ESTUDO DO ACABAMENTO SUPERFICIAL NA USINAGEM DE MATERIAIS COMPOSTOS A BASE DE RESINA EPÓXI E PÓ DE ALUMÍNIO

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1 CIBIM 10, Oporto, ESTUDO Portugal, DO ACABAMENTO 2011 SUPERFICIAL NA USINAGEM DE MATERIAIS COMPOSTOS A BASE CIBEM DE RESINA 10, Porto, EPÓXI Portugal, E PÓ 2011 DE ALUMÍNIO RM Natal Jorge, JMRS Tavares, JL Alexandre, AJM Ferreira, MAP Vaz (Eds) ESTUDO DO ACABAMENTO SUPERFICIAL NA USINAGEM DE MATERIAIS COMPOSTOS A BASE DE RESINA EPÓXI E PÓ DE ALUMÍNIO Gilberto Garcia del Pino 1 *, Arthur Monteiro de Lima2, Jose L Valin Rivera 3, Cristiane Barbosa 4, Antonio Claudio Kieling 5, Jose Luis Sansone 6, Suzianne Aguiar Pinto 7, Jonas Proscopio 8, Alan Coelho Redid 9, Marcelo da Gama Universidade do Estado de Amazonas, Manaus-AM/Brasil, ggdelpin@usp.br 2- Universidade do Estado de Amazonas, Manaus-AM/Brasil, arthur_r_14@yahoo.com.br 3-ISPJAE, CUJAE, Marianao, Habana-Cuba, jose.valin@gmail.com 4- Universidade do Estado de Amazonas, Manaus-AM/Brasil, cristianebarbosa@hotmail.com 5- Universidade do Estado de Amazonas, Manaus-AM/Brasil, antonio.kieling@yahoo.com 6- Universidade do Estado de Amazonas, Manaus-AM/Brasil, jlsansone@yahoo.com.br 7- Universidade do Estado de Amazonas, Manaus-AM/Brasil, alleine@gmail.com 8- Universidade do Estado de Amazonas, Manaus-AM/Brasil, jonasprocopio@gmail.com 9- Universidade do Estado de Amazonas, Manaus-AM/Brasil, alanredig@hotmail.com 10- Universidade do Estado de Amazonas, Manaus-AM/Brasil, mgama@uea.edu.br Palavras chave: Compósito, Ferramental Rápido, Usinagem Resumo Neste trabalho foi realizado um estudo da usinagem de materiais compostos a base de resina epóxi e alumínio, com o objetivo de utilizar estes materiais na fabricação de ferramentas rápidas na fabricação de moldes de injeção de plástico. Estes moldes feitos deste material composto se utilizam na fabricação de novos modelos de produtos, ou serie pequena na etapa inicial de avaliação com custo mínimo em substituição dos aços ferramentas No caso particular da usinagem dos materiais compostos de matriz epóxi com carga de alumínio se apresentam problemas de quebra das bordas do material na usinagem por fresamento na entrada e saída da ferramenta, além das marcas da fresa. Estes problemas do acabamento superficial devem ser bem controlados quando se trata de moldes de injeção de plástico os quais requerem um bom acabamento superficial, sendo que o material plástico injetado copia exatamente as irregularidades da superfície do molde produzindo um mau acabamento do produto. Para realizar o trabalho foram fabricados vários corpos de prova com diferente composição para obter diferentes propriedades mecânicas. Posteriormente os corpos de prova foram usinados com diferentes regimes de corte estudando a influencia de parâmetros como velocidade, avanço e profundidade de corte no acabamento superficial e na qualidade das bordas. A usinagem foi realizada num Centro de Usinagem DISCOVERI da marca ROMI e os parâmetros de acabamento superficial (Ra) foram determinados utilizando o rugosímetro digital Mitutoyo SV-400. Os dados obtidos do acabamento superficial foram processados com técnicas de estatística sendo relacionados com os parâmetros de corte utilizados, com as propriedades mecânicas e a composição química, obtendo-se bons resultados ao ser comparados com outros trabalhos publicados anteriormente CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011 CIBEM 10, Porto, Portugal,

2 Gilberto Garcia del Pino, Arthur Monteiro de Lima, Jose L Valin Rivera, Cristiane Barbosa, Antonio Claudio Kieling, Jose Luis Sansone, Suzianne Aguiar Pinto, Jonas Proscopio, Alan Coelho Redid, Marcelo da Gama Na atualidade peças, componentes e produtos em material plástico são extremadamente utilizados tanto como componentes de carros, motocicletas, na construção civil e como médio de consumo para a sociedade em general. A grande maioria de essas peças são fabricadas em maquinas extrusoras e injetora de plástico que utilizam moldes os quais são feitos de aço para ferramentas de alta qualidade e resistência O preço dos moldes de injeção de plásticos no mercado é realmente muito alto devido ao custo do material para a fabricação dos moldes de injeção de plástico, à dificuldade da usinagem dos mesmos, ao ajuste entre os componentes com tolerâncias de fabricação muito estreita, além de diferentes mecanismos internos, sistema de refrigeração, etc., Tendo em conta a necessidade de flexibilidade da produção atual de criação rápida de novas peças, de novos modelos de artículos de plásticos é importante a criação de um ferramental rápido que cobra as necessidades da produção a um custo menor [1], [2], [3]. Devido a isso é muito importante a fabricação de moldes de um material mais barato, mais fácil de usinar, que permita injetar e avaliar as características do novo produto de plástico, que consiga uma boa economia e rapidez significativa na produção de peças de plástico, sem afeitar a qualidade do produto injetado. [2] No trabalho de Yang e Ryu [4] foi realizado o desenvolvimento de um material composto para auxiliar em Ferramental rápido, neste trabalho foram realizados ensaios mecânicos para a determinação das propriedades como dureza, resistência a compressão, etc. Foi fabricado um molde bipartido e se realizo a injeção de una hélice com o próprio material da matriz do composto do molde com bons resultados. No artigo publicado também são feitas sugestiones de correções dos defeitos de processamento do material composto. Da mesma forma materiais comerciais se estão investigando na UTFPR, para sua utilização em fabricação de insertos em moldes metálicos para a injeção de materiais plásticos como já foram publicados nos trabalhos de Derenievicki [3]. Volpato et al. [5] onde estão utilizando-se tecnologia CNC (Comando Numérico Computadorizado) e sistemas CAM (Compute Aided Manufacturing) para a fabricação de estes moldes de material composto e avançar nas investigações de ferramental rápido. Um dos materiais mais utilizados com boas propriedades mecânicas e de fácil fabricação são os materiais compostos a base de resina epóxi e pó de alumínio, como se pode observar no trabalho desenvolvido por Serafim et al. [6]. Mas embora este tipo de material composto pode dar uma boa solução a este problema de fabricação de ferramental rápido, não se tem muitos conhecimentos sobre a Usinabilidade dos mesmos, o que será objeto de estudo neste trabalho. Os estudos de estes novos materiais compostos para sua utilização como ferramental rápido são baseados primeiro em determinar suas propriedades físicas e mecânicas como: densidade, porosidade, dureza, resistência a compressão, resistência à flexão, tenacidade à fratura, etc. Em segundo lugar para esse estudo se faz uma definição das ferramentas de corte e os parâmetros de usinagem como: profundidade de corte, avanço e velocidade, e como resultados se relacionam com os acabamentos superficiais obtidos, forças de corte originadas durante a usinagem, etc. Neste caso particular da usinagem dos materiais compostos de matriz epóxi com carga de alumínio se apresentam problemas de fratura das bordas do material durante a usinagem por fresamento a entrada e saída da ferramenta além das marcas deixadas pela fresa. Estes problemas alem do acabamento superficial devem ser bem controlados quando são utilizados na fabricação de moldes de injeção de plástico, os quais requerem um bom acabamento superficial, sendo que o material plástico copia exatamente as irregularidades da superfície do molde no momento da injeção sobre a pressão de moldagem, Rubén et al. [1] É comum também nestes trabalhos, para analisar os resultados obtidos do acabamento superficial em função das propriedades dos materiais e os parâmetros de corte utilizados comparar variáveis de entrada e de saída utilizando um tratamento estadístico e obter modelos matemáticos representativos, tal como os estudos com fresamento de topo realizado por Jenrich [7] que utilizaram a técnica de regressão múltipla como una ferramenta para o estudo das relações entre variáveis, em estes processos de usinagem de materiais. No trabalho de Rubén et al. [1] também foi investigado sobre o efeito dos parâmetros de corte em materiais similares e consideraram como defeitos da usinagem as marcas da trajetória da ferramenta além das quebras das bordas do corpo de prova na entrada e a saída da ferramenta e concluiu em sua estudo que essas marcas e quebras eram bem similares as produzidas em materiais metálicos como o ferro fundido e o bronze, por tanto a usinagem desses materiais pode ser também similar ao dos materiais metálicos. Para começar o trabalho foram fabricados vários corpos de prova de material composto de matriz de resina epóxi carregado com alumínio em pó e estearato de alumínio como elemento de liga, para conseguir uma maior homogeneidade da composição. O tipo de resina foi a RenCast CW 436 misturada com pó de alumínio MR-8. Foram realizados 4 corpos de prova com dimensões de 50 X 50 X 100 como se pode observar na figura 1 e 2. Na tabela 1 podem-se observar as diferentes composições utilizadas em cada um dos corpos de prova. Todos os materiais deste estudo foram adquiridos da empresa Maxepoxi Indl. e Coml. Ltda, em São Paulo que é o Revendedor Autorizado * Huntsman * marca - Araldite. Para realizar os corpos de prova primeiramente se recobriram os moldes com desmoldante do tipo RenLease QZ 5111 onde foram aplicadas duas camadas com pincel e após de realizar a mistura dos componentes (resina + endurecedor + pó de Al + estearato) foi 2236 CIBEM 10, Porto, Portugal, 2011 CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011

3 ESTUDO DO ACABAMENTO SUPERFICIAL NA USINAGEM DE MATERIAIS COMPOSTOS A BASE DE RESINA EPÓXI E PÓ DE ALUMÍNIO colocado no molde compactando até a altura total do molde. Figura 1: Corpo de prova para a usinagem simulação da usinagem. Foram usinados 3 canais em cada face ficando em total 12 canais em cada corpo de prova. Foi utilizada uma fresa de topo de 10 mm de diâmetro com haste cilíndrica curta para aumentar a rigidez. O material da fresa foi Aço Rápido com 8% de cobalto com cobertura de Nti segundo norma DIN 88 com 4 bordas cortantes. Os canais a usinar foram deslocados 1 mm ao centro com o objetivo de aumentar a espessura do alto relevo do último canal da esquina para evitar quebras adicionais na lateral. Na figura 3 se pode observar uma vista lateral com as dimensões e distribuição dos canais, o sistema de eixos no programador e as dimensões da seção transversal dos corpos de prova, e na figura 4 se pode observar a disposição dos canais depois da usinagem. Figura 2: Dimensões do corpo de prova no momento antes de usinar. Os moldes preenchidos foram mantidos a temperatura ambiente durante 24 horas até o endurecimento e posteriormente para completar a cura se colocaram os corpos de prova em uma estufa iniciando o aquecimento com uma temperatura de 60ºC durante 2 horas. A partir daí, aumentado 20ºC a cada 2 horas até chegar a 150ºC ficando nessa temperatura durante 15 horas. Posteriormente a estufa foi desligada e os corpos de prova foram mantidos dentro dela até o total resfriamento. Depois de completada a cura foi realizado uma usinagem das superfícies para eliminar possível ondulações no próprio centro de Usinagem onde se realizaram os testes. Esta usinagem teve o objetivo de nivelar todas as superfícies e conseguir um bom paralelismo entre as faces para garantir a mesma profundidade de corte em todos os canais usinados. Corpo de prova Tabela 1: Composição dos corpos de prova Resina Al Estearato (Peso g) (% em Peso) (% em Peso) Dureza (Shore D) 1 304,65 10% 3% ,55 15% 3% ,44 20% 3% ,58 %25 3% 74 Os corpos de prova foram distribuídos e classificados em função da composição e das propriedades mecânicas e foram realizados diferentes ensaios de usinagem com diferentes parâmetros de corte. Antes de realizar a usinagem foi realizada una planificação do processo utilizando o software Solid Ed da SIEMENS para fazer o CAD e posteriormente foi inserido no software NX7 também da SIEMENS, para fazer a Figura 3: Dimensões dos canais para a usinagem Figura 4: Disposição dos canais nas quatro faces do corpo de prova Cada corpo de prova corresponde a uma composição diferente e foi mantida a mesma profundidade de corte na usinagem de todos os canais. Os canais de cada face foram usinados com a mesma velocidade de corte variando o avanço para cada canal. Primeiramente foram usinados canais longitudinais na superfície superior com una profundidade de 3 mm e um comprimento de 100 mm, e posteriormente se realizaram nas outras faces mudando a velocidade de corte desde 100 m/min., até 175 m/min a intervalos de 25 m/min por cada face, como se pode observar na tabela No 2. Na tabela 2 podem- se observar os valores dos parâmetros de corte utilizados para cada uno dos 12 canais usinados CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011 CIBEM 10, Porto, Portugal,

4 Gilberto Garcia del Pino, Arthur Monteiro de Lima, Jose L Valin Rivera, Cristiane Barbosa, Antonio Claudio Kieling, Jose Luis Sansone, Suzianne Aguiar Pinto, Jonas Proscopio, Alan Coelho Redid, Marcelo da Gama em cada corpo de prova: Velocidade de corte (Vc), Avanço por dente da fresa (fz) e profundidade de corte (ap). As recomendações iniciais para os parâmetros de corte para o fresamento de estes materiais foram obtidas de Ferraresi [8] e Shaw[9], além de catálogos de usinagem com CNC dos fabricantes de resina comerciais, os quais também foram fundamentados pelos trabalhos publicados anteriormente [2, 3,4]. Tabela 2: Valores dos parâmetros de corte utilizados para cada uno dos 12 canais usinados em cada corpo de prova. Canal Vc Fz ap (m/min) (mm/dente) (mm) Antes de realizar a usinagem dos corpos de prova foi realizada uma simulação utilizando o software NX7 da SIEMENS como pode ser observado na figura 5 Figura 6: Usinagem dos canais do corpo de prova Todos os canais usinados foram inspecionados no momento de finalizada a usinagem de cada superfície para observar possíveis falhas de fratura nas bordas dos canais tanto na entrada como na saída da fresa, desta forma não se incluíram erros de possíveis quebras durante a instalação em usinagens posteriores de outras superfícies. Para realizar esta atividade foram utilizadas uma lupa manual com aumento 10x, e uma máquina fotográfica digital. Na figura 7 são mostrados defeitos na saída da ferramenta após a usinagem de canais na face superior do corpo de prova. Estes valores foram quantificados. Posteriormente foi realizado um estudo do acabamento superficial produzido em cada canal o qual foi correlacionado com as condições de corte empregadas em cada caso e a composição correspondente. Para a realização do estúdio da rugosidade superficial foi utilizado um Rugosimetro Digital Mitutoyo SV 400 e foram realizadas cinco medições em cada canal. Durante a usinagem foram medidas as forças de corte utilizando um método indireto de consumo de potencia e também foi estudada a deformação do cavaco, para correlacionar-lo com os defeitos encontrados nos corpos de prova e o acabamento superficial. Figura 5: Simulação da Usinagem do corpo de prova O fresamento foi realizado em um Centro de usinagem vertical CNC Fabricante: ROMI Modelo: DISCOVERY 4022 equipado com CNC ROMI MACH 9. As características técnicas da máquina são: potencia de 15 KW e rotação de 60 a 6000 RPM, faixa de avanços dos três eixos: mm/min, tolerância de posicionamento 0, 015 e precisão de trabalho: 0, 001. Na fotografia da figuras 6 se pode observar o processo de fresamento e na figura 7 o resultado após o fresamento de um corpo de prova. Figura 7 Quebra das bordas após o fresamento de um corpo de prova Os defeitos encontrados nas bordas dos canais durante a usinagem dos corpos de prova foram avaliados e quantificados realizando uma contagem e posteriormente foram processados estatisticamente para determinar a influencia dos parâmetros de corte utilizados no fresamento sobre a ocorrência de esses defeitos e correlacionar-los também com a composição e as propriedades mecânicas dos materiais. Na tabela 3 se encontram os valores representativos em forma numérica 2238 CIBEM 10, Porto, Portugal, 2011 CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011

5 ESTUDO DO ACABAMENTO SUPERFICIAL NA USINAGEM DE MATERIAIS COMPOSTOS A BASE DE RESINA EPÓXI E PÓ DE ALUMÍNIO dos defeitos nas bordas na saída e entrada da ferramenta durante a usinagem do corpo de prova N2, que representa uma media desse comportamento entre os quatro corpos de prova. Para a medição dos defeitos foi utilizado um gabarito de 1.5 mm (score) e foi medida a quantidade de vezes que esse gabarito foi repetido nos defeitos. Tabela 3: Valores das quebras nas bordas correspondente ao corpo de prova No 2 Canal Vc Fz (m/min) (mm/dente) Defeitos (score) Da mesma forma os valores obtidos do acabamento superficial foram organizados em forma de tabela e relacionados com os parâmetros de corte como pode-se observar na tabela No.4, onde se encontram os valores de acabamento superficial dados pelo parâmetro Ra, que representa uma media desse comportamento entre os quatro corpos de prova. Tabela 4: Valores da rugosidade superficial correspondente ao corpo de prova No 2 Canal Vc Fz Ra (m/min) (mm/dente) (um) Para estudar o comportamento dos defeitos na saída e na entrada da ferramenta assim como o acabamento superficial nos canais usinados em função dos parâmetros de corte foi utilizado o software de estatística MINITAB versão 14. