Aspectos da Fabricação de Moldes

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1 AÇOS PARA MOLDES

2 Aspectos da Fabricação de Moldes Os processos de usinagem e polimento podem consumir até 80% do recurso total de fabricação de moldes e matrizes. E, para o caso de moldes que possuem longos tempos de utilização e difi cilmente chegam ao fi m de vida, podem ser considerados os principais itens ligados ao custo fi nal do molde. Dentre os processos convencionais de usinagem de uma cavidade, o fresamento é aquele responsável pela fabricação de superfícies complexas. Vários aspectos devem ser considerados, como: os parâmetros de corte, o material a ser usinado, a ferramenta de corte, a estratégia de corte e os recursos tecnológicos disponibilizados pela máquina/ferramenta. Outro ponto fundamental na fabricação de moldes são os processos de acabamento, principalmente o polimento e a texturização. O documento a seguir refere-se a algumas considerações básicas de modo a facilitar as operações de fabricação de cavidades.

3 Fresamento No processo de fresamento, é necessário o conhecimento de técnicas para a minimização do desgaste de fl anco e de controle de vibrações, de modo a evitar avarias. O sentido de corte pode ser realizado tanto no modo concordante quanto no discordante. No fresamento concordante, o movimento de corte e de avanço tem o mesmo sentido, enquanto que no discordante não (ver Figura ao lado). Velocidade de corte (v c ) infl uencia no desgaste da ferramenta de corte, pois amplifi ca as condições de atrito, aumentando a temperatura na zona de corte e levando desde a fenômenos relacionados à difusão até problemas relacionados a choques de origem térmica e/ou mecânica. Avanço por dente (f z ) com o aumento do avanço por dente ocorrem maiores solicitações mecânicas, aumentando a defl exão da ferramenta. Com baixo avanço ocorre um aumento do percurso usinado pelo gume, provocando elevado desgaste de fl anco. Objetiva-se sempre a busca da condição intermediária. Profundidade de corte axial (a p ) é responsável direta pelo aumento da potência de corte, limitando o processo de desbaste. Profundidade de corte radial (a e ) grandes incrementos radiais (>50% do diâmetro da ferramenta) aumentam o percurso usinado para cada gume. No entanto, melhoram a característica de impacto, direcionando o esforço para dentro da ferramenta. O caso contrário ocorre para condições de engajamento pequeno (<50% do diâmetro da ferramenta). Número de dentes (z) uma fresa de passo grande gera menor potência que uma fresa de passo pequeno, mantendo-se o mesmo avanço por volta, já que na primeira o avanço por dente é maior que na segunda, para uma mesma taxa de cavaco removido. A Tabela 1 apresenta um resumo das aplicações de acordo com o passo da ferramenta.

4 Tipo de fresa Passo Grande poucos dentes. Passo Pequeno maior número de dentes e espaços entre os dentes pequenos. Passo Extra Pequeno muitos dentes e bolsões de armazenamento do cavaco muito pequenos. Aplicação Desbaste e semiacabamento de aço ou onde há tendência à vibração. Corte de ferro fundido, desbaste leve e acabamento de aço. Corte interrompido de ferro fundido e liga de titânio, acabamento de aço. Algumas Recomendações Práticas Adicionais Desbastar o máximo possível com ferramentas com raios de quina grandes. Uma superfície deve ser acabada com a maior ferramenta possível. A usinagem deve ter um contato contínuo da fresa em corte concordante e com um mínimo de variação de direção da linha de fresamento. Recomenda-se utilizar movimentos suaves de aproximação e sempre num único sentido de corte em materiais de difícil usinabilidade. Importante fazer com que a ferramenta permaneça em contato com a peça o maior tempo possível (para aumentar sua vida útil). Cálculo dos Parâmetros Velocidade de corte (m/min.) v c d n 1000 v f Velocidade de avanço (mm/min.) Taxa de remoção de cavaco (mm³/min.) = z f n Q = ae a p v f Onde: d = diâmetro da ferramenta (mm); n = rotação (rpm); z = número de dentes da ferramenta; f z = avanço por dente (mm/dente); ae = penetração de trabalho (mm); ap = profundidade ou largura de usinagem (mm) z Durante o acabamento ou superacabamento é recomendado utilizar pequenas profundidades de corte. A relação profundidade de corte axial (a p ) e profundidade de corte radial (a e ) deve ser menor ou igual a 0,2 (a p /a e 0,2). Muitas vezes é vantajoso usar o avanço por dente (f z ) igual à profundidade radial de corte (a e ), com vantagens em tempo de usinagem e menor rugosidade (melhor acabamento). Investir tempo no método de interpolação a ser aplicado, de modo a reduzir o tempo de usinagem e melhorar as condições de acabamento da superfície usinada. Exemplo de Parâmetros de Corte Velocidades de corte recomendadas para faceamento por fresamento com metal duro revestido. Material VP20ISO VP20ISOF VP20ISOFS VH13IM VP420IM N2711M VP50IM Estado Beneficiado Beneficiado Beneficiado Recozido Recozido Beneficiado Beneficiado Dureza 32 HRC 32 HRC 32 HRC 200 HB 200 HB 40 HRC 40 HRC Desbaste* 120 a a a a a a a 150 Acabamento** 220 a a a a a a a 160 *f z : 0,15 a 0,3 mm/dente e ap : 2 a 4 mm Classe: P25 P35. **f z : 0,05 a 0,2 mm/dente e ap : 0,5 a 1 mm Classe: P10 P20.

