 5 eixos enquanto que para o fresamento 3 eixos essa amplitude ficou em torno de 13 µm, diferindo apenas que nesse caso a média das medições ficou abaixo da referência absoluta (modelo). Isso ocorreu devido a condições de contato peça-ferramenta ter ocorrido através de fresa toroidal, e não esférica. Para deslocamentos em 5 eixos simultâneos com esse tipo de ferramenta conforme revisão bibliográfica ocorrem invasões na superfície devido ao formato da ferramenta e falhas na compensação durante trajetória. A Tabela 17 apresenta o resultado final dos intervalos dos desvios geométricos encontrados nas superfícies avaliadas. Tabela 17: Tabela dos intervalos dos desvios encontrados nas superfícies inspecionadas Processo Área produto Área Fechamento Principal Área Fechamento Secundário Média das superfícies 3 eixos 20 µm 20 µm 13 µm 17.8 µm 5 eixos 54 µm 54 µm 62 µm 56.6 µm Para o fresamento 3 eixos os intervalos encontrados estão dentro dos padrões de precisão recomendados para as áreas de estudo. No fresamento 5 eixos a variabilidade foi bem mais acentuada ocasionando desvios além do permitido para as áreas avaliadas, tornando o processo em 5 eixos simultâneos instável para garantia de precisão em pontos críticos de um molde. Ambos os processos atingiram o grau de normalidade para os resultados obtidos dentro de um nível de confiança na ordem de 95%.

88 Conclusões e sugestões para futuros trabalhos 88 5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS As principais conclusões obtidas no desenvolvimento deste trabalho estão apresentadas a seguir. Conclusões relacionadas ao tempo de fabricação: a) O fresamento 5 eixos possibilitou uma redução de 10% do tempo específico para a fabricação da geometria proposta, considerando a somatória dos tempos requeridos por cada etapa de fabricação, sem considerar os tempos de preparação de máquina e demais tempos improdutivos. b) Considerando todos os tempos de fabricação, dos quais são atribuídos os custos de produção, o fresamento 5 eixos propiciou uma redução de 21% do tempo total para a fabricação da cavidade proposta. c) O processo 5 eixos promoveu, para a geometria em estudo, uma significativa redução do número de eletrodos e também no tempo de eletroerosão, devido à área necessária ao processo de eletroerosão ser reduzida, por propiciar maior alcance da ferramenta. Este fato pode favorecer a vida útil do molde por minimizar regiões com camada branca. d) A etapa de simulação CAM para fresamento 5 eixos impacta expressivamente no respectivo tempo e custo de fabricação, onde requereu 175% a mais de tempo, comparado a simulação 3 eixos. e) A grande distinção do fresamento para o caso estudado está na redução significativa de eletroerosão. A diferença entre os processos 3 e 5 eixos alcançou 800%. Indiretamente através dessa redução significativa, minimizam-se áreas prejudicadas pela eletroerosão por formação de camada branca. Conclusões relacionadas aos custos de fabricação: a) O fresamento 5 eixos possibilitou uma redução geral de custos na ordem de 13,6%. b) Na investigação realizada, através de uma metodologia simplificada, a implantação da tecnologia 5 eixos tem um custo 46% superior em relação à tecnologia 3 eixos. c) Para o caso estudado, os custos dos processos de fabricação representam aproximadamente 75% do custo total de fabricação da cavidade, sendo o restante referente à matéria-prima empregada.

89 Conclusões e sugestões para futuros trabalhos 89 d) Para um regime de 3 turnos o prazo de amortização ficou em 4 anos e 8 meses para o fresamento 3 eixos e aproximadamente 4 anos e 7 meses para o fresamento 5 eixos. Para um regime de 2 turnos o prazo de amortização ficou em 5 anos e 9 meses para o fresamento 3 eixos e 5 anos e 11 meses aproximadamente para o fresamento 5 eixos. Conclusões para os desvios de forma: a) O fresamento 5 eixos propiciou maior desvio de forma. b) Para o fresamento 3 eixos os intervalos encontrados estão dentro dos padrões de precisão recomendados para as áreas de estudo. c) No fresamento 5 eixos a variabilidade foi bem mais acentuada ocasionando desvios além do permitido para as áreas avaliadas, tornando o processo em 5 eixos simultâneos instável para garantia de precisão em pontos críticos de um molde. d) Ambos processos atingiram o grau de normalidade para os pontos de medição obtidos dentro de um nível de confiança de 95%. Sugestões para futuros trabalhos estão apresentadas a seguir. a) Investigar as trajetórias calculadas pelo CAM para fresamento em 5 eixos. b) Avaliar a qualidade da superfície usinada em 5 eixos, para a fabricação de moldes. c) Avaliar as diferentes estratégias de usinagem 5 eixos. d) Estudar os processos de fabricação de moldes, do desbaste ao acabamento 5 eixos. e) Avaliar as oscilações do avanço no fresamento 5 eixos. f) Investigar erros dimensionais em máquina CNC 5 eixos através de software específico. g) Investigar os possíveis benefícios na aplicação da estratégia SWARF para acabamento de moldes.

90 Referências Bibliográficas 90 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BAPTISTA, R.; SIMÕES, A. (1999). Three and five axes milling of sculptured surfaces. Journal of Materials Processing Technology 103 pp BATALHA, F. G. (2002). Processos de Fabricação por Remoção de Material. Apostila da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. 51páginas. BECZE, C. E.; CLAYTON, P.; CHEN, L.; EL-WARDANY,T. I.; ELBESTAWI, M. A.(1999) High speed five-axis milling of hardened tool steel. Journal of Machine Tools & Manufacture.pp BITTENCOURT, M. (2006): Influência das estratégias de usinagem na fabricação de moldes. Trabalho de Conclusão de Curso IST. Jlle-SC BONETTI, I. (2008). Contribuições para desenvolver o conhecimento em operações de desbaste por fresamento no sentido axial, 106p. Dissertação de Mestrado, Instituto Superior Tupy, Joinville. BOUAZIZ, Z.; YOUNES, J. B.;ZGHAL, A. (2004) Methodology of machining costs evaluation for die and mold manufacturing. Journal of Materials Processing Technology n152 pp BOUJELBENE, M.; MOISAN, A.; TOUNSI, N; BRENIER, B. (2004). Productivity enhancements in dies and molds manufacturing by the use of C1 continuous tool path. International Journal of Machine Tool & Manufacture, Amsterdam, v.44, n1, p , Jan. BOUZAKIS, D. K.; AICHOUH, P.; EFSTATHIOU, K.; KOUTOUPAS, G.(1999). A computer supported simulation of multiaxis milling to determine optimum cutting kinematics concerning the occuring surface roughnes. 2 nd Internacional German and French Conference on High Speed Machining. CAPLA, R. L. Estudo da influência do material excedente de desbaste na operação de acabamento aplicando usinagem com altas velocidades.são Carlos, 2006.Dissertação de Mestrado. CHARMILLES, A. Manual de operação Roboform 40 (1993). Charmilles Tecnologies,p CHEN, J. S., HUANG, Y. K.; CHEN, M. S. APUD PIVETTA, C. S. (2005). Uma contribuição ao estudo de fresamento de aço endurecido com fresa de topo esférico. Dissertação de Mestrado.Universidade Estadual de Campinas. CHOI, K. B.; JERARD, B. R. (1998). Sculptured surface machining. Theory and applications. Kluwer Academic Publishers COLDWELL, H.; WOODS, R.; PAUL, M.; KOSHY, P.; DEWES, R.; ASPINWALL, D. (2003). Rapid machining of hardened AISI H13 and D2 moulds dies and press tools. Journal of Materials Processing Technology v.135 p

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94 Referências Bibliográficas 94 SOUZA, A. F.; BONETTI, I. (2007). Estudo do contato ferramenta-peça no fresamento de formas geométricas complexas para a fabricação de moldes e matrizes.8º CIBIM Congresso Ibero Americano de Engenharia Mecânica. SOUZA, A. F.; TEIXEIRA, M. T; RODRIGUEZ, C.A. (2006). Análise comparativa dos algoritmos utilizados por diferentes sistemas CAM, para cálculo das trajetórias de ferramenta, no fresamento de formas geométricas complexas. IV Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Recife, agosto. SOUZA, A. F.; ARIAS, M. (2008). Descrição matemática das funções Spline. Máquinas e Metais, Abril pp SOUZA, A. F.; COELHO, R. T. (2007). Experimental investigation of feed rate limitations on high speed milling aimed at industrial applications. Internacional Journal Advanced Manufacturing Technology. (32): SOUZA, F. (2005) Análise conceitual sobre a tecnologia CAD/CAM. Revista Mecatrônica Fácil, N23. TSUTSUMI, M, SAITO, A; (2004). Identification of angular and positional deviation inherent to 5-axis machining centers with a tilting-rotary table by simultaneous four-axis control movements. Internacional Journal of Machine Tools e Manufacture,44.( ). VALLEJOS, R. V.; GOMES, J. O. (1998). Uma reflexão sobre as ferramentarias nacionais. Revista Plásticos, São Paulo, p VESSEREAU, A. (2000). Introdução à estatística. Ed. Nobar Ed 15. WELLER, E. J. (1984) Nontraditional machining processes. 2nd ed. Deaborn: Society Manufacturing Engineers.

95 Apêndice 95 APÊNDICE 1: Avanço programado para trajetória no programa pós-processado em 5 eixos

96 Apêndice 96 Apêndice 2: Dados tecnológicos para o plano de execução na máquina fresadora O Apêndice 2 mostra de forma ampliada as informações tecnológicas de processo necessárias (Parâmetros de corte empregados, tipo de ferramenta, número de ferramenta para o programa, tempo estimado e material remanescente deixado na operação) para que o operador faça a regulagem da máquina e preencha os campos que restaram em branco na folha de processos CAM. Figura 50: Dados tecnológicos aplicados As principais informações apresentadas na figura são: Diâmetro da fresa e seu respectivo raio de ponta. (20 mm raio 1,00) Tipo de cone ODP sistema de cone com pontas intercambiáveis roscadas para cápsulas. Número de ferramenta no corretor: T17 Avanços vertical e lateral Profundidade de corte PC Rotação aplicada Sobre-metal para próxima etapa Referência no eixo Z em relação ao zero peça Tempo estimado pelo CAM Tempo real a ser preenchido pelo operador além de detalhes do processo como a máquina e a assinatura de quem executou o programa em questão.

97 Apêndice 97 Apêndice 3: Calibração da MMC Inicialmente foi necessário validar para o experimento, um padrão de referência para que o grau de confiança aplicado seja real. Foi utilizada para essa finalidade uma esfera padrão marca Taylor-Hobson do laboratório de metrologia SOCIESC, cujo raio de referência certificado é de 22,0196mm. A Figura 51 mostra o zeramento da esfera na MMC, para início das medições em alguns pontos da superfície tangente ao centro da esfera. Figura 51: Calibração do apalpador RENISHAW através de esfera padrão na máquina de medir por coordenadas. A Figura 52 ilustra os desvios encontrados em uma das medições. Figura 52: Desvios encontrados na calibração da máquina de medir por coordenadas

98 Apêndice 98 Foram executadas 3 séries com 6 pontos de medição em cada série, que gerou 18 amostras para o teste de normalidade da esfera padrão. A Figura 53 lustra o gráfico e os valores obtidos, após teste do Minitab. Normal Mean -0, StDev 0, N 18 AD 0,480 P-Value 0, Percent ,004-0,003-0,002-0,001 0,000 Medidas 0,001 0,002 0,003 0,004 Figura 53: Teste de normalidade da esfera medida na MMC A média e o desvio padrão para um nível de confiança de 95% atenderam os critérios para o teste. Isso significa que há uma tendência ao zero, certificando a incerteza da máquina em 5 µm, pois 16 das 18 amostras encontradas ficaram em um intervalo de 4 µm (+0,002 e-0, 002) e somente 1 ponto ficou 1 µm para cima e 1 ponto ficou 1 µm para baixo desse intervalo de medição. O desvio padrão e a média para as 18 amostras ficaram respectivamente em 1,5 µm e 0,3 µm.

99 Apêndice 99 Apêndice 4: Simulação da máquina em 5 eixos

100 Apêndice 100 Apêndice 5 - Vide CD-ROM com os planos de usinagem e vídeos do experimento.

101 i SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA INSTITUTO SUPERIOR TUPY MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS ESTRATÉGIAS DE FRESAMENTO 3 E 5 EIXOS PARA A FABRICAÇÃO DE MOLDES Adriano Eudorico Albano Joinville 2008

102 ii SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA INSTITUTO SUPERIOR TUPY MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS ESTRATÉGIAS DE FRESAMENTO 3 E 5 EIXOS PARA A FABRICAÇÃO DE MOLDES Dissertação apresentada ao Programa de Pós - Graduação em Engenharia Mecânica do Instituto Superior Tupy, como requisito para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Adriano Eudorico Albano Orientador: Prof. Dr. Adriano Fagali de Souza Joinville 2008

103 iii ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS ESTRATÉGIAS DE FRESAMENTO 3 E 5 EIXOS PARA A FABRICAÇÃO DE MOLDES Adriano Eudorico Albano Dissertação defendida e aprovada em 03 de novembro de 2008, pela Banca examinadora constituída pelos Professores: Prof. Dr. Adriano Fagali de Souza (Orientador) Instituto Superior Tupy Prof. Dra. Sueli Fischer Beckert Instituto Superior Tupy Prof. Dr. Reginaldo Teixeira Coelho EESC - USP

104 iv Dedicatória Dedico esse trabalho a Deus que me Concedeu a oportunidade de chegar Até aqui e a todos que de uma forma ou De outra contribuíram para esse trabalho

105 v Agradecimentos Ao Professor Dr. Adriano Fagali de Souza do Instituto Superior Tupy, pela orientação e acompanhamento passo a passo durante o desenvolvimento desse trabalho. À Ferramentaria SOCIESC, especialmente ao Sr. Lauro dos Anjos Filho e ao Sr. José Carlos da Silva pelo incentivo à pesquisa e desenvolvimento tecnológico na área de Moldes e Matrizes. A todos os colaboradores da equipe técnica da ferramentaria Sociesc e demais envolvidos que se engajaram na realização desse projeto. Ao aluno de iniciação científica Caio Zafalon pelo comprometimento no processamento dos dados estatísticos. À Empresa Villares Metals pelo fornecimento da matéria prima utilizada nos experimentos de usinagem. À empresa DELCAM, pelo sistema CAD/CAM utilizado nesse trabalho. À empresa GRV software, pela utilização de software de gerenciamento de custos CPS. Ao laboratório de Metrologia Sociesc pelo envolvimento nas medições tridimensionais do experimento.

106 vi SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO E CONTEXTUALIZAÇÃO Objetivos Gerais Objetivos Específicos Estrutura do trabalho REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Principais programas computacionais empregados na fabricação de moldes Sistemas CAD Sistemas CAM Operações de usinagem na fabricação moldes Usinagem por eletroerosão (Electrical Discharge Machining - EDM) Processo de fresamento de moldes Fundamentação usinagem 5 eixos Operações de fresamento em 5 eixos TRABALHO EXPERIMENTAL Materiais e equipamentos Material utilizado Máquinas-ferramenta e acessórios Programas computacionais utilizados Geometria do corpo de prova Parâmetros de processos Parâmetros de corte para fresamento 3 eixos Parâmetros de corte para fresamento 5 eixos Usinagem dos eletrodos Usinagem do corpo de prova por eletroerosão Métodos de avaliação Tempos de fabricação Custos de Fabricação Verificação dos erros geométricos RESULTADOS E DISCUSSÕES Estudo dos tempos de fabricação Tempos de programação CAD/CAM Tempo de fresamento da geometria...68

107 vii Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão Tempo específico de processo e tempo total de processo Custo de fabricação Estimativa simplificada de custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos Simulação simplificada do tempo estimado para amortização do investimento Avaliação dos erros geométricos CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS...88

108 viii RESUMO ALBANO, Adriano Eudorico. Análise Comparativa entre as Estratégias de Fresamento 3 e 5 Eixos para a Fabricação de Moldes. Joinville: IST, Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica. Atualmente, a indústria fabricante de moldes e matrizes tem-se deparado com uma acirrada concorrência no mercado mundial, além de exigências na redução dos prazos de entrega, redução de custos, e aumento de qualidade. Desta forma, as indústrias neste segmento devem estar atualizadas tecnologicamente para manter a competitividade. Nas últimas décadas, algumas tecnologias vêm se consagrando para apoiar este segmento, tais como: tecnologias computacionais de apoio (sistemas CAD/CAM/CAE/CAI), processos de usinagem em altas velocidades (High Speed Machining HSM) e a tecnologia de usinagem por fresamento utilizando 5 graus de liberdade, conhecida como fresamento 5 eixos. Devido a sua complexidade e custo, atualmente a usinagem 5 eixos é usualmente empregada na indústria aeronáutica, a qual necessita de sua aplicação. Com o desenvolvimento tecnológico e redução dos custos de implantação desta tecnologia, tende-se aplicar o fresamento 5 eixos para a indústria de moldes e matrizes. Alguns trabalhos científicos podem ser encontrados na literatura, tratando pontos científicos e tecnológicos sobre o tema. Entretanto, uma investigação sobre a viabilidade de aplicação e benefícios da usinagem 5 eixos na indústria de moldes e matrizes ainda é uma lacuna. Desta forma, este trabalho tem por objetivo realizar uma avaliação comparativa entre os processos de usinagem por fresamento, empregando 3 e 5 eixos de movimentação, para a indústria fabricante de moldes para a injeção de termoplásticos. A fabricação de moldes, empregando estas duas técnicas de fresamento foram avaliadas minuciosamente, envolvendo as etapas de programação CAD/CAM, o processo de fresamento e as operações de usinagem por eletroerosão. A usinagem por eletroerosão é muitas vezes necessária devido a limitações do processo de fresamento 3 eixos. Com o objetivo desenvolver o conhecimento aplicado à indústria de moldes, a geometria de um produto comercial foi selecionada para formar o corpo de prova. Dois corpos de prova foram fabricados, cada qual utilizando técnicas de fresamento 3 e 5 eixos. Foram obtidos os tempos de fabricação, custos e erros dimensionais para ambos os processos. Os resultados detalham os benefícios e limitações do fresamento 3 e 5 eixos para a referida indústria. Palavras-chave: Fresamento 5 eixos, Fabricação de Moldes, CAD/CAM, Eletroerosão

109 ix ABSTRACT ALBANO, Adriano Eudorico. Análise Comparativa entre as Estratégias de Fresamento 3 e 5 Eixos para a Fabricação de Moldes. Joinville: IST, Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica. Currently, the die and mould industry has a strong worldwide competition and requires to be technologically updated. Some important technologies have been developed successfully in the last decades to support this industrial segment, such as computational software (CAD/CAM/CAE/CAI), the High Speed Machining technology, and the 5 axis milling. Due to the complexity and cost, the last technology has been used only for the industry that requires its application, such as the air craft industry. Many scientific research can be found about the theme, but the technical and financial viability to apply 5 axis machining in die and mould industry is still a lack of knowledge. Therefore, this work aims to compare the application of 3 axis milling against 5 axis milling for mould fabrication. A real geometry was defined as workpiece. Appling 3 and 5 axis milling, two workpiece were fabricated. The entire fabrication time, as well as costs concerned and the geometry errors were assessed. The results shows the benefits and limitation about 3 and 5 axis milling applied for mould fabrication. Keywords: Five Axis Milling, Die and Mold Manufacturing, CAD/CAM, Electric Discharge Machining.

110 x LISTA DE FIGURAS Figura 1: Cadeia de manufatura de produtos que utilizam ferramentais Figura 2: Etapas da manufatura envolvendo a cadeia CAD/CAM/CNC Figura 3: Trajetória da ferramenta calculada por um sistema CAM Figura 4: Pós-processamento de programas CNC Figura 5: Arquivo CNC pós-processado para fresamento 5 eixos Figura 6: Microtrincas geradas em peça usinada pelo processo de eletroerosão Figura 7: Contato da aresta de corte com o plano de trabalho θ Figura 8: Possibilidade de acesso da ferramenta de corte Figura 9: Principais trajetórias de ferramentas para acabamento de moldes Figura 10: Movimento da ferramenta em relação aos vetores paralelos ao seu eixo 34 Figura 11: Diferentes eixos de inclinação entre o par ferramenta-peça Figura 12: Usinagem com a lateral da ferramenta em estratégia Swarf Figura 13: Sistemas de coordenadas para 5 eixos Figura 14: Combinações de eixos para máquinas CNC s 5 eixos Figura 15: Usinagem em 5 eixos posicionais Figura 16: (a) Curva descontínua, problemas na modelagem da superfícies. (b) Gráfico de curvatura. (Fonte: SILVA, 2006) Figura 17: Cavidade usinada em estratégia 3D offset Figura 18: Cavidade usinada em estratégia 5 eixos SWARF Figura 19: Escopo de processo para o procedimento experimental Figura 20: Bloco de aço VP20 ISO empregado no experimento Figura 21: Máquina ferramenta Deckel Maho DMU Figura 22: Máquina ferramenta Deckel Maho DMC 104V linear Figura 23: Cones utilizados no experimento Figura 24: Máquina por eletroerosão utilizada no experimento Figura 25: Cavidade do experimento na máquina de medir por coordenadas Figura 26: Geometria da cavidade do agitador da máquina lavar roupas em 3D Figura 27: Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Figura 28: Regiões selecionadas para avaliar os erros dimensionais dos corpos de prova Figura 29: Representatividade percentual dos processos CAD/CAM para 3 eixos Figura 30: Representatividade percentual dos processos CAD/CAM para 5 eixos Figura 31: Tempos do processo CAD/CAM Figura 32: Quantidade de programas CNC e tamanho dos arquivos Figura 33: Corpos de prova fabricados Figura 34: Tempo de fresamento da geometria Figura 35: Tempo para fabricação dos eletrodos para as duas cavidades Figura 36: Região inacabada pelo fresamento Figura 37: Áreas com material remanescente para eletroerosão Figura 38: Tempo total de processo para eletroerosão Figura 39: Tempos específicos de processo Figura 40: Tempo total de processo Figura 41: Representatividade dos tempos por processo de fabricação Figura 42: Gráfico percentual para os custos de fabricação por tipo de fresamento. 77 Figura 43: Medição da região do produto Figura 44: Teste de normalidade para a região do produto... 83

111 Figura 45: Medição da região do fechamento principal Figura 46: Teste de normalidade para a região do fechamento principal Figura 47: Medição do fechamento secundário Figura 48: Teste de normalidade para a região do fechamento secundário Figura 49: Boxplot comparativo para os dois processos estudados Figura 50: Dados tecnológicos aplicados Figura 51: Calibração do apalpador RENISHAW através de esfera padrão na máquina de medir por coordenadas Figura 52: Desvios encontrados na calibração da máquina de medir por coordenadas Figura 53: Teste de normalidade da esfera medida na MMC xi

112 xii LISTA DE TABELAS Tabela 1: Composição química do aço VP Tabela 2: Parâmetros de corte utilizado no experimento em fresamento 3 eixos Tabela 3: Parâmetros de corte utilizado no experimento em fresamento 5 eixos Tabela 4: Parâmetros de corte utilizado no experimento no fresamento dos eletrodos Tabela 5: Parâmetros aplicados no processo de eletroerosão para as duas cavidades Tabela 6: Tabela custo hora/processo Tabela 7: Tabela de tempos de programação CAD/CAM para fresamento 3 eixos.. 63 Tabela 8: Tabela de tempos de programação CAD/CAM para fresamento 5 eixos.. 64 Tabela 9: Somatória dos tempos da etapa CAD/CAM Tabela 10: Tempo para modelamento e programação CNC de eletrodos Tabela 11: Tempo de fresamento dos eletrodos Tabela 12: Custo total de fabricação das cavidades Tabela 13: Estimativa de custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos Tabela 14: Custos/hora para a simulação simplificada de amortização do investimento Tabela 15: Tabela de amortização para 2 turnos de trabalho (adaptado de Neto e Pereira,2008) Tabela 16: Tabela de amortização para 3 turnos de trabalho (adaptado de Neto e Pereira,2008) Tabela 17: Tabela dos intervalos dos desvios encontrados nas superfícies inspecionadas... 87

113 xiii ABREVIAÇÕES E SIGLAS MDIC: Ministério do Desenvolvimento Indústria e Comércio Exterior APL: Arranjo Produtivo Local CAD: Computer Aided Design CAM: Computer Aided Manufacturing CAI: Computer Aided Inspection CNC: Comando numérico computadorizado CPS: Controle de Processos e Serviços MMC: Máquina de Medir por Coordenadas HSM: High Speed Machining EDM: Electrical Discharge Machining CLF: Cutter Location File CL: Cutter Location CC: Cutter Contact RPM: Rotações por minuto F: Avanço de trabalho (mm/min) ap: Profundidade de corte axial (mm) ae: Profundidade de corte lateral (mm) CDP: Corpo de prova Zw: Eixo original de trabalho em Z. Xw: Eixo original de trabalho em X. Zc: Eixo modificado de trabalho em Z. Θ: Ângulo de inclinação para o plano de trabalho modificado

114 Capítulo 1: Introdução e contextualização 14 1 INTRODUÇÃO E CONTEXTUALIZAÇÃO A indústria de moldes tem grande impacto no cenário atual, pois influencia diversos segmentos produtivos, tais como: eletrodoméstico, automobilístico, indústria civil, dentre outros. Estima-se que 600 empresas fabricantes de moldes e matrizes estejam sediadas na região de Joinville. Esse aglomerado de empresas forma um importante Arranjo Produtivo Local (APL) da indústria metal-mecânica, considerado dentre os cincos APL prioritários para o Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior MDIC (MDIC 2008). Resende e Gomes (2004) recomendam que para o desenvolvimento do segmento de moldes no APL de Joinville são necessárias ações conjuntas das empresas. Essas ações devem contemplar a formação e manutenção de banco de dados sobre experiências bem sucedidas visando o processo contínuo de inovação tecnológica e podem ser realizadas através de parcerias entre fabricantes de moldes e centros tecnológicos. A pesquisa realizada pela consultoria MAXIQUIM, no ano de 2001, demonstra a necessidade de desenvolvimento deste segmento no Brasil, conforme demonstram alguns indicadores apresentados a seguir: a) O déficit da balança comercial brasileira aumenta negativamente, alcançando de US$ 112 milhões a US$ 200 milhões no seguimento. b) O faturamento da indústria de moldes para transformação de termoplásticos é estimado em US$ 300 milhões por ano, no Brasil. Estima-se um faturamento bruto mundial de moldes e matrizes em torno de US$ 20 bilhões por ano. c) Crescimento em torno de 15% da demanda de termoplásticos, comparado ao ano anterior. d) Os Estados Unidos é o maior fornecedor mundial de moldes com faturamento superior a US$ 5 bilhões por ano, seguidos pelo Japão e Alemanha.

115 Capítulo 1: Introdução e contextualização 15 e) Relata-se uma concorrência crescente de países como França, Itália, Península Ibérica e principalmente dos Tigres Asiáticos (Coréia, Taiwan e Singapura) além da China. Segundo Vallejos e Gomes (1998) a baixa capacidade competitiva e tecnológica dos fabricantes de moldes e matrizes nacionais atribui-se aos elevados preços e prazos de entrega de seus produtos, em relação àqueles praticados no mercado internacional. A pesquisa realizada por Gregolin e Antunes (2002) demonstra a necessidade de aprimorar a fabricação de moldes no Brasil, necessitando de desenvolvimento tecnológico para se igualar aos países considerados desenvolvidos. Em função das demandas atuais de mercado, as linhas automotivas, de eletrodomésticos e de telefonia móvel têm exigido cada vez mais agilidade, rapidez e flexibilidade no desenvolvimento e fabricação de moldes de injeção (LUCIANO et al, 2002). Souza e Bonetti (2007) apresentam a cadeia de manufatura à qual a indústria de moldes encontra-se inserida. A fabricação de moldes foi subdividida nas etapas: i) processos de fabricação, ii) processos de usinagem, iii) processos de fresamento, como ilustra a Figura 1. Figura 1: Cadeia de manufatura de produtos que utilizam ferramentais Fonte: SOUZA e BONETTI, (2007)

116 Capítulo 1: Introdução e contextualização 16 Dentre as operações envolvidas, o fresamento das cavidades do molde são as operações mais significativas, pois, além de produzir o produto final, pode influenciar diretamente as operações subseqüentes, repercutindo na qualidade, custo e tempo de fabricação do produto (SOUZA e BONETTI, 2007). Conforme apresentado por Boujelbene et al (2004), a maior porcentagem do custo de um produto fabricado pela injeção de plástico é relativa à manufatura do molde (30% do custo total) e a maior porcentagem desses custos está relacionada à usinagem. Fallböhmer (1996) conclui que mais de 60% do tempo de fabricação de um molde ou uma matriz é consumido na fabricação das partes funcionais, as quais incluem superfícies complexas. Na fabricação das partes funcionais do molde, Bonetti (2008) identificou o tempo de usinagem em cada etapa de fresamento. Para tanto, o autor avaliou 45 processos de fabricação de moldes de médio porte e identificou que 51% do tempo total de fresamento são despendidos em operações de desbaste, 18% em etapas de préacabamento e 31% para o acabamento. Deve-se considerar que, embora o acabamento não seja a etapa mais representativa de usinagem, é a operação que influenciará diretamente o produto final, em termos de qualidade dimensional, tempo e custo. Observa-se no mercado atual uma forte tendência na fabricação de produtos contendo formas suaves e harmônicas para compor os produtos. Segundo Lazoglu (2003), a utilização de objetos e produtos contendo formas geométricas complexas fez com que a necessidade de novas tecnologias de fabricação fosse intensificada. A complexidade geométrica dos produtos impõe novos desafios para a cadeia de manufatura de moldes, além da redução dos prazos de entrega, aumento da qualidade dimensional do molde e redução dos custos (BAPTISTA e SIMÕES, 1999). Dessa forma, o mercado global obriga os fabricantes de moldes e matrizes a buscarem continuamente a modernização de seu parque fabril, caso contrário, perderão competitividade, se não adotarem novas tecnologias e processos de fabricação (GEIST e FINZER, 2000).

117 Capítulo 1: Introdução e contextualização 17 Desde 1998, empresas brasileiras de pequeno, médio e grande porte têm buscado investimentos em novas tecnologias de fabricação, dentre elas a usinagem em alta velocidade, High Speed Cutting (HSC) ou High Speed Machining (HSM) (Deonísio, 2004), mas somente na última década novas tecnologias de usinagem têm sido aplicadas com eficiência na indústria de moldes, como usinagem em altas velocidades combinada com a usinagem em 5 eixos posicionais ou em 5 eixos simultâneos, trazendo reais vantagens para o processo (COLDWELL et al, 2003). Tradicionalmente, na fabricação de moldes, aplica-se o fresamento em 3 eixos (X, Y, Z). Máquinas-ferramenta com mais eixos simultâneos de movimentação ainda são escassas nas 1 ferramentarias, pois, além dos custos de implantação, requerem o desenvolvimento de novos processos de fabricação. A falta de conhecimento sobre o tema também é um forte empecilho para aplicação do fresamento 5 eixos na indústria de moldes. As máquinas-ferramenta 5 eixos (5 graus de liberdade), além de 3 eixos elementares de trabalho, possuem mais 2 eixos rotativos que podem agir simultaneamente, trazendo à fabricação de moldes grande versatilidade. Entretanto, o processo se torna mais complexo, pois exigem-se sofisticados algoritmos matemáticos para calcular e simular as trajetórias da ferramenta, pelos sistemas CAM, além do conhecimento do processo de fabricação e operação dos equipamentos. O custo de implantação dessa tecnologia é maior em relação à tecnologia 3 eixos (SO et al, 2007). Na usinagem de moldes, a aplicação do fresamento 5 eixos pode propiciar maior alcance da ferramenta de corte, atingindo regiões inacessíveis pelo fresamento tradicional (3 eixos), reduzindo áreas de eletroerosão, permitindo a usinagem em elevadas profundidades, redução de vibrações e melhor acabamento superficial. O trabalho realizado por Baptista e Simões (1999) conclui que o fresamento 5 eixos ocasionou melhor acabamento superficial em relação ao fresamento 3 eixos. Entretanto não são avaliados no trabalho, os tempos de fabricação, os impactos no custo e na qualidade dimensional da superfície fresada. Essas características são importantes para identificar a real viabilidade de aplicação das técnicas de usinagem 5 eixos na indústria de moldes. 1 Nome atribuído às indústrias fabricantes de Moldes e Matrizes

118 Capítulo 1: Introdução e contextualização 18 Diversos trabalhos de pesquisas na área de usinagem por fresamento em 5 eixos podem ser encontrados na literatura. Estes trabalhos, muitas vezes, estão focados no desenvolvimento das tecnologias relacionadas a aplicação da usinagem 5 eixos, tais como: algoritmos para cálculo e simulação de trajetórias; desenvolvimento de novas configurações de máquinas-ferramenta; rotinas, sistemas de comando e controle numérico CNC; processo de corte; precisão do processo, etc. Entretanto, trabalhos para constatar os tempos de fabricação, custos envolvidos e qualidade da usinagem, comparando ao fresamento tradicional, 3 eixos, ainda são incipientes, embora fundamentais. Diante do contexto em evidência, o presente trabalho propõe desenvolver o conhecimento sobre a viabilidade técnica e econômica da aplicação do fresamento 5 eixos para a fabricação de moldes, em comparação com o fresamento 3 eixos. Com o objetivo de desenvolver o conhecimento aplicado à realidade industrial, a geometria de um molde para injeção de plástico foi utilizada como corpo de prova. Foram fabricados dois corpos de prova, aplicando os processos de fresamento 3 e 5 eixos. São avaliados detalhadamente os tempos requeridos em cada etapa de fabricação, envolvendo: programação e simulação da usinagem via software CAM; o modelamento de eletrodos (CAD); a usinagem CNC dos corpos de prova; a programação e usinagem dos eletrodos (CAM/CNC); usinagem por eletroerosão de cada corpo de corpo de prova. Diversos trabalhos de pesquisa estudam e propõe a tecnologia para o processo de fabricação por fresamento 5 eixos, entretanto, nota-se uma carência de informações sobre sua viabilidade na cadeia de fabricação de moldes. Foram computados os custos e tempos requeridos para a fabricação utilizando ambos os processos, possibilitando visualizar os benefícios da usinagem 5 eixos relacionados ao tempo de fabricação, assim como identificar as limitações e gargalos do processo. Para composição dos custos, foram computados os valores dos materiais empregados (aços e materiais para os eletrodos) assim como os valores/hora de cada processo, considerando o tempo empregado em cada etapa. Também se realizou uma inspeção geométrica nas regiões que compõem a área de fechamento do molde real, pois esta é uma região crítica em moldes de injeção de plástico. O processo foi realizado com o auxílio de uma máquina de medir por coordenadas CNC (MMC), integrado a um sistema computacional específico

119 Capítulo 1: Introdução e contextualização 19 (CAD/CAI), a fim de quantificar os erros de forma, ocasionados pelo processo de fresamento 5 eixos, em comparação com o fresamento 3 eixos. 1.1 Objetivos Gerais Este trabalho tem por objetivo geral desenvolver o conhecimento sobre a aplicação do processo de fresamento 5 eixos para fabricação de moldes e matrizes. Através de um estudo de caso, serão comparados os processos de fresamento 3 e 5 eixos, avaliando-se as diferenças tecnológicas que impactam nos tempos e custos de fabricação, além da qualidade dimensional gerada pelos processos de fresamento em estudo. 1.2 Objetivos Específicos Este trabalho tem por objetivos específicos: a) Desenvolver um processo de fabricação para a usinagem do corpo de prova aplicando as tecnologias CAD/CAM/CNC e eletroerosão, considerando o processo de fresamento 3 eixos; b) Desenvolver um processo de fabricação para a usinagem do corpo de prova aplicando as tecnologias CAD/CAM/CNC e eletroerosão, considerando o processo de fresamento 5 eixos; c) Descrever todas as etapas e sub-etapas de fabricação do corpo de prova; d) Modelar o corpo de prova e os eletrodos em um sistema CAD, executar a programação da usinagem dos eletrodos em sistema CAM e sua respectiva usinagem no centro de usinagem CNC. e) Identificar as regiões que necessitam usinagem por eletroerosão, conforme o processo de fresamento empregado; f) Realizar a usinagem dos corpos de prova, por fresamento em altas velocidades, utilizando 3 e 5 eixos. g) Realizar a usinagem por eletroerosão nas regiões necessárias para cada corpo de prova. h) Realizar um levantamento dos custos e tempos de fabricação de todas as etapas envolvidas, para cada caso de estudo. i) Verificar os desvios geométricos das superfícies de produto, superfície de fechamento principal e superfície de fechamento secundário, empregando

120 Capítulo 1: Introdução e contextualização 20 uma máquina de medir por coordenadas (MMC) e sistemas de inspeção (CAD/CAI). 1.3 Estrutura do trabalho Este trabalho está dividido em 5 capítulos, brevemente descritos a seguir, além das referências e apêndices. Capítulo 1 Introdução e contextualização Este capítulo apresenta o cenário da indústria de moldes, os principais processos relevantes para a sua fabricação, o escopo experimental e os objetivos propostos para realizar o trabalho. Capítulo 2 Revisão bibliográfica São apresentadas as principais tecnologias e ciências envolvidas nesse trabalho, suas especificações e características. Capítulo 3 Procedimento experimental Descreve-se cada etapa do experimento em sua respectiva ordem de execução, são apresentados os critérios a serem analisados, bem como os recursos empregados no trabalho. Capítulo 4 Análise dos resultados São analisados os resultados obtidos nos ensaios e realizadas as devidas comparações entre os processos de fresamento empregados. Capítulo 5 Conclusões Descrevem-se as conclusões finais do trabalho. Os aspectos importantes são evidenciados, além de sugestões para futuros trabalhos. Referências bibliográficas Contêm todas as referências bibliográficas deste trabalho. Apêndices Ao final desse trabalho, encontram-se informações adicionais para documentação e esclarecimentos.

121 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 21 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Atualmente, impulsionado pelo desenvolvimento tecnológico, a aplicação da tecnologia de usinagem por fresamento 5 eixos, para a fabricação de moldes e matrizes, pode se tornar um importante diferencial nesse segmento. Devido a restrições tecnológicas, implicando diretamente no custo e dificuldade de acesso, o fresamento 5 eixos era até então empregado somente em indústrias cuja aplicação era imprescindível, como a indústria aeronáutica, por exemplo. Com o avanço dos sistemas CAD/CAM e máquinas-ferramenta CNC, a tecnologia de fresamento 5 eixos passa a ter um novo enfoque, possibilitando maior facilidade de acesso e redução de custos. Desta forma, para atingir os objetivos propostos neste trabalho, a Revisão de Literatura apresenta os seguintes assuntos pertinentes ao tema: sistemas computacionais, processos de fabricação de moldes e máquinas-ferramenta, assim como busca levantar o estado da arte sobre a aplicação do processo de fresamento 5 eixos. 2.1 Principais programas computacionais empregados na fabricação de moldes Atualmente, a fabricação de moldes pode ser auxiliada das seguintes tecnologias computacionais: a) CAD (Computer Aided Design) destinado ao modelamento de produtos e projeto do ferramental; b) CAM (Computer Aided Manufacturing) planejamento, cálculo das estratégias de usinagem e simulação de usinagem; c) CNC (Computer Numeric Control) para realizar as operações de usinagem do molde utilizando os programas gerados pelo CAM; d) CAI (Computer Aided Inspection) associado a uma máquina de medir por coordenadas (MMC), faz a inspeção geométrica das superfícies usinadas, gerando relatórios comparativos entre a peça real e o modelamento CAD.

122 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 22 e) CAE (Engineering Aided Computer) através do modelo geométrico criado tornam possíveis simulações e definições sobre a qualidade da peça injetada, pontos para definição de canais de alimentação do molde, entre outras respostas tecnológicas, antes mesmo da conclusão do projeto e fabricação do molde. Esse procedimento auxilia o setor de desenvolvimento e engenharia nas decisões tecnológicas relativas ao desenvolvimento do produto. A apresentação e discussão sobre essas tecnologias estão apresentadas a seguir, enfatizando aquelas de maior relevância para este trabalho Sistemas CAD O arquivo gerado pelo CAD contém informações da geometria que será utilizada como base de dados para os outros sistemas computacionais. Dessa maneira, o CAD torna-se o elo da cadeia de fabricação, ressaltando a sua importância. Devido à demanda por produtos contendo formas geométricas complexas, um sistema CAD, para atender a indústria de moldes e matrizes, deve possuir recursos para o modelamento das geometrias. Nesse caso, os sistemas CAD modeladores de superfícies são os mais indicados (SOUZA e COELHO, 2003). Os principais fatores a serem observados, para qualificação de uma plataforma CAD que atenda às necessidades desse segmento são: capacidade de modelamento geométrico do software, relação clientes/fornecedores, confiabilidade da empresa que desenvolve o software, custo e treinamento (SOUZA et al, 2006). Silva (2006) discute as implicações encontradas no modelamento 3D de geometrias em sistemas CAD no processo de cálculos das trajetórias por sistemas CAM. Uma geometria com baixa qualidade pode repercutir em trajetórias de ferramenta calculadas de forma inapropriada, invadindo a peça a ser fabricada.

123 Capítulo 2: Revisão bibliográfica Sistemas CAM Utilizando a geometria modelada no CAD, o software CAM tem por objetivo calcular as trajetórias de ferramenta para a respectiva usinagem; realizar a simulação das trajetórias e gerar programas CNC para a máquina-ferramenta. A integração desses sistemas é demonstrada na Figura 2 (SOUZA e COELHO, 2007). CAD Modelamento CAM Estratégia das trajetórias Cálculo da trajetória CNC Interpolador Loop de controle Transferência de dados geométricos Pós-processador Programa NC Figura 2: Etapas da manufatura envolvendo a cadeia CAD/CAM/CNC (Adaptado de Souza e Coelho, 2007) Cabe ressaltar que erros e tolerâncias estão intrínsecos em cada transferência de etapas, dessa cadeia. No sistema CAM, as definições iniciais realizadas pelo usuário seguem a sistemática de trabalho descrita a seguir: a) Importação do modelo geométrico; b) Definição do bloco de matéria-prima para usinagem; c) Definição das ferramentas e dos respectivos parâmetros de corte; d) Escolha de uma estratégia de usinagem para que o CAM calcule o percurso da ferramenta; e) Simulação da usinagem. Tradicionalmente, as trajetórias de ferramenta são compostas por pequenos segmentos de retas. O cálculo dos pontos da trajetória, executado pelo programa CAM, é iniciado pelo cálculo do ponto de contato da ferramenta sobre a geometria CAD 3D. Esse ponto é denominado cutter contact (CC). A localização do ponto central da ferramenta em sua trajetória é denominada cutter location (CL). Os pontos CL s estão contidos no programa NC final (Figura 3) (SOUZA e ARIAS, 2008).

124 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 24 Cutter Location Cutter Contact CL=CC Trajetória Figura 3: Trajetória da ferramenta calculada por um sistema CAM (Fonte: Souza e Arias, 2008) Os pequenos segmentos de retas são gerados, conforme tolerância de fabricação ao longo da superfície, limitando os tempos efetivos na usinagem, como constatou Guardiola et al (2007), em experimento comparativo entre diferentes tolerâncias de fabricação e a conseqüente distribuição dos segmentos ao longo da superfície. Todas essas limitações afetam os tempos de usinagem estimados pelo sistema CAM, ocorrendo oscilações da velocidade de avanço programada (SOUZA e COELHO, 2007). Para o caso da usinagem 5 eixos, essa limitação é enfatizada, pois, além dos 3 eixos cartesianos, a máquina deve controlar dois eixos rotativos adicionalmente. O Apêndice 1 ilustra que o avanço de trabalho (F) é parametrizado pela variável (Q). Ao assumir um valor fixo no programa, como por exemplo, mm/min, esse valor será interpolado para os 5 eixos, conseqüentemente afetando o valor real de deslocamento. Após os cálculos das trajetórias, deve-se realizar a usinagem em ambiente virtual, a fim de certificar os processos definidos e calculados pelo CAM. Para a simulação da usinagem em 5 eixos, é conveniente o modelamento de todo o sistema envolvido, como: fixação, dispositivos e a própria máquina, a fim de checar possíveis colisões. Um bom simulador deve fornecer uma animação 3D renderizada (Rendering), gerar uma peça virtual usinada e verificar o modelo criado pela simulação e o modelo CAD original (ROY apud SILVA, 2006). O Apêndice 4 ilustra a simulação da máquina realizada neste trabalho.

125 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 25 Para contemplar os objetivos desta dissertação, foram realizadas simulações de usinagem 5 eixos, considerando todo sistema de fixação-máquina; e foram levantados os tempos necessários para a simulação dos processos de usinagem 3 e 5 eixos. Concluídas as etapas anteriores, o software CAM deve gerar um arquivo, denominado CLF (Cutter Location File), contendo informações sobre o percurso da ferramenta e demais parâmetros. Esse arquivo ainda precisa ser convertido para linguagem específica da máquina CNC, cuja etapa de conversão é denominada pósprocessamento. Além de utilizar informações de sintaxe de cada comando numérico CNC, atribuem-se ao pós-processador características da máquina, tais como: número de eixos de movimentação, limitações de movimentação nos eixos cartesianos, limitações de rotação do eixo-árvore, dentre outros comandos que podem ser específicos para cada conjunto máquina-cnc. Portanto, dois elementos são necessários para o pós-processamento (SOUZA, 2004): a) Trajetória de ferramenta calculada pelo CAM em formato computacional; b) Pós-processador programa computacional que lê o arquivo CLF e o converte em um programa para ser executada em uma dada combinação máquina/cnc. Dessa forma, o pós-processador possibilita a utilização de qualquer arquivo CLF para qualquer configuração de equipamento (máquina/cnc), desde que a configuração dos eixos da máquina e do arquivo CLF seja compatível. A Figura 4 mostra um fluxograma da criação de um pós-processador específico para geração de programa CNC.

126 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 26 Dados de máquina Cutter Location File (CLF) calculado pelo CAM Gerador de pósprocessador Software/programação Pós-processador específico Programa NC Dados do CNC % N10G91G28X0Y0Z0 N20G40G17G80G49 N30G0G90Z10. N40T1M6 Figura 4: Pós-processamento de programas CNC (Fonte: SOUZA, 2004) A Figura 5 apresenta um programa CNC para fresamento 5 eixos pós-processado. O arquivo CLF é convertido em um arquivo texto e linguagem apropriada de uma máquina CNC com comando HEIDENHAIN ITNC 530. Figura 5: Arquivo CNC pós-processado para fresamento 5 eixos As coordenadas B e C referem-se às movimentações angulares da máquina, sendo B relativo ao eixo-árvore e o eixo C relativo à mesa.

127 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 27 Jung et al (2002) avaliaram o pós-processamento para fresamento 5 eixos e relatam que podem ocorrer erros provenientes da operação de reversão de fase. A reversão de fases é definida pelos autores como sendo a ocorrência de inversões nos deslocamentos angulares combinados com as inversões nos deslocamentos lineares, usualmente ao final de uma trajetória 5 eixos. Os autores propuseram algoritmos que promovem a diminuição do número de reversão de fases e também evitam a colisão da ferramenta na peça durante o processo. O pós-processador deve escolher uma conjugação angular correspondente para executar a operação sem colisões. 2.2 Operações de usinagem na fabricação moldes Os processos de usinagem para a fabricação de moldes são realizados através de usinagem por remoção de material. Dentre os processos envolvidos, geralmente são aplicados: o fresamento, a furação, o torneamento, a retificação e a eletroerosão (Electrical Discharge Machining - EDM). De acordo com Löttgen (2003), dentre todos os processos de usinagem de moldes, a eletroerosão e o fresamento são os mais utilizados, ambos são amplamente empregados para gerar cavidades com superfícies complexas Usinagem por eletroerosão (Electrical Discharge Machining - EDM) O processo por eletroerosão é baseado no princípio de remoção de material, através da ação de uma corrente elétrica controlada que gera, entre o 2 eletrodo e a peça, um efeito térmico capaz de remover material de acordo com a superfície do eletrodo. Na maioria dos casos, o eletrodo, fabricado pelo processo tradicional CAD/CAM e máquinas CNC, é de grafite ou cobre. Fuller (1989) lista como principais vantagens da usinagem por descargas elétricas: 2 Ferramenta em cobre ou grafite, construído sob medida para que sua forma seja representada na peça, pela ação da máquina EDM, através de descargas elétricas.

128 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 28 a) Possibilidade de usinar cavidades com finas paredes, uma vez que não há contato entre a ferramenta e peça; b) Capacidade de usinar as mais diversas geometrias, tais como: furos quadrados, retangulares, triangulares ou outra forma não convencional; c) Capacidade de usinar materiais de difícil usinabilidade, tais como: carboneto de tungstênio e aço ferramenta, uma vez que a dureza do material usinado não afeta o processo por descargas elétricas, muito embora a taxa de remoção de material esteja relacionada com o ponto de fusão desse material. O processo de eletroerosão é livre de rebarbas, diferenciando-se, nesse ponto, da maioria dos outros processos. Assim como outros processos de usinagem, a eletroerosão exige que seus parâmetros sejam rigorosamente conhecidos e quais deles podem ser manipulados para que se consiga obter condições ótimas de usinagem. Segundo Batalha (2002), quando a diferença de potencial entre a peça e o eletrodo é suficientemente elevada, uma descarga acorre através do fluido dielétrico, removendo uma pequena quantidade de metal da superfície da peça. Esse processo ocorre na freqüência entre 50 khz e 500 khz, com voltagem entre 50 V a 380 V e corrente de 0,1 a 500 A. Conforme Cruz (1993), os principais agentes do processo de usinagem por descargas elétricas de uma máquina-ferramenta de EDM são: a) Material do eletrodo-ferramenta; b) Material da peça; c) Fluido dielétrico. As principais variáveis de corte são: a) Freqüência de descarga elétrica; b) Tensão do arco; c) Intensidade de corrente. Tais grandezas de corte influenciam decisivamente nos três principais parâmetros de desempenho do processo, que são: a) A taxa de remoção de material; b) A relação de desgaste entre eletrodo e peça; c) A rugosidade superficial.

129 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 29 A taxa de remoção é o volume de material removido da peça na unidade de tempo e depende diretamente da energia empregada para um determinado regime de usinagem, bem como da freqüência. McGeough (1988) cita que esse parâmetro é também dependente de uma faixa muito grande de propriedades do material da peça a ser usinada como o ponto de fusão, por exemplo, além de ser influenciado pelas propriedades do eletrodo-ferramenta e por fatores geométricos, tais como forma e dimensões da ferramenta e da peça. A relação de desgaste é a razão entre o volume de material removido da peça e o volume de material gasto do eletrodo-ferramenta. Weller (1984) a define como um método conveniente para definir as características de desgaste de vários materiais usados na confecção de eletrodo-ferramenta, em diferentes condições de usinagem. Segundo Pandey (1985), a relação de desgaste é dependente das propriedades físicas e químicas desses materiais. O ponto de fusão, por exemplo, é citado como uma das propriedades que mais afeta a taxa de desgaste do eletrodo, sendo, portanto, uma das variáveis de maior influência, porém, outros fatores que exercem influência sobre a relação de desgaste, tais como: taxa de remoção de material, área da seção transversal dos eletrodos, conformação do eletrodo-ferramenta e a complexidade da forma geométrica que se deseja usinar tornam-se relevantes para a eficiência do processo. Segundo Lima e Corrêa (2006), a peça usinada pelo processo de eletroerosão apresenta sua superfície encoberta por camadas de material da própria peça que, ao sofrer a descarga elétrica, funde-se e, em seguida, se solidifica. Essa camada superficial é gerada pelas altas temperaturas na superfície que variam entre 10 a 50 mil graus Celsius, muito superior à própria temperatura de fusão do material usinado, no caso do aço, é em torno de 1560 graus Celsius. Essa camada superficial gerada é dura e de difícil polibilidade, ao contrário da superfície usinada em fresamento, que não gera camada superficial. A Figura 6 (no detalhe ampliado) mostra o exposto.

