AULA 28 PROCESSO DE FRESAMENTO: FRESAS

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1 AULA 28 PROCESSO DE FRESAMENTO: FRESAS

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3 PROCESSO DE FRESAMENTO: FRESAS Introdução As fresas são ferramentas rotativas providas de múltiplas arestas de corte dispostos simetricamente ao redor de um eixo, removendo intermitentemente material da peça. Esta característica oferece uma grande vantagem das fresas sobre outras ferramentas: o menor desgaste. Quando os dentes não estão realizando o corte eles estão sendo refrigerados, e isto permite que mantenham sua dureza. Em muitos casos utilizam-se fresas com apenas uma aresta cortante, denominadas popularmente de bailarina. Em situações específicas também pode ser necessário o uso de uma disposição não simétrica das arestas de corte para evitar ressonância. Alguns tipos de fresas podem ser vistos na Figura Figura 28.1 Diferentes tipos de fresa Classificação de Fresas As fresas podem ser classificadas de várias maneiras, como mostra a Figura A primeira delas seria quanto à forma geral. As fresas podem ser cilíndricas, cônicas ou ainda de forma. Quanto à estrutura, as fresas podem ser inteiriças, com insertos, com dentes postiços, ou de haste. As ferramentas mais estreitas são também chamadas de fresas de disco, enquanto as ferramentas que possuem haste própria são denominadas de fresas de haste ou fresas de topo.

4 216 (a) inteiriça (b) calçada (c) com insertos (d) de haste (d) cilíndrica (e) de disco (f) angular (g) detalonada Figura 28.2 Exemplos de ferramentas de fresar. As fresas cônicas ou angulares podem possuir apenas um ângulo, como as fresas para encaixes tipo cauda de andorinha, ou possuir dois ângulos. Neste segundo caso podem ser classificadas como simétricas (ângulos iguais) ou biangulares (ângulos diferentes). Normalmente as fresas para cauda de andorinha possuem haste incorporada, enquanto as fresas biangulares não. As fresas de forma (detalonadas) possuem o perfil de seus dentes afiados para gerar superfícies especiais tais como dentes de engrenagem (fresa módulo), superfícies côncavas ou convexas, raios de concordância e outras formas específicas de cada caso, e são denominadas fresas especiais. Alguns autores classificam as cônicas como fresas de forma. As fresas especiais normalmente são fabricadas pela própria empresa que as utiliza, no setor denominado de ferramentaria, ou são encomendadas em empresas especializadas em ferramentas. Quanto ao sentido de corte, a classificação depende do sentido de giro da ferramenta, observado do lado do acionamento (de cima para baixo). Têm-se as fresas de corte à direita (horário) e as fresas de corte à esquerda (anti-horário). Obviamente, esta classificação só se emprega em fresas de haste fixa. As que não possuem haste podem, em geral, ser fixadas tanto em um sentido como em outro. Quanto aos dentes, podem ser retos, helicoidais, ou bi-helicoidais. Os dentes helicoidais têm como vantagem uma menor vibração durante a usinagem, ou seja, o corte é mais suave, pois o dente não atinge a peça de uma só vez como acontece com os dentes retos. Os dentes helicoidais geram uma força axial, e para compensar esta força pode-se recorrer a uma fresa bi-helicoidal, ou seja, uma ferramenta que possui um dente afiado em um sentido e o seguinte afiado no inverso. Mas fresas bi-helicoidais só são possíveis em espessuras relativamente pequenas e com ângulos reduzidos de hélice. Para possibilitar usinagem de grandes superfícies sem o efeito da força axial deve-se recorrer a uma montagem de duas fresas de mesmo diâmetro e número de dentes, mas com hélices invertidas. Quanto à construção, podem-se classificar as fresas como inteiriças, onde toda a ferramenta é construída de um mesmo material. As mais comuns são as de aço rápido e metal-duro. Há também a fresa calçada, onde o corpo da ferramenta é de um material mais simples (aço-ferramenta) e as arestas de corte, soldados ao corpo, são de um material mais nobre, como aço-rápido ou metal-duro. Finalmente há as fresas com dentes postiços (insertos) que são similares às fresas calçadas. A diferença é que os dentes de aço-rápido, metal-duro, diamante ou cerâmicos podem ser trocados em caso de quebra ou desgaste.

5 217 As fresas também podem ser classificadas quanto às faces de corte (o número de superfícies com afiação) e que definem em que direção a ferramenta pode avançar, ou seja, se poderá executar um fresamento tangencial (eixo paralelo à peça) e/ou uma fresamento frontal (eixo perpendicular à peça). Têm-se fresas de um, dois e três cortes: a de um corte possui afiação, normalmente, apenas em sua superfície cilíndrica; a de dois possui afiação em uma de suas faces e em sua superfície cilíndrica; e a de três cortes possui afiação nas duas faces e também na superfície cilíndrica. Os diversos tipos de fresas são fabricados principalmente de aço-rápido e metal-duro. Fresas com grandes diâmetros (fresas frontais de facear, fresas cilíndricas de disco) são feitas de metal-duro (região de corte) com corpo de aço-ferramenta (mais barato). Para fresas de pequenos diâmetros (fresas frontais de topo com diâmetros inferiores a 20 mm), o material utilizado geralmente é o aço-rápido (sem e com cobertura). Dado ao fato de que as máquinas CNC modernas possibilitam rotações cada vez mais altas, as fresas inteiriças de metal-duro também têm sido uma opção para D < 20 mm. Quanto à fixação, como visto na Aula 27, pode-se ter fresas de haste cilíndrica ou cônica e fresas para mandril com chaveta longitudinal ou transversal Geometria da Fresa A Figura 28.3 ilustra as características geométricas de uma fresa frontal. Figura 28.3 Arestas de corte e superfícies da parte de corte de uma fresa frontal. Os ângulos de folga ( ), de cunha ( ) e de saída ( ) são os ângulos da fresa ( 90 ). São estes ângulos que dão à ferramenta de corte uma maior ou menor resistência à quebra. Isto significa que quanto maior a abertura do ângulo, mais resistente será a fresa. Por outro lado, quanto menor a abertura do ângulo, maior a facilidade de penetrar no material. Com isto, é possível classificar a fresa em três tipos W, N e H, ilustrados na Figura 28.4 e descritos nos itens subsequentes. Tipo W ( 8 o, 57 o e 25 o ): por ter uma abertura de ângulo de cunha ( ) menor, tem passo grande (poucos dentes). Esta fresa é indicada para a usinagem de materiais não ferrosos de baixa dureza, tenazes, que geram cavacos longos como alumínio, bronze e plásticos. Tipo N ( 7 o, 73 o e 10 o ): é mais resistente que a fresa Tipo W por ter passo menor (mais dentes). É indicada para materiais de média dureza ( rt 700 MPa). Comumente usada em desbaste e semiacabamento de aços, e em situações onde exista tendência à vibração prejudicial à operação.

6 218 (a) W (b) N (c) H Figura 28.4 Tipos de fresas Tipo H ( 5 o, 81 o e 4 o ): tem passo pequeno (grande número de dentes e espaços entre os dentes pequenos). Permite alta taxa de remoção de material (pode-se aumentar f e, consequentemente, v f, mantendo-se f z no mesmo nível da fresa Tipo N). Normalmente usada para ferro fundido (por causa do cavaco curto que se aloja bem nos pequenos espaços entre os dentes) e para operações de acabamento em aços (não se podem realizar desbastes, pois o volume de cavaco removido fica limitado pelo espaço entre os dentes; se f z for mantido em níveis baixos, o acabamento da peça fica muito bom e não existirá problema de entupimento entre os dentes). Também é adequada para o fresamento de materiais em que v c tenha de ser mantida em níveis reduzidos, como no caso de ligas de titânio (v c baixa significa n baixa; como v f f z z n, um z grande compensa uma n baixa e f z não precisa ser muito pequeno para se ter uma razoável v f e, assim, uma taxa razoável de remoção de material). Por ser mais resistente que as fresas Tipo W e Tipo N, esta fresa é indicada para usinar materiais duros e quebradiços ( rt > 700 MPa). Observa-se que fresas para materiais mais macios podem ter dentes menos resistentes, o que significa possuir um ângulo de cunha menor. Isto permite colocar menos dentes na ferramenta, deixando maior espaço para transportar o cavaco, que será removido em grandes quantidades. Em uma fresa para materiais de alta dureza, cada dente remove pouco material. Desta forma, é necessário que a fresa possua muitos dentes para que, em uma volta, remova uma quantidade significativa de material. Além disto, os dentes deverão ter um ângulo maior para lhes conferir maior resistência. Por exemplo, suponha que se precise usinar uma peça de aço. Por ser mais duro que outros materiais, menor volume dele será cortado por dente da fresa. Portanto, menos cavaco será produzido por dente e menos espaço para a saída será necessário. Já um maior volume por dente pode ser retirado de materiais mais moles, como o alumínio. Neste caso, mais espaço será necessário para a saída de cavaco. Um dos problemas em usinar materiais moles com fresa com muitos dentes é que o cavaco fica preso entre os dentes e estes não são refrigerados adequadamente. Isto acarreta o desgaste dos dentes e pode ainda gerar um mau acabamento da peça Material da Fresa A seleção do material da fresa se dá em função do material da peça: Ferro fundido: para o fresamento de ferros fundidos, em virtude da natureza abrasiva dos mesmos, o emprego de fresas (calçadas ou com insertos) com arestas de metal-duro resulta em uma aplicação mais econômica (Fig. 28.5a). Insertos de cerâmica tem obtido grande sucesso no fresamento de ferro

7 219 fundido, em operações onde ocorrem impactos menos violentos, com avanços pequenos e onde o conjunto máquina-peca-dispositivo de fixação é extremamente rígido (Fig. 28.5b). Aços ao carbono e aços-liga: a dureza dos aços é em geral o fator determinante na seleção do material cortante. Para durezas até 300 HB, usam-se fresas de aço-rápido (Fig. 28.5c). Para durezas entre 300 a 500 HB, é possível usar fresas especiais de aço-rápido, mas em geral são preferidas fresas com arestas de metal-duro revestido. Para durezas acima de 500 HB usam-se com sucesso fresas com arestas de metal-duro ou, em muitas operações de alta velocidade, pastilhas de cerâmica. Não ferrosos: para pequenas produções, em geral as fresas de aço-rápido são mais econômicas. Para produções maiores usa-se metal-duro. Para materiais muito abrasivos, como ligas de alumínio com alto teor de silício (p. ex. tampas de cilindro) estão sendo usadas arestas de diamante policristalino (PCD) sobre uma base de metal-duro (Fig. 28.5d), alcançando-se, com maiores velocidades de corte e avanços, vidas superiores a 100 vezes a das arestas de metal-duro. Não metálicos: como a maioria destes materiais é muito abrasiva, o metal-duro é usualmente a melhor solução. Insertos de PCD também são usados no fresamento de materiais não metálicos mais abrasivos. (a) (b) (c) (d) Figura 28.5 Insertos para fresamento: (a) metal-duro; (b) cerâmica; (c) aço-rápido; (d) PCD Problemas no Fresamento Alguns problemas são correntes em processos de fresamento. São eles: Quebra dos dentes da fresa. As causas prováveis estão associadas com um avanço por dente (f z ) excessivo, entupimento dos canais com cavacos, giro desuniforme da fresa, fresa sem corte (cega) e reafiação inadequada (quando for o caso). Lascamento na aresta cortante. Resultante do avanço excessivo, da vibração (forçada ou regenerativa) ou do ângulo de folga ( ) excessivo. Entupimento com cavacos. Ocorre por causa do espaço insuficiente para a retirada de cavacos, ou por não ter fluido de corte em alta pressão (facilita a expulsão), ou pela ferramenta estar magnetizada. Queima da aresta de corte. Velocidade de corte excessiva aumenta a temperatura na região de corte causando a queima. Se o material da peça é muito duro em relação ao material da ferramenta ou se a ação refrigerante do fluido de corte não está adequada, estes fatores também causam a queima. Craterização da fresa. A formação da cratera na superfície de saída da ferramenta (erosão na face do dente da fresa) é resultante da alta velocidade de corte e/ou da alta velocidade de avanço. Outro fator

8 220 que causa a craterização é um reduzido ângulo de saída ( ) o qual incentiva o atrito do cavaco com a face do dente da fresa. Acabamento áspero. A rugosidade excessiva da superfície usinada por fresamento pode ser resultante de um avanço por dente (f z ) excessivo, de uma velocidade de corte muito baixa, de uma ferramenta desgastada, de uma ação lubrificante do fluido de corte inadequada ou de um fresamento discordante. A Figura 28.6 mostra as falhas comuns encontradas em fresas (desgastes e avarias combinadas). Figura 28.6 Falhas típicas da ferramenta de corte em fresamento. Variações da temperatura: quando uma aresta de corte está em contato com a peça realizando a remoção de material, a mesma se aquece. Como a espessura de corte é variável, a distribuição de temperaturas é irregular. Quando a aresta cortante sai da peça, ela se resfria em contato com o meio lubrirrefrigerante. Essas variações de temperatura resultam em tensões que podem causar trincas (ou fissuras) térmicas. Estas avarias ocorrem perpendicularmente à aresta de corte (Fig. 28.7a). Variação dos esforços mecânicos: no momento da entrada da ferramenta, a aresta de corte sofre um impacto, pois as forças de corte crescem rapidamente e depois variam conforme a direção e espessura do cavaco. Isso poderá causar trincas mecânicas por fadiga no material. Estas avarias ocorrem paralelamente à aresta de corte, causando microlascamentos na aresta de corte (Fig. 28.7b). (a) (b) Figura 28.7 Fraturas na fresa: (a) fissuras térmicas; (b) microlascamentos. A soma das trincas de origem térmica com as trincas de origem mecânica resulta em um tipo de deformação na cunha cortante da ferramenta denominada sulco em forma de pente. Essas características exigem maior cuidado com a tenacidade e resistência ao choque térmico da pastilha, bem como o dimensionamento da geometria da ferramenta a fim de que ela possa resistir a esses fenômenos. O crescimento das trincas pode levar à quebra da ferramenta. Para evitá-las pode-se, dentre outros procedimentos, deve-se escolher uma ferramenta mais tenaz, diminuir o avanço por dente e posicionar a fresa corretamente em relação à peça.