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6 AÇOS PARA MOLDES UTILIZADOS NA INDÚSTRIA VILLARES METALS VP20ISO VP20ISOFS VP50IM VP100 N2711M SIMILARES Wnr Wnr SEM SIMILAR SEM SIMILAR Wnr MOD. COMPOSIÇÃO QUÍMICA (%) C 0,36 - Mn 1,60 Cr 1,80 - Mo 0,20 Ni 0,70 C 0,36 - Mn 1,60 Cr 1,80 - Mo 0,20 S 0,06 C 0,15 - Cu 1,00 Ni 3,00 - Mo 0,30 Al 1,00 - S 0,10 Cr - Ni - Mn C 0,56 - Mn 0,70 Cr 0,70 - Mo 0,30 Ni 1,65 - V 0,075 CARACTERÍSTICAS Aço fornecido no estado beneficiado. Possui boa polibilidade e resposta à texturização. Possui usinabilidade melhorada por tratamentos especiais de aciaria. Para melhoria da resistência ao desgaste pode ser nitretado ou cementado. Aço fornecido no estado beneficiado. Ótima usinabilidade. Boa resposta à nitretação. Não recomendado para peças que requerem processos de texturização, cromação e elevada polibilidade. Aço-ferramenta para moldes desenvolvido especialmente para ser endurecido por tratamento térmico de envelhecimento, com resistência superior à do aço VP20. Possui excelentes propriedades de polimento e texturização. Apresenta excelente soldabilidade. Aço elaborado sob desgaseificação a vácuo, de usinabilidade melhorada através de tratamento das inclusões ao Cálcio. Os principais benefícios são: alta uniformidade de dureza, com variação inferior a 2 HRC ao longo de toda secção transversal da peça. Excelente soldabilidade. Alta polibilidade (exceto grau es pelhado) e alta reprodutividade de desempenho e confecção. Aço fornecido no estado beneficiado. Possui boa polibilidade e resposta à texturização. Para melhoria da resistência ao desgaste pode ser nitretado ou cementado. Devido à alta dureza de fornecimento são necessários cuidados para a usinagem, especialmente a furação. ESTADO DE FORNECIMENTO Temperado e Revenido (30-34 HRC) Temperado e Revenido (30-34 HRC) Solubilizado e Envelhecido (40-42 HRC) ou Solubilizado (330 HB máx.) Fornecido beneficiado (285 a 321 HB) Temperado e Revenido (38-42 HRC) TRATAMENTO TÉRMICO INDICADO FAIXA USUAL DE DUREZA DO MOLDE - - Realizar Envelhecimento (no caso de fornecimento no estado Solubilizado) HRC HRC HRC HRC HRC POLIBILIDADE Média para Alta Baixa Alta Alta Média para Alta RESISTÊNCIA À CORROSÃO RESPOSTA À NITRETAÇÃO RESPOSTA À TEXTURIZAÇÃO Baixa Baixa Baixa para Média Baixa Baixa Média Média Alta Média Média Média para Alta Baixa Alta Média para Alta Média para Alta SOLDABILIDADE Média Média Alta Alta Média RESISTÊNCIA AO DESGASTE Baixa para Média Baixa para Média Média Baixa para Média Média para Alta COR DE IDENTIFICAÇÃO DO AÇO Lilás-Preto-Lilás Verde-Marrom-Verde Lilás-Ouro-Lilás Vermelho-Azul-Vermelho Verde-Amarelo APLICAÇÕES Moldes para injeção e extrusão de termoplásticos não-clorados e pouco abrasivos. Moldes de grandes dimensões. Moldes para injeção e extrusão de termoplásticos não-clorados e pouco abrasivos que possuem baixa exigência de polibilidade. Bases e estruturas de moldes para plástico. Machos para moldes de injeção. Moldes para injeção e extrusão de termoplásticos não-clorados. Moldes para termoplásticos reforçados com carga. Porta-moldes, moldes para injeção de plásticos não-clorados, matrizes para extrusão de termoplásticos não-clorados, moldes para sopro, câmaras quentes, quando não necessária alta resistência à corrosão, e aplicações diversas em moldes para plásticos. Não recomendável para aplicações em que a tenacidade e grau espelhado são requisitos de projeto. Moldes para injeção de plásticos nãoclorados. Moldes para sopro. Matrizes para extrusão de termoplásticos não-clorados. A classificação Baixa, Baixa para Média, Média, Média para Alta e Alta são orientativas, servindo como um guia comparativo apenas para este grupo de aços. Devido à necessidade de rompimento da camada passivadora (materiais inoxidáveis), é recomendada a utilização de processo de nitretação por via iônica (sob plasma).

7 DE PLÁSTICOS E DE VIDROS VP ATLAS VH13IM VP420IM V630 VIMCOR - AISI H13 Wnr AISI 420 Wnr AISI 630 Wnr SEM SIMILAR Cr - Mo - Mn C 0,40 - Si 1,00 Cr 5,20 - Mo 1,50 V 0,90 P 0,015 máx S 0,003 máx. C 0,40 - Si 0,80 Cr 13,5 - V 0,25 C 0,035 - Cr 15,40 - Ni 4,40 - Cu 3,50 - Nb+Ta 0,25 C 0,05 - Mn2,5 Cr 12 - Si 0,4 - S 0,1 Aço fornecido no estado beneficiado. Possui boa polibilidade e resposta à texturização. Para melhoria da resistência ao desgaste pode ser nitretado ou cementado. Devido à alta dureza de fornecimento são necessários cuidados para a usinagem, especialmente a furação, porém possui vantagens em usinabilidade quando comparado com o DIN Aço-ferramenta utilizado para aplicações em moldes quando se desejar durezas superiores às dos aços VP20 e VP50. Possui excelente capacidade de polimento. Aço inoxidável após têmpera e revenimento. Possui como vantagem principal uma elevada resistência à corrosão, que permite o trabalho em ambientes úmidos. Aço inoxidável endurecível por precipitação. Possui excelentes propriedades de: - Estabilidade dimensional e de forma; - Soldabilidade; - Resistência à corrosão; - Polibilidade e resposta à texturização. Aço inoxidável ressulfurado, fornecido no estado beneficiado. Possui excelente desempenho em usinagem e principalmente em furação profunda. Propriedades: - Excelente usinabilidade - Excelente soldabilidade - Boa resistência à corrosão; - Homogeneidade de dureza. Temperado e Revenido (38-42 HRC) Recozido (235 HB máx.) Recozido (máx.200 HB) ou Temperado e Revenido (30-34 HRC) Solubilizado (máx.38 HRC) ou Solubilizado e Envelhecido (máx.40 HRC) Beneficiado: ( HB) - Têmpera e Revenimento Têmpera e Revenimento (para o material Recozido) Realizar Envelhecimento (no caso de fornecimento no estado Solubilizado) HRC HRC HRC HRC HRC Média para Alta Alta Alta Alta Baixa Baixa Baixa para Média Alta Alta Alta Alta Alta Alta* Alta* Alta* Média para Alta Alta Alta Alta Baixa Média para Alta Baixa para Média Baixa para Média Alta Alta Média para Alta Média para Alta Média para Alta Média Baixa para Média Azul-Branco Verde-Prata-Verde Azul-Marrom Prata-Vermelho Preto-Branco Aço ligado ao Cr-Mo-Mn, com microadições já fornecido no estado beneficiado. Devido à sua composição química balanceada, este material possui boa usinabilidade, soldabilidade, polibilidade, resposta à texturização e nitretação. É indicado para moldes para injeção de plásticos não clorados, em especial para aplicações que necessitem de maior resistência mecânica e ao desgaste que os aços AISI P20 ou DIN ; Matrizes para extrusão de termoplásticos não-clorados; Aplicações diversas em moldes para plástico. Moldes para injeção de termoplásticos não-clorados em que se requer maior resistência ao desgaste, aliada com boa polibilidade. Moldes para vidros. Moldes para injeção de termoplásticos clorados. Trabalho ou estocagem em atmosfera úmida. Indústria de vidros. Ferramentas para a conformação de termoplásticos inclusive em processo corrosivo (conformação de polímeros clorados). Pode trabalhar e ser estocado em locais úmidos. Câmaras quentes, placas de refr i- geração, porta-moldes. trabalho ou estocagem em atmosfera úmida.

8 Polimento de Moldes O polimento é empregado em moldes para atender a vários requisitos da peça injetada: Requisitos estéticos: brilho e transparência. Mecânicos: evitar entalhes e quebras por fadiga ou sobrecarga. Funcionais: ex. dispositivos óticos (lentes). O polimento é uma etapa que consome tempo e recursos. O tempo médio gasto no polimento manual de moldes de grande porte está em torno de 300 a 400 horas por molde. Duas observações são importantes na avaliação da qualidade da superfície do molde. Primeiro, a superfície deve ter a forma geométrica correta, sem qualquer ondulação; estas são derivadas de operações recentes de usinagem. Segundo, a avaliação da condição de polimento espelhado do molde metálico é muitas vezes realizada por comparação visual do molde ou da superfície da peça injetada, baseada na experiência do operador. A qualidade fi nal da superfície polida de um aço depende de fatores como: a técnica de polimento, o tipo de aço-ferramenta e o tratamento térmico aplicado no material. Em geral, pode-se dizer que a técnica de polimento é o fator mais importante. Um exemplo típico é mostrado no gráfi co abaixo, do fenômeno de polimento excessivo (do inglês over polishing ), causado por um encruamento mecânico de camadas muito fi nas na superfície do molde. No polimento excessivo, a rugosidade aumenta com o aumento do tempo de polimento. O problema é apenas solucionado com a remoção de parte da superfície (décimos de mm) por usinagem e aplicação de novo polimento. Visualmente, o fenômeno normalmente aparece como casca de laranja. Rugosidade RA (mm) Polimento Excessivo (over polishing) VA2-60 HRC P20-32 HRC Tempo (min) Gráfico mostrando o efeito do polimento excessivo ( over polishing ), para dois aços com diferentes durezas.

9 Para um bom polimento, a superfície do molde deve estar livre de arranhões, poros, do efeito casca de laranja, pites (pitting) e pontos pretos (pinholes). No Brasil, os problemas de pites e pontos pretos são comumente denominados de porosidades. Apesar de visualmente parecer correto, o termo porosidade é erroneamente aplicado neste caso, pois deveria ser usado apenas para vazios preexistentes no material. No caso de pontos ou pites observados após polimento, o problema é normalmente causado por um processo mal-realizado (para um determinado aço e dureza), por aços com um nível inadequado de inclusões não-metálicas ou mesmo pela combinação desses dois fatores. Outras possíveis fontes de problemas são superfícies com defeitos de eletroerosão ou encruamento excessivo de usinagem. Em relação às inclusões, elas podem ser entendidas mecanicamente como partículas na superfície do aço com dureza e ductilidade muito diferentes do metal. Todo aço possui inclusões, porém a quantidade e distribuição dependem do processo de fabricação. Para aplicações de alto requisito de polimento, portanto, recomenda-se a refusão via ESR (processo ISOMAX ). Como mostra o esquema abaixo, existe redução signifi cativa do nível de inclusões: a) Convencional ASTM G 2,0 b) ISOMAX, ASTM 1,0F Inclusões do tipo D: a) Nível 2,0, aceitável para materiais de Convencional. b) Nível 1,0, típica de material produzido via ESR. Fonte: ASTM E 45.

10 Texturização A resposta à texturização mede a facilidade de se aplicar uma textura ao aço-ferramenta utilizado no molde. O tratamento de texturização é normalmente realizado por ataque químico (photo-eaching), diferencialmente aplicado na superfície do molde, gerando o negativo do aspecto fi nal desejado na peça injetada. O controle do processo, em termos do meio ácido empregado e do procedimento aplicado, é fundamental para um bom resultado de texturização. Em relação à qualidade do aço, requisitos similares aos de polimento são necessários: homogeneidade de microestrutura e dureza, além de alto grau de limpeza quanto a inclusões não-metálicas. 4 mm 2 mm 4 mm 2 mm Vários exemplos de superfícies texturizadas no aço VP100, observadas em estereoscópio.

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