Fatores que Influenciam a Usinagem de Moldes e Matrizes com Altas Velocidades

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1 Fatores que Influenciam a Usinagem de Moldes e Matrizes com Altas Velocidades Influence Factors for HSC Technology in Die and Mold Manufacturing ANDRÉ LUÍS HELLENO Universidade Metodista de Piracicaba (Santa Bárbara d Oeste, Brasil) alheleno@unimep.br KLAUS SCHÜTZER Universidade Metodista de Piracicaba (Santa Bárbara d Oeste, Brasil) schutzer@unimep.br RESUMO A tecnologia HSC (High Speed Cutting) surge como uma das soluções na manufatura de moldes e matrizes, porém sua aplicação na indústria tem encontrado inúmeras dificuldades, uma vez que ela não se limita a um cabeçote de alta rotação, mas é a combinação de altas velocidades de corte, altas velocidades de avanço e um conjunto de novos parâmetros no ambiente de usinagem para criar um novo processo de fabricação baseado nos fatores que influenciam a sua aplicação. Este artigo traz uma análise dos fatores que influenciam na aplicação desta tecnologia na manufatura de moldes e matrizes, servindo, com isso, de base para o seu desenvolvimento no Brasil. Palavras-chave ALTA VELOCIDADE CAD/CAM/CNC MOLDES E MATRIZES. ABSTRACT The HSC technology appears as one of the solutions in die and molds manufacturing, but its application in industry has restrictions, since it is not limited to a high rotation spindle, but is the combination of high speed cutting, high speed feed rates and a group of parameters within the plant environment to create a new process based on factors that influence in the technology s application. This paper analyzes the factors that influence the application of such technology in die and molds manufacturing, serving as a base for its development in Brazil. Keywords HIGH SPEED CUTTING CAD/CAM/CNC DIE AND MOLD. REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA V. 12, Nº 23 pp

2 INTRODUÇÃO A usinagem de moldes e matrizes vem ganhando espaço de destaque no setor de manufatura na medida em que a economia mundial avança em direção à redução de lotes, configurações do produto ao cliente, grande diversidade de produtos e, principalmente, redução de seu tempo de vida, junto com a exigência de redução do tempo de lançamentos de novos produtos. No Brasil, o setor de moldes e matrizes começou seu crescimento extraordinário em 1999, quando a moeda brasileira (Real) sofreu uma desvalorização frente à moeda norte americana (Dólar), o que desencadeou a substituição dos principais fornecedores externos (Espanha, Portugal, Taiwan e Itália) por fornecedores internos e, conseqüentemente, a modernização de sua indústria (Metal Mecânica, 2000). Atualmente, as taxas de crescimento estão em torno de 10% ao ano (Metal Mecânica, 2000/2001), com uma situação futura promissora, principalmente pelo alto crescimento da indústria automobilística. No entanto, o atual processo de manufatura de moldes e matrizes apresenta um elevado tempo de produção, uma vez que consiste na usinagem de superfícies complexas em material normalizado (sem tratamento térmico), com baixas velocidades de cortes e avanços, endurecimento do material (tratamento térmico) após a usinagem e acabamento superficial manual, a fim de obter o acabamento final necessário. Nesse contexto, a tecnologia HSC (High Speed Cutting) surge como uma das soluções na usinagem de moldes e matrizes, uma vez que resulta na redução do tempo de fabricação, na diminuição de custos e numa melhora significativa no produto final. TECNOLOGIA HSC A teoria da tecnologia HSC está baseada no trabalho de Salomon para a empresa alemã Friedrich Krupp AG (Schulz, 1996). Por meio da usinagem com variação da velocidade de corte, notou-se que, após uma determinada velocidade, as temperaturas de usinagem voltavam a decrescer, conforme ilustrado na figura 1. Com o aumento da velocidade de avanço e da alta remoção de material, o aquecimento da peça pode ser minimizado, pois grande parcela do calor gerado durante o processo de corte é dissipado juntamente com o cavaco. Porém, a aplicação plena da tecnologia HSC está diretamente relacionada à reestrutura de todo o processo de fabricação de produto e, principalmente, das demais tecnologias nele envolvidas. Na figura 2, observam-se as tecnologias envolvidas com a tecnologia HSC. Fig. 1. Variação da temperatura com a velocidade de corte (Schulz, 1996; Schulz, 1999). 8 jan./jun. 2004