130 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 30 Figura 6: Microtrincas geradas em peça usinada pelo processo de eletroerosão (Fonte: LIMA e CORRÊA, 2006) A camada branca, gerada pelo processo de eletroerosão, caracteriza-se essencialmente pelo efeito térmico de austenitização e rápida têmpera superficial do material, sendo responsável pelo incremento da austenita retida superficial. Pela alta temperatura gerada na interface peça-eletrodo, gera-se, além da camada branca, microtrincas que diminuem drasticamente a resistência mecânica da superfície, implicando na vida útil do molde (NAVAS et al, 2007). Um molde necessita de uma boa resistência aos esforços cíclicos, pois sofre constantes choques térmicos durante o ciclo de injeção. Esses choques térmicos são propícios para a propagação das possíveis microtrincas geradas pelo processo de EDM. Isso se deve à entrada do material plástico quente e posterior resfriamento do produto ainda na cavidade, através de água ou outro líquido refrigerante. Além das implicações de resistência mecânica, oriundas do processo de EDM, deve-se considerar o expressivo tempo despendido nesse processo, onde estão envolvidos: o modelamento do eletrodo (CAD), a programação da fabricação do eletrodo (CAM), a usinagem do eletrodo (CNC), e o tempo do processo de eletroerosão. Na fabricação de moldes e matrizes, a eletroerosão é aplicada para realizar a usinagem de regiões onde a fresa não pode alcançar, por limitações geométricas. Portanto, todo processo de fabricação, capaz de reduzir ou eliminar o processo de EDM, pode representar uma significativa otimização. Nesse conceito, o fresamento

131 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 31 com 5 graus de liberdade passa a ser valorizado, pois permite usinar regiões inviáveis pelo fresamento 3 eixos, reduzindo assim as operações de eletroerosão. Este trabalho de mestrado avalia este caso Processo de fresamento de moldes Segundo Diniz et al (1999), o processo de fresamento é a operação com maior capacidade de remoção de material. Conforme a disposição dos dentes ativos da fresa durante o corte, o fresamento pode ser classificado em dois tipos sendo: fresamento tangencial e fresamento frontal. No primeiro caso, a superfície que está sendo gerada é paralela ao eixo da fresa, enquanto no fresamento frontal a superfície gerada é perpendicular ao eixo. No fresamento de superfícies complexas, o contato ferramenta-peça altera-se constantemente, tornando o processo instável, devido às constantes alternâncias entre o fresamento frontal e tangencial. O estudo realizado por Souza (2004) evidencia a grande alteração do processo de corte nessas condições, alterando fortemente a força de usinagem e a qualidade da superfície usinada. O posicionamento da ferramenta em relação à peça torna-se importante para o acabamento superficial. Conforme o ângulo de contato formado entre o par ferramenta-peça, pode-se melhorar o nível de acabamento da superfície usinada (CHEN et al, 2005); BOUZAKIS et al,1999). Souza (2004) também conclui que, com o centro de uma ferramenta de ponta esférica deslocado da região de corte, há uma melhora no acabamento superficial e uma diminuição dos esforços decorrentes do processo. Diante desse posicionamento entre o par peça-ferramenta, observa-se melhor aproveitamento da aresta de corte e, conseqüentemente, melhor desempenho. Na usinagem 5 eixos, é possível manter o centro da ferramenta fora do corte, dentro dos limites cabíveis, como ilustra a Figura 7 (CHEN et al, 2005).

132 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 32 Zw θ Zc Cw Onde: Zw: Eixo original de trabalho em Z. Xw: Eixo original de trabalho em X. Zc: Eixo modificado de trabalho em Z. Θ: Ângulo de inclinação para o plano de trabalho modificado. Xw Figura 7: Contato da aresta de corte com o plano de trabalho θ (Fonte: CHEN et al, 2005) Dessa forma, o fresamento em 5 eixos possibilita maior flexibilidade, podendo trabalhar com a ferramenta em uma posição mais propícia ao processo de corte. Outra ocasião bastante propícia ao fresamento 5 eixos é encontrada nos casos de usinagem de difícil acesso, utilizando apenas 3 eixos. O fresamento 5 eixos pode propiciar redução do comprimento de fixação das ferramentas (balanço). A Figura 8 ilustra esse caso. A redução do comprimento de balanço é importante para estabilidade do processo de corte. Figura 8: Possibilidade de acesso da ferramenta de corte

133 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 33 Tradicionalmente, na fabricação de moldes, aplica-se a usinagem por fresamento em 3 eixos (X, Y, Z). Dependendo da geometria a ser usinada, o processo fica inacabado em algumas regiões devido à limitação de acessibilidade aos cantos e alguns perfis. Nesse caso, operações de eletroerosão são necessárias. O processo tradicional para fabricação de moldes, segundo Souza e Bonetti (2007), normalmente, envolve as seguintes etapas: a) Desbaste: Operações de fresamento CNC, partindo de um material em estado bruto. Essa operação é executada em 2½ eixos, pois a ferramenta é posicionada em uma determinada altura em Z e depois executa movimentos em dois eixos, para remoção de material desse nível. Quando a remoção de material é finalizada, a ferramenta se posiciona em uma nova altura em Z (definida pela profundidade de corte), remove o material desse plano, repetindo o processo até a conclusão do desbaste (CHOI e JERARD, 1998). Normalmente, além do sobremetal teórico para ser removido na operação final de acabamento, um excedente de material permanece na peça, por limitações geométricas do processo, conforme estudado por CAPLA (2006). b) Alívio de cantos e pré-acabamento: essas 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 não alcança, devido a limitações geométricas. c) Acabamento por fresamento: essa é uma operação de fresamento CNC tridimensional, utilizando 3, 4, ou 5 graus de liberdade, conforme a disposição da máquina-ferramenta. Essa operação visa remover todo material excedente das operações anteriores e obter a melhor qualidade superficial possível no fresamento. A Figura 9 ilustra algumas opções de trajetórias de ferramenta para a usinagem de uma superfície semi-esférica (BITTENCOURT, 2006). Cada estratégia de usinagem pode ser mais adequada para uma geometria específica, como áreas planas, inclinadas, côncavas e convexas. Na usinagem de superfícies complexas, dependendo do grau de curvatura da superfície, a escolha da estratégia de corte é de grande importância para obtenção de uma superfície de melhor

134 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 34 qualidade. Souza et al (2008), avaliaram a influência de diferentes estratégias de corte na qualidade superficial e no tempo total de fabricação de um molde para injeção de plástico. Trajetórias 3D Offset Espiral Radial ascendente Radial descendente Passes paralelos Figura 9: Principais trajetórias de ferramentas para acabamento de moldes (Fonte: BITTENCOURT, 2006) Considerando o fresamento 5 eixos e as trajetórias exemplificadas pela Figura 9, a ferramenta pode percorrer traçados semelhantes, com inclinações na ferramenta, a fim de obter melhor posicionamento da mesma. No fresamento 3 eixos, a trajetória da ferramenta segue a orientação em relação aos vetores paralelos ao eixo da ferramenta, conforme ilustra a Figura 10a (sentido vertical, eixo Z). No fresamento 5 eixos, a ferramenta pode obedecer a uma inclinação conforme o vetor normal à superfície (Figura 10b) (CHOI e JERARD, 1998). Fig. a: Fresamento 3 eixos. Vetor da trajetória paralelo ao eixo vertical. Fig. b: Fresamento 5 eixos. Vetor da trajetória pode ser relacionado ao vetor normal à superfície Figura 10: Movimento da ferramenta em relação aos vetores paralelos ao seu eixo A movimentação de um ponto A para um ponto B, na trajetória em 5 eixos, pode ocasionar deslocamentos translacionais e rotacionais simultaneamente ou não. A Figura 11a exemplifica a usinagem sem rotação de posicionamento entre a ferramenta e a peça (fresamento 3 eixos). A Figura 11b exemplifica uma usinagem

135 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 35 onde ocorre movimento rotacional em torno do eixo Y. A Figura 11c, uma usinagem em torno do eixo X. Essas rotações posicionais podem ocorrer simultaneamente e, dependendo da concepção da máquina, pode ocorrer pela rotação da ferramenta, pela rotação da peça ou pela rotação de ambas. Fig. a: Ferramenta paralela ao eixo Z Fig. b: Ferramenta rotacionada em relação ao eixo Y Fig. c: Ferramenta rotacionada em relação ao eixo x Figura 11: Diferentes eixos de inclinação entre o par ferramenta-peça Uma estratégia de usinagem muito utilizada no fresamento 5 eixos é denominada Swarf. Esta estratégia permite usinar com a lateral da ferramenta, enquanto percorre o contorno da peça, como ilustra a Figura 12. Figura 12: Usinagem com a lateral da ferramenta em estratégia Swarf (Fonte: DELCAM, 2005)

136 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 36 Langeron et al (2003) demonstram em seu estudo a necessidade de novos desenvolvimentos para cálculo das curvas de interpolação em 5 eixos, a fim de diminuir os pontos de controle e os pontos com descontinuidade das trajetórias da ferramenta, além da necessidade de buscar melhor controle das movimentações simultâneas dos eixos lineares em combinação com os eixos angulares. Segundo Lux (1999), no campo de fabricação de moldes, há um crescente aumento do processo de fresamento em altas velocidades (High Speed Machining HSM), para usinagem de aços endurecidos. Nessa indústria, materiais endurecidos são usualmente usinados por eletroerosão. Com a aplicação da usinagem HSM, a tendência é reduzir as operações de EDM nesses casos. Shulz (1997) foi um dos primeiros a reconhecer o potencial da tecnologia HSM, em especial para a área de fabricação de moldes. O autor conclui que o processo HSM reduz a força de usinagem, melhora a qualidade superficial, reduz a temperatura em detrimento da vida útil da ferramenta de corte (LONGBOTTON e LANHAM, 2006). Pasini e Zeilmann (2004) concluíram que as cavidades fabricadas em HSM apresentaram menor desgaste durante sua utilização e uma vida útil e produtividade maior em relação à mesma cavidade fabricada por EDM. Os autores também concluíram que a aplicação do processo HSM, em substituição ao processo por EDM, gerou ganhos nos seguintes quesitos: a) O tempo de processo de fabricação da cavidade foi até 75% menor; b) Melhor aspecto superficial e menor variabilidade dimensional; c) O custo do produto manufaturado referente à produção das cavidades teve uma redução global de 56% (R$ 0,09 por peça executada pela cavidade em EDM contra R$ 0,04 por peça executada pela cavidade fresada por HSM). O processo HSM, pode ser até 4 vezes mais rápido que os processos convencionais (SANDVIK, 2003), evidenciando o estudo apresentado por Pasini e Zeilmann (2004), ganhos reais em sua aplicação. Com a complexidade das geometrias dos moldes, a acirrada concorrência internacional e prazos de entrega cada vez mais curtos, o processo de fresamento a

137 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 37 altas velocidades, combinados com o processo de fresamento em 5 eixos, pode representar um diferencial competitivo. 2.3 Fundamentação usinagem 5 eixos Em 1958 a força aérea americana através de um projeto financiado pelo governo, executou um estudo para viabilidade de construção do primeiro centro de usinagem vertical em 5 eixos. A empresa CINCINNATI assinou um contrato para construir e testar uma versão eletrônica capaz de controlar 5 eixos em uma fresadora vertical. Por falta de tecnologia computacional na época, esse processo foi considerado impraticável. Somente com a evolução dos sistemas controladores CNC, das plataformas CAD/CAM e as pesquisas para desenvolvimento dessa tecnologia, é que foi possível a simulação e o controle das trajetórias em 5 eixos (HERRIN, 1995). Segundo Santos (2006), o número de eixos de uma máquina ferramenta, se refere ao número de graus de liberdade ou ao número de movimentos independentes controlados nos barramentos da máquina. Na programação CNC, os eixos principais são classificados como eixos geométricos. O eixo é uma direção segundo a qual se podem programar os movimentos relativos entre a ferramenta e a peça de forma contínua e controlada. A nomenclatura ISO usa um sistema de coordenadas, obedecendo a um plano de trabalho, o qual corresponde a dois eixos lineares de deslocamento e um eixo paralelo à ferramenta de corte. Além dos eixos cartesianos (X, Y e Z), na usinagem em 5 eixos, é atribuído uma possível rotação sob um eixo cartesiano, conforme ilustra a Figura 13.

138 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 38 Eixo A: Rotação em torno do eixo X Eixo B: Rotação em torno do eixo Y Eixo C: Rotação em torno do eixo Z Figura 13: Sistemas de coordenadas para 5 eixos (Fonte: SANTOS, 2006) Segundo Sakamoto e Inasaki (1993), as máquinas-ferramenta em 5 eixos, comerciais, estão classificadas em 3 grupos, conforme a combinação de eixos rotativos. Ao primeiro grupo, atribui-se o sentido de orientação na ferramenta (eixoárvore); ao segundo grupo podem-se atribuir rotações na mesa da máquina e na ferramenta e, no último grupo, as máquinas realizam as rotações de posicionamento apenas na mesa da máquina (Figura 14). Fig. a: Ferramenta com orientação Fig. b: Ferramenta e peça com orientação Fig. c: Somente peça com orientação Figura 14: Combinações de eixos para máquinas CNC s 5 eixos (Fonte: SIEMENS, 2003) Para cada caso e projeto de máquina, há graus de liberdade diferenciados, justificando o investimento do equipamento, conforme a gama ou tipo de peças a fabricar. Basicamente, os processo de usinagem por fresamento em 5 eixos pode ser empregado em 2 modalidades:

139 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 39 a) Usinagem 5 eixos posicionais (também conhecido como 3+2 eixos): Nesse processo ou máquina, a remoção de material é realizada em movimentações de 3 eixos. Entretanto, a máquina pode se posicionar em outras duas direções. Nesse caso, a programação CNC, assim como a verificação de colisões requer menor esforço. Essa aplicação beneficia, principalmente, a usinagem profunda ou regiões específicas, como ilustra a Figura 15. Usinagem em 5 eixos posicionais Figura 15: Usinagem em 5 eixos posicionais b) Usinagem 5 eixos simultâneos: Nesse caso, a remoção de material pode ser realizada em movimentações da ferramenta em 5 eixos, simultaneamente. Exige-se maior trabalho para programação CNC e a verificação de colisões. Entretanto, possibilita maior versatilidade de trabalho. Segundo Silva (2006), a grande aplicação para o fresamento em 5 eixos simultâneos está na operação de acabamento, a qual se caracteriza por uma pequena quantidade de material a ser removida e que necessita de condição constante de contato entre ferramenta e a superfície de trabalho. Essa técnica é indicada para usinagem de formas complexas. Tsutsumi e Saito (2004) estudaram a precisão de posicionamento e movimentação de uma máquina 5 eixos com eixos rotativos na mesa. Nesse trabalho, os autores concluem que a precisão da usinagem 5 eixos foi inferior à usinagem 3 eixos, devido à movimentação rotacionais dos eixos, que podem interferir na precisão de posicionamento no instante de corte. O procedimento experimental foi executado em uma máquina 5 eixos, com inclinações na mesa. Utilizando equipamento de inspeção de máquinas CNC (ballbar), foram verificados

140 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 40 os erros de movimentação, rotacionando os plano de trabalho em x, e em y. Os autores investigaram os erros provenientes da movimentação sincronizada dos eixos que pode e deve ser controlado e corrigido na própria máquina CNC. Os erros encontrados nessa investigação estavam na ordem de 45 µm. Não foram avaliadas a precisão de movimentação sincronizada de máquina em 5 eixos simultâneos. Neste trabalho foi avaliado o processo de fresamento 3 e 5 eixos simultâneos para a fabricação de formas complexas de moldes para injeção. Foram avaliados os tempos envolvidos para que o corpo de prova proposto fosse totalmente concluído, os custos e a qualidade dimensional da geometria usinada pelos dois métodos de fresamento. 2.4 Operações de fresamento em 5 eixos Langeron et al (2003) desenvolveram um algoritmo de trajetória de ferramenta em sistema CAM para suavizar os movimentos dos 5 eixos simultâneos através interpolações polinomiais a fim de obter melhor definição da trajetória e da compensação da ferramenta em superfícies complexas. Nesse estudo esse algoritmo foi testado em diferentes máquinas CNC, a fim de verificar o acabamento superficial e tempos de usinagem. Em todas as máquinas avaliadas, apresentou redução dos tempos de usinagem e melhora do acabamento superficial. So et al (2007) propuseram um algoritmo para estimar, de forma mais precisa, o tempo real de usinagem para o fresamento 5 eixos. Tsutsumi e Saito (2004) propuseram um método de controle dimensional para avaliar os desvios posicionais e angulares de trajetórias em 5 eixos. Munlin et al (2004) desenvolveram um algoritmo para minimizar os erros e invasões na superfície usinada por fresamento 5 eixos, empregando fresas de topo plana com raio (toroidal). Becze et al (1999) propuseram um modelo matemático para prever os esforços e os mecanismos de desgaste de ferramentas em usinagem por fresamento 5 eixos de aços endurecidos Houve o estudo da morfologia do cavaco e a vida da ferramenta em fresamento 5 eixos. Os autores concluíram que não houve incremento significativo na vida da ferramenta, durante o fresamento 5 eixos de desbaste e nem de semi-acabamento com relação ao fresamento 3 eixos. Somente no acabamento houve um significativo aumento da vida da ferramenta, na

141 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 41 ordem de 60%. Questões sobre tempos, custos e desvios geométricos de fabricação não foram abordados. Os autores se fixaram na avaliação dos principais mecanismos de desgastes resultantes do fresamento 5 eixos. Ilushin et al (2005) e Marino et al (1998) estudaram a otimização dos tempos de cálculo para realizar a simulação e detecção de colisões na usinagem 5 eixos. Baptista e Simões (1999) estudaram a influência dos principais parâmetros de usinagem no fresamento 3 e 5 eixos de superfícies complexas, para redução dos tempos de acabamento manual (polimento) das superfícies acabadas. Os autores compararam os dois processos através de medição de rugosidade da superfície usinada, e nesse estudo, não foram avaliados os custos envolvidos no processo de fabricação nem os erros geométricos ocorridos em ambos os processos de usinagem. Bouzakis et al (1999) propuseram a otimização das condições de corte no fresamento 5 eixos, empregando diferentes ângulos de inclinação da ferramenta ao longo da superfície usinada. Obtiveram resultados significativos relativos ao acabamento superficial e otimização das condições de corte. Lim et al (2002) estudaram o acabamento superficial na usinagem 5 eixos de aletas de turbinas contendo paredes finas. Foram realizadas usinagens com diferentes orientações de corte e trajetórias. Os autores avaliaram 8 condições de corte e somente uma apresentou acabamento aceitável, sem vibrações durante processo. O detrimento da qualidade, segundo os autores, ocorreu na maioria dos casos devido a vibrações durante a usinagem. A vibração foi reduzida em um dos casos, devido à orientação da trajetória. Silva (2006) estudou a influência da integração entre os sistemas CAD e CAM para o fresamento 5 eixos de componentes de turbinas a gás e concluiu que problemas e limitações das trajetórias calculadas pelo CAM, tais como invasões da ferramenta na peça, ocorrem em função da qualidade da geometria modelada no CAD. Descontinuidades na superfície modelada podem ocasionar erros de cálculos das trajetórias. A descontinuidade se caracteriza por um ponto na curva onde haja interrupção da curvatura. Isso é ilustrado na Figura 16a e evidenciado graficamente na Figura 16b.

142 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 42 Figura 16: (a) Curva descontínua, problemas na modelagem da superfícies. (b) Gráfico de curvatura. (Fonte: SILVA, 2006) Gomes et al (2005) compararam o acabamento e o ciclo de fabricação para cavidade de um componente automotivo fresando dois corpos de prova, um em 3 eixos e outro em 5 eixos simultâneos. Na cavidade onde foi feito o fresamento em 3 eixos, adotou-se a estratégia em 3D offset. A Figura 17 ilustra a trajetória da ferramenta, conforme simulação. Figura 17: Cavidade usinada em estratégia 3D offset (Fonte: GOMEZ et al, 2005) Para o experimento em 3 eixos, foi utilizada uma ferramenta de diâmetro de 4 mm com 2 facas de corte. Na cavidade onde foi feito o fresamento em 5 eixos simultâneos, foi adotada a estratégia em Swarf, que se caracteriza como na utilização da lateral da ferramenta, acompanhando o perfil (superfície), reduzindo o número de incrementos transversais. A Figura 18 ilustra a trajetória da ferramenta Swarf 5 eixos.

143 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 43 Figura 18: Cavidade usinada em estratégia 5 eixos SWARF (Fonte: GOMES ET AL, 2005) Após a realização do experimento de usinagem, os autores obtiveram os seguintes resultados: a) O tempo de usinagem foi de 27 minutos para a usinagem em 3 eixos e 1 minuto e 20 segundos para a usinagem 5 eixos, evidenciando o importante potencial de redução no processo de fabricação por usinagem 5 eixos, nesse caso. b) Segundo os autores, para a geração de programas 5 eixos, houve demanda maior de tempo para o modelamento CAD e para os cálculos e simulações em 5 eixos, devido à complexidade do processo. c) A média da rugosidade para a usinagem em 3 eixos, no sentido ortogonal, o valor Ra foi de 2,7 µm, enquanto para a usinagem 5 eixos, no mesmo sentido, foi obtido Ra igual a 4,28 µm. Verificou-se maior valor de rugosidade na peça fresada por 5 eixos. Como concluem os autores, esse fato ocorreu porque o diâmetro da ferramenta era pequeno e, provavelmente, houve flambagem da haste durante a usinagem. Nesse trabalho não estão evidenciadas questões relativas a possíveis áreas para eletroerosão nem os custos envolvidos nos processos 3 e 5 eixos. Também não foram considerados os possíveis erros geométricos entre os processos. Diversos trabalhos de pesquisas, na área de usinagem por fresamento em 5 eixos, podem ser encontrados na literatura. Esses trabalhos estão, muitas vezes, focados no desenvolvimento das tecnologias relacionadas à aplicação da usinagem 5 eixos, tais como: algoritmos para cálculo e simulação de trajetórias 5 eixos;

144 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 44 desenvolvimento de novas configurações de máquinas-ferramenta; rotinas e sistemas de comando e controle numérico; precisão do processo, etc. Entretanto, trabalhos que investigam os tempos de fabricação, custos envolvidos e qualidade da usinagem, comparando ao fresamento tradicional (3 eixos) e o 5 eixos para a fabricação de moldes e matrizes, ainda são incipientes, embora fundamentais. Com isso, a relevância do trabalho ora desenvolvido é avaliar sistematicamente os processos de fresamento de moldes, empregando as técnicas de 3 e 5 eixos, onde foram considerados: a) Os tempos de planejamento e programação da usinagem via software CAD/CAM, para os processos 3 e 5 eixos; b) Avaliação das áreas remanescentes para eletroerosão, para ambos os casos; c) Tempos de fresamento das cavidades e fresamento dos eletrodos necessários para cada processo de usinagem; d) Tempo de usinagem por eletroerosão para cada processo; e) Custos envolvidos para implantação de cada tecnologia; f) Custos envolvidos em cada processo; g) Avaliação geométrica do perfil usinado por ambos os processos.

145 Capítulo 3: Procedimento Experimental 45 3 TRABALHO EXPERIMENTAL Com o objetivo de estudar e avaliar os processos de fresamento 3 e 5 eixos para a fabricação de moldes, foi definida uma geometria para o corpo de prova a fim de representar, em suas formas geométricas, características comumente encontradas nesta indústria. Foram fabricados dois corpos de prova empregando ambos processos de fresamento. O procedimento experimental foi auxiliado pelos profissionais da SOCIESC Ferramentaria, e teve início no setor de projeto e fabricação, onde foram definidos o modelo geométrico e as estratégias de fabricação e fresamento. Após a conclusão dessa etapa, o trabalho se concentrou na fabricação dos dois corpos de prova utilizando as técnicas de fresamento 3 e 5 eixos. Na seqüência foram realizadas operações de usinagem por eletroerosão, necessárias para a remoção de material nas regiões onde a ferramenta de fresamento não pôde alcançar. Obteve-se uma significativa redução das regiões de eletroerosão para o fresamento 5 eixos. Foram quantificadas estas reduções, em termos de área, tempo de fabricação dos eletrodos, tempo de eletroerosão e a repercussão ao custo de fabricação. Após executar a fabricação dos dois corpos de prova e realizar uma avaliação detalhada entre os processos de fresamento, foi realizada a inspeção geométrica das superfícies usinadas e uma avaliação dos erros de forma ocasionados por cada método. O custo e o investimento dos processos de usinagem 3 e 5 eixos foram avaliados. Para auxiliar a visualização do procedimento experimental realizado, a Figura 19 apresenta todas as etapas e sub-etapas realizadas. O item Método de Avaliação foi detalhado com mais ênfase a fim de propiciar uma avaliação e comparação criteriosa entre os processos de fabricação estudados. O procedimento experimental está então subdividido nos tópicos de materiais e equipamentos, corpo de prova e métodos de avaliação.

146 Capítulo 3: Procedimento Experimental 46 Trabalho experimental Materiais e equipamentos Corpo de prova Parâmetros de processos Métodos de avaliação Avaliação dos erros geométricos Custos de fabricação Tempos de fabricação Calibração da MMC Custo total de fabricação Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Inspeção das superfícies Custo de fabricação por processo Amortização do investimento Tempos para fresamento da geometria Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão Figura 19: Escopo de processo para o procedimento experimental O procedimento experimental encontra-se detalhado a seguir. 3.1 Materiais e equipamentos Nesta seção são descritos os recursos empregados para o experimento como materiais, máquinas e programas computacionais necessários para obtenção e avaliação dos resultados experimentais Material utilizado Metals. A matéria-prima dos corpos de prova foi o aço VP20 ISO, fornecido pela Villares

147 Capítulo 3: Procedimento Experimental 47 Os aços empregados na fabricação de moldes necessitam ter características específicas como polibilidade e usinabilidade superior em relação aos outros aços ferramentas (MESQUITA e BARBOSA, 2004). A Tabela 1 apresenta os principais elementos químicos presentes na composição do VP20. Tabela 1: Composição química do aço VP20 Villares Similares ABNT-SAE DIN Wnr C % Mn % Cr % Ni % S % Mo % VP 20 ISO P ,36 1,60 1,80 0,70 <0,003 0,2 0 Dureza de utilização Hrc Sendo um aço destinado à fabricação de moldes para injeção de plásticos o mesmo é fornecido beneficiado com HRC, conferindo-lhe uma boa usinabilidade e excelente polibilidade. Mesquita e Barbosa (2004) avaliam que o compromisso de boa usinabilidade e polibilidade está relacionado ao teor de enxofre. Este elemento forma inclusões com o manganês, tipo MnS o que diminui o grau de polibilidade. Nesse contexto, o aço VP20 é produzido com baixo teor de enxofre e submetido a um tratamento com cálcio, durante o refino secundário na aciaria. No refino secundário o teor residual de cálcio será o responsável pela modificação do tipo e das inclusões, melhorando a usinabilidade sem perdas das características importantes para uma polibilidade superficial. A Figura 20 ilustra um dos blocos de matéria-prima utilizados no experimento. Figura 20: Bloco de aço VP20 ISO empregado no experimento Máquinas-ferramenta e acessórios O fresamento foi realizado em dois centros de usinagem verticais Deckel Maho de alta velocidade. O modelo DMU60 (Figura 21) possui como sua principal característica 5

148 Capítulo 3: Procedimento Experimental 48 eixos simultâneos com capacidade de deslocamento de X 630 mm, e Y 560 mm e Z 560mm podendo atingir a velocidade de avanço máximo em mm/min. O modelo DMC 104V LINEAR (Figura 22) com programação de 3 eixos simultâneos e capacidade de deslocamento de mm em X e 600 mm nas direções Y e Z e deslocamento máximo de velocidade de avanço de até mm/min, acionada por motores lineares. A potência para ambas as máquinas é de 19KW em rotação máxima de RPM. Ambas também estão equipadas com o CNC Heidenhain ITNC versão 530. Foi utilizado um sensor a laser para inspeção dimensional da ferramenta e também o sensor de contato eletrônico para realizar o referenciamento e dimensional do bloco de matéria prima na máquina (Heidenhain TS640 na máquina DMC 104V e Renishaw MP10 na máquina DMU 60). Figura 21: Máquina ferramenta Deckel Maho DMU 60 Figura 22: Máquina ferramenta Deckel Maho DMC 104V linear O sistema de fixação de ferramentas empregado nos experimentos foi o sistema térmico SRK da ISCAR, padrão ISO 40 para a DMC 104V e HSK 63 para DMU 60. Esse sistema faz a troca de ferramentas através de aquecimento por indução em equipamento específico. O formato cônico permite um melhor acesso à geometria a ser usinada (Figura 23a).

149 Capítulo 3: Procedimento Experimental 49 Fig. a: Cone Térmico Fig. b: Cone com fixação mecânica Figura 23: Cones utilizados no experimento Como estudo adicional, através de simulação com o software CAM, também foi empregado o cone com fixação mecânica por pinça ER 40, ilustrado na Figura 23b. Este tipo de fixação ainda amplamente empregado na indústria de ferramentaria. O objetivo foi verificar as limitações desse sistema de fixação para a fabricação de geometrias complexas. A usinagem por eletroerosão dos corpos de prova foi realizada em uma máquina CNC Charmilles Roboform 40 (Figura 24), com capacidade para tamanho de peças de até 370 x 1000 x 700 mm e curso em X de 500 mm, Y de 400 mm e Z de 450 mm tendo 64 Ampéres de corrente máxima de trabalho. Figura 24: Máquina por eletroerosão utilizada no experimento

150 Capítulo 3: Procedimento Experimental 50 Os dois corpos de prova foram inspecionados em uma máquina de medir por coordenadas Mitutoyo, com capacidade de medição em X 700 mm em Y 1000 mm e Z 500 mm. Essa máquina possui certificado NBR ISO/TEC17025, cuja emissão é realizada por laboratório acreditado à Rede Brasileira de Calibração. A Figura 25 ilustra o corpo de prova nos procedimentos de medição. Figura 25: Cavidade do experimento na máquina de medir por coordenadas A incerteza da máquina de medir por coordenadas, segundo o fabricante é de 5 µm e isso foi avaliado previamente através de um procedimento com uma esfera padrão, como consta no Apêndice Programas computacionais utilizados Para a geração dos programas CNC e modelamento da geometria de estudo foram utilizados dois programas computacionais CAD/CAM disponíveis na instituição: o Power Shape Versão 7.2 e o Powermill Versão 8.0. Estes softwares são desenvolvidos pela empresa Delcam International plc. Para o gerenciamento dos tempos e custos de fabricação foi utilizado o software CPS Versão 3.0 da empresa GRV Software. Para os resultados do experimento referente ao dimensional da superfície foi empregado o software 3D Tool na máquina de medir por coordenadas do laboratório de metrologia da SOCIESC.

151 Capítulo 3: Procedimento Experimental 51 Após a coleta de dados na máquina de medir por coordenadas, tornou-se necessário o processamento dos mesmos. Para essa finalidade foi utilizado o software estatístico Minitab para geração de gráficos e análise dos resultados. 3.2 Geometria do corpo de prova Foi realizado um breve estudo para definir a geometria do corpo de prova. Encontrou-se na geometria de um agitador para máquinas de lavar roupas, a forma adequada para ser utilizada no estudo proposto. Esta geometria contém um contorno em espiral e relativa profundidade, fazendo-se necessária uma análise minuciosa dos processos e estratégias de fabricação, para a fabricação do respectivo molde. A Figura 26 ilustra a geometria do corpo de prova, o qual representa um molde de injeção para a fabricação do agitador de uma máquina de lavar roupas. A região ilustrada em amarelo representa a região de produto e em azul, as superfícies de fechamento da cavidade do molde. Essas duas regiões fazem fronteiras entre si, separando o produto da área de fechamento do molde. Esta região deve possuir elevada precisão, pois representa a vedação entre as cavidades do molde, evitando rebarbas e imperfeições na peça injetada. Figura 26: Geometria da cavidade do agitador da máquina lavar roupas em 3D

152 Capítulo 3: Procedimento Experimental 52 A escolha da geometria do agitador permite uma avaliação detalhada de importantes aspectos para o fresamento 3 e 5 eixos. Esses aspectos envolvem todos os requisitos tecnológicos de processo, planejamento e execução para cada etapa de fabricação necessária para obtenção dos tempos, custos e desvios geométricos em cada tipo de fresamento. 3.3 Parâmetros de processos Neste item estão apresentados os parâmetros de usinagem para os processos de fresamento dos corpos de prova e dos eletrodos, assim como os parâmetros de eletroerosão Parâmetros de corte para fresamento 3 eixos Os parâmetros de cortes para o experimento foram escolhidos de acordo com as recomendações de catálogo técnico dos fornecedores das ferramentas (METALWORKING, 2007; MILLING TOOLS, 2007). As características das ferramentas de cortes foram definidas com auxílio do programador CNC para cada operação de desbaste, pré-acabamento e acabamento final. A Tabela 2 ilustra todas as ferramentas e parâmetros empregados nesse experimento. Tabela 2: Parâmetros de corte utilizado no experimento em fresamento 3 eixos Ferramenta [mm] RPM F (mm/min) ap[mm] (Prof. de corte axial). ae[mm] (Prof. de corte radial). Diâmetro 63 raio % diâmetro Diâmetro 25 raio % diâmetro Diâmetro 12 raio Diâmetro 12 raio % diâmetro Diâmetro 6 raio Diâmetro 3 raio 1, Diâmetro 2 raio

153 Capítulo 3: Procedimento Experimental 53 Esse valores estão inseridos nos planos de usinagem gerados pelo CAM que se encontram no Apêndice Parâmetros de corte para fresamento 5 eixos O mesmo critério foi utilizado para a seleção e escolha das ferramentas e parâmetros de corte para o fresamento em 5 eixos. A Tabela 3 ilustra todas as ferramentas e parâmetros empregados nesse experimento. Tabela 3: Parâmetros de corte utilizado no experimento em fresamento 5 eixos Ferramenta [mm] RPM F (mm/min) ap[mm] (Prof. de corte axial). ae[mm] (Prof. de corte radial). Diâmetro 63 raio % diâmetro Diâmetro 20 raio % diâmetro Diâmetro 25 raio % diâmetro Diâmetro 10 raio 0, % diâmetro Diâmetro 12 raio % diâmetro Diâmetro 12 raio Diâmetro 4 raio Diâmetro 3 raio 1, No Apêndice 5, multimídia, todos os planos de usinagem gerados pelo CAM são apresentados com os detalhamentos das ferramentas empregadas e parâmetros de trabalho Usinagem dos eletrodos Os parâmetros e ferramentas empregados no fresamento dos eletrodos são apresentados na Tabela 4. Os eletrodos foram fresados em 3 eixos.

154 Capítulo 3: Procedimento Experimental 54 Tabela 4: Parâmetros de corte utilizado no experimento no fresamento dos eletrodos Ferramenta [mm] RPM F (mm/min) ap (Prof. de corte axial). ae (Prof. de corte radial). Diâmetro 25 raio 0, % diâmetro Diâmetro 12 raio 0, % diâmetro Diâmetro 6 raio 0, % diâmetro Diâmetro 4 raio 0, % diâmetro Diâmetro 4 raio Diâmetro 2 raio Diâmetro 1 raio 0, Usinagem do corpo de prova por eletroerosão Os parâmetros do processo de usinagem por eletroerosão empregados foram recomendados pelo fabricante da máquina CHARMILLES (1993) e estão apresentados na Tabela 5. Tabela 5: Parâmetros aplicados no processo de eletroerosão para as duas cavidades Processo Taxa de remoção Taxa de desgaste do Acabamento (mm³/min) eletrodo (%) superficial (Ra) Desbaste ,6 Pré-acabamento ,2 Acabamento 3, ,6 Nota-se, na Tabela 5, que quanto menor a taxa de remoção de material empregada, maior o desgaste do eletrodo e melhor o acabamento superficial. Isso ocorre devido ao tamanho da faísca se concentrar em intervalos menores diminuindo o gap de contato entre peça e eletrodo gerando uma sobrecarga de corrente na superfície do eletrodo promovendo um maior desgaste do mesmo.

155 Capítulo 3: Procedimento Experimental Métodos de avaliação Com o objetivo de avaliar e comparar os processo de fresamento 3 e 5 eixos para a fabricação do corpo de prova, foram obtidas como variáveis de resposta: a) Os tempos de fabricação. b) Custos. c) Erros de forma. Estas variáveis de resposta e o método de avaliação foram detalhados a seguir Tempos de fabricação Os tempos de fabricação avaliados nesse trabalho foram subdivididos para os seguintes processos: a) Tempos envolvidos na programação CAD/CAM. b) Tempo para fresamento da geometria. c) Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão. Inicialmente, duas definições são utilizadas para realizar avaliações dos tempos de fabricação em cada processo: a) Tempo específico de processo. É o tempo de cada etapa de fabricação. Neste caso não são considerados os tempos não produtivos, tais como preparação e parada de máquina. São identificados o início e final de cada operação. Para obtenção deste tempo foram empregados recursos de software, como é o caso dos processos de usinagem CNC, fresamento e eletroerosão. Os tempos das etapas CAD/CAM foram cronometrados manualmente. b) Tempo total de processo. É o tempo real para fabricação, o qual repercute diretamente no custo de fabricação. Neste caso são computados os tempos de preparação de máquina e todos os demais tempos improdutivos que são contabilizados no orçamento de um trabalho industrial. Neste caso, os tempos totais de processo foram obtidos pelo software de planejamento e controle de produção, CPS versão 3.0 disponível na instituição, que oferece uma ferramenta para apontamento eletrônico dos tempos totais de processo. Cada início e fim de atividade são computados no sistema pelos profissionais envolvidos em cada processo avaliado.

156 Capítulo 3: Procedimento Experimental Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Para obtenção detalhada dos tempos envolvidos na programação CAD/CAM, os tempos específicos de processo foram divididos nas seguintes sub-etapas: a) Tempo de análise da geometria: o usuário deve definir os processos envolvidos conforme a geometria e sua complexidade que refletem diretamente na estratégia de cálculo de percurso da ferramenta. Essa sub-etapa contempla a necessidade ou não de eletrodos para regiões críticas da geometria onde o acesso da ferramenta não é possível resultando em áreas sem acabamento. O programador de fabricação nessa sub-etapa seleciona os tipos de ferramentas, parâmetros de corte e estratégias de usinagem de acordo com as operações de desbaste, préacabamento e acabamento. b) Tempo de cálculo: É o tempo necessário para o software CAM calcular o percurso da ferramenta. Foram avaliados os tempos consumidos no desbaste, pré-acabamento e acabamento. Esse tempo é influenciado diretamente pelas definições das fronteiras e das estratégias adotadas. c) Tempo de simulação: É o tempo necessário para o software CAM verificar possíveis colisões ou invasões da ferramenta em regiões fora dos critérios especificados pelo processo. d) Tempo de pós-processamento: É o tempo necessáiro para a conversão do arquivo CLF em linguagem máquina (programa CNC). e) Tempo para definição dos processos de eletroerosão: É o tempo consumido para definir as etapas de eletroerosão. Inicia-se no modelamento CAD dos eletrodos para as regiões remanescentes. Na seqüência, são executadas as usinagens dos eletrodos, obtendo-se os tempos necessários para o cálculo das trajetórias e simulação dos mesmos, via software CAM. A Figura 27 auxilia a visualização do método proposto para avaliação dos tempos envolvidos em programação CAD/CAM. Esta estrutura é empregada para a fabricação das duas cavidades estudadas.

157 Capítulo 3: Procedimento Experimental 57 Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Tempo de análise Tempo de cálculo Tempo de simulação Tempo de pósprocessamento Tempo para definição dos processos de eletroerosão Definições para as regiões de usinagem por fresamento Desbaste Pré-acabamento Modelamento CAD Definições para as regiões de usinagem por eletroerosão Acabamento Definição para usinagem dos eletrodos Tempos de cálculos para os eletrodos Tempos de simulação para os eletrodos Figura 27: Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Através da somatória total dos tempos requeridos pela etapa envolvendo sistemas CAD/CAM foram realizadas as avaliações dos processos. Esses tempos foram devidamente preenchidos em uma tabela de tempos, especialmente formulada para monitoramento dessas sub-etapas do processo, apresentado no Capítulo Tempo de fresamento da geometria Esta operação consiste na usinagem principal das cavidades. O tempo específico de processo é obtido pelo CNC. Esse tempo ocorre no momento que o operador realiza o início de operação até o momento que a máquina encerra o processo. Esse tempo fica

158 Capítulo 3: Procedimento Experimental 58 armazenado no relógio do CNC e foi devidamente registrado pelo operador na ficha de processo Tempo do processo de usinagem por eletroerosão Para o processo de eletroerosão os seguintes tempos foram computados: a) Tempo de fresamento dos eletrodos: é o tempo empregado para construção dos eletrodos. b) Tempo de preparação da máquina: é o tempo para os devidos alinhamentos da peça e do eletrodo na máquina de eletroerosão, escolha dos parâmetros tecnológicos e preparação do programa para início do processo. c) Tempo de usinagem por eletroerosão: É o tempo real de usinagem, para desbaste e acabamento. Um comparativo das áreas remanescentes deixadas por fresamento 3 e 5 eixos ilustram as diferenças encontradas no processo de eletroerosão. Um estudo adicional foi realizado para avaliar o alcance da ferramenta de corte na superfície do corpo de prova utilizando o sistema CAD/CAM. Com esse propósito foi realizado um levantamento das áreas (mm²) de material remanescente do fresamento 3 e 5 eixos, onde tornou-se necessário o acabamento da superfície pelo processo de eletroerosão. A usinagem por fresamento foi realizada com sistema de fixação térmico SRK (conforme ilustrado na Figura 23) Custos de Fabricação Os seguintes critérios foram levados em consideração para o levantamento de custos: a) Tempos total de processo (tempo obtido pelo sistema CPS). b) Custo hora/máquina (Tabela 6). c) Materiais empregados para confecção do corpo de prova.

159 Capítulo 3: Procedimento Experimental 59 A Tabela 6 apresenta o custo/hora de fabricação para cada processo. Esses valores são os atuais custos da SOCIESC Ferramentaria no ano de Tabela 6: Tabela custo hora/processo Processo Custo/hora CAD/CAM R$34,04 Eletroerosão R$39,79 Fresa Alta Velocidade 3 e 5 eixos R$63,23 O custo da matéria prima é calculado multiplicando-se o peso necessário para fabricação da geometria pelo custo em R$/Kg. Para o aço VP 20 o custo foi de R$ 13,00/KG + 5 % IPI e o cobre foi de R$ 34, % IPI (cotação de maio/2008). Ao término dos experimentos, foram levantados os custos envolvidos Verificação dos erros geométricos A análise dimensional tem por objetivo identificar os erros geométricos das superfícies usinadas pelo processo de fresamento 3 e 5 eixos. Com a integração entre softwares CAD/CAI e a máquina de medir por coordenadas, foi possível medir os erros geométricos das superfícies fresadas, nas principais regiões da cavidade, que são as superfícies de fechamento do molde e as superfícies do produto. Foram definidas três regiões para análise, conforme ilustrado na Figura 28.

160 Capítulo 3: Procedimento Experimental 60 Região do Fechamento Principal Região do Fechamento Secundário Região do Produto Figura 28: Regiões selecionadas para avaliar os erros dimensionais dos corpos de prova Para avaliação do processo de inspeção, foram escolhidos 10 pontos para a região do produto e 12 pontos para a região do fechamento principal e fechamento secundário, buscando evidenciar a dispersão obtida através de relatório dimensional de cada medição. Cada ponto foi medido 3 vezes e obtido a média aritmética. Após o procedimento de inspeção na máquina de medir por coordenadas, todas as medições foram avaliadas quanto ao seu nível de distribuição em torno da média aritmética dos valores encontrados. A inspeção tem como finalidade verificar a conformidade da forma obtida, com a forma modelada. Segundo Vessereau (2000), o grau de normalidade para um processo é inteiramente determinado pela média e pelo desvio padrão obtidos através dos resultados das amostras. O teste de normalidade foi realizado através da aplicação do software Minitab. O teste de normalidade para o estudo proposto demonstrou a freqüência com que cada ponto medido oscilou em torno de um valor referencial (modelo CAD). No Minitab a média é caracterizada pela variável Mean e o desvio padrão pela variável StDev, que são evidenciados nos gráficos de normalidade.

161 Capítulo 3: Procedimento Experimental 61 O afastamento em torno da média para ±2 desvios padrão caracteriza uma probabilidade de 95% para a distribuição dos resultados estarem dentro desse campo de variação. Se a dispersão em torno da média tender a zero, houve uma maior estabilidade no processo e com isso mais se caracteriza a normalidade. O aumento da dispersão em torno da média demonstra mais instabilidade nos resultados e processos avaliados podendo descaracterizar a normalidade para o processo em questão.

162 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 62 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Neste capítulo são apresentados e discutidos os tempos de cada processo relativos à fabricação do corpo de prova (Item 4.1). Posteriormente são avaliados os custos (Item 4.2) e os erros geométricos (Item 4.3). 4.1 Estudo dos tempos de fabricação Neste item são avaliados todos os tempos de fabricação envolvendo: a) Tempos de programação CAD/CAM. b) Tempo de fresamento. c) Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão Tempos de programação CAD/CAM Baseado no diagrama de tempos para o desenvolvimento das etapas de fabricação realizadas por sistema CAD/CAM, como apresentado previamente na Figura 27, as Tabela 7 e Tabela 8 foram elaboradas para registro de tempos em cada sub-etapa no CAD/CAM. As Tabelas foram preenchidas durante o experimento. Desta forma foi possível o acompanhamento sistemático e o registro dos tempos consumidos no processo de programação CAD/CAM para os processos de fresamento 3 e 5 eixos.

163 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 63 Tabela 7: Tabela de tempos de programação CAD/CAM para fresamento 3 eixos Caso 1: Processo de fresamento 3 eixos Definições iniciais pela análise da geometria Item 1: Tempo para análise e definição dos processos Tempo [min] Tempo para definir operações (desb /pré/acab / áreas - ferramentas, parâmetros). 60 Tempo para definir regiões de eletrodos 5 Programação dos processos de usinagem por fresamento Item 2: Tempo para programação de desbaste e pré-acabamento. Tempo de cálculo do desbaste - 3 eixos (tolerância 0,1) 135 Tempo de cálculo do pré-acabamento 3 (tolerância 0,1) 20 Tempo para simulações das operações de 3 eixos 125 Item 3: Tempo para programação do acabamento final Tempo para gerar geometrias auxiliares no CAD / fronteiras 20 Tempo para estudar as melhores estratégias 3 eixos 25 Tempo de cálculo das trajetórias 3 eixos (tolerância 0,01) 120 Tempo para simulações das operações de 3 eixos 135 Item 4: Definição dos processos para EDM Tempo de modelar eletrodos CAD 45 Tempo para definir operações de usinagem dos eletrodos 20 Tempo para calcular trajetórias de desbaste e pré-acab no CAM (tolerância. 0,1) 30 Tempo para calcular trajetórias de acabamento CAM (tolerância. 0,01). 30 Tempo para simulação 15 Tempo para extração de coordenadas de eletrodo 5 Item 5: Pós-processamento Tempo para pós-processamento 3 eixos - Cavidade 1 Tempo para pós-processamento dos eletrodos 1 Tempo Total 792 A Figura 29 ilustra a representatividade de cada etapa de fabricação na composição da somatória do tempo específico de processo, em uma análise horizontal da Tabela 7. 39% 18% 0% 8% 35% Definições iniciais para análise da geometria Tempo de desbaste e pré-acabamento Tempo para programação - acabamento final Definição dos processos para eletroerosão Pós-processamento Figura 29: Representatividade percentual dos processos CAD/CAM para 3 eixos

164 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 64 Observa-se que o tempo de acabamento é o que consumiu mais tempo da programação CAD/CAM, pois os cálculos e simulações requereram processamento e trabalhou-se com bandas de tolerâncias de 0,01mm. O desbaste consumiu nesse experimento 35% do tempo de programação enquanto que o acabamento necessitou de 39%. De forma análoga, a Tabela 8 foi preenchida com informações sobre o processo de usinagem 5 eixos. Tabela 8: Tabela de tempos de programação CAD/CAM para fresamento 5 eixos Caso 2: Processo fresamento 5 eixos Tempo [min] Definições Iniciais pela Análise da Geometria Item 1: Tempo para análise e definição dos processos Tempo para definir operações (desb /pré/acab 3-5 eixos / áreas - ferramentas, 120 parâmetros). Tempo para definir regiões de eletrodos 5 Programação dos processos de usinagem por fresamento Item 2: Tempo de programação desbaste. e pré-acabamento. fresamento 3 e 3+2 eixos Tempo de cálculo do desbaste - 3 eixos (tolerância 0,1) 150 Tempo de cálculo do pré-acabamento 3 e 2+3 (tolerância 0,1) 10 Tempo para simulações das operações de 3 eixos (incluir 3+2) 130 Item 3: Tempo para programação 5 eixos - acabamento final Tempo para gerar geometrias auxiliares no CAD / fronteiras 5 Tempo para estudar as melhores estratégias 5 eixos 30 Tempo de cálculo das trajetórias 5 eixos (tolerância 0,01) 330 Tempo para simulações das operações de 5 eixos 300 Tempo para checagem de colisão (Suporte + Peça ) (Máquina + Peça) 330 Item 4: Definição dos processos para EDM Tempo de modelar eletrodos CAD 30 Tempo para definir operações 5 Tempo para calcular trajetórias de desbaste e pré-acab no CAM (tolerância 0,1) 20 Tempo para calcular trajetórias de acabamento CAM (tolerância 0,01) 30 Tempo para simulação 5 Tempo para extração de coordenadas de eletrodo 5 Item 5: Pós-processamento Tempo para pós-processamento 3 e 3+2 eixos 2 Tempo para pós-processamento 5 eixos 3 Tempo para pós-processamento dos eletrodos 1 Tempo Total 1.511

165 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 65 A Figura 30 ilustra a representatividade de cada etapa de fabricação na composição da somatória do tempo específico de processo, em uma análise horizontal databela 8. 6% 0% 8% 19% Definições Iniciais para análise da geometria Tempo de desbaste e pré-acabamento Tempo para programação - acabamento final definição dos processos para eletroerosão Pós-processamento 67% Figura 30: Representatividade percentual dos processos CAD/CAM para 5 eixos Para o fresamento 5 eixos, como resultado observa-se que o tempo de acabamento é o que consumiu mais tempo da programação CAD/CAM, pois os cálculos e simulações requereram processamento e simulações mais complexas devido às movimentações dos eixos angulares. O desbaste consumiu nesse experimento 19% do tempo de programação enquanto que o acabamento necessitou de 67% do tempo de CAD/CAM. Utilizando as informações obtidas sobre os tempos específicos de processo, a Figura 31 permite uma nova comparação dos tempos para o fresamento 3 e 5 eixos em suas etapas de fabricação realizadas no CAD/CAM. Os resultados são baseados em uma análise vertical das tabelas 7 e 8.

166 Capítulo 4 - Resultados e Discussões EIXOS 5 EIXOS [Minutos] Tempo de análise Tempo de cálculo Tempo de simulação Tempo de pósprocessamento 2 6 Tempo para definição dos processos de eletroerosão Figura 31: Tempos do processo CAD/CAM O tempo de análise da geometria, onde ocorrem as definições das estratégias de fabricação, ferramentas, parâmetros e criação de fronteiras, para o fresamento 5 eixos foi superior em aproximadamente 46%, devido a complexidade e maior número de decisões a serem tomadas pelo usuário. O tempo necessário para o software CAM calcular as trajetórias de ferramenta foi 78% superior para o processo 5 eixos em comparação com o processo 3 eixos. O tempo necessário para checar colisões entre o suporte/peça e/ou ferramenta/peça consumiram um tempo significativo na fase de simulações. No processo 5 eixos há a necessidade de todo o sistema estar modelado, (máquina-peça-ferramenta), o que tornou a simulação cerca de 175% superior ao tempo de simulação para o processo 3 eixos. Este tempo demonstra a complexidade dos cálculos no processo 5 eixos. A máquina modelada para simulação é ilustrada no Apêndice 4.

167 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 67 Para os programas em 5 eixos foram necessários 6 minutos para o pósprocessamento e 2 minutos para o processo em 3 eixos, representando uma diferença de 200%, porém não tão significativo como no caso do tempo de cálculo e tempo de simulação. Deve-se ressaltar que o número de programas CNC para o fresamento em 5 eixos foi superior, assim como o tamanho dos arquivos. A Figura 32 ilustra a quantidade de programas necessários e o tamanho total dos arquivos gerados para a fabricação do corpo de prova para ambos os processos. Cavidade fabricada por fresamento 5 eixos Cavidade fabricada por fresamento 3 eixos Tamanho total dos arquivos posprocessados [Mb] 11,1 38,4 Quantidade programas Figura 32: Quantidade de programas CNC e tamanho dos arquivos Deve-se considerar que 16 programas foram efetivamente em 5 eixos, isso representa quase 70% do processo de fabricação. Os demais programas, como desbaste e alívio de cantos, foram realizados em 3 eixos. Isso ocorreu porque a geometria inicial foi um bloco cúbico de matéria-prima, favorecendo a remoção por camadas em estratégias 2 ½ eixos. A Tabela 9 representa os tempos específicos de processo empregados nas etapas de programação CAD/CAM para a geração dos arquivos necessários para a fabricação dos corpos de prova, oferecendo um comparativo entre o tempo total consumido para os dois tipos de fresamento em questão. O tempo apresentado refere-se à somatória dos tempos conforme realizado na Figura 31.

168 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 68 Tabela 9: Somatória dos tempos da etapa CAD/CAM Processo Fresamento 3 eixos Fresamento 5 eixos Tempo CAD/CAM 13,3 horas 25,18 horas A etapa de trabalho CAD/CAM para o processo de fresamento em 5 eixos requereu um tempo 89% superior em relação ao processo de fresamento 3 eixos. Isso ocorre devido à maior complexidade dos cálculos de trajetórias e simulações necessárias para o fresamento em 5 eixos, assim como maior variedade de decisões que o usuário deve tomar. A etapa CAD/CAM relativa ao tempo para definição dos processos de eletroerosão fará parte dos resultados e discussões envolvidos no item desse trabalho Tempo de fresamento da geometria A Figura 33 ilustra os corpos de prova fabricados no experimento de usinagem. Fig. a: Corpo de prova - Fresamento 3 eixos Figura 33: Corpos de prova fabricados Fig. b: Corpo de prova - Fresamento 5 eixos A Figura 34 apresenta a somatória do tempo de usinagem real para fabricação dos corpos de prova e a somatória relativa ao tempo de fresamento estimado pelo software CAM.

169 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 69 Tempo [horas] Corpo de prova Fabricado p/ fresamento 3 eixos Corpo de prova Fabricado p/ fresamento 5 eixos 8,7 11,71 10,11 15,05 0 Tempo estimado para fresamento pelo CAM Tempo Real de Fresamento Figura 34: Tempo de fresamento da geometria Comparando-se o tempo real de fresamento do corpo de prova, o processo 5 eixos consumiu um tempo 28,5% superior em relação ao processo de fresamento em 3 eixos. Isso ocorreu devido: a) A maior quantidade de programas gerados. b) À maior área de acabamento realizado no fresamento 5 eixos. c) Aos avanços reais de usinagem serem significativamente inferiores aos valores programados. A diferença entre o tempo estimado para fresamento pelo CAM se diferenciou do tempo real. Na usinagem 3 eixos o tempo real foi 16,2% superior e na usinagem 5 eixos o tempo real foi 48% superior ao tempo estimado pelo CAM. As principais razões pelas divergências entre os tempos estimados para fresamento pelo software CAM e os tempos reais de fabricação provém das limitações da máquina em seu tempo de processamento e as acelerações e desacelerações durante trajetória de usinagem, conforme estudo realizado por Souza e Coelho (2007). O software CAM não considera estas limitações do equipamento. A diferença entre o tempo estimado para fresamento pelo CAM e o tempo real de fresamento é superior no processo 5 eixos por este possuir 2 eixos adicionais para a máquina realizar o controle e movimentação. Em torno de 63% do tempo de trabalho no CAD/CAM se deve ao tempo de cálculo e às simulações e checagem de colisões para o fresamento 5 eixos simultâneos. Em Apêndice 5 eletrônico, encontra-se um vídeo dos processos de usinagem empregados.

170 Capítulo 4 - Resultados e Discussões Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão Nesta etapa, os tempos envolvidos são os tempos necessários para as definições efetuadas pelo usuário do sistema CAD/CAM, a fabricação dos eletrodos e o tempo de usinagem por EDM. Esses tempos são detalhados a seguir Modelamento e fabricação dos eletrodos Iniciou-se esta etapa com o modelamento geométrico e programação de CNC para fresamento dos eletrodos utilizando um sistema CAD/CAM. O tempo total para realizar todas as operações desta etapa foram obtidos através da somatória dos tempos específicos conforme a Tabela 10. Tabela 10: Tempo para modelamento e programação CNC de eletrodos Tempos para confecção dos Eletrodos Tempo [Horas] Fresamento 3 eixos Tempo [Horas] Fresamento 5 eixos Tempo para modelar eletrodos CAD 0,75 0,50 Tempo para definir operações 0,33 0,08 Tempo para calcular trajetórias de desbaste e préacabamento 0,50 0,33 no CAM (tolerância. 0,1). Tempo para calcular trajetórias de acabamento CAM 0,50 0,50 (tolerância. 0,01). Tempo para simulação 0,25 0,08 Tempo para extração de coordenadas de eletrodo 0,08 0,08 Tempo Total 2,41 1,58 Foram confeccionados três eletrodos para o corpo de prova fresado em 3 eixos, sendo que dois eletrodos foram necessários para remoção dos cantos e áreas não acabadas pelo fresamento, um eletrodo para complemento da borda do produto. Para o corpo de prova fresado em 5 eixos foram necessários apenas dois eletrodos sendo, um necessário para a remoção dos cantos não acabados pelo fresamento e outro para complemento da borda do produto. A Tabela 11 mostra o tempo de fabricação para cada caso.

171 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 71 Tabela 11: Tempo de fresamento dos eletrodos Processo Tempo específico 3 eixos [horas] Tempo específico 5 eixos [horas] Tempo para fabricação do eletrodo 1 1,52 1,13 Tempo para fabricação do eletrodo 2 1,61 0,74 Tempo para fabricação do eletrodo 3 0,74 - Tempo total de fabricação dos eletrodos 3,87 1,87 A Figura 35 apresenta os tempos específicos consumidos para a fabricação dos eletrodos. Corpo de prova fabricado por fresamento 5 eixos Corpo de prova fabricado por fresamento 3 eixos Tempo CAD/CAM Tempo para fresamento do eletrodo Tempo total (CAD/CAM+fresamento do eletrodo) 1,58 1,87 2,41 3,45 3,87 6, [Horas] Figura 35: Tempo para fabricação dos eletrodos para as duas cavidades Para o caso de estudo da cavidade fabricada pelo fresamento 3 eixos, o tempo total de fabricação dos eletrodos foi superior em 82% Estudo das áreas e regiões de eletroerosão A Figura 36 ilustra as áreas que devem ser erodidas, para os casos da usinagem 3 e 5 eixos onde foram gerados e fabricados os eletrodos. Para o fresamento foi utilizada a fixação térmica da ferramenta de corte, e em um estudo adicional foi realizada uma simulação de área com a utilização de fixação por pinça mecânica.

172 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 72 Área: ,79 (mm²) Área: ,73 (mm²) Área: 3.344,44 (mm²) Fig. a: Usinagem 3 eixos. Fixação de ferramenta convencional Fig. b: Usinagem 3 eixos. Fixação térmica da ferramenta Fig. c: Usinagem 5 eixos. Fixação térmica da ferramenta Figura 36: Região inacabada pelo fresamento Com a simulação gráfica foi possível identificar as regiões não usinadas pelo fresamento. O fresamento 5 eixos com fixação térmica teve a menor área com material remanescente para eletroerosão. Com o mesmo sistema de fixação, no fresamento 3 eixos, essa área aumentou 3 vezes. Na pior situação, a área deixada para eletroerosão aumentou cerca de 13 vezes com a utilização de sistema de fixação por pinça mecânica no fresamento 3 eixos. Isso deixa evidente que o sistema de fixação adequado contribui significativamente para redução da área de acabamento por eletroerosão, assim como a usinagem 5 eixos facilitando o acesso da ferramenta em regiões mais críticas da geometria. A Figura 37, evidencia as regiões deixadas sem acabamento para as duas cavidades. A cavidade fresada em 3 eixos com fixação térmica apresentou uma área aproximadamente de 2,81 vezes maior que a cavidade fresada em 5 eixos. Abaixo as regiões de material remanescentes deixadas para eletroerosão.

173 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 73 Áreas remanescentes para EDM Figura 37: Áreas com material remanescente para eletroerosão Em Apêndice 5 eletrônico, encontra-se um vídeo dos processos de eletroerosão empregados Tempo total de processo para eletroerosão O apontamento eletrônico com o software CPS foi utilizado para obter o tempo total de processo para eletroerosão, como ilustra a Figura 38. O sistema apenas registra o tempo inicial e final de processo, acionado pelo usuário. Tempo preparação 1,5 3,84 Cavidade fabricada por fresamento 5 eixos Cavidade fabricada por fresamento 3 eixos Tempo específico de processo para eletroerosão 1,18 20,3 Tempo total de processo (EDM+preparação) 2,68 24, [Horas] Figura 38: Tempo total de processo para eletroerosão A diferença de tempo total do processo de eletroerosão (EDM) foi de aproximadamente 8 vezes entre os dois casos de estudos. Este fato evidencia a

174 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 74 eficiência do processo de usinagem 5 eixos, para usinagem de regiões profundas e complexas Tempo específico de processo e tempo total de processo O tempo específico de processo nesse trabalho constituiu-se na somatória de todas as horas necessárias para a fabricação de cada corpo de prova como apresenta a Figura 39, constituindo-se apenas nas horas reais de trabalho em cada operação. [Horas] ,3 25,18 Tempo específico de processo CAD/CAM Corpo de prova fabricado por fresamento 3 eixos Corpo de prova fabricado por fresamento 5 eixos 10,11 15,03 Tempo específico de processo para fresamento do CDP 3,87 Tempo específico para fresamento dos eletrodos 20,3 1,87 1,18 Tempo específico de processo para eletroerosão 47,58 43,26 Somatória dos tempos específicos dos processos Figura 39: Tempos específicos de processo O tempo total específico para construção do corpo de prova fabricado por fresamento em 3 eixos consumiu 47,58 horas e para o corpo de prova fabricado em 5 eixos esse tempo foi de 43,26 horas. Em termos percentuais para os casos em estudo, isso significa uma economia média de aproximadamente 10% no tempo específico de fabricação. O tempo total de processo constitui-se no tempo computado pelo início e fim de operação via apontamento eletrônico para fins de custos, pois trata-se do tempo específico de processo adicionado aos tempos improdutivos. A Figura 40 ilustra para os dois tipos de fresamento estudados, os resultados referente às somatórias desses tempos.

175 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 75 Corpo de prova fabricado por fresamento 3 eixos Corpo de prova fabricado por fresamento 5 eixos [Horas] ,75 66,69 Tempo total de processo Figura 40: Tempo total de processo O tempo total de processo é o tempo contabilizado no cálculo dos custos industriais. O corpo de prova fresado por 3 eixos teve um tempo total de processo (registro via apontamento eletrônico) no valor de 80,75 horas e o corpo de prova fresado por 5 eixos apresentou um valor total de 66,69 horas, representando uma diferença de tempo total de processo de 21%. Para o corpo de prova fresado por 3 eixos houve um número maior de preparações e alinhamentos de processos, pois no fresamento foram necessários duas preparações do bloco na máquina, e no processo de EDM um número maior de eletrodos exigiu mais tempo para preparações, contribuindo para esse resultado. Para a indústria de moldes, o processo de fresamento em 5 eixos favorece positivamente os prazos de entrega devido à redução de operações e tempos de processos necessários à conclusão de uma cavidade. A Figura 41 ilustra a representatividade percentual dos processos de fabricação, envolvendo as técnicas de 3 e 5 eixos. 21% CAD/CAM 58% CAD/CAM 28% 51% Fresamento do corpo de prova Eletroerosão 35% Fresamento do corpo de prova Eletroerosão 7% Fig. a: Fresamento 3 eixos Fig. b: Fresamento 5 eixos Figura 41: Representatividade dos tempos por processo de fabricação

176 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 76 Para a cavidade fresada em 5 eixos observa-se que o processo de CAD/CAM teve a maior fatia do tempo com 58% do tempo total de fabricação, seguido pela operação de fresamento, consumindo 35% do tempo total de fabricação da cavidade. Para os outros processos os tempos foram bem menos significativos, com o tempo específico de eletroerosão de apenas 7% (incluído a fabricação dos eletrodos). Para o corpo de prova fresado em 3 eixos observa-se que a distribuição dos tempos foi distinta. O processo de eletroerosão ficou com a maior fatia do tempo, requerendo 51% do tempo total de fabricação (incluído a fabricação dos eletrodos), seguido pelo CAD/CAM com 28% e o fresamento com 21%. Para o processo em 5 eixos o CAD/CAM teve o maior impacto de tempo (58%) devido aos cálculos, simulações e controles necessários para a realização da usinagem. Na fabricação por fresamento 3 eixos, para a geometria proposta, o processo de eletroerosão teve o maior impacto de tempo (51%) em função da área remanescente ter sido muito maior em relação ao processo 5 eixos. 4.2 Custo de fabricação O custo de fabricação avaliado nesse trabalho foi obtido multiplicando o tempo total de processo requerido por cada etapa e seu respectivo custo por hora (conforme Tabela 6), adicionado ao custo da matéria-prima, tem-se o custo total de cada corpo de prova, como detalhado na Tabela 12. Tabela 12: Custo total de fabricação das cavidades Processo Aço Cobre CAD/CAM Fresamento EDM Fabricação eletrodos Custo total 3 Eixos R$1.500,75 R$337,41 R$826,66 R$1.436,38 R$960,26 R$325,38 R$5.386,84 5 Eixos R$1.500,75 R$120,44 R$969,14 R$1.793,63 R$106,77 R$162,69 R$4.653,41 O processo de fresamento 5 eixos resultou em uma redução de 13,6% do custo de fabricação das cavidades, comparando-se ao processo 3 eixos. Essa redução se caracterizou principalmente pela minimização da necessidade de eletroerosão e consequentemente diminuição da necessidade de fabricação de eletrodos.

177 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 77 Os custos para o corpo de prova fresado em 5 eixos, apresentados na Tabela 12, evidenciam uma diferença de 25% superior nos custos para o fresamento e 17% superior no CAD/CAM 5 eixos, entretanto, para o processo de fabricação dos eletrodos houve uma inversão, tornando o processo 3 eixos 100% mais caro juntamente com o processo de usinagem por eletroerosão que atingiu 800% acima do valor alcançado em comparação ao processo 5 eixos. A Figura 42 ilustra a representatividade desses custos nos processos envolvidos para fabricação dos corpos de prova em 3 eixos e 5 eixos respectivamente. 41% 59% 23% 9% CAD/CAM Fresamento do CDP EDM Fabricação dos eletrodos 27% 32% 5% CAD/CAM Fresamento do CDP EDM Fabricação dos eletrodos 4% Fig. a: Custos de fabricação 3 eixos Fig. b: Custos de fabricação 5 eixos Figura 42: Gráfico percentual para os custos de fabricação por tipo de fresamento Para o corpo de prova fresado em 3 eixos, três processos consumiram mais tempo e também geraram maiores custos: o processo CAD/CAM, o fresamento do corpo de prova e o processo de eletroerosão. Os três respondem por 91% dos custos de processos sendo que em valores somam-se R$ 3.223,30 para essa cavidade. Para o corpo de prova fresado em 5 eixos os processos representativos para os custos foram: o fresamento do corpo de prova e o CAD/CAM que consumiram juntos o mesmo percentual representativo de 91% de todo o custo relacionado à fabricação. Em termos monetários somam-se R$ 2.762,77. Para os casos estudados, os custos dos processos de fabricação representam aproximadamente 75% do custo total da cavidade. O restante é referente à matériaprima (aço e cobre para eletrodos).

178 Capítulo 4 - Resultados e Discussões Estimativa simplificada de custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos Com o objetivo de realizar uma comparação efetiva de tempos e custos entre os processos neste estudo de caso, foi realizado um levantamento simplificado dos custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos. Desta forma, os ganhos de tempo puderam ser computados contra o investimento necessário. Realizando uma simples pesquisa de mercado, foram levantados os custos das máquinas CNC, software CAD/CAM e os valores mensais pagos aos profissionais que trabalham com cada tecnologia específica. A Tabela 13 apresenta os valores obtidos. Tabela 13: Estimativa de custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos Tecnologia Licença CAD/CAM Manutenção anual CAD/CAM Salários do operador da máquina/ano Salários programador CAD/CAM/ano Aquisição da máquina Fresamento3 eixos R$ ,00 USD ,00 R$ 5.400,00 USD 2.500,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 EU ,00 Fresamento 5 eixos R$ ,00 USD ,00 R$ ,00 USD 6.000,00 R$52.800,00 R$ ,00 R$ ,00 EU ,00 O custo anual obtido para a aplicação da tecnologia de fresamento em 3 eixos foi de R$ ,00 (USD ,00), enquanto que para o fresamento 5 eixos esse valor foi de R$ ,00 (USD ,00). Conclui-se que o custo para a implantação da tecnologia por fresamento 5 eixos é em média 46% superior a implantação da tecnologia por fresamento 3 eixos Simulação simplificada do tempo estimado para amortização do investimento Antes do investimento em uma nova tecnologia, é importante estimar seus benefícios e o tempo de amortização. Neste estudo, de forma simplificada, uma simulação demonstra o tempo de amortização de cada técnica de fresamento estudada. Os dados

179 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 79 são baseados na fabricação do corpo de prova proposto. São analisados duas situações, prevendo, na primeira, um ambiente industrial com 2 turnos e, na segunda, um ambiente com 3 turnos. A Tabela 14 apresenta os custos por processo e o custo médio entre os processos para a simulação proposta. Tabela 14: Custos/hora para a simulação simplificada de amortização do investimento CAD/CAM Eletroerosão Fresamento Custo médio (Custo médio aplicado na SOCIESC Ferramentaria para o fresamento 3 e 5 eixos) entre os três processos R$34,04 R$39,79 R$63,23 R$45,69 A Tabela 15 apresenta todas as variáveis envolvidas para a obtenção do tempo, em anos, para a amortização total do investimento com 2 turnos de trabalho. Tabela 15: Tabela de amortização para 2 turnos de trabalho (adaptado de Neto e Pereira,2008) Fresamento 3 eixos Fresamento 5 eixos a) Custo investimento R$ ,00 R$ ,00 b) Horas trabalho/ano 4224 horas 4224 horas c) (Horas trabalho/ano X Custo/hora) R$ ,00 R$ ,00 d) Lucro presumido (20%) R$53.416,00 R$53.416,00 e) Depreciação anual R$60.000,00 R$60.000,00 f) Lucro+Depreciação R$ ,00 R$ ,00 g) Horas otimizada/ano(21%) 0 horas 888 horas h) (Horas otimizadas X Custo médio) R$0,00 R$40.572,72 i) Lucro presumido(20%) sobre a otimização R$0,00 R$8.114,54 j) Total financeiro gerado R$ ,00 R$ ,54 k) Tempo em anos para amortização do investimento (Custo investimento/total financeiro gerado) R$ ,00/R$ ,00 5 anos e 9 meses R$ ,00/R$ ,54 5 anos e 11 meses

180 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 80 No item a são computados todos os custos de implantação das tecnologias em estudo, exceto os salários dos operadores da máquina que já estão computados no custo/hora de R$ 63,23. O item b é obtido através da multiplicação de número de horas/mês (176 horas) em dois turnos de trabalho pelo número de meses úteis no ano. Com dois turnos de trabalho computa-se 352 horas no mês e multiplica-se por 12 meses resultando em horas. O item c é resultante do número total de horas no ano multiplicado pelo custo/hora, resultando em R$ ,00 de possível faturamento gerado. Sobre o item c é acrescentado um lucro presumido de 20% sobre o possível faturamento gerado. A depreciação anual é o valor gerado que serve para amortizar financeiramente o valor da máquina para sua reposição, esse valor é uma aproximação do valor de aquisição da máquina dividido por 120 meses, gerando um custo fixo mensal que está embutido no valor hora sendo advindo do possível faturamento. Mensalmente é gerado um valor de R$ ,00 obtido do valor de depreciação acrescentando-se o lucro presumido de 20% no faturamento gerado. O item g propõe um valor de horas otimizadas para o processo por fresamento em 5 eixos. Essas horas otimizadas advém do resultado obtido nesse estudo de caso onde o processo de fresamento por 5 eixos foi 21% mais rápido no tempo total de processo e se tornou referência para essa simulação. Pelo número possível de horas trabalhadas no ano, foram contabilizados 888 horas de possível otimização na fábrica. Essas horas foram multiplicadas pelo custo médio, pois os ganhos são realizados pela média entre os três processos específicos avaliados: CAD/CAM, fresamento e EDM. Com os ganhos na otimização, aplicou-se o lucro presumido nesse valor também, resultando através da somatória do lucro, depreciação e otimização um total financeiro gerado (item j). Para um regime de 2 turnos o prazo de amortização ficou em 5 anos e 9 meses para o fresamento 3 eixos e 5 anos e 11 meses aproximadamente para o fresamento 5 eixos. A Tabela 16 apresenta todas as variáveis envolvidas para a obtenção do tempo em anos para amortização total do investimento com 3 turnos de trabalho.

181 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 81 Tabela 16: Tabela de amortização para 3 turnos de trabalho (adaptado de Neto e Pereira,2008) Fresamento 3 eixos Fresamento 5 eixos a. Custo investimento R$ ,00 R$ ,00 b. Horas trabalho/ano 6144 horas 6144 horas c. (Horas trabalho/ano X Custo hora) R$ ,00 R$ ,00 d. Lucro presumido (20%) R$77.697,00 R$77.697,00 e. Depreciação anual R$60.000,00 R$60.000,00 f. Lucro+Depreciação R$ ,00 R$ ,00 g. Horas otimizadas/ano(21%) 0 horas 1290 horas h. (Horas otimizadas X Custo médio) R$0,00 R$58.849,00 i. Lucro presumido(20%) sobre a otimização R$0,00 R$11.769,00 j. Total financeiro gerado R$ ,00 R$ ,00 k. Tempo em anos para amortização do investimento R$ ,00/R$ ,00 R$ ,00/R$ ,00 l. (Custo investimento/total financeiro gerado) 4 anos e 8 meses 4 anos e 7 meses O item b é obtido através da multiplicação de número de horas/mês em três turnos de trabalho pelo número de meses úteis no ano. Com três turnos de trabalho computase 512 horas no mês e multiplica-se por 12 meses resultando em 6144 horas. O item c é resultante do número total de horas no ano multiplicado pelo custo/hora, resultando em R$ ,00 de possível faturamento gerado. Sobre o item c é acrescentado um lucro presumido de 20% sobre o possível faturamento gerado. A depreciação anual é o valor gerado que serve para amortizar financeiramente o valor da máquina para sua reposição, esse valor é uma aproximação do valor de aquisição da máquina dividido por 120 meses, gerando um custo fixo mensal que está embutido no valor hora. Mensalmente é gerado um valor de R$ ,00, obtido do valor de depreciação acrescentando-se o lucro presumido de 20% no faturamento gerado. Pelo número possível de horas trabalhadas no ano, foram contabilizados 1290 horas de possível otimização na fábrica.

182 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 82 Essas horas como no caso anterior, foram multiplicadas pelo custo médio, pois os ganhos são realizados pela média entre os três processos específicos avaliados: CAD/CAM, fresamento e EDM. Com os ganhos na otimização, aplicou-se o lucro presumido nesse valor também, resultando através da somatória do lucro, depreciação e otimização um total financeiro gerado (item j). Para um regime de 3 turnos o prazo de amortização ficou em 4 anos e 8 meses para o fresamento 3 eixos e aproximadamente 4 anos e 7 meses para o fresamento 5 eixos. 4.3 Avaliação dos erros geométricos Utilizando-se as informações obtidas com o software CAD/CAI e a máquina de medir por coordenadas, foi realizado um trabalho estatístico auxiliado pelo software Minitab. As três regiões avaliadas são: a área do produto, a área do fechamento principal e a área do fechamento secundário, como detalhado no Capítulo 3. A Figura 43 mostra os resultados de uma das três medições para a superfície do produto. Cada ponto inspecionado é arquivado no sistema em forma de desvios referentes ao modelamento CAD. Figura 43: Medição da região do produto

183 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 83 A Figura 44 ilustra o teste de normalidade para a região do produto fabricado pelos dois tipos de fresamento empregados. Normal Normal Mean 0, StDev 0, N 27 AD 0,434 P-Value 0, Mean 0,003 StDev 0,02210 N 27 AD 1,321 P-Value <0, Percent Percent ,010-0,005 0,000 0,005 Produto 0,010 0, ,050-0,025 0,000 Produto 0,025 0,050 Fig. a: Cavidade Fresada em 3 eixos Fig.b - Cavidade Fresada em 5 eixos Figura 44: Teste de normalidade para a região do produto A variabilidade dos pontos na Figura 44a tendeu a uma distribuição normal. A média foi de 0,000 e o desvio padrão 0,005 com um intervalo em uma abrangência de ±10 µm atendendo a dois desvios padrão e dentro dos níveis de aceitação do processo. A Figura 44b ilustra o teste de normalidade para a região do produto fabricado por fresamento em 5 eixos onde a distribuição dos pontos obteve a média de 3 µm e o desvio padrão de 22 µm atingindo grau de normalidade, pois o intervalo de distribuição dos pontos medidos foi 30 µm sendo abaixo de dois desvios padrão, porém suplantando o intervalo de ±10 µm, valor aceitável para a qualidade do processo. A Figura 45 mostra os resultados de uma das 3 medições realizadas para a área do fechamento principal do molde.

184 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 84 Figura 45: Medição da região do fechamento principal A Figura 46 ilustra o teste de normalidade para a região do fechamento principal fabricado pelos dois métodos de fresamento empregados. Normal Normal Mean 0, StDev 0, N 27 AD 0,383 P-Value 0, Mean 0, StDev 0,01875 N 27 A D 0,718 P-Value 0, Percent Percent ,010-0,005 0,000 0,005 Fechamento Principal 0, ,050-0,025 0,000 0,025 Fechamento Principal 5 eixos 0,050 Fig.a Cavidade Fresada em 3 eixos Fig.b - Cavidade Fresada em 5 eixos Figura 46: Teste de normalidade para a região do fechamento principal A Figura 46a ilustra que a distribuição dos pontos tendeu a uma distribuição normal com um intervalo atingindo uma abrangência dentro de ±10 µm ( média 0,000 e desvio padrão 4µm). A Figura 46b, ilustra o teste de normalidade para a região do fechamento principal fabricado por fresamento em 5 eixos onde a distribuição dos pontos tendeu a uma distribuição normal na seguinte condição: a média foi de 4 µm e o desvio padrão foi 18 µm, atingindo um intervalo de distribuição dos pontos em uma abrangência dentro de ±2

185 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 85 desvios padrão (±30 µm), porém não atendendo aos requisitos de um intervalo de no máximo ±10 µm aceitável para o processo. A Figura 47 mostra os resultados de uma medição realizada para a área do fechamento secundário do molde. Figura 47: Medição do fechamento secundário A Figura 48a ilustra o teste de normalidade para a região do fechamento secundário fabricado por fresamento em 3 eixos. A distribuição dos pontos tendeu a uma distribuição normal com a média atingindo o valor de 4µm o mesmo valor ocorrendo para o desvio padrão, atendendo o requisito máximo de 10µm. A Figura 48b, ilustra o teste de normalidade para a região do fechamento secundário fabricado por fresamento em 5 eixos. O valor da média foi de 7 µm e o desvio padrão foi de 23 µm. Atingiu-se a normalidade para o intervalo de distribuição dos pontos dentro de ±2 desvios porém um valor de intervalo total de 62 µm suplantou o máximo aceitável para o processo que é de ±10 µm.

186 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 86 Normal Normal Mean -0, StDev 0, N 27 AD 0,899 P-Value 0, Mean -0, StDev 0,02313 N 27 AD 1,295 P-Value <0, Percent Percent ,015-0,010-0,005 0,000 Fechamento Secundário 0, ,075-0,050-0,025 0,000 Fechamento Secundário 0,025 0,050 Fig. a Cavidade Fresada em 3 eixos Fig.b - Cavidade Fresada em 5 eixos Figura 48: Teste de normalidade para a região do fechamento secundário Faz-se necessário uma avaliação adicional com base nos desvios encontrados. O gráfico disponível pelo software Minitab, denominado boxplot, representa graficamente a dispersão das amostras em 4 sub-divisões dentre os valores obtidos. É importante destacar que as amostras obtidas na máquina 3 eixos apresentaram desvios-padrão menores que os apresentados na máquina 5 eixos. Isso fica evidente no gráfico boxplot apresentado na Figura 49. Região do produto 3 eixos Região de fechamento principal 3 eixos Região de fechamento secundário 3 eixos Região do produto 5 eixos Região de fechamento principal 5 eixos Região de fechamento secundário 5 eixos Figura 49: Boxplot comparativo para os dois processos estudados Conforme apresentado na Figura 49, nota-se que os desvios dimensionais da máquina 3 eixos foi menor que a abrangência dos desvios da máquina 5 eixos. Observam-se no gráfico comparativo as seguintes condições em cada região:

187 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 87 a) Área do produto: para os dois casos verificou-se que a média encontra-se próxima do zero (medida absoluta do modelo CAD), havendo uma abrangência maior no fresamento 5 eixos interferindo na espessura do produto em torno de 60 µm. b) Área fechamento principal: região mais crítica do molde, pois tem a finalidade de promover a garantia de perfeita vedação. Para o fresamento 3 eixos a abrangência das medições ficou praticamente em torno da média (zero) com uma variabilidade de 20 µm e no fresamento 5 eixos acima da média, com uma variabilidade 60 µm. c) Área fechamento secundário: nessa região encontrou-se uma dispersão também na ordem de 60 µm para o fresamento 5 eixos enquanto que para o fresamento 3 eixos essa amplitude ficou em torno de 13 µm, diferindo apenas que nesse caso a média das medições ficou abaixo da referência absoluta (modelo). Isso ocorreu devido a condições de contato peça-ferramenta ter ocorrido através de fresa toroidal, e não esférica. Para deslocamentos em 5 eixos simultâneos com esse tipo de ferramenta conforme revisão bibliográfica ocorrem invasões na superfície devido ao formato da ferramenta e falhas na compensação durante trajetória. A Tabela 17 apresenta o resultado final dos intervalos dos desvios geométricos encontrados nas superfícies avaliadas. Tabela 17: Tabela dos intervalos dos desvios encontrados nas superfícies inspecionadas Processo Área produto Área Fechamento Principal Área Fechamento Secundário Média das superfícies 3 eixos 20 µm 20 µm 13 µm 17.8 µm 5 eixos 54 µm 54 µm 62 µm 56.6 µm Para o fresamento 3 eixos os intervalos encontrados estão dentro dos padrões de precisão recomendados para as áreas de estudo. No fresamento 5 eixos a variabilidade foi bem mais acentuada ocasionando desvios além do permitido para as áreas avaliadas, tornando o processo em 5 eixos simultâneos instável para garantia de precisão em pontos críticos de um molde. Ambos os processos atingiram o grau de normalidade para os resultados obtidos dentro de um nível de confiança na ordem de 95%.

188 Conclusões e sugestões para futuros trabalhos 88 5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS As principais conclusões obtidas no desenvolvimento deste trabalho estão apresentadas a seguir. Conclusões relacionadas ao tempo de fabricação: a) O fresamento 5 eixos possibilitou uma redução de 10% do tempo específico para a fabricação da geometria proposta, considerando a somatória dos tempos requeridos por cada etapa de fabricação, sem considerar os tempos de preparação de máquina e demais tempos improdutivos. b) Considerando todos os tempos de fabricação, dos quais são atribuídos os custos de produção, o fresamento 5 eixos propiciou uma redução de 21% do tempo total para a fabricação da cavidade proposta. c) O processo 5 eixos promoveu, para a geometria em estudo, uma significativa redução do número de eletrodos e também no tempo de eletroerosão, devido à área necessária ao processo de eletroerosão ser reduzida, por propiciar maior alcance da ferramenta. Este fato pode favorecer a vida útil do molde por minimizar regiões com camada branca. d) A etapa de simulação CAM para fresamento 5 eixos impacta expressivamente no respectivo tempo e custo de fabricação, onde requereu 175% a mais de tempo, comparado a simulação 3 eixos. e) A grande distinção do fresamento para o caso estudado está na redução significativa de eletroerosão. A diferença entre os processos 3 e 5 eixos alcançou 800%. Indiretamente através dessa redução significativa, minimizam-se áreas prejudicadas pela eletroerosão por formação de camada branca. Conclusões relacionadas aos custos de fabricação: a) O fresamento 5 eixos possibilitou uma redução geral de custos na ordem de 13,6%. b) Na investigação realizada, através de uma metodologia simplificada, a implantação da tecnologia 5 eixos tem um custo 46% superior em relação à tecnologia 3 eixos. c) Para o caso estudado, os custos dos processos de fabricação representam aproximadamente 75% do custo total de fabricação da cavidade, sendo o restante referente à matéria-prima empregada.

189 Conclusões e sugestões para futuros trabalhos 89 d) Para um regime de 3 turnos o prazo de amortização ficou em 4 anos e 8 meses para o fresamento 3 eixos e aproximadamente 4 anos e 7 meses para o fresamento 5 eixos. Para um regime de 2 turnos o prazo de amortização ficou em 5 anos e 9 meses para o fresamento 3 eixos e 5 anos e 11 meses aproximadamente para o fresamento 5 eixos. Conclusões para os desvios de forma: a) O fresamento 5 eixos propiciou maior desvio de forma. b) Para o fresamento 3 eixos os intervalos encontrados estão dentro dos padrões de precisão recomendados para as áreas de estudo. c) No fresamento 5 eixos a variabilidade foi bem mais acentuada ocasionando desvios além do permitido para as áreas avaliadas, tornando o processo em 5 eixos simultâneos instável para garantia de precisão em pontos críticos de um molde. d) Ambos processos atingiram o grau de normalidade para os pontos de medição obtidos dentro de um nível de confiança de 95%. Sugestões para futuros trabalhos estão apresentadas a seguir. a) Investigar as trajetórias calculadas pelo CAM para fresamento em 5 eixos. b) Avaliar a qualidade da superfície usinada em 5 eixos, para a fabricação de moldes. c) Avaliar as diferentes estratégias de usinagem 5 eixos. d) Estudar os processos de fabricação de moldes, do desbaste ao acabamento 5 eixos. e) Avaliar as oscilações do avanço no fresamento 5 eixos. f) Investigar erros dimensionais em máquina CNC 5 eixos através de software específico. g) Investigar os possíveis benefícios na aplicação da estratégia SWARF para acabamento de moldes.

190 Referências Bibliográficas 90 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BAPTISTA, R.; SIMÕES, A. (1999). Three and five axes milling of sculptured surfaces. Journal of Materials Processing Technology 103 pp BATALHA, F. G. (2002). Processos de Fabricação por Remoção de Material. Apostila da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. 51páginas. BECZE, C. E.; CLAYTON, P.; CHEN, L.; EL-WARDANY,T. I.; ELBESTAWI, M. A.(1999) High speed five-axis milling of hardened tool steel. Journal of Machine Tools & Manufacture.pp BITTENCOURT, M. (2006): Influência das estratégias de usinagem na fabricação de moldes. Trabalho de Conclusão de Curso IST. Jlle-SC BONETTI, I. (2008). Contribuições para desenvolver o conhecimento em operações de desbaste por fresamento no sentido axial, 106p. Dissertação de Mestrado, Instituto Superior Tupy, Joinville. BOUAZIZ, Z.; YOUNES, J. B.;ZGHAL, A. (2004) Methodology of machining costs evaluation for die and mold manufacturing. Journal of Materials Processing Technology n152 pp BOUJELBENE, M.; MOISAN, A.; TOUNSI, N; BRENIER, B. (2004). Productivity enhancements in dies and molds manufacturing by the use of C1 continuous tool path. International Journal of Machine Tool & Manufacture, Amsterdam, v.44, n1, p , Jan. BOUZAKIS, D. K.; AICHOUH, P.; EFSTATHIOU, K.; KOUTOUPAS, G.(1999). A computer supported simulation of multiaxis milling to determine optimum cutting kinematics concerning the occuring surface roughnes. 2 nd Internacional German and French Conference on High Speed Machining. CAPLA, R. L. Estudo da influência do material excedente de desbaste na operação de acabamento aplicando usinagem com altas velocidades.são Carlos, 2006.Dissertação de Mestrado. CHARMILLES, A. Manual de operação Roboform 40 (1993). Charmilles Tecnologies,p CHEN, J. S., HUANG, Y. K.; CHEN, M. S. APUD PIVETTA, C. S. (2005). Uma contribuição ao estudo de fresamento de aço endurecido com fresa de topo esférico. Dissertação de Mestrado.Universidade Estadual de Campinas. CHOI, K. B.; JERARD, B. R. (1998). Sculptured surface machining. Theory and applications. Kluwer Academic Publishers COLDWELL, H.; WOODS, R.; PAUL, M.; KOSHY, P.; DEWES, R.; ASPINWALL, D. (2003). Rapid machining of hardened AISI H13 and D2 moulds dies and press tools. Journal of Materials Processing Technology v.135 p

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194 Referências Bibliográficas 94 SOUZA, A. F.; BONETTI, I. (2007). Estudo do contato ferramenta-peça no fresamento de formas geométricas complexas para a fabricação de moldes e matrizes.8º CIBIM Congresso Ibero Americano de Engenharia Mecânica. SOUZA, A. F.; TEIXEIRA, M. T; RODRIGUEZ, C.A. (2006). Análise comparativa dos algoritmos utilizados por diferentes sistemas CAM, para cálculo das trajetórias de ferramenta, no fresamento de formas geométricas complexas. IV Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Recife, agosto. SOUZA, A. F.; ARIAS, M. (2008). Descrição matemática das funções Spline. Máquinas e Metais, Abril pp SOUZA, A. F.; COELHO, R. T. (2007). Experimental investigation of feed rate limitations on high speed milling aimed at industrial applications. Internacional Journal Advanced Manufacturing Technology. (32): SOUZA, F. (2005) Análise conceitual sobre a tecnologia CAD/CAM. Revista Mecatrônica Fácil, N23. TSUTSUMI, M, SAITO, A; (2004). Identification of angular and positional deviation inherent to 5-axis machining centers with a tilting-rotary table by simultaneous four-axis control movements. Internacional Journal of Machine Tools e Manufacture,44.( ). VALLEJOS, R. V.; GOMES, J. O. (1998). Uma reflexão sobre as ferramentarias nacionais. Revista Plásticos, São Paulo, p VESSEREAU, A. (2000). Introdução à estatística. Ed. Nobar Ed 15. WELLER, E. J. (1984) Nontraditional machining processes. 2nd ed. Deaborn: Society Manufacturing Engineers.

195 Apêndice 95 APÊNDICE 1: Avanço programado para trajetória no programa pós-processado em 5 eixos

196 Apêndice 96 Apêndice 2: Dados tecnológicos para o plano de execução na máquina fresadora O Apêndice 2 mostra de forma ampliada as informações tecnológicas de processo necessárias (Parâmetros de corte empregados, tipo de ferramenta, número de ferramenta para o programa, tempo estimado e material remanescente deixado na operação) para que o operador faça a regulagem da máquina e preencha os campos que restaram em branco na folha de processos CAM. Figura 50: Dados tecnológicos aplicados As principais informações apresentadas na figura são: Diâmetro da fresa e seu respectivo raio de ponta. (20 mm raio 1,00) Tipo de cone ODP sistema de cone com pontas intercambiáveis roscadas para cápsulas. Número de ferramenta no corretor: T17 Avanços vertical e lateral Profundidade de corte PC Rotação aplicada Sobre-metal para próxima etapa Referência no eixo Z em relação ao zero peça Tempo estimado pelo CAM Tempo real a ser preenchido pelo operador além de detalhes do processo como a máquina e a assinatura de quem executou o programa em questão.

197 Apêndice 97 Apêndice 3: Calibração da MMC Inicialmente foi necessário validar para o experimento, um padrão de referência para que o grau de confiança aplicado seja real. Foi utilizada para essa finalidade uma esfera padrão marca Taylor-Hobson do laboratório de metrologia SOCIESC, cujo raio de referência certificado é de 22,0196mm. A Figura 51 mostra o zeramento da esfera na MMC, para início das medições em alguns pontos da superfície tangente ao centro da esfera. Figura 51: Calibração do apalpador RENISHAW através de esfera padrão na máquina de medir por coordenadas. A Figura 52 ilustra os desvios encontrados em uma das medições. Figura 52: Desvios encontrados na calibração da máquina de medir por coordenadas

198 Apêndice 98 Foram executadas 3 séries com 6 pontos de medição em cada série, que gerou 18 amostras para o teste de normalidade da esfera padrão. A Figura 53 lustra o gráfico e os valores obtidos, após teste do Minitab. Normal Mean -0, StDev 0, N 18 AD 0,480 P-Value 0, Percent ,004-0,003-0,002-0,001 0,000 Medidas 0,001 0,002 0,003 0,004 Figura 53: Teste de normalidade da esfera medida na MMC A média e o desvio padrão para um nível de confiança de 95% atenderam os critérios para o teste. Isso significa que há uma tendência ao zero, certificando a incerteza da máquina em 5 µm, pois 16 das 18 amostras encontradas ficaram em um intervalo de 4 µm (+0,002 e-0, 002) e somente 1 ponto ficou 1 µm para cima e 1 ponto ficou 1 µm para baixo desse intervalo de medição. O desvio padrão e a média para as 18 amostras ficaram respectivamente em 1,5 µm e 0,3 µm.

199 Apêndice 99 Apêndice 4: Simulação da máquina em 5 eixos

200 Apêndice 100 Apêndice 5 - Vide CD-ROM com os planos de usinagem e vídeos do experimento.

201 i SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA INSTITUTO SUPERIOR TUPY MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS ESTRATÉGIAS DE FRESAMENTO 3 E 5 EIXOS PARA A FABRICAÇÃO DE MOLDES Adriano Eudorico Albano Joinville 2008

202 ii SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA INSTITUTO SUPERIOR TUPY MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS ESTRATÉGIAS DE FRESAMENTO 3 E 5 EIXOS PARA A FABRICAÇÃO DE MOLDES Dissertação apresentada ao Programa de Pós - Graduação em Engenharia Mecânica do Instituto Superior Tupy, como requisito para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Adriano Eudorico Albano Orientador: Prof. Dr. Adriano Fagali de Souza Joinville 2008

203 iii ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS ESTRATÉGIAS DE FRESAMENTO 3 E 5 EIXOS PARA A FABRICAÇÃO DE MOLDES Adriano Eudorico Albano Dissertação defendida e aprovada em 03 de novembro de 2008, pela Banca examinadora constituída pelos Professores: Prof. Dr. Adriano Fagali de Souza (Orientador) Instituto Superior Tupy Prof. Dra. Sueli Fischer Beckert Instituto Superior Tupy Prof. Dr. Reginaldo Teixeira Coelho EESC - USP

204 iv Dedicatória Dedico esse trabalho a Deus que me Concedeu a oportunidade de chegar Até aqui e a todos que de uma forma ou De outra contribuíram para esse trabalho

205 v Agradecimentos Ao Professor Dr. Adriano Fagali de Souza do Instituto Superior Tupy, pela orientação e acompanhamento passo a passo durante o desenvolvimento desse trabalho. À Ferramentaria SOCIESC, especialmente ao Sr. Lauro dos Anjos Filho e ao Sr. José Carlos da Silva pelo incentivo à pesquisa e desenvolvimento tecnológico na área de Moldes e Matrizes. A todos os colaboradores da equipe técnica da ferramentaria Sociesc e demais envolvidos que se engajaram na realização desse projeto. Ao aluno de iniciação científica Caio Zafalon pelo comprometimento no processamento dos dados estatísticos. À Empresa Villares Metals pelo fornecimento da matéria prima utilizada nos experimentos de usinagem. À empresa DELCAM, pelo sistema CAD/CAM utilizado nesse trabalho. À empresa GRV software, pela utilização de software de gerenciamento de custos CPS. Ao laboratório de Metrologia Sociesc pelo envolvimento nas medições tridimensionais do experimento.

206 vi SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO E CONTEXTUALIZAÇÃO Objetivos Gerais Objetivos Específicos Estrutura do trabalho REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Principais programas computacionais empregados na fabricação de moldes Sistemas CAD Sistemas CAM Operações de usinagem na fabricação moldes Usinagem por eletroerosão (Electrical Discharge Machining - EDM) Processo de fresamento de moldes Fundamentação usinagem 5 eixos Operações de fresamento em 5 eixos TRABALHO EXPERIMENTAL Materiais e equipamentos Material utilizado Máquinas-ferramenta e acessórios Programas computacionais utilizados Geometria do corpo de prova Parâmetros de processos Parâmetros de corte para fresamento 3 eixos Parâmetros de corte para fresamento 5 eixos Usinagem dos eletrodos Usinagem do corpo de prova por eletroerosão Métodos de avaliação Tempos de fabricação Custos de Fabricação Verificação dos erros geométricos RESULTADOS E DISCUSSÕES Estudo dos tempos de fabricação Tempos de programação CAD/CAM Tempo de fresamento da geometria...68

207 vii Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão Tempo específico de processo e tempo total de processo Custo de fabricação Estimativa simplificada de custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos Simulação simplificada do tempo estimado para amortização do investimento Avaliação dos erros geométricos CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS...88

208 viii RESUMO ALBANO, Adriano Eudorico. Análise Comparativa entre as Estratégias de Fresamento 3 e 5 Eixos para a Fabricação de Moldes. Joinville: IST, Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica. Atualmente, a indústria fabricante de moldes e matrizes tem-se deparado com uma acirrada concorrência no mercado mundial, além de exigências na redução dos prazos de entrega, redução de custos, e aumento de qualidade. Desta forma, as indústrias neste segmento devem estar atualizadas tecnologicamente para manter a competitividade. Nas últimas décadas, algumas tecnologias vêm se consagrando para apoiar este segmento, tais como: tecnologias computacionais de apoio (sistemas CAD/CAM/CAE/CAI), processos de usinagem em altas velocidades (High Speed Machining HSM) e a tecnologia de usinagem por fresamento utilizando 5 graus de liberdade, conhecida como fresamento 5 eixos. Devido a sua complexidade e custo, atualmente a usinagem 5 eixos é usualmente empregada na indústria aeronáutica, a qual necessita de sua aplicação. Com o desenvolvimento tecnológico e redução dos custos de implantação desta tecnologia, tende-se aplicar o fresamento 5 eixos para a indústria de moldes e matrizes. Alguns trabalhos científicos podem ser encontrados na literatura, tratando pontos científicos e tecnológicos sobre o tema. Entretanto, uma investigação sobre a viabilidade de aplicação e benefícios da usinagem 5 eixos na indústria de moldes e matrizes ainda é uma lacuna. Desta forma, este trabalho tem por objetivo realizar uma avaliação comparativa entre os processos de usinagem por fresamento, empregando 3 e 5 eixos de movimentação, para a indústria fabricante de moldes para a injeção de termoplásticos. A fabricação de moldes, empregando estas duas técnicas de fresamento foram avaliadas minuciosamente, envolvendo as etapas de programação CAD/CAM, o processo de fresamento e as operações de usinagem por eletroerosão. A usinagem por eletroerosão é muitas vezes necessária devido a limitações do processo de fresamento 3 eixos. Com o objetivo desenvolver o conhecimento aplicado à indústria de moldes, a geometria de um produto comercial foi selecionada para formar o corpo de prova. Dois corpos de prova foram fabricados, cada qual utilizando técnicas de fresamento 3 e 5 eixos. Foram obtidos os tempos de fabricação, custos e erros dimensionais para ambos os processos. Os resultados detalham os benefícios e limitações do fresamento 3 e 5 eixos para a referida indústria. Palavras-chave: Fresamento 5 eixos, Fabricação de Moldes, CAD/CAM, Eletroerosão

209 ix ABSTRACT ALBANO, Adriano Eudorico. Análise Comparativa entre as Estratégias de Fresamento 3 e 5 Eixos para a Fabricação de Moldes. Joinville: IST, Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica. Currently, the die and mould industry has a strong worldwide competition and requires to be technologically updated. Some important technologies have been developed successfully in the last decades to support this industrial segment, such as computational software (CAD/CAM/CAE/CAI), the High Speed Machining technology, and the 5 axis milling. Due to the complexity and cost, the last technology has been used only for the industry that requires its application, such as the air craft industry. Many scientific research can be found about the theme, but the technical and financial viability to apply 5 axis machining in die and mould industry is still a lack of knowledge. Therefore, this work aims to compare the application of 3 axis milling against 5 axis milling for mould fabrication. A real geometry was defined as workpiece. Appling 3 and 5 axis milling, two workpiece were fabricated. The entire fabrication time, as well as costs concerned and the geometry errors were assessed. The results shows the benefits and limitation about 3 and 5 axis milling applied for mould fabrication. Keywords: Five Axis Milling, Die and Mold Manufacturing, CAD/CAM, Electric Discharge Machining.