3 Fig. 2. Tecnologias relacionadas ao processo HSC (Schulz, 1996). Fig. 3. Exemplo de aplicação da tecnologia HSC numa matriz de estampo (Schützer, 2003). Num dos estudos para determinar as vantagens da tecnologia HSC na manufatura de moldes e matrizes, foram fabricadas duas matrizes de estampo, uma pelo processo convencional utilizado pela empresa e a outra aplicando a tecnologia HSC (Schützer, 2003). A figura 3 ilustra os valores obtidos nesse estudo. Nota-se uma redução de quase 50% do tempo total de manufatura do processo com tecnologia HSC em relação ao processo convencional. Esta redução não se deu apenas pela diminuição do tempo de usinagem, mas também pela eliminação do acabamento superficial e a redução drástica do polimento manual e da etapa de try out. FATORES QUE INFLUENCIAM NA MANUFATURA DE MOLDES E MATRIZES Sistemas CAD/CAM A possibilidade do modelamento tridimensional e de manufatura de superfícies complexas num pequeno espaço de tempo faz com que a tecnologia CAD/CAM se transforme numa grande ferramenta das empresas para alcançar a melhoria da qualidade de seus produtos, o aumento da produtividade, a rapidez na introdução de novos artigos e a diminuição dos custos de manufatura. REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA V. 12, Nº 23 pp

4 Para a máquina CNC executar a manufatura de um molde, ela precisa de um programa NC contendo as trajetórias das ferramentas, gerado pelo CAM. Este, por sua vez, necessita de um modelo geométrico tridimensional da superfície a ser usinada para poder calcular as trajetórias das ferramentas e processar o programa NC. Tolerância do Sistema CAM Para o cálculo da trajetória da ferramenta, o programador fornece ao sistema CAM uma faixa de tolerância, normalmente definida por uma tolerância superior e inferior. O sistema CAM aplica esta faixa de tolerância ao modelo geométrico e determina a trajetória de ferramenta que melhor se adapta à faixa. A figura 4 ilustra um exemplo de determinação da trajetória da ferramenta através da interpolação linear para um mesmo modelo geométrico, com valores de tolerâncias CAM diferentes. Fig. 4. Trajetória da ferramenta em função da tolerância CAM (Weinert & Guntermann, 2000). Observando a figura, pode se verificar que a tolerância no sistema CAM está relacionada diretamente com a exatidão da trajetória da ferramenta, o tamanho do programa NC e, conseqüentemente, o seu tempo de cálculo. Com isso, quanto maior o campo de tolerância, maior será a liberdade de adaptação da trajetória da ferramenta, permitindo, assim, que o sistema CAM escolha uma trajetória mais simplificada, representada por segmentos maiores e em menor quantidade, resultando em um menor programa NC e, conseqüentemente, em uma menor exatidão da trajetória da ferramenta. Essas características foram comprovadas por meio de um teste realizado pelo Laboratório de Sistemas Computacionais para Projeto e Manufatura (SCPM) para determinar o tamanho e o tempo de cálculo do programa NC em função da tolerância do sistema CAM. Nesse teste, o programa NC foi gerado pelo sistema CAD/CAM Unigraphics V18, utilizando a interpolação linear como método de interpolação da trajetória da ferramenta. A figura 5 ilustra os valores encontrados no ensaio. Nota-se que a redução do campo de tolerância resulta em um aumento exponencial do tamanho do programa NC e, conseqüentemente, no seu tempo de cálculo. Fig. 5. Influência da tolerância CAM no programa NC. 10 jan./jun. 2004

5 Interpolações da trajetória da ferramenta no programa NC Os programas NC são gerados a partir dos arquivos CL (nativo CAM) e devem conter a linguagem corresponde à máquina e ao CNC em questão. Essa linguagem está baseada na utilização de interpolações lineares (G1) e interpolações circulares (G2/G3) para informar à máquina sobre o percurso da ferramenta. O método mais usado para representar a trajetória da ferramenta para a usinagem de superfícies complexas é a interpolação linear de segmentos de retas. No entanto, atualmente, existem outras metodologias, como a interpolação linear/circular e a interpolação NURBS (Non Uniform Rational B-Spline), mas que, por serem recentes, são pouco difundidas. A figura 6 ilustra as três metodologias de interpolações normalmente encontradas nos sistemas CAM. Fig. 6. Interpolações da trajetória da ferramenta. Interpolação linear: método mais utilizado para representar a trajetória da ferramenta, descrita pela interpolação de pequenos segmentos de retas, utilizando apenas o comando G1. Dentre as características desse método, é possível ressaltar: programas NC extensos, com dezenas de megabytes; tolerâncias na transformação dos caminhos da ferramenta em segmentos de retas; baixa qualidade de acabamento devido ao faceteamento da superfície usinada; grande volume de informações para o CNC processar, não permitindo, assim, alta velocidade de avanço em regiões complexas, representadas por um grande número de pequenos segmentos de retas. Interpolação linear/circular: consiste na associação da interpolação linear com a interpolação circular para a representação da trajetória complexa da ferramenta. Utilizam-se programas NC contendo comandos G1, G2 e G3. Dentre as características desse método, estão programas NC menores, em relação aos da interpolação linear, e boa qualidade de acabamento devido à melhor representação da geometria original. Interpolação Spline: faz uso dos modelos matemáticos que os sistemas CAD atuais utilizam para a representação de curvas e superfícies complexas. No sistema CAM, esse modelo matemático irá representar a trajetória da ferramenta. Esses modelos são conhecidos como funções Spline, e a função mais apropriada dessa metodologia é conhecida como NURBS. Por meio desse modelo matemático, é possível representar uma trajetória complexa de ferramenta. Portanto, o programa NC gerado não irá conter os comandos tradicionais G1, G2 e G3 (em áreas complexas), mas uma nova codificação, que representará uma trajetória complexa. Estratégias de usinagem Para que o CAM consiga gerar o programa NC da superfície a ser usinada, o usuário deve fornecer ao sistema as operações desejadas para a manufatura do modelo geométrico, como operação de desbaste, préacabamento e acabamento, além da estratégia a ser executada em cada uma dessas operações. Pesquisa realizada por Weinert (2000), do Instituto de Usinagem (ISF) da Universidade de Dortmund (Alemanha), constatou a grande diferença nos resultados obtidos entre dois processos de usinagem que se distinguiam apenas pelas estratégias de cortes usadas para o acabamento de uma matriz de estampo, ilustrada na figura 7. REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA V. 12, Nº 23 pp

6 Na primeira matriz, foi usado um acabamento com estratégia em passes constantes, sendo necessários 33,28 min para a execução dessa usinagem. Na segunda matriz, foi utilizado um acabamento com estratégia otimizada, composta por fresamentos em curvas de nível nos setores mais íngremes e usinagem em offset nos setores planos, sendo necessários 26,61 min para a sua execução. Além de uma redução sensível do tempo de usinagem, é no acabamento superficial que se observa a maior influência. Fig. 7. Comparação entre estratégias de corte (Kirschnik, 1997). A) Estratégia Normal B) Estratégia Otimizada Rz1 = 9.30 µm Ra1 = 2.01 µm Rz2 = 5.88 µm Ra2 = 1.00 µm Tempo: min Rz1 = 2.14 µm Ra1 = 0.48 µm Rz2 = 3.67 µm Ra2 = 0.58 µm Tempo: min Transferência do programa NC para a máquina Após a geração do programa NC pelo CAM, deve-se enfrentar o problema de como executar esse programa na máquina, pois ela normalmente não possui capacidade para armazená-lo. Com isso, a execução do programa se dará por meio de uma transmissão on line entre a máquina CNC e um computador externo contendo o programa CNC. Essa transmissão é feita com o auxílio de um cabo de comunicação padrão RS232, conforme indicado na figura 8. Fig. 8. Esquema da transmissão on line. Nessa transmissão, o CNC utiliza uma região de memória, chamada de memória Buffer, como um reservatório, que é preenchido com as informações transferidas pelo computador. À medida que as informações executadas são eliminadas, o comando envia sinal para o recebimento de novas informações, de acordo com sua necessidade, mantendo, assim, o nível do reservatório. Esse processo se repete, durante toda a operação, em frações de segundos. A velocidade de transferência é quantificada em bits por segundo (Baudrate), sendo que cada bloco de informação do programa NC de uma usinagem tridimensional tem, em geral, 26 caracteres (X Y Z <CR> <LF>) e cada caractere é formado por dez bits: sete data bits, um start bit e dois stop bits (Eberlein, 1998). 12 jan./jun. 2004

7 Na transmissão on line, a velocidade de transmissão de dados ganha extrema importância, principalmente na aplicação da tecnologia HSC, pois, caso a velocidade de transmissão dos dados seja maior que a da execução dos blocos do programa, ocorrerão lacunas na transmissão, resultando em interrupções na execução do programa NC, prejudicando o acabamento e a exatidão da peça usinada. Tempo de Processamento de Bloco Uma das características de construção de um CNC é o tempo que ele leva para processar cada bloco de informação, ou seja, o tempo que leva para ler o bloco e transmitir as informações para a máquina executar o movimento. Pode-se dizer que esse tempo é extremamente pequeno e, até então, nos processos tradicionais, pouco importava. No entanto, quando se trabalha com altas velocidades de avanço e segmentos de retas pequenos, constata-se a sua importância, pois se o tempo de processamento do bloco for maior que o de execução do segmento, a máquina irá atingir o ponto de destino e a informação para o próximo movimento ainda não estará disponível. Nesse caso, os CNC mais modernos reduzem automaticamente a velocidade de avanço programada para uma compatível com a sua velocidade de processamento, resultando em um maior tempo de usinagem. A equação 1 fornece a estimativa do valor máximo de avanço em função do tempo de processamento (TPB) e do tamanho do segmento de movimento. x V a = Equação 1 (Eberlein, 1998). TBP 60 Onde:V a = Velocidade de avanço (mm/min) x = Comprimento do segmento de reta (mm) TPB = Tempo de Processamento de Bloco (ms) Como é possível observar na figura 9, o tempo de processo de bloco, quando aplicado em altas velocidades de avanço, torna-se uma limitação tecnológica. Por exemplo: num CNC com TPB = 10 ms e um avanço de mm/min, o segmento programado deverá ser maior que 0,667 mm, prejudicando, assim, a exatidão da superfície final. Fig. 9. Segmento mínimo a ser programado. CONCLUSÕES Apesar de a tecnologia HSC surgir como uma das soluções na usinagem de moldes e matrizes, sua aplicação encontra grandes restrições na indústria, uma vez que não se baseia somente em um eixo árvore (spindle) de rotação mais elevada, mas na união de altas velocidades de cortes e avanço para criar um novo processo de usinagem por completo. Ou seja, sua aplicação requer uma reestruturação do processo produtivo, baseada em todos os fatores que influenciam no processo de usinagem. REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA V. 12, Nº 23 pp

8 Além disso, muitas características do processo produtivo até então despercebidas ganham nova importância, tornando-se, inclusive, limitações tecnológicas na tecnologia HSC, como: metodologias utilizadas pelos sistemas CAD/CAM para modelamento do produto e geração dos programas NC; transferência dos programas NC para o CNC da máquina ferramenta; capacidade de aceleração e desaceleração da máquina ferramenta; e capacidade e funções especiais de processamento do CNC. Com isso, a aplicação plena da tecnologia HSC, assim como seus benefícios, somente serão atingidos quando os fatores que a influenciam, tornando-se limitações tecnológicas, forem compreendidos e, a partir disso, se reestruturar o processo produtivo de manufatura dos moldes e matrizes. AGRADECIMENTO Este trabalho foi desenvolvido com apoio do ProBrAL (195/05) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS EBERLEIN, W. Do modelo digital ao produto final mais rapidamente. In: 3. Seminário Internacional de Alta Tecnologia. Santa Bárbara d Oeste, 1998, Fabricantes de ferramentas investem em soluções para moldes e matrizes, Metal Mecânica, São Paulo, (349): 8-20, dez./00-jan./ 01. GEIST, J. & FINZER, T. Influência dos parâmetros de usinagem HSC na programação NC, Máquina e Metais, São Paulo, 36 (411): 30-49, KIRSCHNIK, G.M. Características técnicas de comando numérico computadorizado para HSC. Anais do 2 Seminário Internacional de Alta Tecnologia, Universidade Metodista de Piracicaba, Santa Bárbara d Oeste, out./97, SCHULZ, H. The History of High Speed Machining, Revista de Ciência e Tecnologia, Piracicaba, 7 (13): 9-18, Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Munique: Carls Hanser Verlag, SCHÜTZER, K. et al. Usinagem em Altíssimas Velocidades. São Paulo: Érica, Setor de máquinas e equipamentos projeta crescimento de 10%, Metal Mecânica, São Paulo, (343): 8-12, WEINERT, K. & GUNTERMANN, G. Usinagem de superfícies complexas, Máquinas e Metais, São Paulo, 36 (411): 50-60, Dados dos autores ANDRÉ LUÍS HELENO Engenheiro de produção mecânica, mestre em engenharia de produção e doutorando (UNIMEP), faz parte das linhas de pesquisas do Laboratório de Sistemas Computacionais para Projeto e Manufatura (SCPM) e do Programa de Cooperação Internacional Brasil-Alemanha ProBrAl-CAPES, baseado na Otimização da Cadeia Produtiva com a Utilização de Fresamento com Altíssima Velocidade (Tecnologia HSC) e da Tecnologia de Form Features. KLAUS SCHÜTZER Engenheiro mecânico e mestre pela Escola de Engenharia de São Carlos/EESC-USP. No Institute for Production Engineering, Management and Machine Tools da Darmstadt University of Technology (Alemanha), coordenou projetos do Programa Europeu ESPRIT e realizou seu doutoramento. Professor na pósgraduação em engenharia de produção da UNIMEP, onde é coordenador do Laboratório de Sistemas Computacionais para Projeto e Manufatura (SCPM) do Núcleo para Projeto e Manufatura Integrados (NPMI) e do Núcleo de Informática e Computação Gráfica (NICG). É o representante da UNIMEP na ProSTEP ivip e.v. (Alemanha) e editor das Normas ISO STEP. Recebimento do artigo: 15/abr./03 Consultoria: 25/nov./03 a 18/dez./03 Aprovado: 18/dez./03 14 jan./jun. 2004