210 x LISTA DE FIGURAS Figura 1: Cadeia de manufatura de produtos que utilizam ferramentais Figura 2: Etapas da manufatura envolvendo a cadeia CAD/CAM/CNC Figura 3: Trajetória da ferramenta calculada por um sistema CAM Figura 4: Pós-processamento de programas CNC Figura 5: Arquivo CNC pós-processado para fresamento 5 eixos Figura 6: Microtrincas geradas em peça usinada pelo processo de eletroerosão Figura 7: Contato da aresta de corte com o plano de trabalho θ Figura 8: Possibilidade de acesso da ferramenta de corte Figura 9: Principais trajetórias de ferramentas para acabamento de moldes Figura 10: Movimento da ferramenta em relação aos vetores paralelos ao seu eixo 34 Figura 11: Diferentes eixos de inclinação entre o par ferramenta-peça Figura 12: Usinagem com a lateral da ferramenta em estratégia Swarf Figura 13: Sistemas de coordenadas para 5 eixos Figura 14: Combinações de eixos para máquinas CNC s 5 eixos Figura 15: Usinagem em 5 eixos posicionais Figura 16: (a) Curva descontínua, problemas na modelagem da superfícies. (b) Gráfico de curvatura. (Fonte: SILVA, 2006) Figura 17: Cavidade usinada em estratégia 3D offset Figura 18: Cavidade usinada em estratégia 5 eixos SWARF Figura 19: Escopo de processo para o procedimento experimental Figura 20: Bloco de aço VP20 ISO empregado no experimento Figura 21: Máquina ferramenta Deckel Maho DMU Figura 22: Máquina ferramenta Deckel Maho DMC 104V linear Figura 23: Cones utilizados no experimento Figura 24: Máquina por eletroerosão utilizada no experimento Figura 25: Cavidade do experimento na máquina de medir por coordenadas Figura 26: Geometria da cavidade do agitador da máquina lavar roupas em 3D Figura 27: Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Figura 28: Regiões selecionadas para avaliar os erros dimensionais dos corpos de prova Figura 29: Representatividade percentual dos processos CAD/CAM para 3 eixos Figura 30: Representatividade percentual dos processos CAD/CAM para 5 eixos Figura 31: Tempos do processo CAD/CAM Figura 32: Quantidade de programas CNC e tamanho dos arquivos Figura 33: Corpos de prova fabricados Figura 34: Tempo de fresamento da geometria Figura 35: Tempo para fabricação dos eletrodos para as duas cavidades Figura 36: Região inacabada pelo fresamento Figura 37: Áreas com material remanescente para eletroerosão Figura 38: Tempo total de processo para eletroerosão Figura 39: Tempos específicos de processo Figura 40: Tempo total de processo Figura 41: Representatividade dos tempos por processo de fabricação Figura 42: Gráfico percentual para os custos de fabricação por tipo de fresamento. 77 Figura 43: Medição da região do produto Figura 44: Teste de normalidade para a região do produto... 83

211 Figura 45: Medição da região do fechamento principal Figura 46: Teste de normalidade para a região do fechamento principal Figura 47: Medição do fechamento secundário Figura 48: Teste de normalidade para a região do fechamento secundário Figura 49: Boxplot comparativo para os dois processos estudados Figura 50: Dados tecnológicos aplicados Figura 51: Calibração do apalpador RENISHAW através de esfera padrão na máquina de medir por coordenadas Figura 52: Desvios encontrados na calibração da máquina de medir por coordenadas Figura 53: Teste de normalidade da esfera medida na MMC xi

212 xii LISTA DE TABELAS Tabela 1: Composição química do aço VP Tabela 2: Parâmetros de corte utilizado no experimento em fresamento 3 eixos Tabela 3: Parâmetros de corte utilizado no experimento em fresamento 5 eixos Tabela 4: Parâmetros de corte utilizado no experimento no fresamento dos eletrodos Tabela 5: Parâmetros aplicados no processo de eletroerosão para as duas cavidades Tabela 6: Tabela custo hora/processo Tabela 7: Tabela de tempos de programação CAD/CAM para fresamento 3 eixos.. 63 Tabela 8: Tabela de tempos de programação CAD/CAM para fresamento 5 eixos.. 64 Tabela 9: Somatória dos tempos da etapa CAD/CAM Tabela 10: Tempo para modelamento e programação CNC de eletrodos Tabela 11: Tempo de fresamento dos eletrodos Tabela 12: Custo total de fabricação das cavidades Tabela 13: Estimativa de custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos Tabela 14: Custos/hora para a simulação simplificada de amortização do investimento Tabela 15: Tabela de amortização para 2 turnos de trabalho (adaptado de Neto e Pereira,2008) Tabela 16: Tabela de amortização para 3 turnos de trabalho (adaptado de Neto e Pereira,2008) Tabela 17: Tabela dos intervalos dos desvios encontrados nas superfícies inspecionadas... 87

213 xiii ABREVIAÇÕES E SIGLAS MDIC: Ministério do Desenvolvimento Indústria e Comércio Exterior APL: Arranjo Produtivo Local CAD: Computer Aided Design CAM: Computer Aided Manufacturing CAI: Computer Aided Inspection CNC: Comando numérico computadorizado CPS: Controle de Processos e Serviços MMC: Máquina de Medir por Coordenadas HSM: High Speed Machining EDM: Electrical Discharge Machining CLF: Cutter Location File CL: Cutter Location CC: Cutter Contact RPM: Rotações por minuto F: Avanço de trabalho (mm/min) ap: Profundidade de corte axial (mm) ae: Profundidade de corte lateral (mm) CDP: Corpo de prova Zw: Eixo original de trabalho em Z. Xw: Eixo original de trabalho em X. Zc: Eixo modificado de trabalho em Z. Θ: Ângulo de inclinação para o plano de trabalho modificado

214 Capítulo 1: Introdução e contextualização 14 1 INTRODUÇÃO E CONTEXTUALIZAÇÃO A indústria de moldes tem grande impacto no cenário atual, pois influencia diversos segmentos produtivos, tais como: eletrodoméstico, automobilístico, indústria civil, dentre outros. Estima-se que 600 empresas fabricantes de moldes e matrizes estejam sediadas na região de Joinville. Esse aglomerado de empresas forma um importante Arranjo Produtivo Local (APL) da indústria metal-mecânica, considerado dentre os cincos APL prioritários para o Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior MDIC (MDIC 2008). Resende e Gomes (2004) recomendam que para o desenvolvimento do segmento de moldes no APL de Joinville são necessárias ações conjuntas das empresas. Essas ações devem contemplar a formação e manutenção de banco de dados sobre experiências bem sucedidas visando o processo contínuo de inovação tecnológica e podem ser realizadas através de parcerias entre fabricantes de moldes e centros tecnológicos. A pesquisa realizada pela consultoria MAXIQUIM, no ano de 2001, demonstra a necessidade de desenvolvimento deste segmento no Brasil, conforme demonstram alguns indicadores apresentados a seguir: a) O déficit da balança comercial brasileira aumenta negativamente, alcançando de US$ 112 milhões a US$ 200 milhões no seguimento. b) O faturamento da indústria de moldes para transformação de termoplásticos é estimado em US$ 300 milhões por ano, no Brasil. Estima-se um faturamento bruto mundial de moldes e matrizes em torno de US$ 20 bilhões por ano. c) Crescimento em torno de 15% da demanda de termoplásticos, comparado ao ano anterior. d) Os Estados Unidos é o maior fornecedor mundial de moldes com faturamento superior a US$ 5 bilhões por ano, seguidos pelo Japão e Alemanha.

215 Capítulo 1: Introdução e contextualização 15 e) Relata-se uma concorrência crescente de países como França, Itália, Península Ibérica e principalmente dos Tigres Asiáticos (Coréia, Taiwan e Singapura) além da China. Segundo Vallejos e Gomes (1998) a baixa capacidade competitiva e tecnológica dos fabricantes de moldes e matrizes nacionais atribui-se aos elevados preços e prazos de entrega de seus produtos, em relação àqueles praticados no mercado internacional. A pesquisa realizada por Gregolin e Antunes (2002) demonstra a necessidade de aprimorar a fabricação de moldes no Brasil, necessitando de desenvolvimento tecnológico para se igualar aos países considerados desenvolvidos. Em função das demandas atuais de mercado, as linhas automotivas, de eletrodomésticos e de telefonia móvel têm exigido cada vez mais agilidade, rapidez e flexibilidade no desenvolvimento e fabricação de moldes de injeção (LUCIANO et al, 2002). Souza e Bonetti (2007) apresentam a cadeia de manufatura à qual a indústria de moldes encontra-se inserida. A fabricação de moldes foi subdividida nas etapas: i) processos de fabricação, ii) processos de usinagem, iii) processos de fresamento, como ilustra a Figura 1. Figura 1: Cadeia de manufatura de produtos que utilizam ferramentais Fonte: SOUZA e BONETTI, (2007)

216 Capítulo 1: Introdução e contextualização 16 Dentre as operações envolvidas, o fresamento das cavidades do molde são as operações mais significativas, pois, além de produzir o produto final, pode influenciar diretamente as operações subseqüentes, repercutindo na qualidade, custo e tempo de fabricação do produto (SOUZA e BONETTI, 2007). Conforme apresentado por Boujelbene et al (2004), a maior porcentagem do custo de um produto fabricado pela injeção de plástico é relativa à manufatura do molde (30% do custo total) e a maior porcentagem desses custos está relacionada à usinagem. Fallböhmer (1996) conclui que mais de 60% do tempo de fabricação de um molde ou uma matriz é consumido na fabricação das partes funcionais, as quais incluem superfícies complexas. Na fabricação das partes funcionais do molde, Bonetti (2008) identificou o tempo de usinagem em cada etapa de fresamento. Para tanto, o autor avaliou 45 processos de fabricação de moldes de médio porte e identificou que 51% do tempo total de fresamento são despendidos em operações de desbaste, 18% em etapas de préacabamento e 31% para o acabamento. Deve-se considerar que, embora o acabamento não seja a etapa mais representativa de usinagem, é a operação que influenciará diretamente o produto final, em termos de qualidade dimensional, tempo e custo. Observa-se no mercado atual uma forte tendência na fabricação de produtos contendo formas suaves e harmônicas para compor os produtos. Segundo Lazoglu (2003), a utilização de objetos e produtos contendo formas geométricas complexas fez com que a necessidade de novas tecnologias de fabricação fosse intensificada. A complexidade geométrica dos produtos impõe novos desafios para a cadeia de manufatura de moldes, além da redução dos prazos de entrega, aumento da qualidade dimensional do molde e redução dos custos (BAPTISTA e SIMÕES, 1999). Dessa forma, o mercado global obriga os fabricantes de moldes e matrizes a buscarem continuamente a modernização de seu parque fabril, caso contrário, perderão competitividade, se não adotarem novas tecnologias e processos de fabricação (GEIST e FINZER, 2000).

217 Capítulo 1: Introdução e contextualização 17 Desde 1998, empresas brasileiras de pequeno, médio e grande porte têm buscado investimentos em novas tecnologias de fabricação, dentre elas a usinagem em alta velocidade, High Speed Cutting (HSC) ou High Speed Machining (HSM) (Deonísio, 2004), mas somente na última década novas tecnologias de usinagem têm sido aplicadas com eficiência na indústria de moldes, como usinagem em altas velocidades combinada com a usinagem em 5 eixos posicionais ou em 5 eixos simultâneos, trazendo reais vantagens para o processo (COLDWELL et al, 2003). Tradicionalmente, na fabricação de moldes, aplica-se o fresamento em 3 eixos (X, Y, Z). Máquinas-ferramenta com mais eixos simultâneos de movimentação ainda são escassas nas 1 ferramentarias, pois, além dos custos de implantação, requerem o desenvolvimento de novos processos de fabricação. A falta de conhecimento sobre o tema também é um forte empecilho para aplicação do fresamento 5 eixos na indústria de moldes. As máquinas-ferramenta 5 eixos (5 graus de liberdade), além de 3 eixos elementares de trabalho, possuem mais 2 eixos rotativos que podem agir simultaneamente, trazendo à fabricação de moldes grande versatilidade. Entretanto, o processo se torna mais complexo, pois exigem-se sofisticados algoritmos matemáticos para calcular e simular as trajetórias da ferramenta, pelos sistemas CAM, além do conhecimento do processo de fabricação e operação dos equipamentos. O custo de implantação dessa tecnologia é maior em relação à tecnologia 3 eixos (SO et al, 2007). Na usinagem de moldes, a aplicação do fresamento 5 eixos pode propiciar maior alcance da ferramenta de corte, atingindo regiões inacessíveis pelo fresamento tradicional (3 eixos), reduzindo áreas de eletroerosão, permitindo a usinagem em elevadas profundidades, redução de vibrações e melhor acabamento superficial. O trabalho realizado por Baptista e Simões (1999) conclui que o fresamento 5 eixos ocasionou melhor acabamento superficial em relação ao fresamento 3 eixos. Entretanto não são avaliados no trabalho, os tempos de fabricação, os impactos no custo e na qualidade dimensional da superfície fresada. Essas características são importantes para identificar a real viabilidade de aplicação das técnicas de usinagem 5 eixos na indústria de moldes. 1 Nome atribuído às indústrias fabricantes de Moldes e Matrizes

218 Capítulo 1: Introdução e contextualização 18 Diversos trabalhos de pesquisas na área de usinagem por fresamento em 5 eixos podem ser encontrados na literatura. Estes trabalhos, muitas vezes, estão focados no desenvolvimento das tecnologias relacionadas a aplicação da usinagem 5 eixos, tais como: algoritmos para cálculo e simulação de trajetórias; desenvolvimento de novas configurações de máquinas-ferramenta; rotinas, sistemas de comando e controle numérico CNC; processo de corte; precisão do processo, etc. Entretanto, trabalhos para constatar os tempos de fabricação, custos envolvidos e qualidade da usinagem, comparando ao fresamento tradicional, 3 eixos, ainda são incipientes, embora fundamentais. Diante do contexto em evidência, o presente trabalho propõe desenvolver o conhecimento sobre a viabilidade técnica e econômica da aplicação do fresamento 5 eixos para a fabricação de moldes, em comparação com o fresamento 3 eixos. Com o objetivo de desenvolver o conhecimento aplicado à realidade industrial, a geometria de um molde para injeção de plástico foi utilizada como corpo de prova. Foram fabricados dois corpos de prova, aplicando os processos de fresamento 3 e 5 eixos. São avaliados detalhadamente os tempos requeridos em cada etapa de fabricação, envolvendo: programação e simulação da usinagem via software CAM; o modelamento de eletrodos (CAD); a usinagem CNC dos corpos de prova; a programação e usinagem dos eletrodos (CAM/CNC); usinagem por eletroerosão de cada corpo de corpo de prova. Diversos trabalhos de pesquisa estudam e propõe a tecnologia para o processo de fabricação por fresamento 5 eixos, entretanto, nota-se uma carência de informações sobre sua viabilidade na cadeia de fabricação de moldes. Foram computados os custos e tempos requeridos para a fabricação utilizando ambos os processos, possibilitando visualizar os benefícios da usinagem 5 eixos relacionados ao tempo de fabricação, assim como identificar as limitações e gargalos do processo. Para composição dos custos, foram computados os valores dos materiais empregados (aços e materiais para os eletrodos) assim como os valores/hora de cada processo, considerando o tempo empregado em cada etapa. Também se realizou uma inspeção geométrica nas regiões que compõem a área de fechamento do molde real, pois esta é uma região crítica em moldes de injeção de plástico. O processo foi realizado com o auxílio de uma máquina de medir por coordenadas CNC (MMC), integrado a um sistema computacional específico

219 Capítulo 1: Introdução e contextualização 19 (CAD/CAI), a fim de quantificar os erros de forma, ocasionados pelo processo de fresamento 5 eixos, em comparação com o fresamento 3 eixos. 1.1 Objetivos Gerais Este trabalho tem por objetivo geral desenvolver o conhecimento sobre a aplicação do processo de fresamento 5 eixos para fabricação de moldes e matrizes. Através de um estudo de caso, serão comparados os processos de fresamento 3 e 5 eixos, avaliando-se as diferenças tecnológicas que impactam nos tempos e custos de fabricação, além da qualidade dimensional gerada pelos processos de fresamento em estudo. 1.2 Objetivos Específicos Este trabalho tem por objetivos específicos: a) Desenvolver um processo de fabricação para a usinagem do corpo de prova aplicando as tecnologias CAD/CAM/CNC e eletroerosão, considerando o processo de fresamento 3 eixos; b) Desenvolver um processo de fabricação para a usinagem do corpo de prova aplicando as tecnologias CAD/CAM/CNC e eletroerosão, considerando o processo de fresamento 5 eixos; c) Descrever todas as etapas e sub-etapas de fabricação do corpo de prova; d) Modelar o corpo de prova e os eletrodos em um sistema CAD, executar a programação da usinagem dos eletrodos em sistema CAM e sua respectiva usinagem no centro de usinagem CNC. e) Identificar as regiões que necessitam usinagem por eletroerosão, conforme o processo de fresamento empregado; f) Realizar a usinagem dos corpos de prova, por fresamento em altas velocidades, utilizando 3 e 5 eixos. g) Realizar a usinagem por eletroerosão nas regiões necessárias para cada corpo de prova. h) Realizar um levantamento dos custos e tempos de fabricação de todas as etapas envolvidas, para cada caso de estudo. i) Verificar os desvios geométricos das superfícies de produto, superfície de fechamento principal e superfície de fechamento secundário, empregando

220 Capítulo 1: Introdução e contextualização 20 uma máquina de medir por coordenadas (MMC) e sistemas de inspeção (CAD/CAI). 1.3 Estrutura do trabalho Este trabalho está dividido em 5 capítulos, brevemente descritos a seguir, além das referências e apêndices. Capítulo 1 Introdução e contextualização Este capítulo apresenta o cenário da indústria de moldes, os principais processos relevantes para a sua fabricação, o escopo experimental e os objetivos propostos para realizar o trabalho. Capítulo 2 Revisão bibliográfica São apresentadas as principais tecnologias e ciências envolvidas nesse trabalho, suas especificações e características. Capítulo 3 Procedimento experimental Descreve-se cada etapa do experimento em sua respectiva ordem de execução, são apresentados os critérios a serem analisados, bem como os recursos empregados no trabalho. Capítulo 4 Análise dos resultados São analisados os resultados obtidos nos ensaios e realizadas as devidas comparações entre os processos de fresamento empregados. Capítulo 5 Conclusões Descrevem-se as conclusões finais do trabalho. Os aspectos importantes são evidenciados, além de sugestões para futuros trabalhos. Referências bibliográficas Contêm todas as referências bibliográficas deste trabalho. Apêndices Ao final desse trabalho, encontram-se informações adicionais para documentação e esclarecimentos.

221 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 21 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Atualmente, impulsionado pelo desenvolvimento tecnológico, a aplicação da tecnologia de usinagem por fresamento 5 eixos, para a fabricação de moldes e matrizes, pode se tornar um importante diferencial nesse segmento. Devido a restrições tecnológicas, implicando diretamente no custo e dificuldade de acesso, o fresamento 5 eixos era até então empregado somente em indústrias cuja aplicação era imprescindível, como a indústria aeronáutica, por exemplo. Com o avanço dos sistemas CAD/CAM e máquinas-ferramenta CNC, a tecnologia de fresamento 5 eixos passa a ter um novo enfoque, possibilitando maior facilidade de acesso e redução de custos. Desta forma, para atingir os objetivos propostos neste trabalho, a Revisão de Literatura apresenta os seguintes assuntos pertinentes ao tema: sistemas computacionais, processos de fabricação de moldes e máquinas-ferramenta, assim como busca levantar o estado da arte sobre a aplicação do processo de fresamento 5 eixos. 2.1 Principais programas computacionais empregados na fabricação de moldes Atualmente, a fabricação de moldes pode ser auxiliada das seguintes tecnologias computacionais: a) CAD (Computer Aided Design) destinado ao modelamento de produtos e projeto do ferramental; b) CAM (Computer Aided Manufacturing) planejamento, cálculo das estratégias de usinagem e simulação de usinagem; c) CNC (Computer Numeric Control) para realizar as operações de usinagem do molde utilizando os programas gerados pelo CAM; d) CAI (Computer Aided Inspection) associado a uma máquina de medir por coordenadas (MMC), faz a inspeção geométrica das superfícies usinadas, gerando relatórios comparativos entre a peça real e o modelamento CAD.

222 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 22 e) CAE (Engineering Aided Computer) através do modelo geométrico criado tornam possíveis simulações e definições sobre a qualidade da peça injetada, pontos para definição de canais de alimentação do molde, entre outras respostas tecnológicas, antes mesmo da conclusão do projeto e fabricação do molde. Esse procedimento auxilia o setor de desenvolvimento e engenharia nas decisões tecnológicas relativas ao desenvolvimento do produto. A apresentação e discussão sobre essas tecnologias estão apresentadas a seguir, enfatizando aquelas de maior relevância para este trabalho Sistemas CAD O arquivo gerado pelo CAD contém informações da geometria que será utilizada como base de dados para os outros sistemas computacionais. Dessa maneira, o CAD torna-se o elo da cadeia de fabricação, ressaltando a sua importância. Devido à demanda por produtos contendo formas geométricas complexas, um sistema CAD, para atender a indústria de moldes e matrizes, deve possuir recursos para o modelamento das geometrias. Nesse caso, os sistemas CAD modeladores de superfícies são os mais indicados (SOUZA e COELHO, 2003). Os principais fatores a serem observados, para qualificação de uma plataforma CAD que atenda às necessidades desse segmento são: capacidade de modelamento geométrico do software, relação clientes/fornecedores, confiabilidade da empresa que desenvolve o software, custo e treinamento (SOUZA et al, 2006). Silva (2006) discute as implicações encontradas no modelamento 3D de geometrias em sistemas CAD no processo de cálculos das trajetórias por sistemas CAM. Uma geometria com baixa qualidade pode repercutir em trajetórias de ferramenta calculadas de forma inapropriada, invadindo a peça a ser fabricada.

223 Capítulo 2: Revisão bibliográfica Sistemas CAM Utilizando a geometria modelada no CAD, o software CAM tem por objetivo calcular as trajetórias de ferramenta para a respectiva usinagem; realizar a simulação das trajetórias e gerar programas CNC para a máquina-ferramenta. A integração desses sistemas é demonstrada na Figura 2 (SOUZA e COELHO, 2007). CAD Modelamento CAM Estratégia das trajetórias Cálculo da trajetória CNC Interpolador Loop de controle Transferência de dados geométricos Pós-processador Programa NC Figura 2: Etapas da manufatura envolvendo a cadeia CAD/CAM/CNC (Adaptado de Souza e Coelho, 2007) Cabe ressaltar que erros e tolerâncias estão intrínsecos em cada transferência de etapas, dessa cadeia. No sistema CAM, as definições iniciais realizadas pelo usuário seguem a sistemática de trabalho descrita a seguir: a) Importação do modelo geométrico; b) Definição do bloco de matéria-prima para usinagem; c) Definição das ferramentas e dos respectivos parâmetros de corte; d) Escolha de uma estratégia de usinagem para que o CAM calcule o percurso da ferramenta; e) Simulação da usinagem. Tradicionalmente, as trajetórias de ferramenta são compostas por pequenos segmentos de retas. O cálculo dos pontos da trajetória, executado pelo programa CAM, é iniciado pelo cálculo do ponto de contato da ferramenta sobre a geometria CAD 3D. Esse ponto é denominado cutter contact (CC). A localização do ponto central da ferramenta em sua trajetória é denominada cutter location (CL). Os pontos CL s estão contidos no programa NC final (Figura 3) (SOUZA e ARIAS, 2008).

224 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 24 Cutter Location Cutter Contact CL=CC Trajetória Figura 3: Trajetória da ferramenta calculada por um sistema CAM (Fonte: Souza e Arias, 2008) Os pequenos segmentos de retas são gerados, conforme tolerância de fabricação ao longo da superfície, limitando os tempos efetivos na usinagem, como constatou Guardiola et al (2007), em experimento comparativo entre diferentes tolerâncias de fabricação e a conseqüente distribuição dos segmentos ao longo da superfície. Todas essas limitações afetam os tempos de usinagem estimados pelo sistema CAM, ocorrendo oscilações da velocidade de avanço programada (SOUZA e COELHO, 2007). Para o caso da usinagem 5 eixos, essa limitação é enfatizada, pois, além dos 3 eixos cartesianos, a máquina deve controlar dois eixos rotativos adicionalmente. O Apêndice 1 ilustra que o avanço de trabalho (F) é parametrizado pela variável (Q). Ao assumir um valor fixo no programa, como por exemplo, mm/min, esse valor será interpolado para os 5 eixos, conseqüentemente afetando o valor real de deslocamento. Após os cálculos das trajetórias, deve-se realizar a usinagem em ambiente virtual, a fim de certificar os processos definidos e calculados pelo CAM. Para a simulação da usinagem em 5 eixos, é conveniente o modelamento de todo o sistema envolvido, como: fixação, dispositivos e a própria máquina, a fim de checar possíveis colisões. Um bom simulador deve fornecer uma animação 3D renderizada (Rendering), gerar uma peça virtual usinada e verificar o modelo criado pela simulação e o modelo CAD original (ROY apud SILVA, 2006). O Apêndice 4 ilustra a simulação da máquina realizada neste trabalho.

225 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 25 Para contemplar os objetivos desta dissertação, foram realizadas simulações de usinagem 5 eixos, considerando todo sistema de fixação-máquina; e foram levantados os tempos necessários para a simulação dos processos de usinagem 3 e 5 eixos. Concluídas as etapas anteriores, o software CAM deve gerar um arquivo, denominado CLF (Cutter Location File), contendo informações sobre o percurso da ferramenta e demais parâmetros. Esse arquivo ainda precisa ser convertido para linguagem específica da máquina CNC, cuja etapa de conversão é denominada pósprocessamento. Além de utilizar informações de sintaxe de cada comando numérico CNC, atribuem-se ao pós-processador características da máquina, tais como: número de eixos de movimentação, limitações de movimentação nos eixos cartesianos, limitações de rotação do eixo-árvore, dentre outros comandos que podem ser específicos para cada conjunto máquina-cnc. Portanto, dois elementos são necessários para o pós-processamento (SOUZA, 2004): a) Trajetória de ferramenta calculada pelo CAM em formato computacional; b) Pós-processador programa computacional que lê o arquivo CLF e o converte em um programa para ser executada em uma dada combinação máquina/cnc. Dessa forma, o pós-processador possibilita a utilização de qualquer arquivo CLF para qualquer configuração de equipamento (máquina/cnc), desde que a configuração dos eixos da máquina e do arquivo CLF seja compatível. A Figura 4 mostra um fluxograma da criação de um pós-processador específico para geração de programa CNC.

226 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 26 Dados de máquina Cutter Location File (CLF) calculado pelo CAM Gerador de pósprocessador Software/programação Pós-processador específico Programa NC Dados do CNC % N10G91G28X0Y0Z0 N20G40G17G80G49 N30G0G90Z10. N40T1M6 Figura 4: Pós-processamento de programas CNC (Fonte: SOUZA, 2004) A Figura 5 apresenta um programa CNC para fresamento 5 eixos pós-processado. O arquivo CLF é convertido em um arquivo texto e linguagem apropriada de uma máquina CNC com comando HEIDENHAIN ITNC 530. Figura 5: Arquivo CNC pós-processado para fresamento 5 eixos As coordenadas B e C referem-se às movimentações angulares da máquina, sendo B relativo ao eixo-árvore e o eixo C relativo à mesa.

227 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 27 Jung et al (2002) avaliaram o pós-processamento para fresamento 5 eixos e relatam que podem ocorrer erros provenientes da operação de reversão de fase. A reversão de fases é definida pelos autores como sendo a ocorrência de inversões nos deslocamentos angulares combinados com as inversões nos deslocamentos lineares, usualmente ao final de uma trajetória 5 eixos. Os autores propuseram algoritmos que promovem a diminuição do número de reversão de fases e também evitam a colisão da ferramenta na peça durante o processo. O pós-processador deve escolher uma conjugação angular correspondente para executar a operação sem colisões. 2.2 Operações de usinagem na fabricação moldes Os processos de usinagem para a fabricação de moldes são realizados através de usinagem por remoção de material. Dentre os processos envolvidos, geralmente são aplicados: o fresamento, a furação, o torneamento, a retificação e a eletroerosão (Electrical Discharge Machining - EDM). De acordo com Löttgen (2003), dentre todos os processos de usinagem de moldes, a eletroerosão e o fresamento são os mais utilizados, ambos são amplamente empregados para gerar cavidades com superfícies complexas Usinagem por eletroerosão (Electrical Discharge Machining - EDM) O processo por eletroerosão é baseado no princípio de remoção de material, através da ação de uma corrente elétrica controlada que gera, entre o 2 eletrodo e a peça, um efeito térmico capaz de remover material de acordo com a superfície do eletrodo. Na maioria dos casos, o eletrodo, fabricado pelo processo tradicional CAD/CAM e máquinas CNC, é de grafite ou cobre. Fuller (1989) lista como principais vantagens da usinagem por descargas elétricas: 2 Ferramenta em cobre ou grafite, construído sob medida para que sua forma seja representada na peça, pela ação da máquina EDM, através de descargas elétricas.

228 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 28 a) Possibilidade de usinar cavidades com finas paredes, uma vez que não há contato entre a ferramenta e peça; b) Capacidade de usinar as mais diversas geometrias, tais como: furos quadrados, retangulares, triangulares ou outra forma não convencional; c) Capacidade de usinar materiais de difícil usinabilidade, tais como: carboneto de tungstênio e aço ferramenta, uma vez que a dureza do material usinado não afeta o processo por descargas elétricas, muito embora a taxa de remoção de material esteja relacionada com o ponto de fusão desse material. O processo de eletroerosão é livre de rebarbas, diferenciando-se, nesse ponto, da maioria dos outros processos. Assim como outros processos de usinagem, a eletroerosão exige que seus parâmetros sejam rigorosamente conhecidos e quais deles podem ser manipulados para que se consiga obter condições ótimas de usinagem. Segundo Batalha (2002), quando a diferença de potencial entre a peça e o eletrodo é suficientemente elevada, uma descarga acorre através do fluido dielétrico, removendo uma pequena quantidade de metal da superfície da peça. Esse processo ocorre na freqüência entre 50 khz e 500 khz, com voltagem entre 50 V a 380 V e corrente de 0,1 a 500 A. Conforme Cruz (1993), os principais agentes do processo de usinagem por descargas elétricas de uma máquina-ferramenta de EDM são: a) Material do eletrodo-ferramenta; b) Material da peça; c) Fluido dielétrico. As principais variáveis de corte são: a) Freqüência de descarga elétrica; b) Tensão do arco; c) Intensidade de corrente. Tais grandezas de corte influenciam decisivamente nos três principais parâmetros de desempenho do processo, que são: a) A taxa de remoção de material; b) A relação de desgaste entre eletrodo e peça; c) A rugosidade superficial.

229 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 29 A taxa de remoção é o volume de material removido da peça na unidade de tempo e depende diretamente da energia empregada para um determinado regime de usinagem, bem como da freqüência. McGeough (1988) cita que esse parâmetro é também dependente de uma faixa muito grande de propriedades do material da peça a ser usinada como o ponto de fusão, por exemplo, além de ser influenciado pelas propriedades do eletrodo-ferramenta e por fatores geométricos, tais como forma e dimensões da ferramenta e da peça. A relação de desgaste é a razão entre o volume de material removido da peça e o volume de material gasto do eletrodo-ferramenta. Weller (1984) a define como um método conveniente para definir as características de desgaste de vários materiais usados na confecção de eletrodo-ferramenta, em diferentes condições de usinagem. Segundo Pandey (1985), a relação de desgaste é dependente das propriedades físicas e químicas desses materiais. O ponto de fusão, por exemplo, é citado como uma das propriedades que mais afeta a taxa de desgaste do eletrodo, sendo, portanto, uma das variáveis de maior influência, porém, outros fatores que exercem influência sobre a relação de desgaste, tais como: taxa de remoção de material, área da seção transversal dos eletrodos, conformação do eletrodo-ferramenta e a complexidade da forma geométrica que se deseja usinar tornam-se relevantes para a eficiência do processo. Segundo Lima e Corrêa (2006), a peça usinada pelo processo de eletroerosão apresenta sua superfície encoberta por camadas de material da própria peça que, ao sofrer a descarga elétrica, funde-se e, em seguida, se solidifica. Essa camada superficial é gerada pelas altas temperaturas na superfície que variam entre 10 a 50 mil graus Celsius, muito superior à própria temperatura de fusão do material usinado, no caso do aço, é em torno de 1560 graus Celsius. Essa camada superficial gerada é dura e de difícil polibilidade, ao contrário da superfície usinada em fresamento, que não gera camada superficial. A Figura 6 (no detalhe ampliado) mostra o exposto.

230 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 30 Figura 6: Microtrincas geradas em peça usinada pelo processo de eletroerosão (Fonte: LIMA e CORRÊA, 2006) A camada branca, gerada pelo processo de eletroerosão, caracteriza-se essencialmente pelo efeito térmico de austenitização e rápida têmpera superficial do material, sendo responsável pelo incremento da austenita retida superficial. Pela alta temperatura gerada na interface peça-eletrodo, gera-se, além da camada branca, microtrincas que diminuem drasticamente a resistência mecânica da superfície, implicando na vida útil do molde (NAVAS et al, 2007). Um molde necessita de uma boa resistência aos esforços cíclicos, pois sofre constantes choques térmicos durante o ciclo de injeção. Esses choques térmicos são propícios para a propagação das possíveis microtrincas geradas pelo processo de EDM. Isso se deve à entrada do material plástico quente e posterior resfriamento do produto ainda na cavidade, através de água ou outro líquido refrigerante. Além das implicações de resistência mecânica, oriundas do processo de EDM, deve-se considerar o expressivo tempo despendido nesse processo, onde estão envolvidos: o modelamento do eletrodo (CAD), a programação da fabricação do eletrodo (CAM), a usinagem do eletrodo (CNC), e o tempo do processo de eletroerosão. Na fabricação de moldes e matrizes, a eletroerosão é aplicada para realizar a usinagem de regiões onde a fresa não pode alcançar, por limitações geométricas. Portanto, todo processo de fabricação, capaz de reduzir ou eliminar o processo de EDM, pode representar uma significativa otimização. Nesse conceito, o fresamento

231 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 31 com 5 graus de liberdade passa a ser valorizado, pois permite usinar regiões inviáveis pelo fresamento 3 eixos, reduzindo assim as operações de eletroerosão. Este trabalho de mestrado avalia este caso Processo de fresamento de moldes Segundo Diniz et al (1999), o processo de fresamento é a operação com maior capacidade de remoção de material. Conforme a disposição dos dentes ativos da fresa durante o corte, o fresamento pode ser classificado em dois tipos sendo: fresamento tangencial e fresamento frontal. No primeiro caso, a superfície que está sendo gerada é paralela ao eixo da fresa, enquanto no fresamento frontal a superfície gerada é perpendicular ao eixo. No fresamento de superfícies complexas, o contato ferramenta-peça altera-se constantemente, tornando o processo instável, devido às constantes alternâncias entre o fresamento frontal e tangencial. O estudo realizado por Souza (2004) evidencia a grande alteração do processo de corte nessas condições, alterando fortemente a força de usinagem e a qualidade da superfície usinada. O posicionamento da ferramenta em relação à peça torna-se importante para o acabamento superficial. Conforme o ângulo de contato formado entre o par ferramenta-peça, pode-se melhorar o nível de acabamento da superfície usinada (CHEN et al, 2005); BOUZAKIS et al,1999). Souza (2004) também conclui que, com o centro de uma ferramenta de ponta esférica deslocado da região de corte, há uma melhora no acabamento superficial e uma diminuição dos esforços decorrentes do processo. Diante desse posicionamento entre o par peça-ferramenta, observa-se melhor aproveitamento da aresta de corte e, conseqüentemente, melhor desempenho. Na usinagem 5 eixos, é possível manter o centro da ferramenta fora do corte, dentro dos limites cabíveis, como ilustra a Figura 7 (CHEN et al, 2005).

232 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 32 Zw θ Zc Cw Onde: Zw: Eixo original de trabalho em Z. Xw: Eixo original de trabalho em X. Zc: Eixo modificado de trabalho em Z. Θ: Ângulo de inclinação para o plano de trabalho modificado. Xw Figura 7: Contato da aresta de corte com o plano de trabalho θ (Fonte: CHEN et al, 2005) Dessa forma, o fresamento em 5 eixos possibilita maior flexibilidade, podendo trabalhar com a ferramenta em uma posição mais propícia ao processo de corte. Outra ocasião bastante propícia ao fresamento 5 eixos é encontrada nos casos de usinagem de difícil acesso, utilizando apenas 3 eixos. O fresamento 5 eixos pode propiciar redução do comprimento de fixação das ferramentas (balanço). A Figura 8 ilustra esse caso. A redução do comprimento de balanço é importante para estabilidade do processo de corte. Figura 8: Possibilidade de acesso da ferramenta de corte

233 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 33 Tradicionalmente, na fabricação de moldes, aplica-se a usinagem por fresamento em 3 eixos (X, Y, Z). Dependendo da geometria a ser usinada, o processo fica inacabado em algumas regiões devido à limitação de acessibilidade aos cantos e alguns perfis. Nesse caso, operações de eletroerosão são necessárias. O processo tradicional para fabricação de moldes, segundo Souza e Bonetti (2007), normalmente, envolve as seguintes etapas: a) Desbaste: Operações de fresamento CNC, partindo de um material em estado bruto. Essa operação é executada em 2½ eixos, pois a ferramenta é posicionada em uma determinada altura em Z e depois executa movimentos em dois eixos, para remoção de material desse nível. Quando a remoção de material é finalizada, a ferramenta se posiciona em uma nova altura em Z (definida pela profundidade de corte), remove o material desse plano, repetindo o processo até a conclusão do desbaste (CHOI e JERARD, 1998). Normalmente, além do sobremetal teórico para ser removido na operação final de acabamento, um excedente de material permanece na peça, por limitações geométricas do processo, conforme estudado por CAPLA (2006). b) Alívio de cantos e pré-acabamento: essas 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 não alcança, devido a limitações geométricas. c) Acabamento por fresamento: essa é uma operação de fresamento CNC tridimensional, utilizando 3, 4, ou 5 graus de liberdade, conforme a disposição da máquina-ferramenta. Essa operação visa remover todo material excedente das operações anteriores e obter a melhor qualidade superficial possível no fresamento. A Figura 9 ilustra algumas opções de trajetórias de ferramenta para a usinagem de uma superfície semi-esférica (BITTENCOURT, 2006). Cada estratégia de usinagem pode ser mais adequada para uma geometria específica, como áreas planas, inclinadas, côncavas e convexas. Na usinagem de superfícies complexas, dependendo do grau de curvatura da superfície, a escolha da estratégia de corte é de grande importância para obtenção de uma superfície de melhor

234 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 34 qualidade. Souza et al (2008), avaliaram a influência de diferentes estratégias de corte na qualidade superficial e no tempo total de fabricação de um molde para injeção de plástico. Trajetórias 3D Offset Espiral Radial ascendente Radial descendente Passes paralelos Figura 9: Principais trajetórias de ferramentas para acabamento de moldes (Fonte: BITTENCOURT, 2006) Considerando o fresamento 5 eixos e as trajetórias exemplificadas pela Figura 9, a ferramenta pode percorrer traçados semelhantes, com inclinações na ferramenta, a fim de obter melhor posicionamento da mesma. No fresamento 3 eixos, a trajetória da ferramenta segue a orientação em relação aos vetores paralelos ao eixo da ferramenta, conforme ilustra a Figura 10a (sentido vertical, eixo Z). No fresamento 5 eixos, a ferramenta pode obedecer a uma inclinação conforme o vetor normal à superfície (Figura 10b) (CHOI e JERARD, 1998). Fig. a: Fresamento 3 eixos. Vetor da trajetória paralelo ao eixo vertical. Fig. b: Fresamento 5 eixos. Vetor da trajetória pode ser relacionado ao vetor normal à superfície Figura 10: Movimento da ferramenta em relação aos vetores paralelos ao seu eixo A movimentação de um ponto A para um ponto B, na trajetória em 5 eixos, pode ocasionar deslocamentos translacionais e rotacionais simultaneamente ou não. A Figura 11a exemplifica a usinagem sem rotação de posicionamento entre a ferramenta e a peça (fresamento 3 eixos). A Figura 11b exemplifica uma usinagem

235 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 35 onde ocorre movimento rotacional em torno do eixo Y. A Figura 11c, uma usinagem em torno do eixo X. Essas rotações posicionais podem ocorrer simultaneamente e, dependendo da concepção da máquina, pode ocorrer pela rotação da ferramenta, pela rotação da peça ou pela rotação de ambas. Fig. a: Ferramenta paralela ao eixo Z Fig. b: Ferramenta rotacionada em relação ao eixo Y Fig. c: Ferramenta rotacionada em relação ao eixo x Figura 11: Diferentes eixos de inclinação entre o par ferramenta-peça Uma estratégia de usinagem muito utilizada no fresamento 5 eixos é denominada Swarf. Esta estratégia permite usinar com a lateral da ferramenta, enquanto percorre o contorno da peça, como ilustra a Figura 12. Figura 12: Usinagem com a lateral da ferramenta em estratégia Swarf (Fonte: DELCAM, 2005)

236 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 36 Langeron et al (2003) demonstram em seu estudo a necessidade de novos desenvolvimentos para cálculo das curvas de interpolação em 5 eixos, a fim de diminuir os pontos de controle e os pontos com descontinuidade das trajetórias da ferramenta, além da necessidade de buscar melhor controle das movimentações simultâneas dos eixos lineares em combinação com os eixos angulares. Segundo Lux (1999), no campo de fabricação de moldes, há um crescente aumento do processo de fresamento em altas velocidades (High Speed Machining HSM), para usinagem de aços endurecidos. Nessa indústria, materiais endurecidos são usualmente usinados por eletroerosão. Com a aplicação da usinagem HSM, a tendência é reduzir as operações de EDM nesses casos. Shulz (1997) foi um dos primeiros a reconhecer o potencial da tecnologia HSM, em especial para a área de fabricação de moldes. O autor conclui que o processo HSM reduz a força de usinagem, melhora a qualidade superficial, reduz a temperatura em detrimento da vida útil da ferramenta de corte (LONGBOTTON e LANHAM, 2006). Pasini e Zeilmann (2004) concluíram que as cavidades fabricadas em HSM apresentaram menor desgaste durante sua utilização e uma vida útil e produtividade maior em relação à mesma cavidade fabricada por EDM. Os autores também concluíram que a aplicação do processo HSM, em substituição ao processo por EDM, gerou ganhos nos seguintes quesitos: a) O tempo de processo de fabricação da cavidade foi até 75% menor; b) Melhor aspecto superficial e menor variabilidade dimensional; c) O custo do produto manufaturado referente à produção das cavidades teve uma redução global de 56% (R$ 0,09 por peça executada pela cavidade em EDM contra R$ 0,04 por peça executada pela cavidade fresada por HSM). O processo HSM, pode ser até 4 vezes mais rápido que os processos convencionais (SANDVIK, 2003), evidenciando o estudo apresentado por Pasini e Zeilmann (2004), ganhos reais em sua aplicação. Com a complexidade das geometrias dos moldes, a acirrada concorrência internacional e prazos de entrega cada vez mais curtos, o processo de fresamento a

237 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 37 altas velocidades, combinados com o processo de fresamento em 5 eixos, pode representar um diferencial competitivo. 2.3 Fundamentação usinagem 5 eixos Em 1958 a força aérea americana através de um projeto financiado pelo governo, executou um estudo para viabilidade de construção do primeiro centro de usinagem vertical em 5 eixos. A empresa CINCINNATI assinou um contrato para construir e testar uma versão eletrônica capaz de controlar 5 eixos em uma fresadora vertical. Por falta de tecnologia computacional na época, esse processo foi considerado impraticável. Somente com a evolução dos sistemas controladores CNC, das plataformas CAD/CAM e as pesquisas para desenvolvimento dessa tecnologia, é que foi possível a simulação e o controle das trajetórias em 5 eixos (HERRIN, 1995). Segundo Santos (2006), o número de eixos de uma máquina ferramenta, se refere ao número de graus de liberdade ou ao número de movimentos independentes controlados nos barramentos da máquina. Na programação CNC, os eixos principais são classificados como eixos geométricos. O eixo é uma direção segundo a qual se podem programar os movimentos relativos entre a ferramenta e a peça de forma contínua e controlada. A nomenclatura ISO usa um sistema de coordenadas, obedecendo a um plano de trabalho, o qual corresponde a dois eixos lineares de deslocamento e um eixo paralelo à ferramenta de corte. Além dos eixos cartesianos (X, Y e Z), na usinagem em 5 eixos, é atribuído uma possível rotação sob um eixo cartesiano, conforme ilustra a Figura 13.

238 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 38 Eixo A: Rotação em torno do eixo X Eixo B: Rotação em torno do eixo Y Eixo C: Rotação em torno do eixo Z Figura 13: Sistemas de coordenadas para 5 eixos (Fonte: SANTOS, 2006) Segundo Sakamoto e Inasaki (1993), as máquinas-ferramenta em 5 eixos, comerciais, estão classificadas em 3 grupos, conforme a combinação de eixos rotativos. Ao primeiro grupo, atribui-se o sentido de orientação na ferramenta (eixoárvore); ao segundo grupo podem-se atribuir rotações na mesa da máquina e na ferramenta e, no último grupo, as máquinas realizam as rotações de posicionamento apenas na mesa da máquina (Figura 14). Fig. a: Ferramenta com orientação Fig. b: Ferramenta e peça com orientação Fig. c: Somente peça com orientação Figura 14: Combinações de eixos para máquinas CNC s 5 eixos (Fonte: SIEMENS, 2003) Para cada caso e projeto de máquina, há graus de liberdade diferenciados, justificando o investimento do equipamento, conforme a gama ou tipo de peças a fabricar. Basicamente, os processo de usinagem por fresamento em 5 eixos pode ser empregado em 2 modalidades:

239 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 39 a) Usinagem 5 eixos posicionais (também conhecido como 3+2 eixos): Nesse processo ou máquina, a remoção de material é realizada em movimentações de 3 eixos. Entretanto, a máquina pode se posicionar em outras duas direções. Nesse caso, a programação CNC, assim como a verificação de colisões requer menor esforço. Essa aplicação beneficia, principalmente, a usinagem profunda ou regiões específicas, como ilustra a Figura 15. Usinagem em 5 eixos posicionais Figura 15: Usinagem em 5 eixos posicionais b) Usinagem 5 eixos simultâneos: Nesse caso, a remoção de material pode ser realizada em movimentações da ferramenta em 5 eixos, simultaneamente. Exige-se maior trabalho para programação CNC e a verificação de colisões. Entretanto, possibilita maior versatilidade de trabalho. Segundo Silva (2006), a grande aplicação para o fresamento em 5 eixos simultâneos está na operação de acabamento, a qual se caracteriza por uma pequena quantidade de material a ser removida e que necessita de condição constante de contato entre ferramenta e a superfície de trabalho. Essa técnica é indicada para usinagem de formas complexas. Tsutsumi e Saito (2004) estudaram a precisão de posicionamento e movimentação de uma máquina 5 eixos com eixos rotativos na mesa. Nesse trabalho, os autores concluem que a precisão da usinagem 5 eixos foi inferior à usinagem 3 eixos, devido à movimentação rotacionais dos eixos, que podem interferir na precisão de posicionamento no instante de corte. O procedimento experimental foi executado em uma máquina 5 eixos, com inclinações na mesa. Utilizando equipamento de inspeção de máquinas CNC (ballbar), foram verificados

240 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 40 os erros de movimentação, rotacionando os plano de trabalho em x, e em y. Os autores investigaram os erros provenientes da movimentação sincronizada dos eixos que pode e deve ser controlado e corrigido na própria máquina CNC. Os erros encontrados nessa investigação estavam na ordem de 45 µm. Não foram avaliadas a precisão de movimentação sincronizada de máquina em 5 eixos simultâneos. Neste trabalho foi avaliado o processo de fresamento 3 e 5 eixos simultâneos para a fabricação de formas complexas de moldes para injeção. Foram avaliados os tempos envolvidos para que o corpo de prova proposto fosse totalmente concluído, os custos e a qualidade dimensional da geometria usinada pelos dois métodos de fresamento. 2.4 Operações de fresamento em 5 eixos Langeron et al (2003) desenvolveram um algoritmo de trajetória de ferramenta em sistema CAM para suavizar os movimentos dos 5 eixos simultâneos através interpolações polinomiais a fim de obter melhor definição da trajetória e da compensação da ferramenta em superfícies complexas. Nesse estudo esse algoritmo foi testado em diferentes máquinas CNC, a fim de verificar o acabamento superficial e tempos de usinagem. Em todas as máquinas avaliadas, apresentou redução dos tempos de usinagem e melhora do acabamento superficial. So et al (2007) propuseram um algoritmo para estimar, de forma mais precisa, o tempo real de usinagem para o fresamento 5 eixos. Tsutsumi e Saito (2004) propuseram um método de controle dimensional para avaliar os desvios posicionais e angulares de trajetórias em 5 eixos. Munlin et al (2004) desenvolveram um algoritmo para minimizar os erros e invasões na superfície usinada por fresamento 5 eixos, empregando fresas de topo plana com raio (toroidal). Becze et al (1999) propuseram um modelo matemático para prever os esforços e os mecanismos de desgaste de ferramentas em usinagem por fresamento 5 eixos de aços endurecidos Houve o estudo da morfologia do cavaco e a vida da ferramenta em fresamento 5 eixos. Os autores concluíram que não houve incremento significativo na vida da ferramenta, durante o fresamento 5 eixos de desbaste e nem de semi-acabamento com relação ao fresamento 3 eixos. Somente no acabamento houve um significativo aumento da vida da ferramenta, na

241 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 41 ordem de 60%. Questões sobre tempos, custos e desvios geométricos de fabricação não foram abordados. Os autores se fixaram na avaliação dos principais mecanismos de desgastes resultantes do fresamento 5 eixos. Ilushin et al (2005) e Marino et al (1998) estudaram a otimização dos tempos de cálculo para realizar a simulação e detecção de colisões na usinagem 5 eixos. Baptista e Simões (1999) estudaram a influência dos principais parâmetros de usinagem no fresamento 3 e 5 eixos de superfícies complexas, para redução dos tempos de acabamento manual (polimento) das superfícies acabadas. Os autores compararam os dois processos através de medição de rugosidade da superfície usinada, e nesse estudo, não foram avaliados os custos envolvidos no processo de fabricação nem os erros geométricos ocorridos em ambos os processos de usinagem. Bouzakis et al (1999) propuseram a otimização das condições de corte no fresamento 5 eixos, empregando diferentes ângulos de inclinação da ferramenta ao longo da superfície usinada. Obtiveram resultados significativos relativos ao acabamento superficial e otimização das condições de corte. Lim et al (2002) estudaram o acabamento superficial na usinagem 5 eixos de aletas de turbinas contendo paredes finas. Foram realizadas usinagens com diferentes orientações de corte e trajetórias. Os autores avaliaram 8 condições de corte e somente uma apresentou acabamento aceitável, sem vibrações durante processo. O detrimento da qualidade, segundo os autores, ocorreu na maioria dos casos devido a vibrações durante a usinagem. A vibração foi reduzida em um dos casos, devido à orientação da trajetória. Silva (2006) estudou a influência da integração entre os sistemas CAD e CAM para o fresamento 5 eixos de componentes de turbinas a gás e concluiu que problemas e limitações das trajetórias calculadas pelo CAM, tais como invasões da ferramenta na peça, ocorrem em função da qualidade da geometria modelada no CAD. Descontinuidades na superfície modelada podem ocasionar erros de cálculos das trajetórias. A descontinuidade se caracteriza por um ponto na curva onde haja interrupção da curvatura. Isso é ilustrado na Figura 16a e evidenciado graficamente na Figura 16b.

242 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 42 Figura 16: (a) Curva descontínua, problemas na modelagem da superfícies. (b) Gráfico de curvatura. (Fonte: SILVA, 2006) Gomes et al (2005) compararam o acabamento e o ciclo de fabricação para cavidade de um componente automotivo fresando dois corpos de prova, um em 3 eixos e outro em 5 eixos simultâneos. Na cavidade onde foi feito o fresamento em 3 eixos, adotou-se a estratégia em 3D offset. A Figura 17 ilustra a trajetória da ferramenta, conforme simulação. Figura 17: Cavidade usinada em estratégia 3D offset (Fonte: GOMEZ et al, 2005) Para o experimento em 3 eixos, foi utilizada uma ferramenta de diâmetro de 4 mm com 2 facas de corte. Na cavidade onde foi feito o fresamento em 5 eixos simultâneos, foi adotada a estratégia em Swarf, que se caracteriza como na utilização da lateral da ferramenta, acompanhando o perfil (superfície), reduzindo o número de incrementos transversais. A Figura 18 ilustra a trajetória da ferramenta Swarf 5 eixos.

243 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 43 Figura 18: Cavidade usinada em estratégia 5 eixos SWARF (Fonte: GOMES ET AL, 2005) Após a realização do experimento de usinagem, os autores obtiveram os seguintes resultados: a) O tempo de usinagem foi de 27 minutos para a usinagem em 3 eixos e 1 minuto e 20 segundos para a usinagem 5 eixos, evidenciando o importante potencial de redução no processo de fabricação por usinagem 5 eixos, nesse caso. b) Segundo os autores, para a geração de programas 5 eixos, houve demanda maior de tempo para o modelamento CAD e para os cálculos e simulações em 5 eixos, devido à complexidade do processo. c) A média da rugosidade para a usinagem em 3 eixos, no sentido ortogonal, o valor Ra foi de 2,7 µm, enquanto para a usinagem 5 eixos, no mesmo sentido, foi obtido Ra igual a 4,28 µm. Verificou-se maior valor de rugosidade na peça fresada por 5 eixos. Como concluem os autores, esse fato ocorreu porque o diâmetro da ferramenta era pequeno e, provavelmente, houve flambagem da haste durante a usinagem. Nesse trabalho não estão evidenciadas questões relativas a possíveis áreas para eletroerosão nem os custos envolvidos nos processos 3 e 5 eixos. Também não foram considerados os possíveis erros geométricos entre os processos. Diversos trabalhos de pesquisas, na área de usinagem por fresamento em 5 eixos, podem ser encontrados na literatura. Esses trabalhos estão, muitas vezes, focados no desenvolvimento das tecnologias relacionadas à aplicação da usinagem 5 eixos, tais como: algoritmos para cálculo e simulação de trajetórias 5 eixos;

244 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 44 desenvolvimento de novas configurações de máquinas-ferramenta; rotinas e sistemas de comando e controle numérico; precisão do processo, etc. Entretanto, trabalhos que investigam os tempos de fabricação, custos envolvidos e qualidade da usinagem, comparando ao fresamento tradicional (3 eixos) e o 5 eixos para a fabricação de moldes e matrizes, ainda são incipientes, embora fundamentais. Com isso, a relevância do trabalho ora desenvolvido é avaliar sistematicamente os processos de fresamento de moldes, empregando as técnicas de 3 e 5 eixos, onde foram considerados: a) Os tempos de planejamento e programação da usinagem via software CAD/CAM, para os processos 3 e 5 eixos; b) Avaliação das áreas remanescentes para eletroerosão, para ambos os casos; c) Tempos de fresamento das cavidades e fresamento dos eletrodos necessários para cada processo de usinagem; d) Tempo de usinagem por eletroerosão para cada processo; e) Custos envolvidos para implantação de cada tecnologia; f) Custos envolvidos em cada processo; g) Avaliação geométrica do perfil usinado por ambos os processos.

245 Capítulo 3: Procedimento Experimental 45 3 TRABALHO EXPERIMENTAL Com o objetivo de estudar e avaliar os processos de fresamento 3 e 5 eixos para a fabricação de moldes, foi definida uma geometria para o corpo de prova a fim de representar, em suas formas geométricas, características comumente encontradas nesta indústria. Foram fabricados dois corpos de prova empregando ambos processos de fresamento. O procedimento experimental foi auxiliado pelos profissionais da SOCIESC Ferramentaria, e teve início no setor de projeto e fabricação, onde foram definidos o modelo geométrico e as estratégias de fabricação e fresamento. Após a conclusão dessa etapa, o trabalho se concentrou na fabricação dos dois corpos de prova utilizando as técnicas de fresamento 3 e 5 eixos. Na seqüência foram realizadas operações de usinagem por eletroerosão, necessárias para a remoção de material nas regiões onde a ferramenta de fresamento não pôde alcançar. Obteve-se uma significativa redução das regiões de eletroerosão para o fresamento 5 eixos. Foram quantificadas estas reduções, em termos de área, tempo de fabricação dos eletrodos, tempo de eletroerosão e a repercussão ao custo de fabricação. Após executar a fabricação dos dois corpos de prova e realizar uma avaliação detalhada entre os processos de fresamento, foi realizada a inspeção geométrica das superfícies usinadas e uma avaliação dos erros de forma ocasionados por cada método. O custo e o investimento dos processos de usinagem 3 e 5 eixos foram avaliados. Para auxiliar a visualização do procedimento experimental realizado, a Figura 19 apresenta todas as etapas e sub-etapas realizadas. O item Método de Avaliação foi detalhado com mais ênfase a fim de propiciar uma avaliação e comparação criteriosa entre os processos de fabricação estudados. O procedimento experimental está então subdividido nos tópicos de materiais e equipamentos, corpo de prova e métodos de avaliação.

246 Capítulo 3: Procedimento Experimental 46 Trabalho experimental Materiais e equipamentos Corpo de prova Parâmetros de processos Métodos de avaliação Avaliação dos erros geométricos Custos de fabricação Tempos de fabricação Calibração da MMC Custo total de fabricação Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Inspeção das superfícies Custo de fabricação por processo Amortização do investimento Tempos para fresamento da geometria Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão Figura 19: Escopo de processo para o procedimento experimental O procedimento experimental encontra-se detalhado a seguir. 3.1 Materiais e equipamentos Nesta seção são descritos os recursos empregados para o experimento como materiais, máquinas e programas computacionais necessários para obtenção e avaliação dos resultados experimentais Material utilizado Metals. A matéria-prima dos corpos de prova foi o aço VP20 ISO, fornecido pela Villares

247 Capítulo 3: Procedimento Experimental 47 Os aços empregados na fabricação de moldes necessitam ter características específicas como polibilidade e usinabilidade superior em relação aos outros aços ferramentas (MESQUITA e BARBOSA, 2004). A Tabela 1 apresenta os principais elementos químicos presentes na composição do VP20. Tabela 1: Composição química do aço VP20 Villares Similares ABNT-SAE DIN Wnr C % Mn % Cr % Ni % S % Mo % VP 20 ISO P ,36 1,60 1,80 0,70 <0,003 0,2 0 Dureza de utilização Hrc Sendo um aço destinado à fabricação de moldes para injeção de plásticos o mesmo é fornecido beneficiado com HRC, conferindo-lhe uma boa usinabilidade e excelente polibilidade. Mesquita e Barbosa (2004) avaliam que o compromisso de boa usinabilidade e polibilidade está relacionado ao teor de enxofre. Este elemento forma inclusões com o manganês, tipo MnS o que diminui o grau de polibilidade. Nesse contexto, o aço VP20 é produzido com baixo teor de enxofre e submetido a um tratamento com cálcio, durante o refino secundário na aciaria. No refino secundário o teor residual de cálcio será o responsável pela modificação do tipo e das inclusões, melhorando a usinabilidade sem perdas das características importantes para uma polibilidade superficial. A Figura 20 ilustra um dos blocos de matéria-prima utilizados no experimento. Figura 20: Bloco de aço VP20 ISO empregado no experimento Máquinas-ferramenta e acessórios O fresamento foi realizado em dois centros de usinagem verticais Deckel Maho de alta velocidade. O modelo DMU60 (Figura 21) possui como sua principal característica 5

248 Capítulo 3: Procedimento Experimental 48 eixos simultâneos com capacidade de deslocamento de X 630 mm, e Y 560 mm e Z 560mm podendo atingir a velocidade de avanço máximo em mm/min. O modelo DMC 104V LINEAR (Figura 22) com programação de 3 eixos simultâneos e capacidade de deslocamento de mm em X e 600 mm nas direções Y e Z e deslocamento máximo de velocidade de avanço de até mm/min, acionada por motores lineares. A potência para ambas as máquinas é de 19KW em rotação máxima de RPM. Ambas também estão equipadas com o CNC Heidenhain ITNC versão 530. Foi utilizado um sensor a laser para inspeção dimensional da ferramenta e também o sensor de contato eletrônico para realizar o referenciamento e dimensional do bloco de matéria prima na máquina (Heidenhain TS640 na máquina DMC 104V e Renishaw MP10 na máquina DMU 60). Figura 21: Máquina ferramenta Deckel Maho DMU 60 Figura 22: Máquina ferramenta Deckel Maho DMC 104V linear O sistema de fixação de ferramentas empregado nos experimentos foi o sistema térmico SRK da ISCAR, padrão ISO 40 para a DMC 104V e HSK 63 para DMU 60. Esse sistema faz a troca de ferramentas através de aquecimento por indução em equipamento específico. O formato cônico permite um melhor acesso à geometria a ser usinada (Figura 23a).

249 Capítulo 3: Procedimento Experimental 49 Fig. a: Cone Térmico Fig. b: Cone com fixação mecânica Figura 23: Cones utilizados no experimento Como estudo adicional, através de simulação com o software CAM, também foi empregado o cone com fixação mecânica por pinça ER 40, ilustrado na Figura 23b. Este tipo de fixação ainda amplamente empregado na indústria de ferramentaria. O objetivo foi verificar as limitações desse sistema de fixação para a fabricação de geometrias complexas. A usinagem por eletroerosão dos corpos de prova foi realizada em uma máquina CNC Charmilles Roboform 40 (Figura 24), com capacidade para tamanho de peças de até 370 x 1000 x 700 mm e curso em X de 500 mm, Y de 400 mm e Z de 450 mm tendo 64 Ampéres de corrente máxima de trabalho. Figura 24: Máquina por eletroerosão utilizada no experimento

250 Capítulo 3: Procedimento Experimental 50 Os dois corpos de prova foram inspecionados em uma máquina de medir por coordenadas Mitutoyo, com capacidade de medição em X 700 mm em Y 1000 mm e Z 500 mm. Essa máquina possui certificado NBR ISO/TEC17025, cuja emissão é realizada por laboratório acreditado à Rede Brasileira de Calibração. A Figura 25 ilustra o corpo de prova nos procedimentos de medição. Figura 25: Cavidade do experimento na máquina de medir por coordenadas A incerteza da máquina de medir por coordenadas, segundo o fabricante é de 5 µm e isso foi avaliado previamente através de um procedimento com uma esfera padrão, como consta no Apêndice Programas computacionais utilizados Para a geração dos programas CNC e modelamento da geometria de estudo foram utilizados dois programas computacionais CAD/CAM disponíveis na instituição: o Power Shape Versão 7.2 e o Powermill Versão 8.0. Estes softwares são desenvolvidos pela empresa Delcam International plc. Para o gerenciamento dos tempos e custos de fabricação foi utilizado o software CPS Versão 3.0 da empresa GRV Software. Para os resultados do experimento referente ao dimensional da superfície foi empregado o software 3D Tool na máquina de medir por coordenadas do laboratório de metrologia da SOCIESC.

251 Capítulo 3: Procedimento Experimental 51 Após a coleta de dados na máquina de medir por coordenadas, tornou-se necessário o processamento dos mesmos. Para essa finalidade foi utilizado o software estatístico Minitab para geração de gráficos e análise dos resultados. 3.2 Geometria do corpo de prova Foi realizado um breve estudo para definir a geometria do corpo de prova. Encontrou-se na geometria de um agitador para máquinas de lavar roupas, a forma adequada para ser utilizada no estudo proposto. Esta geometria contém um contorno em espiral e relativa profundidade, fazendo-se necessária uma análise minuciosa dos processos e estratégias de fabricação, para a fabricação do respectivo molde. A Figura 26 ilustra a geometria do corpo de prova, o qual representa um molde de injeção para a fabricação do agitador de uma máquina de lavar roupas. A região ilustrada em amarelo representa a região de produto e em azul, as superfícies de fechamento da cavidade do molde. Essas duas regiões fazem fronteiras entre si, separando o produto da área de fechamento do molde. Esta região deve possuir elevada precisão, pois representa a vedação entre as cavidades do molde, evitando rebarbas e imperfeições na peça injetada. Figura 26: Geometria da cavidade do agitador da máquina lavar roupas em 3D

252 Capítulo 3: Procedimento Experimental 52 A escolha da geometria do agitador permite uma avaliação detalhada de importantes aspectos para o fresamento 3 e 5 eixos. Esses aspectos envolvem todos os requisitos tecnológicos de processo, planejamento e execução para cada etapa de fabricação necessária para obtenção dos tempos, custos e desvios geométricos em cada tipo de fresamento. 3.3 Parâmetros de processos Neste item estão apresentados os parâmetros de usinagem para os processos de fresamento dos corpos de prova e dos eletrodos, assim como os parâmetros de eletroerosão Parâmetros de corte para fresamento 3 eixos Os parâmetros de cortes para o experimento foram escolhidos de acordo com as recomendações de catálogo técnico dos fornecedores das ferramentas (METALWORKING, 2007; MILLING TOOLS, 2007). As características das ferramentas de cortes foram definidas com auxílio do programador CNC para cada operação de desbaste, pré-acabamento e acabamento final. A Tabela 2 ilustra todas as ferramentas e parâmetros empregados nesse experimento. Tabela 2: Parâmetros de corte utilizado no experimento em fresamento 3 eixos Ferramenta [mm] RPM F (mm/min) ap[mm] (Prof. de corte axial). ae[mm] (Prof. de corte radial). Diâmetro 63 raio % diâmetro Diâmetro 25 raio % diâmetro Diâmetro 12 raio Diâmetro 12 raio % diâmetro Diâmetro 6 raio Diâmetro 3 raio 1, Diâmetro 2 raio

253 Capítulo 3: Procedimento Experimental 53 Esse valores estão inseridos nos planos de usinagem gerados pelo CAM que se encontram no Apêndice Parâmetros de corte para fresamento 5 eixos O mesmo critério foi utilizado para a seleção e escolha das ferramentas e parâmetros de corte para o fresamento em 5 eixos. A Tabela 3 ilustra todas as ferramentas e parâmetros empregados nesse experimento. Tabela 3: Parâmetros de corte utilizado no experimento em fresamento 5 eixos Ferramenta [mm] RPM F (mm/min) ap[mm] (Prof. de corte axial). ae[mm] (Prof. de corte radial). Diâmetro 63 raio % diâmetro Diâmetro 20 raio % diâmetro Diâmetro 25 raio % diâmetro Diâmetro 10 raio 0, % diâmetro Diâmetro 12 raio % diâmetro Diâmetro 12 raio Diâmetro 4 raio Diâmetro 3 raio 1, No Apêndice 5, multimídia, todos os planos de usinagem gerados pelo CAM são apresentados com os detalhamentos das ferramentas empregadas e parâmetros de trabalho Usinagem dos eletrodos Os parâmetros e ferramentas empregados no fresamento dos eletrodos são apresentados na Tabela 4. Os eletrodos foram fresados em 3 eixos.

254 Capítulo 3: Procedimento Experimental 54 Tabela 4: Parâmetros de corte utilizado no experimento no fresamento dos eletrodos Ferramenta [mm] RPM F (mm/min) ap (Prof. de corte axial). ae (Prof. de corte radial). Diâmetro 25 raio 0, % diâmetro Diâmetro 12 raio 0, % diâmetro Diâmetro 6 raio 0, % diâmetro Diâmetro 4 raio 0, % diâmetro Diâmetro 4 raio Diâmetro 2 raio Diâmetro 1 raio 0, Usinagem do corpo de prova por eletroerosão Os parâmetros do processo de usinagem por eletroerosão empregados foram recomendados pelo fabricante da máquina CHARMILLES (1993) e estão apresentados na Tabela 5. Tabela 5: Parâmetros aplicados no processo de eletroerosão para as duas cavidades Processo Taxa de remoção Taxa de desgaste do Acabamento (mm³/min) eletrodo (%) superficial (Ra) Desbaste ,6 Pré-acabamento ,2 Acabamento 3, ,6 Nota-se, na Tabela 5, que quanto menor a taxa de remoção de material empregada, maior o desgaste do eletrodo e melhor o acabamento superficial. Isso ocorre devido ao tamanho da faísca se concentrar em intervalos menores diminuindo o gap de contato entre peça e eletrodo gerando uma sobrecarga de corrente na superfície do eletrodo promovendo um maior desgaste do mesmo.

255 Capítulo 3: Procedimento Experimental Métodos de avaliação Com o objetivo de avaliar e comparar os processo de fresamento 3 e 5 eixos para a fabricação do corpo de prova, foram obtidas como variáveis de resposta: a) Os tempos de fabricação. b) Custos. c) Erros de forma. Estas variáveis de resposta e o método de avaliação foram detalhados a seguir Tempos de fabricação Os tempos de fabricação avaliados nesse trabalho foram subdivididos para os seguintes processos: a) Tempos envolvidos na programação CAD/CAM. b) Tempo para fresamento da geometria. c) Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão. Inicialmente, duas definições são utilizadas para realizar avaliações dos tempos de fabricação em cada processo: a) Tempo específico de processo. É o tempo de cada etapa de fabricação. Neste caso não são considerados os tempos não produtivos, tais como preparação e parada de máquina. São identificados o início e final de cada operação. Para obtenção deste tempo foram empregados recursos de software, como é o caso dos processos de usinagem CNC, fresamento e eletroerosão. Os tempos das etapas CAD/CAM foram cronometrados manualmente. b) Tempo total de processo. É o tempo real para fabricação, o qual repercute diretamente no custo de fabricação. Neste caso são computados os tempos de preparação de máquina e todos os demais tempos improdutivos que são contabilizados no orçamento de um trabalho industrial. Neste caso, os tempos totais de processo foram obtidos pelo software de planejamento e controle de produção, CPS versão 3.0 disponível na instituição, que oferece uma ferramenta para apontamento eletrônico dos tempos totais de processo. Cada início e fim de atividade são computados no sistema pelos profissionais envolvidos em cada processo avaliado.

256 Capítulo 3: Procedimento Experimental Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Para obtenção detalhada dos tempos envolvidos na programação CAD/CAM, os tempos específicos de processo foram divididos nas seguintes sub-etapas: a) Tempo de análise da geometria: o usuário deve definir os processos envolvidos conforme a geometria e sua complexidade que refletem diretamente na estratégia de cálculo de percurso da ferramenta. Essa sub-etapa contempla a necessidade ou não de eletrodos para regiões críticas da geometria onde o acesso da ferramenta não é possível resultando em áreas sem acabamento. O programador de fabricação nessa sub-etapa seleciona os tipos de ferramentas, parâmetros de corte e estratégias de usinagem de acordo com as operações de desbaste, préacabamento e acabamento. b) Tempo de cálculo: É o tempo necessário para o software CAM calcular o percurso da ferramenta. Foram avaliados os tempos consumidos no desbaste, pré-acabamento e acabamento. Esse tempo é influenciado diretamente pelas definições das fronteiras e das estratégias adotadas. c) Tempo de simulação: É o tempo necessário para o software CAM verificar possíveis colisões ou invasões da ferramenta em regiões fora dos critérios especificados pelo processo. d) Tempo de pós-processamento: É o tempo necessáiro para a conversão do arquivo CLF em linguagem máquina (programa CNC). e) Tempo para definição dos processos de eletroerosão: É o tempo consumido para definir as etapas de eletroerosão. Inicia-se no modelamento CAD dos eletrodos para as regiões remanescentes. Na seqüência, são executadas as usinagens dos eletrodos, obtendo-se os tempos necessários para o cálculo das trajetórias e simulação dos mesmos, via software CAM. A Figura 27 auxilia a visualização do método proposto para avaliação dos tempos envolvidos em programação CAD/CAM. Esta estrutura é empregada para a fabricação das duas cavidades estudadas.

257 Capítulo 3: Procedimento Experimental 57 Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Tempo de análise Tempo de cálculo Tempo de simulação Tempo de pósprocessamento Tempo para definição dos processos de eletroerosão Definições para as regiões de usinagem por fresamento Desbaste Pré-acabamento Modelamento CAD Definições para as regiões de usinagem por eletroerosão Acabamento Definição para usinagem dos eletrodos Tempos de cálculos para os eletrodos Tempos de simulação para os eletrodos Figura 27: Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Através da somatória total dos tempos requeridos pela etapa envolvendo sistemas CAD/CAM foram realizadas as avaliações dos processos. Esses tempos foram devidamente preenchidos em uma tabela de tempos, especialmente formulada para monitoramento dessas sub-etapas do processo, apresentado no Capítulo Tempo de fresamento da geometria Esta operação consiste na usinagem principal das cavidades. O tempo específico de processo é obtido pelo CNC. Esse tempo ocorre no momento que o operador realiza o início de operação até o momento que a máquina encerra o processo. Esse tempo fica

258 Capítulo 3: Procedimento Experimental 58 armazenado no relógio do CNC e foi devidamente registrado pelo operador na ficha de processo Tempo do processo de usinagem por eletroerosão Para o processo de eletroerosão os seguintes tempos foram computados: a) Tempo de fresamento dos eletrodos: é o tempo empregado para construção dos eletrodos. b) Tempo de preparação da máquina: é o tempo para os devidos alinhamentos da peça e do eletrodo na máquina de eletroerosão, escolha dos parâmetros tecnológicos e preparação do programa para início do processo. c) Tempo de usinagem por eletroerosão: É o tempo real de usinagem, para desbaste e acabamento. Um comparativo das áreas remanescentes deixadas por fresamento 3 e 5 eixos ilustram as diferenças encontradas no processo de eletroerosão. Um estudo adicional foi realizado para avaliar o alcance da ferramenta de corte na superfície do corpo de prova utilizando o sistema CAD/CAM. Com esse propósito foi realizado um levantamento das áreas (mm²) de material remanescente do fresamento 3 e 5 eixos, onde tornou-se necessário o acabamento da superfície pelo processo de eletroerosão. A usinagem por fresamento foi realizada com sistema de fixação térmico SRK (conforme ilustrado na Figura 23) Custos de Fabricação Os seguintes critérios foram levados em consideração para o levantamento de custos: a) Tempos total de processo (tempo obtido pelo sistema CPS). b) Custo hora/máquina (Tabela 6). c) Materiais empregados para confecção do corpo de prova.

259 Capítulo 3: Procedimento Experimental 59 A Tabela 6 apresenta o custo/hora de fabricação para cada processo. Esses valores são os atuais custos da SOCIESC Ferramentaria no ano de Tabela 6: Tabela custo hora/processo Processo Custo/hora CAD/CAM R$34,04 Eletroerosão R$39,79 Fresa Alta Velocidade 3 e 5 eixos R$63,23 O custo da matéria prima é calculado multiplicando-se o peso necessário para fabricação da geometria pelo custo em R$/Kg. Para o aço VP 20 o custo foi de R$ 13,00/KG + 5 % IPI e o cobre foi de R$ 34, % IPI (cotação de maio/2008). Ao término dos experimentos, foram levantados os custos envolvidos Verificação dos erros geométricos A análise dimensional tem por objetivo identificar os erros geométricos das superfícies usinadas pelo processo de fresamento 3 e 5 eixos. Com a integração entre softwares CAD/CAI e a máquina de medir por coordenadas, foi possível medir os erros geométricos das superfícies fresadas, nas principais regiões da cavidade, que são as superfícies de fechamento do molde e as superfícies do produto. Foram definidas três regiões para análise, conforme ilustrado na Figura 28.

260 Capítulo 3: Procedimento Experimental 60 Região do Fechamento Principal Região do Fechamento Secundário Região do Produto Figura 28: Regiões selecionadas para avaliar os erros dimensionais dos corpos de prova Para avaliação do processo de inspeção, foram escolhidos 10 pontos para a região do produto e 12 pontos para a região do fechamento principal e fechamento secundário, buscando evidenciar a dispersão obtida através de relatório dimensional de cada medição. Cada ponto foi medido 3 vezes e obtido a média aritmética. Após o procedimento de inspeção na máquina de medir por coordenadas, todas as medições foram avaliadas quanto ao seu nível de distribuição em torno da média aritmética dos valores encontrados. A inspeção tem como finalidade verificar a conformidade da forma obtida, com a forma modelada. Segundo Vessereau (2000), o grau de normalidade para um processo é inteiramente determinado pela média e pelo desvio padrão obtidos através dos resultados das amostras. O teste de normalidade foi realizado através da aplicação do software Minitab. O teste de normalidade para o estudo proposto demonstrou a freqüência com que cada ponto medido oscilou em torno de um valor referencial (modelo CAD). No Minitab a média é caracterizada pela variável Mean e o desvio padrão pela variável StDev, que são evidenciados nos gráficos de normalidade.

261 Capítulo 3: Procedimento Experimental 61 O afastamento em torno da média para ±2 desvios padrão caracteriza uma probabilidade de 95% para a distribuição dos resultados estarem dentro desse campo de variação. Se a dispersão em torno da média tender a zero, houve uma maior estabilidade no processo e com isso mais se caracteriza a normalidade. O aumento da dispersão em torno da média demonstra mais instabilidade nos resultados e processos avaliados podendo descaracterizar a normalidade para o processo em questão.

262 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 62 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Neste capítulo são apresentados e discutidos os tempos de cada processo relativos à fabricação do corpo de prova (Item 4.1). Posteriormente são avaliados os custos (Item 4.2) e os erros geométricos (Item 4.3). 4.1 Estudo dos tempos de fabricação Neste item são avaliados todos os tempos de fabricação envolvendo: a) Tempos de programação CAD/CAM. b) Tempo de fresamento. c) Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão Tempos de programação CAD/CAM Baseado no diagrama de tempos para o desenvolvimento das etapas de fabricação realizadas por sistema CAD/CAM, como apresentado previamente na Figura 27, as Tabela 7 e Tabela 8 foram elaboradas para registro de tempos em cada sub-etapa no CAD/CAM. As Tabelas foram preenchidas durante o experimento. Desta forma foi possível o acompanhamento sistemático e o registro dos tempos consumidos no processo de programação CAD/CAM para os processos de fresamento 3 e 5 eixos.

263 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 63 Tabela 7: Tabela de tempos de programação CAD/CAM para fresamento 3 eixos Caso 1: Processo de fresamento 3 eixos Definições iniciais pela análise da geometria Item 1: Tempo para análise e definição dos processos Tempo [min] Tempo para definir operações (desb /pré/acab / áreas - ferramentas, parâmetros). 60 Tempo para definir regiões de eletrodos 5 Programação dos processos de usinagem por fresamento Item 2: Tempo para programação de desbaste e pré-acabamento. Tempo de cálculo do desbaste - 3 eixos (tolerância 0,1) 135 Tempo de cálculo do pré-acabamento 3 (tolerância 0,1) 20 Tempo para simulações das operações de 3 eixos 125 Item 3: Tempo para programação do acabamento final Tempo para gerar geometrias auxiliares no CAD / fronteiras 20 Tempo para estudar as melhores estratégias 3 eixos 25 Tempo de cálculo das trajetórias 3 eixos (tolerância 0,01) 120 Tempo para simulações das operações de 3 eixos 135 Item 4: Definição dos processos para EDM Tempo de modelar eletrodos CAD 45 Tempo para definir operações de usinagem dos eletrodos 20 Tempo para calcular trajetórias de desbaste e pré-acab no CAM (tolerância. 0,1) 30 Tempo para calcular trajetórias de acabamento CAM (tolerância. 0,01). 30 Tempo para simulação 15 Tempo para extração de coordenadas de eletrodo 5 Item 5: Pós-processamento Tempo para pós-processamento 3 eixos - Cavidade 1 Tempo para pós-processamento dos eletrodos 1 Tempo Total 792 A Figura 29 ilustra a representatividade de cada etapa de fabricação na composição da somatória do tempo específico de processo, em uma análise horizontal da Tabela 7. 39% 18% 0% 8% 35% Definições iniciais para análise da geometria Tempo de desbaste e pré-acabamento Tempo para programação - acabamento final Definição dos processos para eletroerosão Pós-processamento Figura 29: Representatividade percentual dos processos CAD/CAM para 3 eixos

264 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 64 Observa-se que o tempo de acabamento é o que consumiu mais tempo da programação CAD/CAM, pois os cálculos e simulações requereram processamento e trabalhou-se com bandas de tolerâncias de 0,01mm. O desbaste consumiu nesse experimento 35% do tempo de programação enquanto que o acabamento necessitou de 39%. De forma análoga, a Tabela 8 foi preenchida com informações sobre o processo de usinagem 5 eixos. Tabela 8: Tabela de tempos de programação CAD/CAM para fresamento 5 eixos Caso 2: Processo fresamento 5 eixos Tempo [min] Definições Iniciais pela Análise da Geometria Item 1: Tempo para análise e definição dos processos Tempo para definir operações (desb /pré/acab 3-5 eixos / áreas - ferramentas, 120 parâmetros). Tempo para definir regiões de eletrodos 5 Programação dos processos de usinagem por fresamento Item 2: Tempo de programação desbaste. e pré-acabamento. fresamento 3 e 3+2 eixos Tempo de cálculo do desbaste - 3 eixos (tolerância 0,1) 150 Tempo de cálculo do pré-acabamento 3 e 2+3 (tolerância 0,1) 10 Tempo para simulações das operações de 3 eixos (incluir 3+2) 130 Item 3: Tempo para programação 5 eixos - acabamento final Tempo para gerar geometrias auxiliares no CAD / fronteiras 5 Tempo para estudar as melhores estratégias 5 eixos 30 Tempo de cálculo das trajetórias 5 eixos (tolerância 0,01) 330 Tempo para simulações das operações de 5 eixos 300 Tempo para checagem de colisão (Suporte + Peça ) (Máquina + Peça) 330 Item 4: Definição dos processos para EDM Tempo de modelar eletrodos CAD 30 Tempo para definir operações 5 Tempo para calcular trajetórias de desbaste e pré-acab no CAM (tolerância 0,1) 20 Tempo para calcular trajetórias de acabamento CAM (tolerância 0,01) 30 Tempo para simulação 5 Tempo para extração de coordenadas de eletrodo 5 Item 5: Pós-processamento Tempo para pós-processamento 3 e 3+2 eixos 2 Tempo para pós-processamento 5 eixos 3 Tempo para pós-processamento dos eletrodos 1 Tempo Total 1.511

265 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 65 A Figura 30 ilustra a representatividade de cada etapa de fabricação na composição da somatória do tempo específico de processo, em uma análise horizontal databela 8. 6% 0% 8% 19% Definições Iniciais para análise da geometria Tempo de desbaste e pré-acabamento Tempo para programação - acabamento final definição dos processos para eletroerosão Pós-processamento 67% Figura 30: Representatividade percentual dos processos CAD/CAM para 5 eixos Para o fresamento 5 eixos, como resultado observa-se que o tempo de acabamento é o que consumiu mais tempo da programação CAD/CAM, pois os cálculos e simulações requereram processamento e simulações mais complexas devido às movimentações dos eixos angulares. O desbaste consumiu nesse experimento 19% do tempo de programação enquanto que o acabamento necessitou de 67% do tempo de CAD/CAM. Utilizando as informações obtidas sobre os tempos específicos de processo, a Figura 31 permite uma nova comparação dos tempos para o fresamento 3 e 5 eixos em suas etapas de fabricação realizadas no CAD/CAM. Os resultados são baseados em uma análise vertical das tabelas 7 e 8.

266 Capítulo 4 - Resultados e Discussões EIXOS 5 EIXOS [Minutos] Tempo de análise Tempo de cálculo Tempo de simulação Tempo de pósprocessamento 2 6 Tempo para definição dos processos de eletroerosão Figura 31: Tempos do processo CAD/CAM O tempo de análise da geometria, onde ocorrem as definições das estratégias de fabricação, ferramentas, parâmetros e criação de fronteiras, para o fresamento 5 eixos foi superior em aproximadamente 46%, devido a complexidade e maior número de decisões a serem tomadas pelo usuário. O tempo necessário para o software CAM calcular as trajetórias de ferramenta foi 78% superior para o processo 5 eixos em comparação com o processo 3 eixos. O tempo necessário para checar colisões entre o suporte/peça e/ou ferramenta/peça consumiram um tempo significativo na fase de simulações. No processo 5 eixos há a necessidade de todo o sistema estar modelado, (máquina-peça-ferramenta), o que tornou a simulação cerca de 175% superior ao tempo de simulação para o processo 3 eixos. Este tempo demonstra a complexidade dos cálculos no processo 5 eixos. A máquina modelada para simulação é ilustrada no Apêndice 4.

267 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 67 Para os programas em 5 eixos foram necessários 6 minutos para o pósprocessamento e 2 minutos para o processo em 3 eixos, representando uma diferença de 200%, porém não tão significativo como no caso do tempo de cálculo e tempo de simulação. Deve-se ressaltar que o número de programas CNC para o fresamento em 5 eixos foi superior, assim como o tamanho dos arquivos. A Figura 32 ilustra a quantidade de programas necessários e o tamanho total dos arquivos gerados para a fabricação do corpo de prova para ambos os processos. Cavidade fabricada por fresamento 5 eixos Cavidade fabricada por fresamento 3 eixos Tamanho total dos arquivos posprocessados [Mb] 11,1 38,4 Quantidade programas Figura 32: Quantidade de programas CNC e tamanho dos arquivos Deve-se considerar que 16 programas foram efetivamente em 5 eixos, isso representa quase 70% do processo de fabricação. Os demais programas, como desbaste e alívio de cantos, foram realizados em 3 eixos. Isso ocorreu porque a geometria inicial foi um bloco cúbico de matéria-prima, favorecendo a remoção por camadas em estratégias 2 ½ eixos. A Tabela 9 representa os tempos específicos de processo empregados nas etapas de programação CAD/CAM para a geração dos arquivos necessários para a fabricação dos corpos de prova, oferecendo um comparativo entre o tempo total consumido para os dois tipos de fresamento em questão. O tempo apresentado refere-se à somatória dos tempos conforme realizado na Figura 31.

268 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 68 Tabela 9: Somatória dos tempos da etapa CAD/CAM Processo Fresamento 3 eixos Fresamento 5 eixos Tempo CAD/CAM 13,3 horas 25,18 horas A etapa de trabalho CAD/CAM para o processo de fresamento em 5 eixos requereu um tempo 89% superior em relação ao processo de fresamento 3 eixos. Isso ocorre devido à maior complexidade dos cálculos de trajetórias e simulações necessárias para o fresamento em 5 eixos, assim como maior variedade de decisões que o usuário deve tomar. A etapa CAD/CAM relativa ao tempo para definição dos processos de eletroerosão fará parte dos resultados e discussões envolvidos no item desse trabalho Tempo de fresamento da geometria A Figura 33 ilustra os corpos de prova fabricados no experimento de usinagem. Fig. a: Corpo de prova - Fresamento 3 eixos Figura 33: Corpos de prova fabricados Fig. b: Corpo de prova - Fresamento 5 eixos A Figura 34 apresenta a somatória do tempo de usinagem real para fabricação dos corpos de prova e a somatória relativa ao tempo de fresamento estimado pelo software CAM.

269 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 69 Tempo [horas] Corpo de prova Fabricado p/ fresamento 3 eixos Corpo de prova Fabricado p/ fresamento 5 eixos 8,7 11,71 10,11 15,05 0 Tempo estimado para fresamento pelo CAM Tempo Real de Fresamento Figura 34: Tempo de fresamento da geometria Comparando-se o tempo real de fresamento do corpo de prova, o processo 5 eixos consumiu um tempo 28,5% superior em relação ao processo de fresamento em 3 eixos. Isso ocorreu devido: a) A maior quantidade de programas gerados. b) À maior área de acabamento realizado no fresamento 5 eixos. c) Aos avanços reais de usinagem serem significativamente inferiores aos valores programados. A diferença entre o tempo estimado para fresamento pelo CAM se diferenciou do tempo real. Na usinagem 3 eixos o tempo real foi 16,2% superior e na usinagem 5 eixos o tempo real foi 48% superior ao tempo estimado pelo CAM. As principais razões pelas divergências entre os tempos estimados para fresamento pelo software CAM e os tempos reais de fabricação provém das limitações da máquina em seu tempo de processamento e as acelerações e desacelerações durante trajetória de usinagem, conforme estudo realizado por Souza e Coelho (2007). O software CAM não considera estas limitações do equipamento. A diferença entre o tempo estimado para fresamento pelo CAM e o tempo real de fresamento é superior no processo 5 eixos por este possuir 2 eixos adicionais para a máquina realizar o controle e movimentação. Em torno de 63% do tempo de trabalho no CAD/CAM se deve ao tempo de cálculo e às simulações e checagem de colisões para o fresamento 5 eixos simultâneos. Em Apêndice 5 eletrônico, encontra-se um vídeo dos processos de usinagem empregados.

270 Capítulo 4 - Resultados e Discussões Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão Nesta etapa, os tempos envolvidos são os tempos necessários para as definições efetuadas pelo usuário do sistema CAD/CAM, a fabricação dos eletrodos e o tempo de usinagem por EDM. Esses tempos são detalhados a seguir Modelamento e fabricação dos eletrodos Iniciou-se esta etapa com o modelamento geométrico e programação de CNC para fresamento dos eletrodos utilizando um sistema CAD/CAM. O tempo total para realizar todas as operações desta etapa foram obtidos através da somatória dos tempos específicos conforme a Tabela 10. Tabela 10: Tempo para modelamento e programação CNC de eletrodos Tempos para confecção dos Eletrodos Tempo [Horas] Fresamento 3 eixos Tempo [Horas] Fresamento 5 eixos Tempo para modelar eletrodos CAD 0,75 0,50 Tempo para definir operações 0,33 0,08 Tempo para calcular trajetórias de desbaste e préacabamento 0,50 0,33 no CAM (tolerância. 0,1). Tempo para calcular trajetórias de acabamento CAM 0,50 0,50 (tolerância. 0,01). Tempo para simulação 0,25 0,08 Tempo para extração de coordenadas de eletrodo 0,08 0,08 Tempo Total 2,41 1,58 Foram confeccionados três eletrodos para o corpo de prova fresado em 3 eixos, sendo que dois eletrodos foram necessários para remoção dos cantos e áreas não acabadas pelo fresamento, um eletrodo para complemento da borda do produto. Para o corpo de prova fresado em 5 eixos foram necessários apenas dois eletrodos sendo, um necessário para a remoção dos cantos não acabados pelo fresamento e outro para complemento da borda do produto. A Tabela 11 mostra o tempo de fabricação para cada caso.

271 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 71 Tabela 11: Tempo de fresamento dos eletrodos Processo Tempo específico 3 eixos [horas] Tempo específico 5 eixos [horas] Tempo para fabricação do eletrodo 1 1,52 1,13 Tempo para fabricação do eletrodo 2 1,61 0,74 Tempo para fabricação do eletrodo 3 0,74 - Tempo total de fabricação dos eletrodos 3,87 1,87 A Figura 35 apresenta os tempos específicos consumidos para a fabricação dos eletrodos. Corpo de prova fabricado por fresamento 5 eixos Corpo de prova fabricado por fresamento 3 eixos Tempo CAD/CAM Tempo para fresamento do eletrodo Tempo total (CAD/CAM+fresamento do eletrodo) 1,58 1,87 2,41 3,45 3,87 6, [Horas] Figura 35: Tempo para fabricação dos eletrodos para as duas cavidades Para o caso de estudo da cavidade fabricada pelo fresamento 3 eixos, o tempo total de fabricação dos eletrodos foi superior em 82% Estudo das áreas e regiões de eletroerosão A Figura 36 ilustra as áreas que devem ser erodidas, para os casos da usinagem 3 e 5 eixos onde foram gerados e fabricados os eletrodos. Para o fresamento foi utilizada a fixação térmica da ferramenta de corte, e em um estudo adicional foi realizada uma simulação de área com a utilização de fixação por pinça mecânica.

272 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 72 Área: ,79 (mm²) Área: ,73 (mm²) Área: 3.344,44 (mm²) Fig. a: Usinagem 3 eixos. Fixação de ferramenta convencional Fig. b: Usinagem 3 eixos. Fixação térmica da ferramenta Fig. c: Usinagem 5 eixos. Fixação térmica da ferramenta Figura 36: Região inacabada pelo fresamento Com a simulação gráfica foi possível identificar as regiões não usinadas pelo fresamento. O fresamento 5 eixos com fixação térmica teve a menor área com material remanescente para eletroerosão. Com o mesmo sistema de fixação, no fresamento 3 eixos, essa área aumentou 3 vezes. Na pior situação, a área deixada para eletroerosão aumentou cerca de 13 vezes com a utilização de sistema de fixação por pinça mecânica no fresamento 3 eixos. Isso deixa evidente que o sistema de fixação adequado contribui significativamente para redução da área de acabamento por eletroerosão, assim como a usinagem 5 eixos facilitando o acesso da ferramenta em regiões mais críticas da geometria. A Figura 37, evidencia as regiões deixadas sem acabamento para as duas cavidades. A cavidade fresada em 3 eixos com fixação térmica apresentou uma área aproximadamente de 2,81 vezes maior que a cavidade fresada em 5 eixos. Abaixo as regiões de material remanescentes deixadas para eletroerosão.

273 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 73 Áreas remanescentes para EDM Figura 37: Áreas com material remanescente para eletroerosão Em Apêndice 5 eletrônico, encontra-se um vídeo dos processos de eletroerosão empregados Tempo total de processo para eletroerosão O apontamento eletrônico com o software CPS foi utilizado para obter o tempo total de processo para eletroerosão, como ilustra a Figura 38. O sistema apenas registra o tempo inicial e final de processo, acionado pelo usuário. Tempo preparação 1,5 3,84 Cavidade fabricada por fresamento 5 eixos Cavidade fabricada por fresamento 3 eixos Tempo específico de processo para eletroerosão 1,18 20,3 Tempo total de processo (EDM+preparação) 2,68 24, [Horas] Figura 38: Tempo total de processo para eletroerosão A diferença de tempo total do processo de eletroerosão (EDM) foi de aproximadamente 8 vezes entre os dois casos de estudos. Este fato evidencia a

274 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 74 eficiência do processo de usinagem 5 eixos, para usinagem de regiões profundas e complexas Tempo específico de processo e tempo total de processo O tempo específico de processo nesse trabalho constituiu-se na somatória de todas as horas necessárias para a fabricação de cada corpo de prova como apresenta a Figura 39, constituindo-se apenas nas horas reais de trabalho em cada operação. [Horas] ,3 25,18 Tempo específico de processo CAD/CAM Corpo de prova fabricado por fresamento 3 eixos Corpo de prova fabricado por fresamento 5 eixos 10,11 15,03 Tempo específico de processo para fresamento do CDP 3,87 Tempo específico para fresamento dos eletrodos 20,3 1,87 1,18 Tempo específico de processo para eletroerosão 47,58 43,26 Somatória dos tempos específicos dos processos Figura 39: Tempos específicos de processo O tempo total específico para construção do corpo de prova fabricado por fresamento em 3 eixos consumiu 47,58 horas e para o corpo de prova fabricado em 5 eixos esse tempo foi de 43,26 horas. Em termos percentuais para os casos em estudo, isso significa uma economia média de aproximadamente 10% no tempo específico de fabricação. O tempo total de processo constitui-se no tempo computado pelo início e fim de operação via apontamento eletrônico para fins de custos, pois trata-se do tempo específico de processo adicionado aos tempos improdutivos. A Figura 40 ilustra para os dois tipos de fresamento estudados, os resultados referente às somatórias desses tempos.

275 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 75 Corpo de prova fabricado por fresamento 3 eixos Corpo de prova fabricado por fresamento 5 eixos [Horas] ,75 66,69 Tempo total de processo Figura 40: Tempo total de processo O tempo total de processo é o tempo contabilizado no cálculo dos custos industriais. O corpo de prova fresado por 3 eixos teve um tempo total de processo (registro via apontamento eletrônico) no valor de 80,75 horas e o corpo de prova fresado por 5 eixos apresentou um valor total de 66,69 horas, representando uma diferença de tempo total de processo de 21%. Para o corpo de prova fresado por 3 eixos houve um número maior de preparações e alinhamentos de processos, pois no fresamento foram necessários duas preparações do bloco na máquina, e no processo de EDM um número maior de eletrodos exigiu mais tempo para preparações, contribuindo para esse resultado. Para a indústria de moldes, o processo de fresamento em 5 eixos favorece positivamente os prazos de entrega devido à redução de operações e tempos de processos necessários à conclusão de uma cavidade. A Figura 41 ilustra a representatividade percentual dos processos de fabricação, envolvendo as técnicas de 3 e 5 eixos. 21% CAD/CAM 58% CAD/CAM 28% 51% Fresamento do corpo de prova Eletroerosão 35% Fresamento do corpo de prova Eletroerosão 7% Fig. a: Fresamento 3 eixos Fig. b: Fresamento 5 eixos Figura 41: Representatividade dos tempos por processo de fabricação

276 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 76 Para a cavidade fresada em 5 eixos observa-se que o processo de CAD/CAM teve a maior fatia do tempo com 58% do tempo total de fabricação, seguido pela operação de fresamento, consumindo 35% do tempo total de fabricação da cavidade. Para os outros processos os tempos foram bem menos significativos, com o tempo específico de eletroerosão de apenas 7% (incluído a fabricação dos eletrodos). Para o corpo de prova fresado em 3 eixos observa-se que a distribuição dos tempos foi distinta. O processo de eletroerosão ficou com a maior fatia do tempo, requerendo 51% do tempo total de fabricação (incluído a fabricação dos eletrodos), seguido pelo CAD/CAM com 28% e o fresamento com 21%. Para o processo em 5 eixos o CAD/CAM teve o maior impacto de tempo (58%) devido aos cálculos, simulações e controles necessários para a realização da usinagem. Na fabricação por fresamento 3 eixos, para a geometria proposta, o processo de eletroerosão teve o maior impacto de tempo (51%) em função da área remanescente ter sido muito maior em relação ao processo 5 eixos. 4.2 Custo de fabricação O custo de fabricação avaliado nesse trabalho foi obtido multiplicando o tempo total de processo requerido por cada etapa e seu respectivo custo por hora (conforme Tabela 6), adicionado ao custo da matéria-prima, tem-se o custo total de cada corpo de prova, como detalhado na Tabela 12. Tabela 12: Custo total de fabricação das cavidades Processo Aço Cobre CAD/CAM Fresamento EDM Fabricação eletrodos Custo total 3 Eixos R$1.500,75 R$337,41 R$826,66 R$1.436,38 R$960,26 R$325,38 R$5.386,84 5 Eixos R$1.500,75 R$120,44 R$969,14 R$1.793,63 R$106,77 R$162,69 R$4.653,41 O processo de fresamento 5 eixos resultou em uma redução de 13,6% do custo de fabricação das cavidades, comparando-se ao processo 3 eixos. Essa redução se caracterizou principalmente pela minimização da necessidade de eletroerosão e consequentemente diminuição da necessidade de fabricação de eletrodos.

277 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 77 Os custos para o corpo de prova fresado em 5 eixos, apresentados na Tabela 12, evidenciam uma diferença de 25% superior nos custos para o fresamento e 17% superior no CAD/CAM 5 eixos, entretanto, para o processo de fabricação dos eletrodos houve uma inversão, tornando o processo 3 eixos 100% mais caro juntamente com o processo de usinagem por eletroerosão que atingiu 800% acima do valor alcançado em comparação ao processo 5 eixos. A Figura 42 ilustra a representatividade desses custos nos processos envolvidos para fabricação dos corpos de prova em 3 eixos e 5 eixos respectivamente. 41% 59% 23% 9% CAD/CAM Fresamento do CDP EDM Fabricação dos eletrodos 27% 32% 5% CAD/CAM Fresamento do CDP EDM Fabricação dos eletrodos 4% Fig. a: Custos de fabricação 3 eixos Fig. b: Custos de fabricação 5 eixos Figura 42: Gráfico percentual para os custos de fabricação por tipo de fresamento Para o corpo de prova fresado em 3 eixos, três processos consumiram mais tempo e também geraram maiores custos: o processo CAD/CAM, o fresamento do corpo de prova e o processo de eletroerosão. Os três respondem por 91% dos custos de processos sendo que em valores somam-se R$ 3.223,30 para essa cavidade. Para o corpo de prova fresado em 5 eixos os processos representativos para os custos foram: o fresamento do corpo de prova e o CAD/CAM que consumiram juntos o mesmo percentual representativo de 91% de todo o custo relacionado à fabricação. Em termos monetários somam-se R$ 2.762,77. Para os casos estudados, os custos dos processos de fabricação representam aproximadamente 75% do custo total da cavidade. O restante é referente à matériaprima (aço e cobre para eletrodos).

278 Capítulo 4 - Resultados e Discussões Estimativa simplificada de custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos Com o objetivo de realizar uma comparação efetiva de tempos e custos entre os processos neste estudo de caso, foi realizado um levantamento simplificado dos custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos. Desta forma, os ganhos de tempo puderam ser computados contra o investimento necessário. Realizando uma simples pesquisa de mercado, foram levantados os custos das máquinas CNC, software CAD/CAM e os valores mensais pagos aos profissionais que trabalham com cada tecnologia específica. A Tabela 13 apresenta os valores obtidos. Tabela 13: Estimativa de custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos Tecnologia Licença CAD/CAM Manutenção anual CAD/CAM Salários do operador da máquina/ano Salários programador CAD/CAM/ano Aquisição da máquina Fresamento3 eixos R$ ,00 USD ,00 R$ 5.400,00 USD 2.500,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 EU ,00 Fresamento 5 eixos R$ ,00 USD ,00 R$ ,00 USD 6.000,00 R$52.800,00 R$ ,00 R$ ,00 EU ,00 O custo anual obtido para a aplicação da tecnologia de fresamento em 3 eixos foi de R$ ,00 (USD ,00), enquanto que para o fresamento 5 eixos esse valor foi de R$ ,00 (USD ,00). Conclui-se que o custo para a implantação da tecnologia por fresamento 5 eixos é em média 46% superior a implantação da tecnologia por fresamento 3 eixos Simulação simplificada do tempo estimado para amortização do investimento Antes do investimento em uma nova tecnologia, é importante estimar seus benefícios e o tempo de amortização. Neste estudo, de forma simplificada, uma simulação demonstra o tempo de amortização de cada técnica de fresamento estudada. Os dados

279 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 79 são baseados na fabricação do corpo de prova proposto. São analisados duas situações, prevendo, na primeira, um ambiente industrial com 2 turnos e, na segunda, um ambiente com 3 turnos. A Tabela 14 apresenta os custos por processo e o custo médio entre os processos para a simulação proposta. Tabela 14: Custos/hora para a simulação simplificada de amortização do investimento CAD/CAM Eletroerosão Fresamento Custo médio (Custo médio aplicado na SOCIESC Ferramentaria para o fresamento 3 e 5 eixos) entre os três processos R$34,04 R$39,79 R$63,23 R$45,69 A Tabela 15 apresenta todas as variáveis envolvidas para a obtenção do tempo, em anos, para a amortização total do investimento com 2 turnos de trabalho. Tabela 15: Tabela de amortização para 2 turnos de trabalho (adaptado de Neto e Pereira,2008) Fresamento 3 eixos Fresamento 5 eixos a) Custo investimento R$ ,00 R$ ,00 b) Horas trabalho/ano 4224 horas 4224 horas c) (Horas trabalho/ano X Custo/hora) R$ ,00 R$ ,00 d) Lucro presumido (20%) R$53.416,00 R$53.416,00 e) Depreciação anual R$60.000,00 R$60.000,00 f) Lucro+Depreciação R$ ,00 R$ ,00 g) Horas otimizada/ano(21%) 0 horas 888 horas h) (Horas otimizadas X Custo médio) R$0,00 R$40.572,72 i) Lucro presumido(20%) sobre a otimização R$0,00 R$8.114,54 j) Total financeiro gerado R$ ,00 R$ ,54 k) Tempo em anos para amortização do investimento (Custo investimento/total financeiro gerado) R$ ,00/R$ ,00 5 anos e 9 meses R$ ,00/R$ ,54 5 anos e 11 meses

280 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 80 No item a são computados todos os custos de implantação das tecnologias em estudo, exceto os salários dos operadores da máquina que já estão computados no custo/hora de R$ 63,23. O item b é obtido através da multiplicação de número de horas/mês (176 horas) em dois turnos de trabalho pelo número de meses úteis no ano. Com dois turnos de trabalho computa-se 352 horas no mês e multiplica-se por 12 meses resultando em horas. O item c é resultante do número total de horas no ano multiplicado pelo custo/hora, resultando em R$ ,00 de possível faturamento gerado. Sobre o item c é acrescentado um lucro presumido de 20% sobre o possível faturamento gerado. A depreciação anual é o valor gerado que serve para amortizar financeiramente o valor da máquina para sua reposição, esse valor é uma aproximação do valor de aquisição da máquina dividido por 120 meses, gerando um custo fixo mensal que está embutido no valor hora sendo advindo do possível faturamento. Mensalmente é gerado um valor de R$ ,00 obtido do valor de depreciação acrescentando-se o lucro presumido de 20% no faturamento gerado. O item g propõe um valor de horas otimizadas para o processo por fresamento em 5 eixos. Essas horas otimizadas advém do resultado obtido nesse estudo de caso onde o processo de fresamento por 5 eixos foi 21% mais rápido no tempo total de processo e se tornou referência para essa simulação. Pelo número possível de horas trabalhadas no ano, foram contabilizados 888 horas de possível otimização na fábrica. Essas horas foram multiplicadas pelo custo médio, pois os ganhos são realizados pela média entre os três processos específicos avaliados: CAD/CAM, fresamento e EDM. Com os ganhos na otimização, aplicou-se o lucro presumido nesse valor também, resultando através da somatória do lucro, depreciação e otimização um total financeiro gerado (item j). Para um regime de 2 turnos o prazo de amortização ficou em 5 anos e 9 meses para o fresamento 3 eixos e 5 anos e 11 meses aproximadamente para o fresamento 5 eixos. A Tabela 16 apresenta todas as variáveis envolvidas para a obtenção do tempo em anos para amortização total do investimento com 3 turnos de trabalho.

281 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 81 Tabela 16: Tabela de amortização para 3 turnos de trabalho (adaptado de Neto e Pereira,2008) Fresamento 3 eixos Fresamento 5 eixos a. Custo investimento R$ ,00 R$ ,00 b. Horas trabalho/ano 6144 horas 6144 horas c. (Horas trabalho/ano X Custo hora) R$ ,00 R$ ,00 d. Lucro presumido (20%) R$77.697,00 R$77.697,00 e. Depreciação anual R$60.000,00 R$60.000,00 f. Lucro+Depreciação R$ ,00 R$ ,00 g. Horas otimizadas/ano(21%) 0 horas 1290 horas h. (Horas otimizadas X Custo médio) R$0,00 R$58.849,00 i. Lucro presumido(20%) sobre a otimização R$0,00 R$11.769,00 j. Total financeiro gerado R$ ,00 R$ ,00 k. Tempo em anos para amortização do investimento R$ ,00/R$ ,00 R$ ,00/R$ ,00 l. (Custo investimento/total financeiro gerado) 4 anos e 8 meses 4 anos e 7 meses O item b é obtido através da multiplicação de número de horas/mês em três turnos de trabalho pelo número de meses úteis no ano. Com três turnos de trabalho computase 512 horas no mês e multiplica-se por 12 meses resultando em 6144 horas. O item c é resultante do número total de horas no ano multiplicado pelo custo/hora, resultando em R$ ,00 de possível faturamento gerado. Sobre o item c é acrescentado um lucro presumido de 20% sobre o possível faturamento gerado. A depreciação anual é o valor gerado que serve para amortizar financeiramente o valor da máquina para sua reposição, esse valor é uma aproximação do valor de aquisição da máquina dividido por 120 meses, gerando um custo fixo mensal que está embutido no valor hora. Mensalmente é gerado um valor de R$ ,00, obtido do valor de depreciação acrescentando-se o lucro presumido de 20% no faturamento gerado. Pelo número possível de horas trabalhadas no ano, foram contabilizados 1290 horas de possível otimização na fábrica.

282 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 82 Essas horas como no caso anterior, foram multiplicadas pelo custo médio, pois os ganhos são realizados pela média entre os três processos específicos avaliados: CAD/CAM, fresamento e EDM. Com os ganhos na otimização, aplicou-se o lucro presumido nesse valor também, resultando através da somatória do lucro, depreciação e otimização um total financeiro gerado (item j). Para um regime de 3 turnos o prazo de amortização ficou em 4 anos e 8 meses para o fresamento 3 eixos e aproximadamente 4 anos e 7 meses para o fresamento 5 eixos. 4.3 Avaliação dos erros geométricos Utilizando-se as informações obtidas com o software CAD/CAI e a máquina de medir por coordenadas, foi realizado um trabalho estatístico auxiliado pelo software Minitab. As três regiões avaliadas são: a área do produto, a área do fechamento principal e a área do fechamento secundário, como detalhado no Capítulo 3. A Figura 43 mostra os resultados de uma das três medições para a superfície do produto. Cada ponto inspecionado é arquivado no sistema em forma de desvios referentes ao modelamento CAD. Figura 43: Medição da região do produto

283 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 83 A Figura 44 ilustra o teste de normalidade para a região do produto fabricado pelos dois tipos de fresamento empregados. Normal Normal Mean 0, StDev 0, N 27 AD 0,434 P-Value 0, Mean 0,003 StDev 0,02210 N 27 AD 1,321 P-Value <0, Percent Percent ,010-0,005 0,000 0,005 Produto 0,010 0, ,050-0,025 0,000 Produto 0,025 0,050 Fig. a: Cavidade Fresada em 3 eixos Fig.b - Cavidade Fresada em 5 eixos Figura 44: Teste de normalidade para a região do produto A variabilidade dos pontos na Figura 44a tendeu a uma distribuição normal. A média foi de 0,000 e o desvio padrão 0,005 com um intervalo em uma abrangência de ±10 µm atendendo a dois desvios padrão e dentro dos níveis de aceitação do processo. A Figura 44b ilustra o teste de normalidade para a região do produto fabricado por fresamento em 5 eixos onde a distribuição dos pontos obteve a média de 3 µm e o desvio padrão de 22 µm atingindo grau de normalidade, pois o intervalo de distribuição dos pontos medidos foi 30 µm sendo abaixo de dois desvios padrão, porém suplantando o intervalo de ±10 µm, valor aceitável para a qualidade do processo. A Figura 45 mostra os resultados de uma das 3 medições realizadas para a área do fechamento principal do molde.

284 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 84 Figura 45: Medição da região do fechamento principal A Figura 46 ilustra o teste de normalidade para a região do fechamento principal fabricado pelos dois métodos de fresamento empregados. Normal Normal Mean 0, StDev 0, N 27 AD 0,383 P-Value 0, Mean 0, StDev 0,01875 N 27 A D 0,718 P-Value 0, Percent Percent ,010-0,005 0,000 0,005 Fechamento Principal 0, ,050-0,025 0,000 0,025 Fechamento Principal 5 eixos 0,050 Fig.a Cavidade Fresada em 3 eixos Fig.b - Cavidade Fresada em 5 eixos Figura 46: Teste de normalidade para a região do fechamento principal A Figura 46a ilustra que a distribuição dos pontos tendeu a uma distribuição normal com um intervalo atingindo uma abrangência dentro de ±10 µm ( média 0,000 e desvio padrão 4µm). A Figura 46b, ilustra o teste de normalidade para a região do fechamento principal fabricado por fresamento em 5 eixos onde a distribuição dos pontos tendeu a uma distribuição normal na seguinte condição: a média foi de 4 µm e o desvio padrão foi 18 µm, atingindo um intervalo de distribuição dos pontos em uma abrangência dentro de ±2

285 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 85 desvios padrão (±30 µm), porém não atendendo aos requisitos de um intervalo de no máximo ±10 µm aceitável para o processo. A Figura 47 mostra os resultados de uma medição realizada para a área do fechamento secundário do molde. Figura 47: Medição do fechamento secundário A Figura 48a ilustra o teste de normalidade para a região do fechamento secundário fabricado por fresamento em 3 eixos. A distribuição dos pontos tendeu a uma distribuição normal com a média atingindo o valor de 4µm o mesmo valor ocorrendo para o desvio padrão, atendendo o requisito máximo de 10µm. A Figura 48b, ilustra o teste de normalidade para a região do fechamento secundário fabricado por fresamento em 5 eixos. O valor da média foi de 7 µm e o desvio padrão foi de 23 µm. Atingiu-se a normalidade para o intervalo de distribuição dos pontos dentro de ±2 desvios porém um valor de intervalo total de 62 µm suplantou o máximo aceitável para o processo que é de ±10 µm.

286 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 86 Normal Normal Mean -0, StDev 0, N 27 AD 0,899 P-Value 0, Mean -0, StDev 0,02313 N 27 AD 1,295 P-Value <0, Percent Percent ,015-0,010-0,005 0,000 Fechamento Secundário 0, ,075-0,050-0,025 0,000 Fechamento Secundário 0,025 0,050 Fig. a Cavidade Fresada em 3 eixos Fig.b - Cavidade Fresada em 5 eixos Figura 48: Teste de normalidade para a região do fechamento secundário Faz-se necessário uma avaliação adicional com base nos desvios encontrados. O gráfico disponível pelo software Minitab, denominado boxplot, representa graficamente a dispersão das amostras em 4 sub-divisões dentre os valores obtidos. É importante destacar que as amostras obtidas na máquina 3 eixos apresentaram desvios-padrão menores que os apresentados na máquina 5 eixos. Isso fica evidente no gráfico boxplot apresentado na Figura 49. Região do produto 3 eixos Região de fechamento principal 3 eixos Região de fechamento secundário 3 eixos Região do produto 5 eixos Região de fechamento principal 5 eixos Região de fechamento secundário 5 eixos Figura 49: Boxplot comparativo para os dois processos estudados Conforme apresentado na Figura 49, nota-se que os desvios dimensionais da máquina 3 eixos foi menor que a abrangência dos desvios da máquina 5 eixos. Observam-se no gráfico comparativo as seguintes condições em cada região:

287 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 87 a) Área do produto: para os dois casos verificou-se que a média encontra-se próxima do zero (medida absoluta do modelo CAD), havendo uma abrangência maior no fresamento 5 eixos interferindo na espessura do produto em torno de 60 µm. b) Área fechamento principal: região mais crítica do molde, pois tem a finalidade de promover a garantia de perfeita vedação. Para o fresamento 3 eixos a abrangência das medições ficou praticamente em torno da média (zero) com uma variabilidade de 20 µm e no fresamento 5 eixos acima da média, com uma variabilidade 60 µm. c) Área fechamento secundário: nessa região encontrou-se uma dispersão também na ordem de 60 µm para o fresamento 5 eixos enquanto que para o fresamento 3 eixos essa amplitude ficou em torno de 13 µm, diferindo apenas que nesse caso a média das medições ficou abaixo da referência absoluta (modelo). Isso ocorreu devido a condições de contato peça-ferramenta ter ocorrido através de fresa toroidal, e não esférica. Para deslocamentos em 5 eixos simultâneos com esse tipo de ferramenta conforme revisão bibliográfica ocorrem invasões na superfície devido ao formato da ferramenta e falhas na compensação durante trajetória. A Tabela 17 apresenta o resultado final dos intervalos dos desvios geométricos encontrados nas superfícies avaliadas. Tabela 17: Tabela dos intervalos dos desvios encontrados nas superfícies inspecionadas Processo Área produto Área Fechamento Principal Área Fechamento Secundário Média das superfícies 3 eixos 20 µm 20 µm 13 µm 17.8 µm 5 eixos 54 µm 54 µm 62 µm 56.6 µm Para o fresamento 3 eixos os intervalos encontrados estão dentro dos padrões de precisão recomendados para as áreas de estudo. No fresamento 5 eixos a variabilidade foi bem mais acentuada ocasionando desvios além do permitido para as áreas avaliadas, tornando o processo em 5 eixos simultâneos instável para garantia de precisão em pontos críticos de um molde. Ambos os processos atingiram o grau de normalidade para os resultados obtidos dentro de um nível de confiança na ordem de 95%.

288 Conclusões e sugestões para futuros trabalhos 88 5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS As principais conclusões obtidas no desenvolvimento deste trabalho estão apresentadas a seguir. Conclusões relacionadas ao tempo de fabricação: a) O fresamento 5 eixos possibilitou uma redução de 10% do tempo específico para a fabricação da geometria proposta, considerando a somatória dos tempos requeridos por cada etapa de fabricação, sem considerar os tempos de preparação de máquina e demais tempos improdutivos. b) Considerando todos os tempos de fabricação, dos quais são atribuídos os custos de produção, o fresamento 5 eixos propiciou uma redução de 21% do tempo total para a fabricação da cavidade proposta. c) O processo 5 eixos promoveu, para a geometria em estudo, uma significativa redução do número de eletrodos e também no tempo de eletroerosão, devido à área necessária ao processo de eletroerosão ser reduzida, por propiciar maior alcance da ferramenta. Este fato pode favorecer a vida útil do molde por minimizar regiões com camada branca. d) A etapa de simulação CAM para fresamento 5 eixos impacta expressivamente no respectivo tempo e custo de fabricação, onde requereu 175% a mais de tempo, comparado a simulação 3 eixos. e) A grande distinção do fresamento para o caso estudado está na redução significativa de eletroerosão. A diferença entre os processos 3 e 5 eixos alcançou 800%. Indiretamente através dessa redução significativa, minimizam-se áreas prejudicadas pela eletroerosão por formação de camada branca. Conclusões relacionadas aos custos de fabricação: a) O fresamento 5 eixos possibilitou uma redução geral de custos na ordem de 13,6%. b) Na investigação realizada, através de uma metodologia simplificada, a implantação da tecnologia 5 eixos tem um custo 46% superior em relação à tecnologia 3 eixos. c) Para o caso estudado, os custos dos processos de fabricação representam aproximadamente 75% do custo total de fabricação da cavidade, sendo o restante referente à matéria-prima empregada.

289 Conclusões e sugestões para futuros trabalhos 89 d) Para um regime de 3 turnos o prazo de amortização ficou em 4 anos e 8 meses para o fresamento 3 eixos e aproximadamente 4 anos e 7 meses para o fresamento 5 eixos. Para um regime de 2 turnos o prazo de amortização ficou em 5 anos e 9 meses para o fresamento 3 eixos e 5 anos e 11 meses aproximadamente para o fresamento 5 eixos. Conclusões para os desvios de forma: a) O fresamento 5 eixos propiciou maior desvio de forma. b) Para o fresamento 3 eixos os intervalos encontrados estão dentro dos padrões de precisão recomendados para as áreas de estudo. c) No fresamento 5 eixos a variabilidade foi bem mais acentuada ocasionando desvios além do permitido para as áreas avaliadas, tornando o processo em 5 eixos simultâneos instável para garantia de precisão em pontos críticos de um molde. d) Ambos processos atingiram o grau de normalidade para os pontos de medição obtidos dentro de um nível de confiança de 95%. Sugestões para futuros trabalhos estão apresentadas a seguir. a) Investigar as trajetórias calculadas pelo CAM para fresamento em 5 eixos. b) Avaliar a qualidade da superfície usinada em 5 eixos, para a fabricação de moldes. c) Avaliar as diferentes estratégias de usinagem 5 eixos. d) Estudar os processos de fabricação de moldes, do desbaste ao acabamento 5 eixos. e) Avaliar as oscilações do avanço no fresamento 5 eixos. f) Investigar erros dimensionais em máquina CNC 5 eixos através de software específico. g) Investigar os possíveis benefícios na aplicação da estratégia SWARF para acabamento de moldes.

290 Referências Bibliográficas 90 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BAPTISTA, R.; SIMÕES, A. (1999). Three and five axes milling of sculptured surfaces. Journal of Materials Processing Technology 103 pp BATALHA, F. G. (2002). Processos de Fabricação por Remoção de Material. Apostila da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. 51páginas. BECZE, C. E.; CLAYTON, P.; CHEN, L.; EL-WARDANY,T. I.; ELBESTAWI, M. A.(1999) High speed five-axis milling of hardened tool steel. Journal of Machine Tools & Manufacture.pp BITTENCOURT, M. (2006): Influência das estratégias de usinagem na fabricação de moldes. Trabalho de Conclusão de Curso IST. Jlle-SC BONETTI, I. (2008). Contribuições para desenvolver o conhecimento em operações de desbaste por fresamento no sentido axial, 106p. Dissertação de Mestrado, Instituto Superior Tupy, Joinville. BOUAZIZ, Z.; YOUNES, J. B.;ZGHAL, A. (2004) Methodology of machining costs evaluation for die and mold manufacturing. Journal of Materials Processing Technology n152 pp BOUJELBENE, M.; MOISAN, A.; TOUNSI, N; BRENIER, B. (2004). Productivity enhancements in dies and molds manufacturing by the use of C1 continuous tool path. International Journal of Machine Tool & Manufacture, Amsterdam, v.44, n1, p , Jan. BOUZAKIS, D. K.; AICHOUH, P.; EFSTATHIOU, K.; KOUTOUPAS, G.(1999). A computer supported simulation of multiaxis milling to determine optimum cutting kinematics concerning the occuring surface roughnes. 2 nd Internacional German and French Conference on High Speed Machining. CAPLA, R. L. Estudo da influência do material excedente de desbaste na operação de acabamento aplicando usinagem com altas velocidades.são Carlos, 2006.Dissertação de Mestrado. CHARMILLES, A. Manual de operação Roboform 40 (1993). Charmilles Tecnologies,p CHEN, J. S., HUANG, Y. K.; CHEN, M. S. APUD PIVETTA, C. S. (2005). Uma contribuição ao estudo de fresamento de aço endurecido com fresa de topo esférico. Dissertação de Mestrado.Universidade Estadual de Campinas. CHOI, K. B.; JERARD, B. R. (1998). Sculptured surface machining. Theory and applications. Kluwer Academic Publishers COLDWELL, H.; WOODS, R.; PAUL, M.; KOSHY, P.; DEWES, R.; ASPINWALL, D. (2003). Rapid machining of hardened AISI H13 and D2 moulds dies and press tools. Journal of Materials Processing Technology v.135 p

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295 Apêndice 95 APÊNDICE 1: Avanço programado para trajetória no programa pós-processado em 5 eixos

296 Apêndice 96 Apêndice 2: Dados tecnológicos para o plano de execução na máquina fresadora O Apêndice 2 mostra de forma ampliada as informações tecnológicas de processo necessárias (Parâmetros de corte empregados, tipo de ferramenta, número de ferramenta para o programa, tempo estimado e material remanescente deixado na operação) para que o operador faça a regulagem da máquina e preencha os campos que restaram em branco na folha de processos CAM. Figura 50: Dados tecnológicos aplicados As principais informações apresentadas na figura são: Diâmetro da fresa e seu respectivo raio de ponta. (20 mm raio 1,00) Tipo de cone ODP sistema de cone com pontas intercambiáveis roscadas para cápsulas. Número de ferramenta no corretor: T17 Avanços vertical e lateral Profundidade de corte PC Rotação aplicada Sobre-metal para próxima etapa Referência no eixo Z em relação ao zero peça Tempo estimado pelo CAM Tempo real a ser preenchido pelo operador além de detalhes do processo como a máquina e a assinatura de quem executou o programa em questão.

297 Apêndice 97 Apêndice 3: Calibração da MMC Inicialmente foi necessário validar para o experimento, um padrão de referência para que o grau de confiança aplicado seja real. Foi utilizada para essa finalidade uma esfera padrão marca Taylor-Hobson do laboratório de metrologia SOCIESC, cujo raio de referência certificado é de 22,0196mm. A Figura 51 mostra o zeramento da esfera na MMC, para início das medições em alguns pontos da superfície tangente ao centro da esfera. Figura 51: Calibração do apalpador RENISHAW através de esfera padrão na máquina de medir por coordenadas. A Figura 52 ilustra os desvios encontrados em uma das medições. Figura 52: Desvios encontrados na calibração da máquina de medir por coordenadas

298 Apêndice 98 Foram executadas 3 séries com 6 pontos de medição em cada série, que gerou 18 amostras para o teste de normalidade da esfera padrão. A Figura 53 lustra o gráfico e os valores obtidos, após teste do Minitab. Normal Mean -0, StDev 0, N 18 AD 0,480 P-Value 0, Percent ,004-0,003-0,002-0,001 0,000 Medidas 0,001 0,002 0,003 0,004 Figura 53: Teste de normalidade da esfera medida na MMC A média e o desvio padrão para um nível de confiança de 95% atenderam os critérios para o teste. Isso significa que há uma tendência ao zero, certificando a incerteza da máquina em 5 µm, pois 16 das 18 amostras encontradas ficaram em um intervalo de 4 µm (+0,002 e-0, 002) e somente 1 ponto ficou 1 µm para cima e 1 ponto ficou 1 µm para baixo desse intervalo de medição. O desvio padrão e a média para as 18 amostras ficaram respectivamente em 1,5 µm e 0,3 µm.

299 Apêndice 99 Apêndice 4: Simulação da máquina em 5 eixos

300 Apêndice 100 Apêndice 5 - Vide CD-ROM com os planos de usinagem e vídeos do experimento.

301 i SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA INSTITUTO SUPERIOR TUPY MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS ESTRATÉGIAS DE FRESAMENTO 3 E 5 EIXOS PARA A FABRICAÇÃO DE MOLDES Adriano Eudorico Albano Joinville 2008

302 ii SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA INSTITUTO SUPERIOR TUPY MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS ESTRATÉGIAS DE FRESAMENTO 3 E 5 EIXOS PARA A FABRICAÇÃO DE MOLDES Dissertação apresentada ao Programa de Pós - Graduação em Engenharia Mecânica do Instituto Superior Tupy, como requisito para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Adriano Eudorico Albano Orientador: Prof. Dr. Adriano Fagali de Souza Joinville 2008

303 iii ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS ESTRATÉGIAS DE FRESAMENTO 3 E 5 EIXOS PARA A FABRICAÇÃO DE MOLDES Adriano Eudorico Albano Dissertação defendida e aprovada em 03 de novembro de 2008, pela Banca examinadora constituída pelos Professores: Prof. Dr. Adriano Fagali de Souza (Orientador) Instituto Superior Tupy Prof. Dra. Sueli Fischer Beckert Instituto Superior Tupy Prof. Dr. Reginaldo Teixeira Coelho EESC - USP

304 iv Dedicatória Dedico esse trabalho a Deus que me Concedeu a oportunidade de chegar Até aqui e a todos que de uma forma ou De outra contribuíram para esse trabalho

305 v Agradecimentos Ao Professor Dr. Adriano Fagali de Souza do Instituto Superior Tupy, pela orientação e acompanhamento passo a passo durante o desenvolvimento desse trabalho. À Ferramentaria SOCIESC, especialmente ao Sr. Lauro dos Anjos Filho e ao Sr. José Carlos da Silva pelo incentivo à pesquisa e desenvolvimento tecnológico na área de Moldes e Matrizes. A todos os colaboradores da equipe técnica da ferramentaria Sociesc e demais envolvidos que se engajaram na realização desse projeto. Ao aluno de iniciação científica Caio Zafalon pelo comprometimento no processamento dos dados estatísticos. À Empresa Villares Metals pelo fornecimento da matéria prima utilizada nos experimentos de usinagem. À empresa DELCAM, pelo sistema CAD/CAM utilizado nesse trabalho. À empresa GRV software, pela utilização de software de gerenciamento de custos CPS. Ao laboratório de Metrologia Sociesc pelo envolvimento nas medições tridimensionais do experimento.

306 vi SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO E CONTEXTUALIZAÇÃO Objetivos Gerais Objetivos Específicos Estrutura do trabalho REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Principais programas computacionais empregados na fabricação de moldes Sistemas CAD Sistemas CAM Operações de usinagem na fabricação moldes Usinagem por eletroerosão (Electrical Discharge Machining - EDM) Processo de fresamento de moldes Fundamentação usinagem 5 eixos Operações de fresamento em 5 eixos TRABALHO EXPERIMENTAL Materiais e equipamentos Material utilizado Máquinas-ferramenta e acessórios Programas computacionais utilizados Geometria do corpo de prova Parâmetros de processos Parâmetros de corte para fresamento 3 eixos Parâmetros de corte para fresamento 5 eixos Usinagem dos eletrodos Usinagem do corpo de prova por eletroerosão Métodos de avaliação Tempos de fabricação Custos de Fabricação Verificação dos erros geométricos RESULTADOS E DISCUSSÕES Estudo dos tempos de fabricação Tempos de programação CAD/CAM Tempo de fresamento da geometria...68

307 vii Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão Tempo específico de processo e tempo total de processo Custo de fabricação Estimativa simplificada de custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos Simulação simplificada do tempo estimado para amortização do investimento Avaliação dos erros geométricos CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS...88

308 viii RESUMO ALBANO, Adriano Eudorico. Análise Comparativa entre as Estratégias de Fresamento 3 e 5 Eixos para a Fabricação de Moldes. Joinville: IST, Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica. Atualmente, a indústria fabricante de moldes e matrizes tem-se deparado com uma acirrada concorrência no mercado mundial, além de exigências na redução dos prazos de entrega, redução de custos, e aumento de qualidade. Desta forma, as indústrias neste segmento devem estar atualizadas tecnologicamente para manter a competitividade. Nas últimas décadas, algumas tecnologias vêm se consagrando para apoiar este segmento, tais como: tecnologias computacionais de apoio (sistemas CAD/CAM/CAE/CAI), processos de usinagem em altas velocidades (High Speed Machining HSM) e a tecnologia de usinagem por fresamento utilizando 5 graus de liberdade, conhecida como fresamento 5 eixos. Devido a sua complexidade e custo, atualmente a usinagem 5 eixos é usualmente empregada na indústria aeronáutica, a qual necessita de sua aplicação. Com o desenvolvimento tecnológico e redução dos custos de implantação desta tecnologia, tende-se aplicar o fresamento 5 eixos para a indústria de moldes e matrizes. Alguns trabalhos científicos podem ser encontrados na literatura, tratando pontos científicos e tecnológicos sobre o tema. Entretanto, uma investigação sobre a viabilidade de aplicação e benefícios da usinagem 5 eixos na indústria de moldes e matrizes ainda é uma lacuna. Desta forma, este trabalho tem por objetivo realizar uma avaliação comparativa entre os processos de usinagem por fresamento, empregando 3 e 5 eixos de movimentação, para a indústria fabricante de moldes para a injeção de termoplásticos. A fabricação de moldes, empregando estas duas técnicas de fresamento foram avaliadas minuciosamente, envolvendo as etapas de programação CAD/CAM, o processo de fresamento e as operações de usinagem por eletroerosão. A usinagem por eletroerosão é muitas vezes necessária devido a limitações do processo de fresamento 3 eixos. Com o objetivo desenvolver o conhecimento aplicado à indústria de moldes, a geometria de um produto comercial foi selecionada para formar o corpo de prova. Dois corpos de prova foram fabricados, cada qual utilizando técnicas de fresamento 3 e 5 eixos. Foram obtidos os tempos de fabricação, custos e erros dimensionais para ambos os processos. Os resultados detalham os benefícios e limitações do fresamento 3 e 5 eixos para a referida indústria. Palavras-chave: Fresamento 5 eixos, Fabricação de Moldes, CAD/CAM, Eletroerosão

309 ix ABSTRACT ALBANO, Adriano Eudorico. Análise Comparativa entre as Estratégias de Fresamento 3 e 5 Eixos para a Fabricação de Moldes. Joinville: IST, Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica. Currently, the die and mould industry has a strong worldwide competition and requires to be technologically updated. Some important technologies have been developed successfully in the last decades to support this industrial segment, such as computational software (CAD/CAM/CAE/CAI), the High Speed Machining technology, and the 5 axis milling. Due to the complexity and cost, the last technology has been used only for the industry that requires its application, such as the air craft industry. Many scientific research can be found about the theme, but the technical and financial viability to apply 5 axis machining in die and mould industry is still a lack of knowledge. Therefore, this work aims to compare the application of 3 axis milling against 5 axis milling for mould fabrication. A real geometry was defined as workpiece. Appling 3 and 5 axis milling, two workpiece were fabricated. The entire fabrication time, as well as costs concerned and the geometry errors were assessed. The results shows the benefits and limitation about 3 and 5 axis milling applied for mould fabrication. Keywords: Five Axis Milling, Die and Mold Manufacturing, CAD/CAM, Electric Discharge Machining.

310 x LISTA DE FIGURAS Figura 1: Cadeia de manufatura de produtos que utilizam ferramentais Figura 2: Etapas da manufatura envolvendo a cadeia CAD/CAM/CNC Figura 3: Trajetória da ferramenta calculada por um sistema CAM Figura 4: Pós-processamento de programas CNC Figura 5: Arquivo CNC pós-processado para fresamento 5 eixos Figura 6: Microtrincas geradas em peça usinada pelo processo de eletroerosão Figura 7: Contato da aresta de corte com o plano de trabalho θ Figura 8: Possibilidade de acesso da ferramenta de corte Figura 9: Principais trajetórias de ferramentas para acabamento de moldes Figura 10: Movimento da ferramenta em relação aos vetores paralelos ao seu eixo 34 Figura 11: Diferentes eixos de inclinação entre o par ferramenta-peça Figura 12: Usinagem com a lateral da ferramenta em estratégia Swarf Figura 13: Sistemas de coordenadas para 5 eixos Figura 14: Combinações de eixos para máquinas CNC s 5 eixos Figura 15: Usinagem em 5 eixos posicionais Figura 16: (a) Curva descontínua, problemas na modelagem da superfícies. (b) Gráfico de curvatura. (Fonte: SILVA, 2006) Figura 17: Cavidade usinada em estratégia 3D offset Figura 18: Cavidade usinada em estratégia 5 eixos SWARF Figura 19: Escopo de processo para o procedimento experimental Figura 20: Bloco de aço VP20 ISO empregado no experimento Figura 21: Máquina ferramenta Deckel Maho DMU Figura 22: Máquina ferramenta Deckel Maho DMC 104V linear Figura 23: Cones utilizados no experimento Figura 24: Máquina por eletroerosão utilizada no experimento Figura 25: Cavidade do experimento na máquina de medir por coordenadas Figura 26: Geometria da cavidade do agitador da máquina lavar roupas em 3D Figura 27: Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Figura 28: Regiões selecionadas para avaliar os erros dimensionais dos corpos de prova Figura 29: Representatividade percentual dos processos CAD/CAM para 3 eixos Figura 30: Representatividade percentual dos processos CAD/CAM para 5 eixos Figura 31: Tempos do processo CAD/CAM Figura 32: Quantidade de programas CNC e tamanho dos arquivos Figura 33: Corpos de prova fabricados Figura 34: Tempo de fresamento da geometria Figura 35: Tempo para fabricação dos eletrodos para as duas cavidades Figura 36: Região inacabada pelo fresamento Figura 37: Áreas com material remanescente para eletroerosão Figura 38: Tempo total de processo para eletroerosão Figura 39: Tempos específicos de processo Figura 40: Tempo total de processo Figura 41: Representatividade dos tempos por processo de fabricação Figura 42: Gráfico percentual para os custos de fabricação por tipo de fresamento. 77 Figura 43: Medição da região do produto Figura 44: Teste de normalidade para a região do produto... 83

311 Figura 45: Medição da região do fechamento principal Figura 46: Teste de normalidade para a região do fechamento principal Figura 47: Medição do fechamento secundário Figura 48: Teste de normalidade para a região do fechamento secundário Figura 49: Boxplot comparativo para os dois processos estudados Figura 50: Dados tecnológicos aplicados Figura 51: Calibração do apalpador RENISHAW através de esfera padrão na máquina de medir por coordenadas Figura 52: Desvios encontrados na calibração da máquina de medir por coordenadas Figura 53: Teste de normalidade da esfera medida na MMC xi

312 xii LISTA DE TABELAS Tabela 1: Composição química do aço VP Tabela 2: Parâmetros de corte utilizado no experimento em fresamento 3 eixos Tabela 3: Parâmetros de corte utilizado no experimento em fresamento 5 eixos Tabela 4: Parâmetros de corte utilizado no experimento no fresamento dos eletrodos Tabela 5: Parâmetros aplicados no processo de eletroerosão para as duas cavidades Tabela 6: Tabela custo hora/processo Tabela 7: Tabela de tempos de programação CAD/CAM para fresamento 3 eixos.. 63 Tabela 8: Tabela de tempos de programação CAD/CAM para fresamento 5 eixos.. 64 Tabela 9: Somatória dos tempos da etapa CAD/CAM Tabela 10: Tempo para modelamento e programação CNC de eletrodos Tabela 11: Tempo de fresamento dos eletrodos Tabela 12: Custo total de fabricação das cavidades Tabela 13: Estimativa de custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos Tabela 14: Custos/hora para a simulação simplificada de amortização do investimento Tabela 15: Tabela de amortização para 2 turnos de trabalho (adaptado de Neto e Pereira,2008) Tabela 16: Tabela de amortização para 3 turnos de trabalho (adaptado de Neto e Pereira,2008) Tabela 17: Tabela dos intervalos dos desvios encontrados nas superfícies inspecionadas... 87

313 xiii ABREVIAÇÕES E SIGLAS MDIC: Ministério do Desenvolvimento Indústria e Comércio Exterior APL: Arranjo Produtivo Local CAD: Computer Aided Design CAM: Computer Aided Manufacturing CAI: Computer Aided Inspection CNC: Comando numérico computadorizado CPS: Controle de Processos e Serviços MMC: Máquina de Medir por Coordenadas HSM: High Speed Machining EDM: Electrical Discharge Machining CLF: Cutter Location File CL: Cutter Location CC: Cutter Contact RPM: Rotações por minuto F: Avanço de trabalho (mm/min) ap: Profundidade de corte axial (mm) ae: Profundidade de corte lateral (mm) CDP: Corpo de prova Zw: Eixo original de trabalho em Z. Xw: Eixo original de trabalho em X. Zc: Eixo modificado de trabalho em Z. Θ: Ângulo de inclinação para o plano de trabalho modificado

314 Capítulo 1: Introdução e contextualização 14 1 INTRODUÇÃO E CONTEXTUALIZAÇÃO A indústria de moldes tem grande impacto no cenário atual, pois influencia diversos segmentos produtivos, tais como: eletrodoméstico, automobilístico, indústria civil, dentre outros. Estima-se que 600 empresas fabricantes de moldes e matrizes estejam sediadas na região de Joinville. Esse aglomerado de empresas forma um importante Arranjo Produtivo Local (APL) da indústria metal-mecânica, considerado dentre os cincos APL prioritários para o Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior MDIC (MDIC 2008). Resende e Gomes (2004) recomendam que para o desenvolvimento do segmento de moldes no APL de Joinville são necessárias ações conjuntas das empresas. Essas ações devem contemplar a formação e manutenção de banco de dados sobre experiências bem sucedidas visando o processo contínuo de inovação tecnológica e podem ser realizadas através de parcerias entre fabricantes de moldes e centros tecnológicos. A pesquisa realizada pela consultoria MAXIQUIM, no ano de 2001, demonstra a necessidade de desenvolvimento deste segmento no Brasil, conforme demonstram alguns indicadores apresentados a seguir: a) O déficit da balança comercial brasileira aumenta negativamente, alcançando de US$ 112 milhões a US$ 200 milhões no seguimento. b) O faturamento da indústria de moldes para transformação de termoplásticos é estimado em US$ 300 milhões por ano, no Brasil. Estima-se um faturamento bruto mundial de moldes e matrizes em torno de US$ 20 bilhões por ano. c) Crescimento em torno de 15% da demanda de termoplásticos, comparado ao ano anterior. d) Os Estados Unidos é o maior fornecedor mundial de moldes com faturamento superior a US$ 5 bilhões por ano, seguidos pelo Japão e Alemanha.

315 Capítulo 1: Introdução e contextualização 15 e) Relata-se uma concorrência crescente de países como França, Itália, Península Ibérica e principalmente dos Tigres Asiáticos (Coréia, Taiwan e Singapura) além da China. Segundo Vallejos e Gomes (1998) a baixa capacidade competitiva e tecnológica dos fabricantes de moldes e matrizes nacionais atribui-se aos elevados preços e prazos de entrega de seus produtos, em relação àqueles praticados no mercado internacional. A pesquisa realizada por Gregolin e Antunes (2002) demonstra a necessidade de aprimorar a fabricação de moldes no Brasil, necessitando de desenvolvimento tecnológico para se igualar aos países considerados desenvolvidos. Em função das demandas atuais de mercado, as linhas automotivas, de eletrodomésticos e de telefonia móvel têm exigido cada vez mais agilidade, rapidez e flexibilidade no desenvolvimento e fabricação de moldes de injeção (LUCIANO et al, 2002). Souza e Bonetti (2007) apresentam a cadeia de manufatura à qual a indústria de moldes encontra-se inserida. A fabricação de moldes foi subdividida nas etapas: i) processos de fabricação, ii) processos de usinagem, iii) processos de fresamento, como ilustra a Figura 1. Figura 1: Cadeia de manufatura de produtos que utilizam ferramentais Fonte: SOUZA e BONETTI, (2007)

316 Capítulo 1: Introdução e contextualização 16 Dentre as operações envolvidas, o fresamento das cavidades do molde são as operações mais significativas, pois, além de produzir o produto final, pode influenciar diretamente as operações subseqüentes, repercutindo na qualidade, custo e tempo de fabricação do produto (SOUZA e BONETTI, 2007). Conforme apresentado por Boujelbene et al (2004), a maior porcentagem do custo de um produto fabricado pela injeção de plástico é relativa à manufatura do molde (30% do custo total) e a maior porcentagem desses custos está relacionada à usinagem. Fallböhmer (1996) conclui que mais de 60% do tempo de fabricação de um molde ou uma matriz é consumido na fabricação das partes funcionais, as quais incluem superfícies complexas. Na fabricação das partes funcionais do molde, Bonetti (2008) identificou o tempo de usinagem em cada etapa de fresamento. Para tanto, o autor avaliou 45 processos de fabricação de moldes de médio porte e identificou que 51% do tempo total de fresamento são despendidos em operações de desbaste, 18% em etapas de préacabamento e 31% para o acabamento. Deve-se considerar que, embora o acabamento não seja a etapa mais representativa de usinagem, é a operação que influenciará diretamente o produto final, em termos de qualidade dimensional, tempo e custo. Observa-se no mercado atual uma forte tendência na fabricação de produtos contendo formas suaves e harmônicas para compor os produtos. Segundo Lazoglu (2003), a utilização de objetos e produtos contendo formas geométricas complexas fez com que a necessidade de novas tecnologias de fabricação fosse intensificada. A complexidade geométrica dos produtos impõe novos desafios para a cadeia de manufatura de moldes, além da redução dos prazos de entrega, aumento da qualidade dimensional do molde e redução dos custos (BAPTISTA e SIMÕES, 1999). Dessa forma, o mercado global obriga os fabricantes de moldes e matrizes a buscarem continuamente a modernização de seu parque fabril, caso contrário, perderão competitividade, se não adotarem novas tecnologias e processos de fabricação (GEIST e FINZER, 2000).

317 Capítulo 1: Introdução e contextualização 17 Desde 1998, empresas brasileiras de pequeno, médio e grande porte têm buscado investimentos em novas tecnologias de fabricação, dentre elas a usinagem em alta velocidade, High Speed Cutting (HSC) ou High Speed Machining (HSM) (Deonísio, 2004), mas somente na última década novas tecnologias de usinagem têm sido aplicadas com eficiência na indústria de moldes, como usinagem em altas velocidades combinada com a usinagem em 5 eixos posicionais ou em 5 eixos simultâneos, trazendo reais vantagens para o processo (COLDWELL et al, 2003). Tradicionalmente, na fabricação de moldes, aplica-se o fresamento em 3 eixos (X, Y, Z). Máquinas-ferramenta com mais eixos simultâneos de movimentação ainda são escassas nas 1 ferramentarias, pois, além dos custos de implantação, requerem o desenvolvimento de novos processos de fabricação. A falta de conhecimento sobre o tema também é um forte empecilho para aplicação do fresamento 5 eixos na indústria de moldes. As máquinas-ferramenta 5 eixos (5 graus de liberdade), além de 3 eixos elementares de trabalho, possuem mais 2 eixos rotativos que podem agir simultaneamente, trazendo à fabricação de moldes grande versatilidade. Entretanto, o processo se torna mais complexo, pois exigem-se sofisticados algoritmos matemáticos para calcular e simular as trajetórias da ferramenta, pelos sistemas CAM, além do conhecimento do processo de fabricação e operação dos equipamentos. O custo de implantação dessa tecnologia é maior em relação à tecnologia 3 eixos (SO et al, 2007). Na usinagem de moldes, a aplicação do fresamento 5 eixos pode propiciar maior alcance da ferramenta de corte, atingindo regiões inacessíveis pelo fresamento tradicional (3 eixos), reduzindo áreas de eletroerosão, permitindo a usinagem em elevadas profundidades, redução de vibrações e melhor acabamento superficial. O trabalho realizado por Baptista e Simões (1999) conclui que o fresamento 5 eixos ocasionou melhor acabamento superficial em relação ao fresamento 3 eixos. Entretanto não são avaliados no trabalho, os tempos de fabricação, os impactos no custo e na qualidade dimensional da superfície fresada. Essas características são importantes para identificar a real viabilidade de aplicação das técnicas de usinagem 5 eixos na indústria de moldes. 1 Nome atribuído às indústrias fabricantes de Moldes e Matrizes

318 Capítulo 1: Introdução e contextualização 18 Diversos trabalhos de pesquisas na área de usinagem por fresamento em 5 eixos podem ser encontrados na literatura. Estes trabalhos, muitas vezes, estão focados no desenvolvimento das tecnologias relacionadas a aplicação da usinagem 5 eixos, tais como: algoritmos para cálculo e simulação de trajetórias; desenvolvimento de novas configurações de máquinas-ferramenta; rotinas, sistemas de comando e controle numérico CNC; processo de corte; precisão do processo, etc. Entretanto, trabalhos para constatar os tempos de fabricação, custos envolvidos e qualidade da usinagem, comparando ao fresamento tradicional, 3 eixos, ainda são incipientes, embora fundamentais. Diante do contexto em evidência, o presente trabalho propõe desenvolver o conhecimento sobre a viabilidade técnica e econômica da aplicação do fresamento 5 eixos para a fabricação de moldes, em comparação com o fresamento 3 eixos. Com o objetivo de desenvolver o conhecimento aplicado à realidade industrial, a geometria de um molde para injeção de plástico foi utilizada como corpo de prova. Foram fabricados dois corpos de prova, aplicando os processos de fresamento 3 e 5 eixos. São avaliados detalhadamente os tempos requeridos em cada etapa de fabricação, envolvendo: programação e simulação da usinagem via software CAM; o modelamento de eletrodos (CAD); a usinagem CNC dos corpos de prova; a programação e usinagem dos eletrodos (CAM/CNC); usinagem por eletroerosão de cada corpo de corpo de prova. Diversos trabalhos de pesquisa estudam e propõe a tecnologia para o processo de fabricação por fresamento 5 eixos, entretanto, nota-se uma carência de informações sobre sua viabilidade na cadeia de fabricação de moldes. Foram computados os custos e tempos requeridos para a fabricação utilizando ambos os processos, possibilitando visualizar os benefícios da usinagem 5 eixos relacionados ao tempo de fabricação, assim como identificar as limitações e gargalos do processo. Para composição dos custos, foram computados os valores dos materiais empregados (aços e materiais para os eletrodos) assim como os valores/hora de cada processo, considerando o tempo empregado em cada etapa. Também se realizou uma inspeção geométrica nas regiões que compõem a área de fechamento do molde real, pois esta é uma região crítica em moldes de injeção de plástico. O processo foi realizado com o auxílio de uma máquina de medir por coordenadas CNC (MMC), integrado a um sistema computacional específico

319 Capítulo 1: Introdução e contextualização 19 (CAD/CAI), a fim de quantificar os erros de forma, ocasionados pelo processo de fresamento 5 eixos, em comparação com o fresamento 3 eixos. 1.1 Objetivos Gerais Este trabalho tem por objetivo geral desenvolver o conhecimento sobre a aplicação do processo de fresamento 5 eixos para fabricação de moldes e matrizes. Através de um estudo de caso, serão comparados os processos de fresamento 3 e 5 eixos, avaliando-se as diferenças tecnológicas que impactam nos tempos e custos de fabricação, além da qualidade dimensional gerada pelos processos de fresamento em estudo. 1.2 Objetivos Específicos Este trabalho tem por objetivos específicos: a) Desenvolver um processo de fabricação para a usinagem do corpo de prova aplicando as tecnologias CAD/CAM/CNC e eletroerosão, considerando o processo de fresamento 3 eixos; b) Desenvolver um processo de fabricação para a usinagem do corpo de prova aplicando as tecnologias CAD/CAM/CNC e eletroerosão, considerando o processo de fresamento 5 eixos; c) Descrever todas as etapas e sub-etapas de fabricação do corpo de prova; d) Modelar o corpo de prova e os eletrodos em um sistema CAD, executar a programação da usinagem dos eletrodos em sistema CAM e sua respectiva usinagem no centro de usinagem CNC. e) Identificar as regiões que necessitam usinagem por eletroerosão, conforme o processo de fresamento empregado; f) Realizar a usinagem dos corpos de prova, por fresamento em altas velocidades, utilizando 3 e 5 eixos. g) Realizar a usinagem por eletroerosão nas regiões necessárias para cada corpo de prova. h) Realizar um levantamento dos custos e tempos de fabricação de todas as etapas envolvidas, para cada caso de estudo. i) Verificar os desvios geométricos das superfícies de produto, superfície de fechamento principal e superfície de fechamento secundário, empregando

320 Capítulo 1: Introdução e contextualização 20 uma máquina de medir por coordenadas (MMC) e sistemas de inspeção (CAD/CAI). 1.3 Estrutura do trabalho Este trabalho está dividido em 5 capítulos, brevemente descritos a seguir, além das referências e apêndices. Capítulo 1 Introdução e contextualização Este capítulo apresenta o cenário da indústria de moldes, os principais processos relevantes para a sua fabricação, o escopo experimental e os objetivos propostos para realizar o trabalho. Capítulo 2 Revisão bibliográfica São apresentadas as principais tecnologias e ciências envolvidas nesse trabalho, suas especificações e características. Capítulo 3 Procedimento experimental Descreve-se cada etapa do experimento em sua respectiva ordem de execução, são apresentados os critérios a serem analisados, bem como os recursos empregados no trabalho. Capítulo 4 Análise dos resultados São analisados os resultados obtidos nos ensaios e realizadas as devidas comparações entre os processos de fresamento empregados. Capítulo 5 Conclusões Descrevem-se as conclusões finais do trabalho. Os aspectos importantes são evidenciados, além de sugestões para futuros trabalhos. Referências bibliográficas Contêm todas as referências bibliográficas deste trabalho. Apêndices Ao final desse trabalho, encontram-se informações adicionais para documentação e esclarecimentos.

321 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 21 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Atualmente, impulsionado pelo desenvolvimento tecnológico, a aplicação da tecnologia de usinagem por fresamento 5 eixos, para a fabricação de moldes e matrizes, pode se tornar um importante diferencial nesse segmento. Devido a restrições tecnológicas, implicando diretamente no custo e dificuldade de acesso, o fresamento 5 eixos era até então empregado somente em indústrias cuja aplicação era imprescindível, como a indústria aeronáutica, por exemplo. Com o avanço dos sistemas CAD/CAM e máquinas-ferramenta CNC, a tecnologia de fresamento 5 eixos passa a ter um novo enfoque, possibilitando maior facilidade de acesso e redução de custos. Desta forma, para atingir os objetivos propostos neste trabalho, a Revisão de Literatura apresenta os seguintes assuntos pertinentes ao tema: sistemas computacionais, processos de fabricação de moldes e máquinas-ferramenta, assim como busca levantar o estado da arte sobre a aplicação do processo de fresamento 5 eixos. 2.1 Principais programas computacionais empregados na fabricação de moldes Atualmente, a fabricação de moldes pode ser auxiliada das seguintes tecnologias computacionais: a) CAD (Computer Aided Design) destinado ao modelamento de produtos e projeto do ferramental; b) CAM (Computer Aided Manufacturing) planejamento, cálculo das estratégias de usinagem e simulação de usinagem; c) CNC (Computer Numeric Control) para realizar as operações de usinagem do molde utilizando os programas gerados pelo CAM; d) CAI (Computer Aided Inspection) associado a uma máquina de medir por coordenadas (MMC), faz a inspeção geométrica das superfícies usinadas, gerando relatórios comparativos entre a peça real e o modelamento CAD.

322 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 22 e) CAE (Engineering Aided Computer) através do modelo geométrico criado tornam possíveis simulações e definições sobre a qualidade da peça injetada, pontos para definição de canais de alimentação do molde, entre outras respostas tecnológicas, antes mesmo da conclusão do projeto e fabricação do molde. Esse procedimento auxilia o setor de desenvolvimento e engenharia nas decisões tecnológicas relativas ao desenvolvimento do produto. A apresentação e discussão sobre essas tecnologias estão apresentadas a seguir, enfatizando aquelas de maior relevância para este trabalho Sistemas CAD O arquivo gerado pelo CAD contém informações da geometria que será utilizada como base de dados para os outros sistemas computacionais. Dessa maneira, o CAD torna-se o elo da cadeia de fabricação, ressaltando a sua importância. Devido à demanda por produtos contendo formas geométricas complexas, um sistema CAD, para atender a indústria de moldes e matrizes, deve possuir recursos para o modelamento das geometrias. Nesse caso, os sistemas CAD modeladores de superfícies são os mais indicados (SOUZA e COELHO, 2003). Os principais fatores a serem observados, para qualificação de uma plataforma CAD que atenda às necessidades desse segmento são: capacidade de modelamento geométrico do software, relação clientes/fornecedores, confiabilidade da empresa que desenvolve o software, custo e treinamento (SOUZA et al, 2006). Silva (2006) discute as implicações encontradas no modelamento 3D de geometrias em sistemas CAD no processo de cálculos das trajetórias por sistemas CAM. Uma geometria com baixa qualidade pode repercutir em trajetórias de ferramenta calculadas de forma inapropriada, invadindo a peça a ser fabricada.

323 Capítulo 2: Revisão bibliográfica Sistemas CAM Utilizando a geometria modelada no CAD, o software CAM tem por objetivo calcular as trajetórias de ferramenta para a respectiva usinagem; realizar a simulação das trajetórias e gerar programas CNC para a máquina-ferramenta. A integração desses sistemas é demonstrada na Figura 2 (SOUZA e COELHO, 2007). CAD Modelamento CAM Estratégia das trajetórias Cálculo da trajetória CNC Interpolador Loop de controle Transferência de dados geométricos Pós-processador Programa NC Figura 2: Etapas da manufatura envolvendo a cadeia CAD/CAM/CNC (Adaptado de Souza e Coelho, 2007) Cabe ressaltar que erros e tolerâncias estão intrínsecos em cada transferência de etapas, dessa cadeia. No sistema CAM, as definições iniciais realizadas pelo usuário seguem a sistemática de trabalho descrita a seguir: a) Importação do modelo geométrico; b) Definição do bloco de matéria-prima para usinagem; c) Definição das ferramentas e dos respectivos parâmetros de corte; d) Escolha de uma estratégia de usinagem para que o CAM calcule o percurso da ferramenta; e) Simulação da usinagem. Tradicionalmente, as trajetórias de ferramenta são compostas por pequenos segmentos de retas. O cálculo dos pontos da trajetória, executado pelo programa CAM, é iniciado pelo cálculo do ponto de contato da ferramenta sobre a geometria CAD 3D. Esse ponto é denominado cutter contact (CC). A localização do ponto central da ferramenta em sua trajetória é denominada cutter location (CL). Os pontos CL s estão contidos no programa NC final (Figura 3) (SOUZA e ARIAS, 2008).

324 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 24 Cutter Location Cutter Contact CL=CC Trajetória Figura 3: Trajetória da ferramenta calculada por um sistema CAM (Fonte: Souza e Arias, 2008) Os pequenos segmentos de retas são gerados, conforme tolerância de fabricação ao longo da superfície, limitando os tempos efetivos na usinagem, como constatou Guardiola et al (2007), em experimento comparativo entre diferentes tolerâncias de fabricação e a conseqüente distribuição dos segmentos ao longo da superfície. Todas essas limitações afetam os tempos de usinagem estimados pelo sistema CAM, ocorrendo oscilações da velocidade de avanço programada (SOUZA e COELHO, 2007). Para o caso da usinagem 5 eixos, essa limitação é enfatizada, pois, além dos 3 eixos cartesianos, a máquina deve controlar dois eixos rotativos adicionalmente. O Apêndice 1 ilustra que o avanço de trabalho (F) é parametrizado pela variável (Q). Ao assumir um valor fixo no programa, como por exemplo, mm/min, esse valor será interpolado para os 5 eixos, conseqüentemente afetando o valor real de deslocamento. Após os cálculos das trajetórias, deve-se realizar a usinagem em ambiente virtual, a fim de certificar os processos definidos e calculados pelo CAM. Para a simulação da usinagem em 5 eixos, é conveniente o modelamento de todo o sistema envolvido, como: fixação, dispositivos e a própria máquina, a fim de checar possíveis colisões. Um bom simulador deve fornecer uma animação 3D renderizada (Rendering), gerar uma peça virtual usinada e verificar o modelo criado pela simulação e o modelo CAD original (ROY apud SILVA, 2006). O Apêndice 4 ilustra a simulação da máquina realizada neste trabalho.

325 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 25 Para contemplar os objetivos desta dissertação, foram realizadas simulações de usinagem 5 eixos, considerando todo sistema de fixação-máquina; e foram levantados os tempos necessários para a simulação dos processos de usinagem 3 e 5 eixos. Concluídas as etapas anteriores, o software CAM deve gerar um arquivo, denominado CLF (Cutter Location File), contendo informações sobre o percurso da ferramenta e demais parâmetros. Esse arquivo ainda precisa ser convertido para linguagem específica da máquina CNC, cuja etapa de conversão é denominada pósprocessamento. Além de utilizar informações de sintaxe de cada comando numérico CNC, atribuem-se ao pós-processador características da máquina, tais como: número de eixos de movimentação, limitações de movimentação nos eixos cartesianos, limitações de rotação do eixo-árvore, dentre outros comandos que podem ser específicos para cada conjunto máquina-cnc. Portanto, dois elementos são necessários para o pós-processamento (SOUZA, 2004): a) Trajetória de ferramenta calculada pelo CAM em formato computacional; b) Pós-processador programa computacional que lê o arquivo CLF e o converte em um programa para ser executada em uma dada combinação máquina/cnc. Dessa forma, o pós-processador possibilita a utilização de qualquer arquivo CLF para qualquer configuração de equipamento (máquina/cnc), desde que a configuração dos eixos da máquina e do arquivo CLF seja compatível. A Figura 4 mostra um fluxograma da criação de um pós-processador específico para geração de programa CNC.

326 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 26 Dados de máquina Cutter Location File (CLF) calculado pelo CAM Gerador de pósprocessador Software/programação Pós-processador específico Programa NC Dados do CNC % N10G91G28X0Y0Z0 N20G40G17G80G49 N30G0G90Z10. N40T1M6 Figura 4: Pós-processamento de programas CNC (Fonte: SOUZA, 2004) A Figura 5 apresenta um programa CNC para fresamento 5 eixos pós-processado. O arquivo CLF é convertido em um arquivo texto e linguagem apropriada de uma máquina CNC com comando HEIDENHAIN ITNC 530. Figura 5: Arquivo CNC pós-processado para fresamento 5 eixos As coordenadas B e C referem-se às movimentações angulares da máquina, sendo B relativo ao eixo-árvore e o eixo C relativo à mesa.

327 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 27 Jung et al (2002) avaliaram o pós-processamento para fresamento 5 eixos e relatam que podem ocorrer erros provenientes da operação de reversão de fase. A reversão de fases é definida pelos autores como sendo a ocorrência de inversões nos deslocamentos angulares combinados com as inversões nos deslocamentos lineares, usualmente ao final de uma trajetória 5 eixos. Os autores propuseram algoritmos que promovem a diminuição do número de reversão de fases e também evitam a colisão da ferramenta na peça durante o processo. O pós-processador deve escolher uma conjugação angular correspondente para executar a operação sem colisões. 2.2 Operações de usinagem na fabricação moldes Os processos de usinagem para a fabricação de moldes são realizados através de usinagem por remoção de material. Dentre os processos envolvidos, geralmente são aplicados: o fresamento, a furação, o torneamento, a retificação e a eletroerosão (Electrical Discharge Machining - EDM). De acordo com Löttgen (2003), dentre todos os processos de usinagem de moldes, a eletroerosão e o fresamento são os mais utilizados, ambos são amplamente empregados para gerar cavidades com superfícies complexas Usinagem por eletroerosão (Electrical Discharge Machining - EDM) O processo por eletroerosão é baseado no princípio de remoção de material, através da ação de uma corrente elétrica controlada que gera, entre o 2 eletrodo e a peça, um efeito térmico capaz de remover material de acordo com a superfície do eletrodo. Na maioria dos casos, o eletrodo, fabricado pelo processo tradicional CAD/CAM e máquinas CNC, é de grafite ou cobre. Fuller (1989) lista como principais vantagens da usinagem por descargas elétricas: 2 Ferramenta em cobre ou grafite, construído sob medida para que sua forma seja representada na peça, pela ação da máquina EDM, através de descargas elétricas.

328 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 28 a) Possibilidade de usinar cavidades com finas paredes, uma vez que não há contato entre a ferramenta e peça; b) Capacidade de usinar as mais diversas geometrias, tais como: furos quadrados, retangulares, triangulares ou outra forma não convencional; c) Capacidade de usinar materiais de difícil usinabilidade, tais como: carboneto de tungstênio e aço ferramenta, uma vez que a dureza do material usinado não afeta o processo por descargas elétricas, muito embora a taxa de remoção de material esteja relacionada com o ponto de fusão desse material. O processo de eletroerosão é livre de rebarbas, diferenciando-se, nesse ponto, da maioria dos outros processos. Assim como outros processos de usinagem, a eletroerosão exige que seus parâmetros sejam rigorosamente conhecidos e quais deles podem ser manipulados para que se consiga obter condições ótimas de usinagem. Segundo Batalha (2002), quando a diferença de potencial entre a peça e o eletrodo é suficientemente elevada, uma descarga acorre através do fluido dielétrico, removendo uma pequena quantidade de metal da superfície da peça. Esse processo ocorre na freqüência entre 50 khz e 500 khz, com voltagem entre 50 V a 380 V e corrente de 0,1 a 500 A. Conforme Cruz (1993), os principais agentes do processo de usinagem por descargas elétricas de uma máquina-ferramenta de EDM são: a) Material do eletrodo-ferramenta; b) Material da peça; c) Fluido dielétrico. As principais variáveis de corte são: a) Freqüência de descarga elétrica; b) Tensão do arco; c) Intensidade de corrente. Tais grandezas de corte influenciam decisivamente nos três principais parâmetros de desempenho do processo, que são: a) A taxa de remoção de material; b) A relação de desgaste entre eletrodo e peça; c) A rugosidade superficial.

329 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 29 A taxa de remoção é o volume de material removido da peça na unidade de tempo e depende diretamente da energia empregada para um determinado regime de usinagem, bem como da freqüência. McGeough (1988) cita que esse parâmetro é também dependente de uma faixa muito grande de propriedades do material da peça a ser usinada como o ponto de fusão, por exemplo, além de ser influenciado pelas propriedades do eletrodo-ferramenta e por fatores geométricos, tais como forma e dimensões da ferramenta e da peça. A relação de desgaste é a razão entre o volume de material removido da peça e o volume de material gasto do eletrodo-ferramenta. Weller (1984) a define como um método conveniente para definir as características de desgaste de vários materiais usados na confecção de eletrodo-ferramenta, em diferentes condições de usinagem. Segundo Pandey (1985), a relação de desgaste é dependente das propriedades físicas e químicas desses materiais. O ponto de fusão, por exemplo, é citado como uma das propriedades que mais afeta a taxa de desgaste do eletrodo, sendo, portanto, uma das variáveis de maior influência, porém, outros fatores que exercem influência sobre a relação de desgaste, tais como: taxa de remoção de material, área da seção transversal dos eletrodos, conformação do eletrodo-ferramenta e a complexidade da forma geométrica que se deseja usinar tornam-se relevantes para a eficiência do processo. Segundo Lima e Corrêa (2006), a peça usinada pelo processo de eletroerosão apresenta sua superfície encoberta por camadas de material da própria peça que, ao sofrer a descarga elétrica, funde-se e, em seguida, se solidifica. Essa camada superficial é gerada pelas altas temperaturas na superfície que variam entre 10 a 50 mil graus Celsius, muito superior à própria temperatura de fusão do material usinado, no caso do aço, é em torno de 1560 graus Celsius. Essa camada superficial gerada é dura e de difícil polibilidade, ao contrário da superfície usinada em fresamento, que não gera camada superficial. A Figura 6 (no detalhe ampliado) mostra o exposto.

330 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 30 Figura 6: Microtrincas geradas em peça usinada pelo processo de eletroerosão (Fonte: LIMA e CORRÊA, 2006) A camada branca, gerada pelo processo de eletroerosão, caracteriza-se essencialmente pelo efeito térmico de austenitização e rápida têmpera superficial do material, sendo responsável pelo incremento da austenita retida superficial. Pela alta temperatura gerada na interface peça-eletrodo, gera-se, além da camada branca, microtrincas que diminuem drasticamente a resistência mecânica da superfície, implicando na vida útil do molde (NAVAS et al, 2007). Um molde necessita de uma boa resistência aos esforços cíclicos, pois sofre constantes choques térmicos durante o ciclo de injeção. Esses choques térmicos são propícios para a propagação das possíveis microtrincas geradas pelo processo de EDM. Isso se deve à entrada do material plástico quente e posterior resfriamento do produto ainda na cavidade, através de água ou outro líquido refrigerante. Além das implicações de resistência mecânica, oriundas do processo de EDM, deve-se considerar o expressivo tempo despendido nesse processo, onde estão envolvidos: o modelamento do eletrodo (CAD), a programação da fabricação do eletrodo (CAM), a usinagem do eletrodo (CNC), e o tempo do processo de eletroerosão. Na fabricação de moldes e matrizes, a eletroerosão é aplicada para realizar a usinagem de regiões onde a fresa não pode alcançar, por limitações geométricas. Portanto, todo processo de fabricação, capaz de reduzir ou eliminar o processo de EDM, pode representar uma significativa otimização. Nesse conceito, o fresamento

331 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 31 com 5 graus de liberdade passa a ser valorizado, pois permite usinar regiões inviáveis pelo fresamento 3 eixos, reduzindo assim as operações de eletroerosão. Este trabalho de mestrado avalia este caso Processo de fresamento de moldes Segundo Diniz et al (1999), o processo de fresamento é a operação com maior capacidade de remoção de material. Conforme a disposição dos dentes ativos da fresa durante o corte, o fresamento pode ser classificado em dois tipos sendo: fresamento tangencial e fresamento frontal. No primeiro caso, a superfície que está sendo gerada é paralela ao eixo da fresa, enquanto no fresamento frontal a superfície gerada é perpendicular ao eixo. No fresamento de superfícies complexas, o contato ferramenta-peça altera-se constantemente, tornando o processo instável, devido às constantes alternâncias entre o fresamento frontal e tangencial. O estudo realizado por Souza (2004) evidencia a grande alteração do processo de corte nessas condições, alterando fortemente a força de usinagem e a qualidade da superfície usinada. O posicionamento da ferramenta em relação à peça torna-se importante para o acabamento superficial. Conforme o ângulo de contato formado entre o par ferramenta-peça, pode-se melhorar o nível de acabamento da superfície usinada (CHEN et al, 2005); BOUZAKIS et al,1999). Souza (2004) também conclui que, com o centro de uma ferramenta de ponta esférica deslocado da região de corte, há uma melhora no acabamento superficial e uma diminuição dos esforços decorrentes do processo. Diante desse posicionamento entre o par peça-ferramenta, observa-se melhor aproveitamento da aresta de corte e, conseqüentemente, melhor desempenho. Na usinagem 5 eixos, é possível manter o centro da ferramenta fora do corte, dentro dos limites cabíveis, como ilustra a Figura 7 (CHEN et al, 2005).

332 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 32 Zw θ Zc Cw Onde: Zw: Eixo original de trabalho em Z. Xw: Eixo original de trabalho em X. Zc: Eixo modificado de trabalho em Z. Θ: Ângulo de inclinação para o plano de trabalho modificado. Xw Figura 7: Contato da aresta de corte com o plano de trabalho θ (Fonte: CHEN et al, 2005) Dessa forma, o fresamento em 5 eixos possibilita maior flexibilidade, podendo trabalhar com a ferramenta em uma posição mais propícia ao processo de corte. Outra ocasião bastante propícia ao fresamento 5 eixos é encontrada nos casos de usinagem de difícil acesso, utilizando apenas 3 eixos. O fresamento 5 eixos pode propiciar redução do comprimento de fixação das ferramentas (balanço). A Figura 8 ilustra esse caso. A redução do comprimento de balanço é importante para estabilidade do processo de corte. Figura 8: Possibilidade de acesso da ferramenta de corte

333 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 33 Tradicionalmente, na fabricação de moldes, aplica-se a usinagem por fresamento em 3 eixos (X, Y, Z). Dependendo da geometria a ser usinada, o processo fica inacabado em algumas regiões devido à limitação de acessibilidade aos cantos e alguns perfis. Nesse caso, operações de eletroerosão são necessárias. O processo tradicional para fabricação de moldes, segundo Souza e Bonetti (2007), normalmente, envolve as seguintes etapas: a) Desbaste: Operações de fresamento CNC, partindo de um material em estado bruto. Essa operação é executada em 2½ eixos, pois a ferramenta é posicionada em uma determinada altura em Z e depois executa movimentos em dois eixos, para remoção de material desse nível. Quando a remoção de material é finalizada, a ferramenta se posiciona em uma nova altura em Z (definida pela profundidade de corte), remove o material desse plano, repetindo o processo até a conclusão do desbaste (CHOI e JERARD, 1998). Normalmente, além do sobremetal teórico para ser removido na operação final de acabamento, um excedente de material permanece na peça, por limitações geométricas do processo, conforme estudado por CAPLA (2006). b) Alívio de cantos e pré-acabamento: essas 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 não alcança, devido a limitações geométricas. c) Acabamento por fresamento: essa é uma operação de fresamento CNC tridimensional, utilizando 3, 4, ou 5 graus de liberdade, conforme a disposição da máquina-ferramenta. Essa operação visa remover todo material excedente das operações anteriores e obter a melhor qualidade superficial possível no fresamento. A Figura 9 ilustra algumas opções de trajetórias de ferramenta para a usinagem de uma superfície semi-esférica (BITTENCOURT, 2006). Cada estratégia de usinagem pode ser mais adequada para uma geometria específica, como áreas planas, inclinadas, côncavas e convexas. Na usinagem de superfícies complexas, dependendo do grau de curvatura da superfície, a escolha da estratégia de corte é de grande importância para obtenção de uma superfície de melhor

334 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 34 qualidade. Souza et al (2008), avaliaram a influência de diferentes estratégias de corte na qualidade superficial e no tempo total de fabricação de um molde para injeção de plástico. Trajetórias 3D Offset Espiral Radial ascendente Radial descendente Passes paralelos Figura 9: Principais trajetórias de ferramentas para acabamento de moldes (Fonte: BITTENCOURT, 2006) Considerando o fresamento 5 eixos e as trajetórias exemplificadas pela Figura 9, a ferramenta pode percorrer traçados semelhantes, com inclinações na ferramenta, a fim de obter melhor posicionamento da mesma. No fresamento 3 eixos, a trajetória da ferramenta segue a orientação em relação aos vetores paralelos ao eixo da ferramenta, conforme ilustra a Figura 10a (sentido vertical, eixo Z). No fresamento 5 eixos, a ferramenta pode obedecer a uma inclinação conforme o vetor normal à superfície (Figura 10b) (CHOI e JERARD, 1998). Fig. a: Fresamento 3 eixos. Vetor da trajetória paralelo ao eixo vertical. Fig. b: Fresamento 5 eixos. Vetor da trajetória pode ser relacionado ao vetor normal à superfície Figura 10: Movimento da ferramenta em relação aos vetores paralelos ao seu eixo A movimentação de um ponto A para um ponto B, na trajetória em 5 eixos, pode ocasionar deslocamentos translacionais e rotacionais simultaneamente ou não. A Figura 11a exemplifica a usinagem sem rotação de posicionamento entre a ferramenta e a peça (fresamento 3 eixos). A Figura 11b exemplifica uma usinagem

335 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 35 onde ocorre movimento rotacional em torno do eixo Y. A Figura 11c, uma usinagem em torno do eixo X. Essas rotações posicionais podem ocorrer simultaneamente e, dependendo da concepção da máquina, pode ocorrer pela rotação da ferramenta, pela rotação da peça ou pela rotação de ambas. Fig. a: Ferramenta paralela ao eixo Z Fig. b: Ferramenta rotacionada em relação ao eixo Y Fig. c: Ferramenta rotacionada em relação ao eixo x Figura 11: Diferentes eixos de inclinação entre o par ferramenta-peça Uma estratégia de usinagem muito utilizada no fresamento 5 eixos é denominada Swarf. Esta estratégia permite usinar com a lateral da ferramenta, enquanto percorre o contorno da peça, como ilustra a Figura 12. Figura 12: Usinagem com a lateral da ferramenta em estratégia Swarf (Fonte: DELCAM, 2005)

336 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 36 Langeron et al (2003) demonstram em seu estudo a necessidade de novos desenvolvimentos para cálculo das curvas de interpolação em 5 eixos, a fim de diminuir os pontos de controle e os pontos com descontinuidade das trajetórias da ferramenta, além da necessidade de buscar melhor controle das movimentações simultâneas dos eixos lineares em combinação com os eixos angulares. Segundo Lux (1999), no campo de fabricação de moldes, há um crescente aumento do processo de fresamento em altas velocidades (High Speed Machining HSM), para usinagem de aços endurecidos. Nessa indústria, materiais endurecidos são usualmente usinados por eletroerosão. Com a aplicação da usinagem HSM, a tendência é reduzir as operações de EDM nesses casos. Shulz (1997) foi um dos primeiros a reconhecer o potencial da tecnologia HSM, em especial para a área de fabricação de moldes. O autor conclui que o processo HSM reduz a força de usinagem, melhora a qualidade superficial, reduz a temperatura em detrimento da vida útil da ferramenta de corte (LONGBOTTON e LANHAM, 2006). Pasini e Zeilmann (2004) concluíram que as cavidades fabricadas em HSM apresentaram menor desgaste durante sua utilização e uma vida útil e produtividade maior em relação à mesma cavidade fabricada por EDM. Os autores também concluíram que a aplicação do processo HSM, em substituição ao processo por EDM, gerou ganhos nos seguintes quesitos: a) O tempo de processo de fabricação da cavidade foi até 75% menor; b) Melhor aspecto superficial e menor variabilidade dimensional; c) O custo do produto manufaturado referente à produção das cavidades teve uma redução global de 56% (R$ 0,09 por peça executada pela cavidade em EDM contra R$ 0,04 por peça executada pela cavidade fresada por HSM). O processo HSM, pode ser até 4 vezes mais rápido que os processos convencionais (SANDVIK, 2003), evidenciando o estudo apresentado por Pasini e Zeilmann (2004), ganhos reais em sua aplicação. Com a complexidade das geometrias dos moldes, a acirrada concorrência internacional e prazos de entrega cada vez mais curtos, o processo de fresamento a

337 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 37 altas velocidades, combinados com o processo de fresamento em 5 eixos, pode representar um diferencial competitivo. 2.3 Fundamentação usinagem 5 eixos Em 1958 a força aérea americana através de um projeto financiado pelo governo, executou um estudo para viabilidade de construção do primeiro centro de usinagem vertical em 5 eixos. A empresa CINCINNATI assinou um contrato para construir e testar uma versão eletrônica capaz de controlar 5 eixos em uma fresadora vertical. Por falta de tecnologia computacional na época, esse processo foi considerado impraticável. Somente com a evolução dos sistemas controladores CNC, das plataformas CAD/CAM e as pesquisas para desenvolvimento dessa tecnologia, é que foi possível a simulação e o controle das trajetórias em 5 eixos (HERRIN, 1995). Segundo Santos (2006), o número de eixos de uma máquina ferramenta, se refere ao número de graus de liberdade ou ao número de movimentos independentes controlados nos barramentos da máquina. Na programação CNC, os eixos principais são classificados como eixos geométricos. O eixo é uma direção segundo a qual se podem programar os movimentos relativos entre a ferramenta e a peça de forma contínua e controlada. A nomenclatura ISO usa um sistema de coordenadas, obedecendo a um plano de trabalho, o qual corresponde a dois eixos lineares de deslocamento e um eixo paralelo à ferramenta de corte. Além dos eixos cartesianos (X, Y e Z), na usinagem em 5 eixos, é atribuído uma possível rotação sob um eixo cartesiano, conforme ilustra a Figura 13.

338 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 38 Eixo A: Rotação em torno do eixo X Eixo B: Rotação em torno do eixo Y Eixo C: Rotação em torno do eixo Z Figura 13: Sistemas de coordenadas para 5 eixos (Fonte: SANTOS, 2006) Segundo Sakamoto e Inasaki (1993), as máquinas-ferramenta em 5 eixos, comerciais, estão classificadas em 3 grupos, conforme a combinação de eixos rotativos. Ao primeiro grupo, atribui-se o sentido de orientação na ferramenta (eixoárvore); ao segundo grupo podem-se atribuir rotações na mesa da máquina e na ferramenta e, no último grupo, as máquinas realizam as rotações de posicionamento apenas na mesa da máquina (Figura 14). Fig. a: Ferramenta com orientação Fig. b: Ferramenta e peça com orientação Fig. c: Somente peça com orientação Figura 14: Combinações de eixos para máquinas CNC s 5 eixos (Fonte: SIEMENS, 2003) Para cada caso e projeto de máquina, há graus de liberdade diferenciados, justificando o investimento do equipamento, conforme a gama ou tipo de peças a fabricar. Basicamente, os processo de usinagem por fresamento em 5 eixos pode ser empregado em 2 modalidades:

339 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 39 a) Usinagem 5 eixos posicionais (também conhecido como 3+2 eixos): Nesse processo ou máquina, a remoção de material é realizada em movimentações de 3 eixos. Entretanto, a máquina pode se posicionar em outras duas direções. Nesse caso, a programação CNC, assim como a verificação de colisões requer menor esforço. Essa aplicação beneficia, principalmente, a usinagem profunda ou regiões específicas, como ilustra a Figura 15. Usinagem em 5 eixos posicionais Figura 15: Usinagem em 5 eixos posicionais b) Usinagem 5 eixos simultâneos: Nesse caso, a remoção de material pode ser realizada em movimentações da ferramenta em 5 eixos, simultaneamente. Exige-se maior trabalho para programação CNC e a verificação de colisões. Entretanto, possibilita maior versatilidade de trabalho. Segundo Silva (2006), a grande aplicação para o fresamento em 5 eixos simultâneos está na operação de acabamento, a qual se caracteriza por uma pequena quantidade de material a ser removida e que necessita de condição constante de contato entre ferramenta e a superfície de trabalho. Essa técnica é indicada para usinagem de formas complexas. Tsutsumi e Saito (2004) estudaram a precisão de posicionamento e movimentação de uma máquina 5 eixos com eixos rotativos na mesa. Nesse trabalho, os autores concluem que a precisão da usinagem 5 eixos foi inferior à usinagem 3 eixos, devido à movimentação rotacionais dos eixos, que podem interferir na precisão de posicionamento no instante de corte. O procedimento experimental foi executado em uma máquina 5 eixos, com inclinações na mesa. Utilizando equipamento de inspeção de máquinas CNC (ballbar), foram verificados

340 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 40 os erros de movimentação, rotacionando os plano de trabalho em x, e em y. Os autores investigaram os erros provenientes da movimentação sincronizada dos eixos que pode e deve ser controlado e corrigido na própria máquina CNC. Os erros encontrados nessa investigação estavam na ordem de 45 µm. Não foram avaliadas a precisão de movimentação sincronizada de máquina em 5 eixos simultâneos. Neste trabalho foi avaliado o processo de fresamento 3 e 5 eixos simultâneos para a fabricação de formas complexas de moldes para injeção. Foram avaliados os tempos envolvidos para que o corpo de prova proposto fosse totalmente concluído, os custos e a qualidade dimensional da geometria usinada pelos dois métodos de fresamento. 2.4 Operações de fresamento em 5 eixos Langeron et al (2003) desenvolveram um algoritmo de trajetória de ferramenta em sistema CAM para suavizar os movimentos dos 5 eixos simultâneos através interpolações polinomiais a fim de obter melhor definição da trajetória e da compensação da ferramenta em superfícies complexas. Nesse estudo esse algoritmo foi testado em diferentes máquinas CNC, a fim de verificar o acabamento superficial e tempos de usinagem. Em todas as máquinas avaliadas, apresentou redução dos tempos de usinagem e melhora do acabamento superficial. So et al (2007) propuseram um algoritmo para estimar, de forma mais precisa, o tempo real de usinagem para o fresamento 5 eixos. Tsutsumi e Saito (2004) propuseram um método de controle dimensional para avaliar os desvios posicionais e angulares de trajetórias em 5 eixos. Munlin et al (2004) desenvolveram um algoritmo para minimizar os erros e invasões na superfície usinada por fresamento 5 eixos, empregando fresas de topo plana com raio (toroidal). Becze et al (1999) propuseram um modelo matemático para prever os esforços e os mecanismos de desgaste de ferramentas em usinagem por fresamento 5 eixos de aços endurecidos Houve o estudo da morfologia do cavaco e a vida da ferramenta em fresamento 5 eixos. Os autores concluíram que não houve incremento significativo na vida da ferramenta, durante o fresamento 5 eixos de desbaste e nem de semi-acabamento com relação ao fresamento 3 eixos. Somente no acabamento houve um significativo aumento da vida da ferramenta, na

341 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 41 ordem de 60%. Questões sobre tempos, custos e desvios geométricos de fabricação não foram abordados. Os autores se fixaram na avaliação dos principais mecanismos de desgastes resultantes do fresamento 5 eixos. Ilushin et al (2005) e Marino et al (1998) estudaram a otimização dos tempos de cálculo para realizar a simulação e detecção de colisões na usinagem 5 eixos. Baptista e Simões (1999) estudaram a influência dos principais parâmetros de usinagem no fresamento 3 e 5 eixos de superfícies complexas, para redução dos tempos de acabamento manual (polimento) das superfícies acabadas. Os autores compararam os dois processos através de medição de rugosidade da superfície usinada, e nesse estudo, não foram avaliados os custos envolvidos no processo de fabricação nem os erros geométricos ocorridos em ambos os processos de usinagem. Bouzakis et al (1999) propuseram a otimização das condições de corte no fresamento 5 eixos, empregando diferentes ângulos de inclinação da ferramenta ao longo da superfície usinada. Obtiveram resultados significativos relativos ao acabamento superficial e otimização das condições de corte. Lim et al (2002) estudaram o acabamento superficial na usinagem 5 eixos de aletas de turbinas contendo paredes finas. Foram realizadas usinagens com diferentes orientações de corte e trajetórias. Os autores avaliaram 8 condições de corte e somente uma apresentou acabamento aceitável, sem vibrações durante processo. O detrimento da qualidade, segundo os autores, ocorreu na maioria dos casos devido a vibrações durante a usinagem. A vibração foi reduzida em um dos casos, devido à orientação da trajetória. Silva (2006) estudou a influência da integração entre os sistemas CAD e CAM para o fresamento 5 eixos de componentes de turbinas a gás e concluiu que problemas e limitações das trajetórias calculadas pelo CAM, tais como invasões da ferramenta na peça, ocorrem em função da qualidade da geometria modelada no CAD. Descontinuidades na superfície modelada podem ocasionar erros de cálculos das trajetórias. A descontinuidade se caracteriza por um ponto na curva onde haja interrupção da curvatura. Isso é ilustrado na Figura 16a e evidenciado graficamente na Figura 16b.

342 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 42 Figura 16: (a) Curva descontínua, problemas na modelagem da superfícies. (b) Gráfico de curvatura. (Fonte: SILVA, 2006) Gomes et al (2005) compararam o acabamento e o ciclo de fabricação para cavidade de um componente automotivo fresando dois corpos de prova, um em 3 eixos e outro em 5 eixos simultâneos. Na cavidade onde foi feito o fresamento em 3 eixos, adotou-se a estratégia em 3D offset. A Figura 17 ilustra a trajetória da ferramenta, conforme simulação. Figura 17: Cavidade usinada em estratégia 3D offset (Fonte: GOMEZ et al, 2005) Para o experimento em 3 eixos, foi utilizada uma ferramenta de diâmetro de 4 mm com 2 facas de corte. Na cavidade onde foi feito o fresamento em 5 eixos simultâneos, foi adotada a estratégia em Swarf, que se caracteriza como na utilização da lateral da ferramenta, acompanhando o perfil (superfície), reduzindo o número de incrementos transversais. A Figura 18 ilustra a trajetória da ferramenta Swarf 5 eixos.

343 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 43 Figura 18: Cavidade usinada em estratégia 5 eixos SWARF (Fonte: GOMES ET AL, 2005) Após a realização do experimento de usinagem, os autores obtiveram os seguintes resultados: a) O tempo de usinagem foi de 27 minutos para a usinagem em 3 eixos e 1 minuto e 20 segundos para a usinagem 5 eixos, evidenciando o importante potencial de redução no processo de fabricação por usinagem 5 eixos, nesse caso. b) Segundo os autores, para a geração de programas 5 eixos, houve demanda maior de tempo para o modelamento CAD e para os cálculos e simulações em 5 eixos, devido à complexidade do processo. c) A média da rugosidade para a usinagem em 3 eixos, no sentido ortogonal, o valor Ra foi de 2,7 µm, enquanto para a usinagem 5 eixos, no mesmo sentido, foi obtido Ra igual a 4,28 µm. Verificou-se maior valor de rugosidade na peça fresada por 5 eixos. Como concluem os autores, esse fato ocorreu porque o diâmetro da ferramenta era pequeno e, provavelmente, houve flambagem da haste durante a usinagem. Nesse trabalho não estão evidenciadas questões relativas a possíveis áreas para eletroerosão nem os custos envolvidos nos processos 3 e 5 eixos. Também não foram considerados os possíveis erros geométricos entre os processos. Diversos trabalhos de pesquisas, na área de usinagem por fresamento em 5 eixos, podem ser encontrados na literatura. Esses trabalhos estão, muitas vezes, focados no desenvolvimento das tecnologias relacionadas à aplicação da usinagem 5 eixos, tais como: algoritmos para cálculo e simulação de trajetórias 5 eixos;

344 Capítulo 2: Revisão bibliográfica 44 desenvolvimento de novas configurações de máquinas-ferramenta; rotinas e sistemas de comando e controle numérico; precisão do processo, etc. Entretanto, trabalhos que investigam os tempos de fabricação, custos envolvidos e qualidade da usinagem, comparando ao fresamento tradicional (3 eixos) e o 5 eixos para a fabricação de moldes e matrizes, ainda são incipientes, embora fundamentais. Com isso, a relevância do trabalho ora desenvolvido é avaliar sistematicamente os processos de fresamento de moldes, empregando as técnicas de 3 e 5 eixos, onde foram considerados: a) Os tempos de planejamento e programação da usinagem via software CAD/CAM, para os processos 3 e 5 eixos; b) Avaliação das áreas remanescentes para eletroerosão, para ambos os casos; c) Tempos de fresamento das cavidades e fresamento dos eletrodos necessários para cada processo de usinagem; d) Tempo de usinagem por eletroerosão para cada processo; e) Custos envolvidos para implantação de cada tecnologia; f) Custos envolvidos em cada processo; g) Avaliação geométrica do perfil usinado por ambos os processos.

345 Capítulo 3: Procedimento Experimental 45 3 TRABALHO EXPERIMENTAL Com o objetivo de estudar e avaliar os processos de fresamento 3 e 5 eixos para a fabricação de moldes, foi definida uma geometria para o corpo de prova a fim de representar, em suas formas geométricas, características comumente encontradas nesta indústria. Foram fabricados dois corpos de prova empregando ambos processos de fresamento. O procedimento experimental foi auxiliado pelos profissionais da SOCIESC Ferramentaria, e teve início no setor de projeto e fabricação, onde foram definidos o modelo geométrico e as estratégias de fabricação e fresamento. Após a conclusão dessa etapa, o trabalho se concentrou na fabricação dos dois corpos de prova utilizando as técnicas de fresamento 3 e 5 eixos. Na seqüência foram realizadas operações de usinagem por eletroerosão, necessárias para a remoção de material nas regiões onde a ferramenta de fresamento não pôde alcançar. Obteve-se uma significativa redução das regiões de eletroerosão para o fresamento 5 eixos. Foram quantificadas estas reduções, em termos de área, tempo de fabricação dos eletrodos, tempo de eletroerosão e a repercussão ao custo de fabricação. Após executar a fabricação dos dois corpos de prova e realizar uma avaliação detalhada entre os processos de fresamento, foi realizada a inspeção geométrica das superfícies usinadas e uma avaliação dos erros de forma ocasionados por cada método. O custo e o investimento dos processos de usinagem 3 e 5 eixos foram avaliados. Para auxiliar a visualização do procedimento experimental realizado, a Figura 19 apresenta todas as etapas e sub-etapas realizadas. O item Método de Avaliação foi detalhado com mais ênfase a fim de propiciar uma avaliação e comparação criteriosa entre os processos de fabricação estudados. O procedimento experimental está então subdividido nos tópicos de materiais e equipamentos, corpo de prova e métodos de avaliação.

346 Capítulo 3: Procedimento Experimental 46 Trabalho experimental Materiais e equipamentos Corpo de prova Parâmetros de processos Métodos de avaliação Avaliação dos erros geométricos Custos de fabricação Tempos de fabricação Calibração da MMC Custo total de fabricação Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Inspeção das superfícies Custo de fabricação por processo Amortização do investimento Tempos para fresamento da geometria Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão Figura 19: Escopo de processo para o procedimento experimental O procedimento experimental encontra-se detalhado a seguir. 3.1 Materiais e equipamentos Nesta seção são descritos os recursos empregados para o experimento como materiais, máquinas e programas computacionais necessários para obtenção e avaliação dos resultados experimentais Material utilizado Metals. A matéria-prima dos corpos de prova foi o aço VP20 ISO, fornecido pela Villares

347 Capítulo 3: Procedimento Experimental 47 Os aços empregados na fabricação de moldes necessitam ter características específicas como polibilidade e usinabilidade superior em relação aos outros aços ferramentas (MESQUITA e BARBOSA, 2004). A Tabela 1 apresenta os principais elementos químicos presentes na composição do VP20. Tabela 1: Composição química do aço VP20 Villares Similares ABNT-SAE DIN Wnr C % Mn % Cr % Ni % S % Mo % VP 20 ISO P ,36 1,60 1,80 0,70 <0,003 0,2 0 Dureza de utilização Hrc Sendo um aço destinado à fabricação de moldes para injeção de plásticos o mesmo é fornecido beneficiado com HRC, conferindo-lhe uma boa usinabilidade e excelente polibilidade. Mesquita e Barbosa (2004) avaliam que o compromisso de boa usinabilidade e polibilidade está relacionado ao teor de enxofre. Este elemento forma inclusões com o manganês, tipo MnS o que diminui o grau de polibilidade. Nesse contexto, o aço VP20 é produzido com baixo teor de enxofre e submetido a um tratamento com cálcio, durante o refino secundário na aciaria. No refino secundário o teor residual de cálcio será o responsável pela modificação do tipo e das inclusões, melhorando a usinabilidade sem perdas das características importantes para uma polibilidade superficial. A Figura 20 ilustra um dos blocos de matéria-prima utilizados no experimento. Figura 20: Bloco de aço VP20 ISO empregado no experimento Máquinas-ferramenta e acessórios O fresamento foi realizado em dois centros de usinagem verticais Deckel Maho de alta velocidade. O modelo DMU60 (Figura 21) possui como sua principal característica 5

348 Capítulo 3: Procedimento Experimental 48 eixos simultâneos com capacidade de deslocamento de X 630 mm, e Y 560 mm e Z 560mm podendo atingir a velocidade de avanço máximo em mm/min. O modelo DMC 104V LINEAR (Figura 22) com programação de 3 eixos simultâneos e capacidade de deslocamento de mm em X e 600 mm nas direções Y e Z e deslocamento máximo de velocidade de avanço de até mm/min, acionada por motores lineares. A potência para ambas as máquinas é de 19KW em rotação máxima de RPM. Ambas também estão equipadas com o CNC Heidenhain ITNC versão 530. Foi utilizado um sensor a laser para inspeção dimensional da ferramenta e também o sensor de contato eletrônico para realizar o referenciamento e dimensional do bloco de matéria prima na máquina (Heidenhain TS640 na máquina DMC 104V e Renishaw MP10 na máquina DMU 60). Figura 21: Máquina ferramenta Deckel Maho DMU 60 Figura 22: Máquina ferramenta Deckel Maho DMC 104V linear O sistema de fixação de ferramentas empregado nos experimentos foi o sistema térmico SRK da ISCAR, padrão ISO 40 para a DMC 104V e HSK 63 para DMU 60. Esse sistema faz a troca de ferramentas através de aquecimento por indução em equipamento específico. O formato cônico permite um melhor acesso à geometria a ser usinada (Figura 23a).

349 Capítulo 3: Procedimento Experimental 49 Fig. a: Cone Térmico Fig. b: Cone com fixação mecânica Figura 23: Cones utilizados no experimento Como estudo adicional, através de simulação com o software CAM, também foi empregado o cone com fixação mecânica por pinça ER 40, ilustrado na Figura 23b. Este tipo de fixação ainda amplamente empregado na indústria de ferramentaria. O objetivo foi verificar as limitações desse sistema de fixação para a fabricação de geometrias complexas. A usinagem por eletroerosão dos corpos de prova foi realizada em uma máquina CNC Charmilles Roboform 40 (Figura 24), com capacidade para tamanho de peças de até 370 x 1000 x 700 mm e curso em X de 500 mm, Y de 400 mm e Z de 450 mm tendo 64 Ampéres de corrente máxima de trabalho. Figura 24: Máquina por eletroerosão utilizada no experimento

350 Capítulo 3: Procedimento Experimental 50 Os dois corpos de prova foram inspecionados em uma máquina de medir por coordenadas Mitutoyo, com capacidade de medição em X 700 mm em Y 1000 mm e Z 500 mm. Essa máquina possui certificado NBR ISO/TEC17025, cuja emissão é realizada por laboratório acreditado à Rede Brasileira de Calibração. A Figura 25 ilustra o corpo de prova nos procedimentos de medição. Figura 25: Cavidade do experimento na máquina de medir por coordenadas A incerteza da máquina de medir por coordenadas, segundo o fabricante é de 5 µm e isso foi avaliado previamente através de um procedimento com uma esfera padrão, como consta no Apêndice Programas computacionais utilizados Para a geração dos programas CNC e modelamento da geometria de estudo foram utilizados dois programas computacionais CAD/CAM disponíveis na instituição: o Power Shape Versão 7.2 e o Powermill Versão 8.0. Estes softwares são desenvolvidos pela empresa Delcam International plc. Para o gerenciamento dos tempos e custos de fabricação foi utilizado o software CPS Versão 3.0 da empresa GRV Software. Para os resultados do experimento referente ao dimensional da superfície foi empregado o software 3D Tool na máquina de medir por coordenadas do laboratório de metrologia da SOCIESC.

351 Capítulo 3: Procedimento Experimental 51 Após a coleta de dados na máquina de medir por coordenadas, tornou-se necessário o processamento dos mesmos. Para essa finalidade foi utilizado o software estatístico Minitab para geração de gráficos e análise dos resultados. 3.2 Geometria do corpo de prova Foi realizado um breve estudo para definir a geometria do corpo de prova. Encontrou-se na geometria de um agitador para máquinas de lavar roupas, a forma adequada para ser utilizada no estudo proposto. Esta geometria contém um contorno em espiral e relativa profundidade, fazendo-se necessária uma análise minuciosa dos processos e estratégias de fabricação, para a fabricação do respectivo molde. A Figura 26 ilustra a geometria do corpo de prova, o qual representa um molde de injeção para a fabricação do agitador de uma máquina de lavar roupas. A região ilustrada em amarelo representa a região de produto e em azul, as superfícies de fechamento da cavidade do molde. Essas duas regiões fazem fronteiras entre si, separando o produto da área de fechamento do molde. Esta região deve possuir elevada precisão, pois representa a vedação entre as cavidades do molde, evitando rebarbas e imperfeições na peça injetada. Figura 26: Geometria da cavidade do agitador da máquina lavar roupas em 3D

352 Capítulo 3: Procedimento Experimental 52 A escolha da geometria do agitador permite uma avaliação detalhada de importantes aspectos para o fresamento 3 e 5 eixos. Esses aspectos envolvem todos os requisitos tecnológicos de processo, planejamento e execução para cada etapa de fabricação necessária para obtenção dos tempos, custos e desvios geométricos em cada tipo de fresamento. 3.3 Parâmetros de processos Neste item estão apresentados os parâmetros de usinagem para os processos de fresamento dos corpos de prova e dos eletrodos, assim como os parâmetros de eletroerosão Parâmetros de corte para fresamento 3 eixos Os parâmetros de cortes para o experimento foram escolhidos de acordo com as recomendações de catálogo técnico dos fornecedores das ferramentas (METALWORKING, 2007; MILLING TOOLS, 2007). As características das ferramentas de cortes foram definidas com auxílio do programador CNC para cada operação de desbaste, pré-acabamento e acabamento final. A Tabela 2 ilustra todas as ferramentas e parâmetros empregados nesse experimento. Tabela 2: Parâmetros de corte utilizado no experimento em fresamento 3 eixos Ferramenta [mm] RPM F (mm/min) ap[mm] (Prof. de corte axial). ae[mm] (Prof. de corte radial). Diâmetro 63 raio % diâmetro Diâmetro 25 raio % diâmetro Diâmetro 12 raio Diâmetro 12 raio % diâmetro Diâmetro 6 raio Diâmetro 3 raio 1, Diâmetro 2 raio

353 Capítulo 3: Procedimento Experimental 53 Esse valores estão inseridos nos planos de usinagem gerados pelo CAM que se encontram no Apêndice Parâmetros de corte para fresamento 5 eixos O mesmo critério foi utilizado para a seleção e escolha das ferramentas e parâmetros de corte para o fresamento em 5 eixos. A Tabela 3 ilustra todas as ferramentas e parâmetros empregados nesse experimento. Tabela 3: Parâmetros de corte utilizado no experimento em fresamento 5 eixos Ferramenta [mm] RPM F (mm/min) ap[mm] (Prof. de corte axial). ae[mm] (Prof. de corte radial). Diâmetro 63 raio % diâmetro Diâmetro 20 raio % diâmetro Diâmetro 25 raio % diâmetro Diâmetro 10 raio 0, % diâmetro Diâmetro 12 raio % diâmetro Diâmetro 12 raio Diâmetro 4 raio Diâmetro 3 raio 1, No Apêndice 5, multimídia, todos os planos de usinagem gerados pelo CAM são apresentados com os detalhamentos das ferramentas empregadas e parâmetros de trabalho Usinagem dos eletrodos Os parâmetros e ferramentas empregados no fresamento dos eletrodos são apresentados na Tabela 4. Os eletrodos foram fresados em 3 eixos.

354 Capítulo 3: Procedimento Experimental 54 Tabela 4: Parâmetros de corte utilizado no experimento no fresamento dos eletrodos Ferramenta [mm] RPM F (mm/min) ap (Prof. de corte axial). ae (Prof. de corte radial). Diâmetro 25 raio 0, % diâmetro Diâmetro 12 raio 0, % diâmetro Diâmetro 6 raio 0, % diâmetro Diâmetro 4 raio 0, % diâmetro Diâmetro 4 raio Diâmetro 2 raio Diâmetro 1 raio 0, Usinagem do corpo de prova por eletroerosão Os parâmetros do processo de usinagem por eletroerosão empregados foram recomendados pelo fabricante da máquina CHARMILLES (1993) e estão apresentados na Tabela 5. Tabela 5: Parâmetros aplicados no processo de eletroerosão para as duas cavidades Processo Taxa de remoção Taxa de desgaste do Acabamento (mm³/min) eletrodo (%) superficial (Ra) Desbaste ,6 Pré-acabamento ,2 Acabamento 3, ,6 Nota-se, na Tabela 5, que quanto menor a taxa de remoção de material empregada, maior o desgaste do eletrodo e melhor o acabamento superficial. Isso ocorre devido ao tamanho da faísca se concentrar em intervalos menores diminuindo o gap de contato entre peça e eletrodo gerando uma sobrecarga de corrente na superfície do eletrodo promovendo um maior desgaste do mesmo.

355 Capítulo 3: Procedimento Experimental Métodos de avaliação Com o objetivo de avaliar e comparar os processo de fresamento 3 e 5 eixos para a fabricação do corpo de prova, foram obtidas como variáveis de resposta: a) Os tempos de fabricação. b) Custos. c) Erros de forma. Estas variáveis de resposta e o método de avaliação foram detalhados a seguir Tempos de fabricação Os tempos de fabricação avaliados nesse trabalho foram subdivididos para os seguintes processos: a) Tempos envolvidos na programação CAD/CAM. b) Tempo para fresamento da geometria. c) Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão. Inicialmente, duas definições são utilizadas para realizar avaliações dos tempos de fabricação em cada processo: a) Tempo específico de processo. É o tempo de cada etapa de fabricação. Neste caso não são considerados os tempos não produtivos, tais como preparação e parada de máquina. São identificados o início e final de cada operação. Para obtenção deste tempo foram empregados recursos de software, como é o caso dos processos de usinagem CNC, fresamento e eletroerosão. Os tempos das etapas CAD/CAM foram cronometrados manualmente. b) Tempo total de processo. É o tempo real para fabricação, o qual repercute diretamente no custo de fabricação. Neste caso são computados os tempos de preparação de máquina e todos os demais tempos improdutivos que são contabilizados no orçamento de um trabalho industrial. Neste caso, os tempos totais de processo foram obtidos pelo software de planejamento e controle de produção, CPS versão 3.0 disponível na instituição, que oferece uma ferramenta para apontamento eletrônico dos tempos totais de processo. Cada início e fim de atividade são computados no sistema pelos profissionais envolvidos em cada processo avaliado.

356 Capítulo 3: Procedimento Experimental Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Para obtenção detalhada dos tempos envolvidos na programação CAD/CAM, os tempos específicos de processo foram divididos nas seguintes sub-etapas: a) Tempo de análise da geometria: o usuário deve definir os processos envolvidos conforme a geometria e sua complexidade que refletem diretamente na estratégia de cálculo de percurso da ferramenta. Essa sub-etapa contempla a necessidade ou não de eletrodos para regiões críticas da geometria onde o acesso da ferramenta não é possível resultando em áreas sem acabamento. O programador de fabricação nessa sub-etapa seleciona os tipos de ferramentas, parâmetros de corte e estratégias de usinagem de acordo com as operações de desbaste, préacabamento e acabamento. b) Tempo de cálculo: É o tempo necessário para o software CAM calcular o percurso da ferramenta. Foram avaliados os tempos consumidos no desbaste, pré-acabamento e acabamento. Esse tempo é influenciado diretamente pelas definições das fronteiras e das estratégias adotadas. c) Tempo de simulação: É o tempo necessário para o software CAM verificar possíveis colisões ou invasões da ferramenta em regiões fora dos critérios especificados pelo processo. d) Tempo de pós-processamento: É o tempo necessáiro para a conversão do arquivo CLF em linguagem máquina (programa CNC). e) Tempo para definição dos processos de eletroerosão: É o tempo consumido para definir as etapas de eletroerosão. Inicia-se no modelamento CAD dos eletrodos para as regiões remanescentes. Na seqüência, são executadas as usinagens dos eletrodos, obtendo-se os tempos necessários para o cálculo das trajetórias e simulação dos mesmos, via software CAM. A Figura 27 auxilia a visualização do método proposto para avaliação dos tempos envolvidos em programação CAD/CAM. Esta estrutura é empregada para a fabricação das duas cavidades estudadas.

357 Capítulo 3: Procedimento Experimental 57 Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Tempo de análise Tempo de cálculo Tempo de simulação Tempo de pósprocessamento Tempo para definição dos processos de eletroerosão Definições para as regiões de usinagem por fresamento Desbaste Pré-acabamento Modelamento CAD Definições para as regiões de usinagem por eletroerosão Acabamento Definição para usinagem dos eletrodos Tempos de cálculos para os eletrodos Tempos de simulação para os eletrodos Figura 27: Tempos envolvidos na programação CAD/CAM Através da somatória total dos tempos requeridos pela etapa envolvendo sistemas CAD/CAM foram realizadas as avaliações dos processos. Esses tempos foram devidamente preenchidos em uma tabela de tempos, especialmente formulada para monitoramento dessas sub-etapas do processo, apresentado no Capítulo Tempo de fresamento da geometria Esta operação consiste na usinagem principal das cavidades. O tempo específico de processo é obtido pelo CNC. Esse tempo ocorre no momento que o operador realiza o início de operação até o momento que a máquina encerra o processo. Esse tempo fica

358 Capítulo 3: Procedimento Experimental 58 armazenado no relógio do CNC e foi devidamente registrado pelo operador na ficha de processo Tempo do processo de usinagem por eletroerosão Para o processo de eletroerosão os seguintes tempos foram computados: a) Tempo de fresamento dos eletrodos: é o tempo empregado para construção dos eletrodos. b) Tempo de preparação da máquina: é o tempo para os devidos alinhamentos da peça e do eletrodo na máquina de eletroerosão, escolha dos parâmetros tecnológicos e preparação do programa para início do processo. c) Tempo de usinagem por eletroerosão: É o tempo real de usinagem, para desbaste e acabamento. Um comparativo das áreas remanescentes deixadas por fresamento 3 e 5 eixos ilustram as diferenças encontradas no processo de eletroerosão. Um estudo adicional foi realizado para avaliar o alcance da ferramenta de corte na superfície do corpo de prova utilizando o sistema CAD/CAM. Com esse propósito foi realizado um levantamento das áreas (mm²) de material remanescente do fresamento 3 e 5 eixos, onde tornou-se necessário o acabamento da superfície pelo processo de eletroerosão. A usinagem por fresamento foi realizada com sistema de fixação térmico SRK (conforme ilustrado na Figura 23) Custos de Fabricação Os seguintes critérios foram levados em consideração para o levantamento de custos: a) Tempos total de processo (tempo obtido pelo sistema CPS). b) Custo hora/máquina (Tabela 6). c) Materiais empregados para confecção do corpo de prova.

359 Capítulo 3: Procedimento Experimental 59 A Tabela 6 apresenta o custo/hora de fabricação para cada processo. Esses valores são os atuais custos da SOCIESC Ferramentaria no ano de Tabela 6: Tabela custo hora/processo Processo Custo/hora CAD/CAM R$34,04 Eletroerosão R$39,79 Fresa Alta Velocidade 3 e 5 eixos R$63,23 O custo da matéria prima é calculado multiplicando-se o peso necessário para fabricação da geometria pelo custo em R$/Kg. Para o aço VP 20 o custo foi de R$ 13,00/KG + 5 % IPI e o cobre foi de R$ 34, % IPI (cotação de maio/2008). Ao término dos experimentos, foram levantados os custos envolvidos Verificação dos erros geométricos A análise dimensional tem por objetivo identificar os erros geométricos das superfícies usinadas pelo processo de fresamento 3 e 5 eixos. Com a integração entre softwares CAD/CAI e a máquina de medir por coordenadas, foi possível medir os erros geométricos das superfícies fresadas, nas principais regiões da cavidade, que são as superfícies de fechamento do molde e as superfícies do produto. Foram definidas três regiões para análise, conforme ilustrado na Figura 28.

360 Capítulo 3: Procedimento Experimental 60 Região do Fechamento Principal Região do Fechamento Secundário Região do Produto Figura 28: Regiões selecionadas para avaliar os erros dimensionais dos corpos de prova Para avaliação do processo de inspeção, foram escolhidos 10 pontos para a região do produto e 12 pontos para a região do fechamento principal e fechamento secundário, buscando evidenciar a dispersão obtida através de relatório dimensional de cada medição. Cada ponto foi medido 3 vezes e obtido a média aritmética. Após o procedimento de inspeção na máquina de medir por coordenadas, todas as medições foram avaliadas quanto ao seu nível de distribuição em torno da média aritmética dos valores encontrados. A inspeção tem como finalidade verificar a conformidade da forma obtida, com a forma modelada. Segundo Vessereau (2000), o grau de normalidade para um processo é inteiramente determinado pela média e pelo desvio padrão obtidos através dos resultados das amostras. O teste de normalidade foi realizado através da aplicação do software Minitab. O teste de normalidade para o estudo proposto demonstrou a freqüência com que cada ponto medido oscilou em torno de um valor referencial (modelo CAD). No Minitab a média é caracterizada pela variável Mean e o desvio padrão pela variável StDev, que são evidenciados nos gráficos de normalidade.

361 Capítulo 3: Procedimento Experimental 61 O afastamento em torno da média para ±2 desvios padrão caracteriza uma probabilidade de 95% para a distribuição dos resultados estarem dentro desse campo de variação. Se a dispersão em torno da média tender a zero, houve uma maior estabilidade no processo e com isso mais se caracteriza a normalidade. O aumento da dispersão em torno da média demonstra mais instabilidade nos resultados e processos avaliados podendo descaracterizar a normalidade para o processo em questão.

362 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 62 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Neste capítulo são apresentados e discutidos os tempos de cada processo relativos à fabricação do corpo de prova (Item 4.1). Posteriormente são avaliados os custos (Item 4.2) e os erros geométricos (Item 4.3). 4.1 Estudo dos tempos de fabricação Neste item são avaliados todos os tempos de fabricação envolvendo: a) Tempos de programação CAD/CAM. b) Tempo de fresamento. c) Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão Tempos de programação CAD/CAM Baseado no diagrama de tempos para o desenvolvimento das etapas de fabricação realizadas por sistema CAD/CAM, como apresentado previamente na Figura 27, as Tabela 7 e Tabela 8 foram elaboradas para registro de tempos em cada sub-etapa no CAD/CAM. As Tabelas foram preenchidas durante o experimento. Desta forma foi possível o acompanhamento sistemático e o registro dos tempos consumidos no processo de programação CAD/CAM para os processos de fresamento 3 e 5 eixos.

363 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 63 Tabela 7: Tabela de tempos de programação CAD/CAM para fresamento 3 eixos Caso 1: Processo de fresamento 3 eixos Definições iniciais pela análise da geometria Item 1: Tempo para análise e definição dos processos Tempo [min] Tempo para definir operações (desb /pré/acab / áreas - ferramentas, parâmetros). 60 Tempo para definir regiões de eletrodos 5 Programação dos processos de usinagem por fresamento Item 2: Tempo para programação de desbaste e pré-acabamento. Tempo de cálculo do desbaste - 3 eixos (tolerância 0,1) 135 Tempo de cálculo do pré-acabamento 3 (tolerância 0,1) 20 Tempo para simulações das operações de 3 eixos 125 Item 3: Tempo para programação do acabamento final Tempo para gerar geometrias auxiliares no CAD / fronteiras 20 Tempo para estudar as melhores estratégias 3 eixos 25 Tempo de cálculo das trajetórias 3 eixos (tolerância 0,01) 120 Tempo para simulações das operações de 3 eixos 135 Item 4: Definição dos processos para EDM Tempo de modelar eletrodos CAD 45 Tempo para definir operações de usinagem dos eletrodos 20 Tempo para calcular trajetórias de desbaste e pré-acab no CAM (tolerância. 0,1) 30 Tempo para calcular trajetórias de acabamento CAM (tolerância. 0,01). 30 Tempo para simulação 15 Tempo para extração de coordenadas de eletrodo 5 Item 5: Pós-processamento Tempo para pós-processamento 3 eixos - Cavidade 1 Tempo para pós-processamento dos eletrodos 1 Tempo Total 792 A Figura 29 ilustra a representatividade de cada etapa de fabricação na composição da somatória do tempo específico de processo, em uma análise horizontal da Tabela 7. 39% 18% 0% 8% 35% Definições iniciais para análise da geometria Tempo de desbaste e pré-acabamento Tempo para programação - acabamento final Definição dos processos para eletroerosão Pós-processamento Figura 29: Representatividade percentual dos processos CAD/CAM para 3 eixos

364 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 64 Observa-se que o tempo de acabamento é o que consumiu mais tempo da programação CAD/CAM, pois os cálculos e simulações requereram processamento e trabalhou-se com bandas de tolerâncias de 0,01mm. O desbaste consumiu nesse experimento 35% do tempo de programação enquanto que o acabamento necessitou de 39%. De forma análoga, a Tabela 8 foi preenchida com informações sobre o processo de usinagem 5 eixos. Tabela 8: Tabela de tempos de programação CAD/CAM para fresamento 5 eixos Caso 2: Processo fresamento 5 eixos Tempo [min] Definições Iniciais pela Análise da Geometria Item 1: Tempo para análise e definição dos processos Tempo para definir operações (desb /pré/acab 3-5 eixos / áreas - ferramentas, 120 parâmetros). Tempo para definir regiões de eletrodos 5 Programação dos processos de usinagem por fresamento Item 2: Tempo de programação desbaste. e pré-acabamento. fresamento 3 e 3+2 eixos Tempo de cálculo do desbaste - 3 eixos (tolerância 0,1) 150 Tempo de cálculo do pré-acabamento 3 e 2+3 (tolerância 0,1) 10 Tempo para simulações das operações de 3 eixos (incluir 3+2) 130 Item 3: Tempo para programação 5 eixos - acabamento final Tempo para gerar geometrias auxiliares no CAD / fronteiras 5 Tempo para estudar as melhores estratégias 5 eixos 30 Tempo de cálculo das trajetórias 5 eixos (tolerância 0,01) 330 Tempo para simulações das operações de 5 eixos 300 Tempo para checagem de colisão (Suporte + Peça ) (Máquina + Peça) 330 Item 4: Definição dos processos para EDM Tempo de modelar eletrodos CAD 30 Tempo para definir operações 5 Tempo para calcular trajetórias de desbaste e pré-acab no CAM (tolerância 0,1) 20 Tempo para calcular trajetórias de acabamento CAM (tolerância 0,01) 30 Tempo para simulação 5 Tempo para extração de coordenadas de eletrodo 5 Item 5: Pós-processamento Tempo para pós-processamento 3 e 3+2 eixos 2 Tempo para pós-processamento 5 eixos 3 Tempo para pós-processamento dos eletrodos 1 Tempo Total 1.511

365 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 65 A Figura 30 ilustra a representatividade de cada etapa de fabricação na composição da somatória do tempo específico de processo, em uma análise horizontal databela 8. 6% 0% 8% 19% Definições Iniciais para análise da geometria Tempo de desbaste e pré-acabamento Tempo para programação - acabamento final definição dos processos para eletroerosão Pós-processamento 67% Figura 30: Representatividade percentual dos processos CAD/CAM para 5 eixos Para o fresamento 5 eixos, como resultado observa-se que o tempo de acabamento é o que consumiu mais tempo da programação CAD/CAM, pois os cálculos e simulações requereram processamento e simulações mais complexas devido às movimentações dos eixos angulares. O desbaste consumiu nesse experimento 19% do tempo de programação enquanto que o acabamento necessitou de 67% do tempo de CAD/CAM. Utilizando as informações obtidas sobre os tempos específicos de processo, a Figura 31 permite uma nova comparação dos tempos para o fresamento 3 e 5 eixos em suas etapas de fabricação realizadas no CAD/CAM. Os resultados são baseados em uma análise vertical das tabelas 7 e 8.

366 Capítulo 4 - Resultados e Discussões EIXOS 5 EIXOS [Minutos] Tempo de análise Tempo de cálculo Tempo de simulação Tempo de pósprocessamento 2 6 Tempo para definição dos processos de eletroerosão Figura 31: Tempos do processo CAD/CAM O tempo de análise da geometria, onde ocorrem as definições das estratégias de fabricação, ferramentas, parâmetros e criação de fronteiras, para o fresamento 5 eixos foi superior em aproximadamente 46%, devido a complexidade e maior número de decisões a serem tomadas pelo usuário. O tempo necessário para o software CAM calcular as trajetórias de ferramenta foi 78% superior para o processo 5 eixos em comparação com o processo 3 eixos. O tempo necessário para checar colisões entre o suporte/peça e/ou ferramenta/peça consumiram um tempo significativo na fase de simulações. No processo 5 eixos há a necessidade de todo o sistema estar modelado, (máquina-peça-ferramenta), o que tornou a simulação cerca de 175% superior ao tempo de simulação para o processo 3 eixos. Este tempo demonstra a complexidade dos cálculos no processo 5 eixos. A máquina modelada para simulação é ilustrada no Apêndice 4.

367 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 67 Para os programas em 5 eixos foram necessários 6 minutos para o pósprocessamento e 2 minutos para o processo em 3 eixos, representando uma diferença de 200%, porém não tão significativo como no caso do tempo de cálculo e tempo de simulação. Deve-se ressaltar que o número de programas CNC para o fresamento em 5 eixos foi superior, assim como o tamanho dos arquivos. A Figura 32 ilustra a quantidade de programas necessários e o tamanho total dos arquivos gerados para a fabricação do corpo de prova para ambos os processos. Cavidade fabricada por fresamento 5 eixos Cavidade fabricada por fresamento 3 eixos Tamanho total dos arquivos posprocessados [Mb] 11,1 38,4 Quantidade programas Figura 32: Quantidade de programas CNC e tamanho dos arquivos Deve-se considerar que 16 programas foram efetivamente em 5 eixos, isso representa quase 70% do processo de fabricação. Os demais programas, como desbaste e alívio de cantos, foram realizados em 3 eixos. Isso ocorreu porque a geometria inicial foi um bloco cúbico de matéria-prima, favorecendo a remoção por camadas em estratégias 2 ½ eixos. A Tabela 9 representa os tempos específicos de processo empregados nas etapas de programação CAD/CAM para a geração dos arquivos necessários para a fabricação dos corpos de prova, oferecendo um comparativo entre o tempo total consumido para os dois tipos de fresamento em questão. O tempo apresentado refere-se à somatória dos tempos conforme realizado na Figura 31.

368 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 68 Tabela 9: Somatória dos tempos da etapa CAD/CAM Processo Fresamento 3 eixos Fresamento 5 eixos Tempo CAD/CAM 13,3 horas 25,18 horas A etapa de trabalho CAD/CAM para o processo de fresamento em 5 eixos requereu um tempo 89% superior em relação ao processo de fresamento 3 eixos. Isso ocorre devido à maior complexidade dos cálculos de trajetórias e simulações necessárias para o fresamento em 5 eixos, assim como maior variedade de decisões que o usuário deve tomar. A etapa CAD/CAM relativa ao tempo para definição dos processos de eletroerosão fará parte dos resultados e discussões envolvidos no item desse trabalho Tempo de fresamento da geometria A Figura 33 ilustra os corpos de prova fabricados no experimento de usinagem. Fig. a: Corpo de prova - Fresamento 3 eixos Figura 33: Corpos de prova fabricados Fig. b: Corpo de prova - Fresamento 5 eixos A Figura 34 apresenta a somatória do tempo de usinagem real para fabricação dos corpos de prova e a somatória relativa ao tempo de fresamento estimado pelo software CAM.

369 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 69 Tempo [horas] Corpo de prova Fabricado p/ fresamento 3 eixos Corpo de prova Fabricado p/ fresamento 5 eixos 8,7 11,71 10,11 15,05 0 Tempo estimado para fresamento pelo CAM Tempo Real de Fresamento Figura 34: Tempo de fresamento da geometria Comparando-se o tempo real de fresamento do corpo de prova, o processo 5 eixos consumiu um tempo 28,5% superior em relação ao processo de fresamento em 3 eixos. Isso ocorreu devido: a) A maior quantidade de programas gerados. b) À maior área de acabamento realizado no fresamento 5 eixos. c) Aos avanços reais de usinagem serem significativamente inferiores aos valores programados. A diferença entre o tempo estimado para fresamento pelo CAM se diferenciou do tempo real. Na usinagem 3 eixos o tempo real foi 16,2% superior e na usinagem 5 eixos o tempo real foi 48% superior ao tempo estimado pelo CAM. As principais razões pelas divergências entre os tempos estimados para fresamento pelo software CAM e os tempos reais de fabricação provém das limitações da máquina em seu tempo de processamento e as acelerações e desacelerações durante trajetória de usinagem, conforme estudo realizado por Souza e Coelho (2007). O software CAM não considera estas limitações do equipamento. A diferença entre o tempo estimado para fresamento pelo CAM e o tempo real de fresamento é superior no processo 5 eixos por este possuir 2 eixos adicionais para a máquina realizar o controle e movimentação. Em torno de 63% do tempo de trabalho no CAD/CAM se deve ao tempo de cálculo e às simulações e checagem de colisões para o fresamento 5 eixos simultâneos. Em Apêndice 5 eletrônico, encontra-se um vídeo dos processos de usinagem empregados.

370 Capítulo 4 - Resultados e Discussões Tempos envolvidos nas operações de eletroerosão Nesta etapa, os tempos envolvidos são os tempos necessários para as definições efetuadas pelo usuário do sistema CAD/CAM, a fabricação dos eletrodos e o tempo de usinagem por EDM. Esses tempos são detalhados a seguir Modelamento e fabricação dos eletrodos Iniciou-se esta etapa com o modelamento geométrico e programação de CNC para fresamento dos eletrodos utilizando um sistema CAD/CAM. O tempo total para realizar todas as operações desta etapa foram obtidos através da somatória dos tempos específicos conforme a Tabela 10. Tabela 10: Tempo para modelamento e programação CNC de eletrodos Tempos para confecção dos Eletrodos Tempo [Horas] Fresamento 3 eixos Tempo [Horas] Fresamento 5 eixos Tempo para modelar eletrodos CAD 0,75 0,50 Tempo para definir operações 0,33 0,08 Tempo para calcular trajetórias de desbaste e préacabamento 0,50 0,33 no CAM (tolerância. 0,1). Tempo para calcular trajetórias de acabamento CAM 0,50 0,50 (tolerância. 0,01). Tempo para simulação 0,25 0,08 Tempo para extração de coordenadas de eletrodo 0,08 0,08 Tempo Total 2,41 1,58 Foram confeccionados três eletrodos para o corpo de prova fresado em 3 eixos, sendo que dois eletrodos foram necessários para remoção dos cantos e áreas não acabadas pelo fresamento, um eletrodo para complemento da borda do produto. Para o corpo de prova fresado em 5 eixos foram necessários apenas dois eletrodos sendo, um necessário para a remoção dos cantos não acabados pelo fresamento e outro para complemento da borda do produto. A Tabela 11 mostra o tempo de fabricação para cada caso.

371 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 71 Tabela 11: Tempo de fresamento dos eletrodos Processo Tempo específico 3 eixos [horas] Tempo específico 5 eixos [horas] Tempo para fabricação do eletrodo 1 1,52 1,13 Tempo para fabricação do eletrodo 2 1,61 0,74 Tempo para fabricação do eletrodo 3 0,74 - Tempo total de fabricação dos eletrodos 3,87 1,87 A Figura 35 apresenta os tempos específicos consumidos para a fabricação dos eletrodos. Corpo de prova fabricado por fresamento 5 eixos Corpo de prova fabricado por fresamento 3 eixos Tempo CAD/CAM Tempo para fresamento do eletrodo Tempo total (CAD/CAM+fresamento do eletrodo) 1,58 1,87 2,41 3,45 3,87 6, [Horas] Figura 35: Tempo para fabricação dos eletrodos para as duas cavidades Para o caso de estudo da cavidade fabricada pelo fresamento 3 eixos, o tempo total de fabricação dos eletrodos foi superior em 82% Estudo das áreas e regiões de eletroerosão A Figura 36 ilustra as áreas que devem ser erodidas, para os casos da usinagem 3 e 5 eixos onde foram gerados e fabricados os eletrodos. Para o fresamento foi utilizada a fixação térmica da ferramenta de corte, e em um estudo adicional foi realizada uma simulação de área com a utilização de fixação por pinça mecânica.

372 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 72 Área: ,79 (mm²) Área: ,73 (mm²) Área: 3.344,44 (mm²) Fig. a: Usinagem 3 eixos. Fixação de ferramenta convencional Fig. b: Usinagem 3 eixos. Fixação térmica da ferramenta Fig. c: Usinagem 5 eixos. Fixação térmica da ferramenta Figura 36: Região inacabada pelo fresamento Com a simulação gráfica foi possível identificar as regiões não usinadas pelo fresamento. O fresamento 5 eixos com fixação térmica teve a menor área com material remanescente para eletroerosão. Com o mesmo sistema de fixação, no fresamento 3 eixos, essa área aumentou 3 vezes. Na pior situação, a área deixada para eletroerosão aumentou cerca de 13 vezes com a utilização de sistema de fixação por pinça mecânica no fresamento 3 eixos. Isso deixa evidente que o sistema de fixação adequado contribui significativamente para redução da área de acabamento por eletroerosão, assim como a usinagem 5 eixos facilitando o acesso da ferramenta em regiões mais críticas da geometria. A Figura 37, evidencia as regiões deixadas sem acabamento para as duas cavidades. A cavidade fresada em 3 eixos com fixação térmica apresentou uma área aproximadamente de 2,81 vezes maior que a cavidade fresada em 5 eixos. Abaixo as regiões de material remanescentes deixadas para eletroerosão.

373 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 73 Áreas remanescentes para EDM Figura 37: Áreas com material remanescente para eletroerosão Em Apêndice 5 eletrônico, encontra-se um vídeo dos processos de eletroerosão empregados Tempo total de processo para eletroerosão O apontamento eletrônico com o software CPS foi utilizado para obter o tempo total de processo para eletroerosão, como ilustra a Figura 38. O sistema apenas registra o tempo inicial e final de processo, acionado pelo usuário. Tempo preparação 1,5 3,84 Cavidade fabricada por fresamento 5 eixos Cavidade fabricada por fresamento 3 eixos Tempo específico de processo para eletroerosão 1,18 20,3 Tempo total de processo (EDM+preparação) 2,68 24, [Horas] Figura 38: Tempo total de processo para eletroerosão A diferença de tempo total do processo de eletroerosão (EDM) foi de aproximadamente 8 vezes entre os dois casos de estudos. Este fato evidencia a

374 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 74 eficiência do processo de usinagem 5 eixos, para usinagem de regiões profundas e complexas Tempo específico de processo e tempo total de processo O tempo específico de processo nesse trabalho constituiu-se na somatória de todas as horas necessárias para a fabricação de cada corpo de prova como apresenta a Figura 39, constituindo-se apenas nas horas reais de trabalho em cada operação. [Horas] ,3 25,18 Tempo específico de processo CAD/CAM Corpo de prova fabricado por fresamento 3 eixos Corpo de prova fabricado por fresamento 5 eixos 10,11 15,03 Tempo específico de processo para fresamento do CDP 3,87 Tempo específico para fresamento dos eletrodos 20,3 1,87 1,18 Tempo específico de processo para eletroerosão 47,58 43,26 Somatória dos tempos específicos dos processos Figura 39: Tempos específicos de processo O tempo total específico para construção do corpo de prova fabricado por fresamento em 3 eixos consumiu 47,58 horas e para o corpo de prova fabricado em 5 eixos esse tempo foi de 43,26 horas. Em termos percentuais para os casos em estudo, isso significa uma economia média de aproximadamente 10% no tempo específico de fabricação. O tempo total de processo constitui-se no tempo computado pelo início e fim de operação via apontamento eletrônico para fins de custos, pois trata-se do tempo específico de processo adicionado aos tempos improdutivos. A Figura 40 ilustra para os dois tipos de fresamento estudados, os resultados referente às somatórias desses tempos.

375 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 75 Corpo de prova fabricado por fresamento 3 eixos Corpo de prova fabricado por fresamento 5 eixos [Horas] ,75 66,69 Tempo total de processo Figura 40: Tempo total de processo O tempo total de processo é o tempo contabilizado no cálculo dos custos industriais. O corpo de prova fresado por 3 eixos teve um tempo total de processo (registro via apontamento eletrônico) no valor de 80,75 horas e o corpo de prova fresado por 5 eixos apresentou um valor total de 66,69 horas, representando uma diferença de tempo total de processo de 21%. Para o corpo de prova fresado por 3 eixos houve um número maior de preparações e alinhamentos de processos, pois no fresamento foram necessários duas preparações do bloco na máquina, e no processo de EDM um número maior de eletrodos exigiu mais tempo para preparações, contribuindo para esse resultado. Para a indústria de moldes, o processo de fresamento em 5 eixos favorece positivamente os prazos de entrega devido à redução de operações e tempos de processos necessários à conclusão de uma cavidade. A Figura 41 ilustra a representatividade percentual dos processos de fabricação, envolvendo as técnicas de 3 e 5 eixos. 21% CAD/CAM 58% CAD/CAM 28% 51% Fresamento do corpo de prova Eletroerosão 35% Fresamento do corpo de prova Eletroerosão 7% Fig. a: Fresamento 3 eixos Fig. b: Fresamento 5 eixos Figura 41: Representatividade dos tempos por processo de fabricação

376 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 76 Para a cavidade fresada em 5 eixos observa-se que o processo de CAD/CAM teve a maior fatia do tempo com 58% do tempo total de fabricação, seguido pela operação de fresamento, consumindo 35% do tempo total de fabricação da cavidade. Para os outros processos os tempos foram bem menos significativos, com o tempo específico de eletroerosão de apenas 7% (incluído a fabricação dos eletrodos). Para o corpo de prova fresado em 3 eixos observa-se que a distribuição dos tempos foi distinta. O processo de eletroerosão ficou com a maior fatia do tempo, requerendo 51% do tempo total de fabricação (incluído a fabricação dos eletrodos), seguido pelo CAD/CAM com 28% e o fresamento com 21%. Para o processo em 5 eixos o CAD/CAM teve o maior impacto de tempo (58%) devido aos cálculos, simulações e controles necessários para a realização da usinagem. Na fabricação por fresamento 3 eixos, para a geometria proposta, o processo de eletroerosão teve o maior impacto de tempo (51%) em função da área remanescente ter sido muito maior em relação ao processo 5 eixos. 4.2 Custo de fabricação O custo de fabricação avaliado nesse trabalho foi obtido multiplicando o tempo total de processo requerido por cada etapa e seu respectivo custo por hora (conforme Tabela 6), adicionado ao custo da matéria-prima, tem-se o custo total de cada corpo de prova, como detalhado na Tabela 12. Tabela 12: Custo total de fabricação das cavidades Processo Aço Cobre CAD/CAM Fresamento EDM Fabricação eletrodos Custo total 3 Eixos R$1.500,75 R$337,41 R$826,66 R$1.436,38 R$960,26 R$325,38 R$5.386,84 5 Eixos R$1.500,75 R$120,44 R$969,14 R$1.793,63 R$106,77 R$162,69 R$4.653,41 O processo de fresamento 5 eixos resultou em uma redução de 13,6% do custo de fabricação das cavidades, comparando-se ao processo 3 eixos. Essa redução se caracterizou principalmente pela minimização da necessidade de eletroerosão e consequentemente diminuição da necessidade de fabricação de eletrodos.

377 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 77 Os custos para o corpo de prova fresado em 5 eixos, apresentados na Tabela 12, evidenciam uma diferença de 25% superior nos custos para o fresamento e 17% superior no CAD/CAM 5 eixos, entretanto, para o processo de fabricação dos eletrodos houve uma inversão, tornando o processo 3 eixos 100% mais caro juntamente com o processo de usinagem por eletroerosão que atingiu 800% acima do valor alcançado em comparação ao processo 5 eixos. A Figura 42 ilustra a representatividade desses custos nos processos envolvidos para fabricação dos corpos de prova em 3 eixos e 5 eixos respectivamente. 41% 59% 23% 9% CAD/CAM Fresamento do CDP EDM Fabricação dos eletrodos 27% 32% 5% CAD/CAM Fresamento do CDP EDM Fabricação dos eletrodos 4% Fig. a: Custos de fabricação 3 eixos Fig. b: Custos de fabricação 5 eixos Figura 42: Gráfico percentual para os custos de fabricação por tipo de fresamento Para o corpo de prova fresado em 3 eixos, três processos consumiram mais tempo e também geraram maiores custos: o processo CAD/CAM, o fresamento do corpo de prova e o processo de eletroerosão. Os três respondem por 91% dos custos de processos sendo que em valores somam-se R$ 3.223,30 para essa cavidade. Para o corpo de prova fresado em 5 eixos os processos representativos para os custos foram: o fresamento do corpo de prova e o CAD/CAM que consumiram juntos o mesmo percentual representativo de 91% de todo o custo relacionado à fabricação. Em termos monetários somam-se R$ 2.762,77. Para os casos estudados, os custos dos processos de fabricação representam aproximadamente 75% do custo total da cavidade. O restante é referente à matériaprima (aço e cobre para eletrodos).

378 Capítulo 4 - Resultados e Discussões Estimativa simplificada de custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos Com o objetivo de realizar uma comparação efetiva de tempos e custos entre os processos neste estudo de caso, foi realizado um levantamento simplificado dos custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos. Desta forma, os ganhos de tempo puderam ser computados contra o investimento necessário. Realizando uma simples pesquisa de mercado, foram levantados os custos das máquinas CNC, software CAD/CAM e os valores mensais pagos aos profissionais que trabalham com cada tecnologia específica. A Tabela 13 apresenta os valores obtidos. Tabela 13: Estimativa de custos para implantação das tecnologias por fresamento 3 e 5 eixos Tecnologia Licença CAD/CAM Manutenção anual CAD/CAM Salários do operador da máquina/ano Salários programador CAD/CAM/ano Aquisição da máquina Fresamento3 eixos R$ ,00 USD ,00 R$ 5.400,00 USD 2.500,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 EU ,00 Fresamento 5 eixos R$ ,00 USD ,00 R$ ,00 USD 6.000,00 R$52.800,00 R$ ,00 R$ ,00 EU ,00 O custo anual obtido para a aplicação da tecnologia de fresamento em 3 eixos foi de R$ ,00 (USD ,00), enquanto que para o fresamento 5 eixos esse valor foi de R$ ,00 (USD ,00). Conclui-se que o custo para a implantação da tecnologia por fresamento 5 eixos é em média 46% superior a implantação da tecnologia por fresamento 3 eixos Simulação simplificada do tempo estimado para amortização do investimento Antes do investimento em uma nova tecnologia, é importante estimar seus benefícios e o tempo de amortização. Neste estudo, de forma simplificada, uma simulação demonstra o tempo de amortização de cada técnica de fresamento estudada. Os dados

379 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 79 são baseados na fabricação do corpo de prova proposto. São analisados duas situações, prevendo, na primeira, um ambiente industrial com 2 turnos e, na segunda, um ambiente com 3 turnos. A Tabela 14 apresenta os custos por processo e o custo médio entre os processos para a simulação proposta. Tabela 14: Custos/hora para a simulação simplificada de amortização do investimento CAD/CAM Eletroerosão Fresamento Custo médio (Custo médio aplicado na SOCIESC Ferramentaria para o fresamento 3 e 5 eixos) entre os três processos R$34,04 R$39,79 R$63,23 R$45,69 A Tabela 15 apresenta todas as variáveis envolvidas para a obtenção do tempo, em anos, para a amortização total do investimento com 2 turnos de trabalho. Tabela 15: Tabela de amortização para 2 turnos de trabalho (adaptado de Neto e Pereira,2008) Fresamento 3 eixos Fresamento 5 eixos a) Custo investimento R$ ,00 R$ ,00 b) Horas trabalho/ano 4224 horas 4224 horas c) (Horas trabalho/ano X Custo/hora) R$ ,00 R$ ,00 d) Lucro presumido (20%) R$53.416,00 R$53.416,00 e) Depreciação anual R$60.000,00 R$60.000,00 f) Lucro+Depreciação R$ ,00 R$ ,00 g) Horas otimizada/ano(21%) 0 horas 888 horas h) (Horas otimizadas X Custo médio) R$0,00 R$40.572,72 i) Lucro presumido(20%) sobre a otimização R$0,00 R$8.114,54 j) Total financeiro gerado R$ ,00 R$ ,54 k) Tempo em anos para amortização do investimento (Custo investimento/total financeiro gerado) R$ ,00/R$ ,00 5 anos e 9 meses R$ ,00/R$ ,54 5 anos e 11 meses

380 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 80 No item a são computados todos os custos de implantação das tecnologias em estudo, exceto os salários dos operadores da máquina que já estão computados no custo/hora de R$ 63,23. O item b é obtido através da multiplicação de número de horas/mês (176 horas) em dois turnos de trabalho pelo número de meses úteis no ano. Com dois turnos de trabalho computa-se 352 horas no mês e multiplica-se por 12 meses resultando em horas. O item c é resultante do número total de horas no ano multiplicado pelo custo/hora, resultando em R$ ,00 de possível faturamento gerado. Sobre o item c é acrescentado um lucro presumido de 20% sobre o possível faturamento gerado. A depreciação anual é o valor gerado que serve para amortizar financeiramente o valor da máquina para sua reposição, esse valor é uma aproximação do valor de aquisição da máquina dividido por 120 meses, gerando um custo fixo mensal que está embutido no valor hora sendo advindo do possível faturamento. Mensalmente é gerado um valor de R$ ,00 obtido do valor de depreciação acrescentando-se o lucro presumido de 20% no faturamento gerado. O item g propõe um valor de horas otimizadas para o processo por fresamento em 5 eixos. Essas horas otimizadas advém do resultado obtido nesse estudo de caso onde o processo de fresamento por 5 eixos foi 21% mais rápido no tempo total de processo e se tornou referência para essa simulação. Pelo número possível de horas trabalhadas no ano, foram contabilizados 888 horas de possível otimização na fábrica. Essas horas foram multiplicadas pelo custo médio, pois os ganhos são realizados pela média entre os três processos específicos avaliados: CAD/CAM, fresamento e EDM. Com os ganhos na otimização, aplicou-se o lucro presumido nesse valor também, resultando através da somatória do lucro, depreciação e otimização um total financeiro gerado (item j). Para um regime de 2 turnos o prazo de amortização ficou em 5 anos e 9 meses para o fresamento 3 eixos e 5 anos e 11 meses aproximadamente para o fresamento 5 eixos. A Tabela 16 apresenta todas as variáveis envolvidas para a obtenção do tempo em anos para amortização total do investimento com 3 turnos de trabalho.

381 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 81 Tabela 16: Tabela de amortização para 3 turnos de trabalho (adaptado de Neto e Pereira,2008) Fresamento 3 eixos Fresamento 5 eixos a. Custo investimento R$ ,00 R$ ,00 b. Horas trabalho/ano 6144 horas 6144 horas c. (Horas trabalho/ano X Custo hora) R$ ,00 R$ ,00 d. Lucro presumido (20%) R$77.697,00 R$77.697,00 e. Depreciação anual R$60.000,00 R$60.000,00 f. Lucro+Depreciação R$ ,00 R$ ,00 g. Horas otimizadas/ano(21%) 0 horas 1290 horas h. (Horas otimizadas X Custo médio) R$0,00 R$58.849,00 i. Lucro presumido(20%) sobre a otimização R$0,00 R$11.769,00 j. Total financeiro gerado R$ ,00 R$ ,00 k. Tempo em anos para amortização do investimento R$ ,00/R$ ,00 R$ ,00/R$ ,00 l. (Custo investimento/total financeiro gerado) 4 anos e 8 meses 4 anos e 7 meses O item b é obtido através da multiplicação de número de horas/mês em três turnos de trabalho pelo número de meses úteis no ano. Com três turnos de trabalho computase 512 horas no mês e multiplica-se por 12 meses resultando em 6144 horas. O item c é resultante do número total de horas no ano multiplicado pelo custo/hora, resultando em R$ ,00 de possível faturamento gerado. Sobre o item c é acrescentado um lucro presumido de 20% sobre o possível faturamento gerado. A depreciação anual é o valor gerado que serve para amortizar financeiramente o valor da máquina para sua reposição, esse valor é uma aproximação do valor de aquisição da máquina dividido por 120 meses, gerando um custo fixo mensal que está embutido no valor hora. Mensalmente é gerado um valor de R$ ,00, obtido do valor de depreciação acrescentando-se o lucro presumido de 20% no faturamento gerado. Pelo número possível de horas trabalhadas no ano, foram contabilizados 1290 horas de possível otimização na fábrica.

382 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 82 Essas horas como no caso anterior, foram multiplicadas pelo custo médio, pois os ganhos são realizados pela média entre os três processos específicos avaliados: CAD/CAM, fresamento e EDM. Com os ganhos na otimização, aplicou-se o lucro presumido nesse valor também, resultando através da somatória do lucro, depreciação e otimização um total financeiro gerado (item j). Para um regime de 3 turnos o prazo de amortização ficou em 4 anos e 8 meses para o fresamento 3 eixos e aproximadamente 4 anos e 7 meses para o fresamento 5 eixos. 4.3 Avaliação dos erros geométricos Utilizando-se as informações obtidas com o software CAD/CAI e a máquina de medir por coordenadas, foi realizado um trabalho estatístico auxiliado pelo software Minitab. As três regiões avaliadas são: a área do produto, a área do fechamento principal e a área do fechamento secundário, como detalhado no Capítulo 3. A Figura 43 mostra os resultados de uma das três medições para a superfície do produto. Cada ponto inspecionado é arquivado no sistema em forma de desvios referentes ao modelamento CAD. Figura 43: Medição da região do produto

383 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 83 A Figura 44 ilustra o teste de normalidade para a região do produto fabricado pelos dois tipos de fresamento empregados. Normal Normal Mean 0, StDev 0, N 27 AD 0,434 P-Value 0, Mean 0,003 StDev 0,02210 N 27 AD 1,321 P-Value <0, Percent Percent ,010-0,005 0,000 0,005 Produto 0,010 0, ,050-0,025 0,000 Produto 0,025 0,050 Fig. a: Cavidade Fresada em 3 eixos Fig.b - Cavidade Fresada em 5 eixos Figura 44: Teste de normalidade para a região do produto A variabilidade dos pontos na Figura 44a tendeu a uma distribuição normal. A média foi de 0,000 e o desvio padrão 0,005 com um intervalo em uma abrangência de ±10 µm atendendo a dois desvios padrão e dentro dos níveis de aceitação do processo. A Figura 44b ilustra o teste de normalidade para a região do produto fabricado por fresamento em 5 eixos onde a distribuição dos pontos obteve a média de 3 µm e o desvio padrão de 22 µm atingindo grau de normalidade, pois o intervalo de distribuição dos pontos medidos foi 30 µm sendo abaixo de dois desvios padrão, porém suplantando o intervalo de ±10 µm, valor aceitável para a qualidade do processo. A Figura 45 mostra os resultados de uma das 3 medições realizadas para a área do fechamento principal do molde.

384 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 84 Figura 45: Medição da região do fechamento principal A Figura 46 ilustra o teste de normalidade para a região do fechamento principal fabricado pelos dois métodos de fresamento empregados. Normal Normal Mean 0, StDev 0, N 27 AD 0,383 P-Value 0, Mean 0, StDev 0,01875 N 27 A D 0,718 P-Value 0, Percent Percent ,010-0,005 0,000 0,005 Fechamento Principal 0, ,050-0,025 0,000 0,025 Fechamento Principal 5 eixos 0,050 Fig.a Cavidade Fresada em 3 eixos Fig.b - Cavidade Fresada em 5 eixos Figura 46: Teste de normalidade para a região do fechamento principal A Figura 46a ilustra que a distribuição dos pontos tendeu a uma distribuição normal com um intervalo atingindo uma abrangência dentro de ±10 µm ( média 0,000 e desvio padrão 4µm). A Figura 46b, ilustra o teste de normalidade para a região do fechamento principal fabricado por fresamento em 5 eixos onde a distribuição dos pontos tendeu a uma distribuição normal na seguinte condição: a média foi de 4 µm e o desvio padrão foi 18 µm, atingindo um intervalo de distribuição dos pontos em uma abrangência dentro de ±2

385 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 85 desvios padrão (±30 µm), porém não atendendo aos requisitos de um intervalo de no máximo ±10 µm aceitável para o processo. A Figura 47 mostra os resultados de uma medição realizada para a área do fechamento secundário do molde. Figura 47: Medição do fechamento secundário A Figura 48a ilustra o teste de normalidade para a região do fechamento secundário fabricado por fresamento em 3 eixos. A distribuição dos pontos tendeu a uma distribuição normal com a média atingindo o valor de 4µm o mesmo valor ocorrendo para o desvio padrão, atendendo o requisito máximo de 10µm. A Figura 48b, ilustra o teste de normalidade para a região do fechamento secundário fabricado por fresamento em 5 eixos. O valor da média foi de 7 µm e o desvio padrão foi de 23 µm. Atingiu-se a normalidade para o intervalo de distribuição dos pontos dentro de ±2 desvios porém um valor de intervalo total de 62 µm suplantou o máximo aceitável para o processo que é de ±10 µm.

386 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 86 Normal Normal Mean -0, StDev 0, N 27 AD 0,899 P-Value 0, Mean -0, StDev 0,02313 N 27 AD 1,295 P-Value <0, Percent Percent ,015-0,010-0,005 0,000 Fechamento Secundário 0, ,075-0,050-0,025 0,000 Fechamento Secundário 0,025 0,050 Fig. a Cavidade Fresada em 3 eixos Fig.b - Cavidade Fresada em 5 eixos Figura 48: Teste de normalidade para a região do fechamento secundário Faz-se necessário uma avaliação adicional com base nos desvios encontrados. O gráfico disponível pelo software Minitab, denominado boxplot, representa graficamente a dispersão das amostras em 4 sub-divisões dentre os valores obtidos. É importante destacar que as amostras obtidas na máquina 3 eixos apresentaram desvios-padrão menores que os apresentados na máquina 5 eixos. Isso fica evidente no gráfico boxplot apresentado na Figura 49. Região do produto 3 eixos Região de fechamento principal 3 eixos Região de fechamento secundário 3 eixos Região do produto 5 eixos Região de fechamento principal 5 eixos Região de fechamento secundário 5 eixos Figura 49: Boxplot comparativo para os dois processos estudados Conforme apresentado na Figura 49, nota-se que os desvios dimensionais da máquina 3 eixos foi menor que a abrangência dos desvios da máquina 5 eixos. Observam-se no gráfico comparativo as seguintes condições em cada região:

387 Capítulo 4 - Resultados e Discussões 87 a) Área do produto: para os dois casos verificou-se que a média encontra-se próxima do zero (medida absoluta do modelo CAD), havendo uma abrangência maior no fresamento 5 eixos interferindo na espessura do produto em torno de 60 µm. b) Área fechamento principal: região mais crítica do molde, pois tem a finalidade de promover a garantia de perfeita vedação. Para o fresamento 3 eixos a abrangência das medições ficou praticamente em torno da média (zero) com uma variabilidade de 20 µm e no fresamento 5 eixos acima da média, com uma variabilidade 60 µm. c) Área fechamento secundário: nessa região encontrou-se uma dispersão também na ordem de 60 µm para o fresamento 5 eixos enquanto que para o fresamento 3 eixos essa amplitude ficou em torno de 13 µm, diferindo apenas que nesse caso a média das medições ficou abaixo da referência absoluta (modelo). Isso ocorreu devido a condições de contato peça-ferramenta ter ocorrido através de fresa toroidal, e não esférica. Para deslocamentos em 5 eixos simultâneos com esse tipo de ferramenta conforme revisão bibliográfica ocorrem invasões na superfície devido ao formato da ferramenta e falhas na compensação durante trajetória. A Tabela 17 apresenta o resultado final dos intervalos dos desvios geométricos encontrados nas superfícies avaliadas. Tabela 17: Tabela dos intervalos dos desvios encontrados nas superfícies inspecionadas Processo Área produto Área Fechamento Principal Área Fechamento Secundário Média das superfícies 3 eixos 20 µm 20 µm 13 µm 17.8 µm 5 eixos 54 µm 54 µm 62 µm 56.6 µm Para o fresamento 3 eixos os intervalos encontrados estão dentro dos padrões de precisão recomendados para as áreas de estudo. No fresamento 5 eixos a variabilidade foi bem mais acentuada ocasionando desvios além do permitido para as áreas avaliadas, tornando o processo em 5 eixos simultâneos instável para garantia de precisão em pontos críticos de um molde. Ambos os processos atingiram o grau de normalidade para os resultados obtidos dentro de um nível de confiança na ordem de 95%.

388 Conclusões e sugestões para futuros trabalhos 88 5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS As principais conclusões obtidas no desenvolvimento deste trabalho estão apresentadas a seguir. Conclusões relacionadas ao tempo de fabricação: a) O fresamento 5 eixos possibilitou uma redução de 10% do tempo específico para a fabricação da geometria proposta, considerando a somatória dos tempos requeridos por cada etapa de fabricação, sem considerar os tempos de preparação de máquina e demais tempos improdutivos. b) Considerando todos os tempos de fabricação, dos quais são atribuídos os custos de produção, o fresamento 5 eixos propiciou uma redução de 21% do tempo total para a fabricação da cavidade proposta. c) O processo 5 eixos promoveu, para a geometria em estudo, uma significativa redução do número de eletrodos e também no tempo de eletroerosão, devido à área necessária ao processo de eletroerosão ser reduzida, por propiciar maior alcance da ferramenta. Este fato pode favorecer a vida útil do molde por minimizar regiões com camada branca. d) A etapa de simulação CAM para fresamento 5 eixos impacta expressivamente no respectivo tempo e custo de fabricação, onde requereu 175% a mais de tempo, comparado a simulação 3 eixos. e) A grande distinção do fresamento para o caso estudado está na redução significativa de eletroerosão. A diferença entre os processos 3 e 5 eixos alcançou 800%. Indiretamente através dessa redução significativa, minimizam-se áreas prejudicadas pela eletroerosão por formação de camada branca. Conclusões relacionadas aos custos de fabricação: a) O fresamento 5 eixos possibilitou uma redução geral de custos na ordem de 13,6%. b) Na investigação realizada, através de uma metodologia simplificada, a implantação da tecnologia 5 eixos tem um custo 46% superior em relação à tecnologia 3 eixos. c) Para o caso estudado, os custos dos processos de fabricação representam aproximadamente 75% do custo total de fabricação da cavidade, sendo o restante referente à matéria-prima empregada.

389 Conclusões e sugestões para futuros trabalhos 89 d) Para um regime de 3 turnos o prazo de amortização ficou em 4 anos e 8 meses para o fresamento 3 eixos e aproximadamente 4 anos e 7 meses para o fresamento 5 eixos. Para um regime de 2 turnos o prazo de amortização ficou em 5 anos e 9 meses para o fresamento 3 eixos e 5 anos e 11 meses aproximadamente para o fresamento 5 eixos. Conclusões para os desvios de forma: a) O fresamento 5 eixos propiciou maior desvio de forma. b) Para o fresamento 3 eixos os intervalos encontrados estão dentro dos padrões de precisão recomendados para as áreas de estudo. c) No fresamento 5 eixos a variabilidade foi bem mais acentuada ocasionando desvios além do permitido para as áreas avaliadas, tornando o processo em 5 eixos simultâneos instável para garantia de precisão em pontos críticos de um molde. d) Ambos processos atingiram o grau de normalidade para os pontos de medição obtidos dentro de um nível de confiança de 95%. Sugestões para futuros trabalhos estão apresentadas a seguir. a) Investigar as trajetórias calculadas pelo CAM para fresamento em 5 eixos. b) Avaliar a qualidade da superfície usinada em 5 eixos, para a fabricação de moldes. c) Avaliar as diferentes estratégias de usinagem 5 eixos. d) Estudar os processos de fabricação de moldes, do desbaste ao acabamento 5 eixos. e) Avaliar as oscilações do avanço no fresamento 5 eixos. f) Investigar erros dimensionais em máquina CNC 5 eixos através de software específico. g) Investigar os possíveis benefícios na aplicação da estratégia SWARF para acabamento de moldes.

390 Referências Bibliográficas 90 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BAPTISTA, R.; SIMÕES, A. (1999). Three and five axes milling of sculptured surfaces. Journal of Materials Processing Technology 103 pp BATALHA, F. G. (2002). Processos de Fabricação por Remoção de Material. Apostila da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. 51páginas. BECZE, C. E.; CLAYTON, P.; CHEN, L.; EL-WARDANY,T. I.; ELBESTAWI, M. A.(1999) High speed five-axis milling of hardened tool steel. Journal of Machine Tools & Manufacture.pp BITTENCOURT, M. (2006): Influência das estratégias de usinagem na fabricação de moldes. Trabalho de Conclusão de Curso IST. Jlle-SC BONETTI, I. (2008). Contribuições para desenvolver o conhecimento em operações de desbaste por fresamento no sentido axial, 106p. Dissertação de Mestrado, Instituto Superior Tupy, Joinville. BOUAZIZ, Z.; YOUNES, J. B.;ZGHAL, A. (2004) Methodology of machining costs evaluation for die and mold manufacturing. Journal of Materials Processing Technology n152 pp BOUJELBENE, M.; MOISAN, A.; TOUNSI, N; BRENIER, B. (2004). Productivity enhancements in dies and molds manufacturing by the use of C1 continuous tool path. International Journal of Machine Tool & Manufacture, Amsterdam, v.44, n1, p , Jan. BOUZAKIS, D. K.; AICHOUH, P.; EFSTATHIOU, K.; KOUTOUPAS, G.(1999). A computer supported simulation of multiaxis milling to determine optimum cutting kinematics concerning the occuring surface roughnes. 2 nd Internacional German and French Conference on High Speed Machining. CAPLA, R. L. Estudo da influência do material excedente de desbaste na operação de acabamento aplicando usinagem com altas velocidades.são Carlos, 2006.Dissertação de Mestrado. CHARMILLES, A. Manual de operação Roboform 40 (1993). Charmilles Tecnologies,p CHEN, J. S., HUANG, Y. K.; CHEN, M. S. APUD PIVETTA, C. S. (2005). Uma contribuição ao estudo de fresamento de aço endurecido com fresa de topo esférico. Dissertação de Mestrado.Universidade Estadual de Campinas. CHOI, K. B.; JERARD, B. R. (1998). Sculptured surface machining. Theory and applications. Kluwer Academic Publishers COLDWELL, H.; WOODS, R.; PAUL, M.; KOSHY, P.; DEWES, R.; ASPINWALL, D. (2003). Rapid machining of hardened AISI H13 and D2 moulds dies and press tools. Journal of Materials Processing Technology v.135 p

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395 Apêndice 95 APÊNDICE 1: Avanço programado para trajetória no programa pós-processado em 5 eixos

396 Apêndice 96 Apêndice 2: Dados tecnológicos para o plano de execução na máquina fresadora O Apêndice 2 mostra de forma ampliada as informações tecnológicas de processo necessárias (Parâmetros de corte empregados, tipo de ferramenta, número de ferramenta para o programa, tempo estimado e material remanescente deixado na operação) para que o operador faça a regulagem da máquina e preencha os campos que restaram em branco na folha de processos CAM. Figura 50: Dados tecnológicos aplicados As principais informações apresentadas na figura são: Diâmetro da fresa e seu respectivo raio de ponta. (20 mm raio 1,00) Tipo de cone ODP sistema de cone com pontas intercambiáveis roscadas para cápsulas. Número de ferramenta no corretor: T17 Avanços vertical e lateral Profundidade de corte PC Rotação aplicada Sobre-metal para próxima etapa Referência no eixo Z em relação ao zero peça Tempo estimado pelo CAM Tempo real a ser preenchido pelo operador além de detalhes do processo como a máquina e a assinatura de quem executou o programa em questão.

397 Apêndice 97 Apêndice 3: Calibração da MMC Inicialmente foi necessário validar para o experimento, um padrão de referência para que o grau de confiança aplicado seja real. Foi utilizada para essa finalidade uma esfera padrão marca Taylor-Hobson do laboratório de metrologia SOCIESC, cujo raio de referência certificado é de 22,0196mm. A Figura 51 mostra o zeramento da esfera na MMC, para início das medições em alguns pontos da superfície tangente ao centro da esfera. Figura 51: Calibração do apalpador RENISHAW através de esfera padrão na máquina de medir por coordenadas. A Figura 52 ilustra os desvios encontrados em uma das medições. Figura 52: Desvios encontrados na calibração da máquina de medir por coordenadas

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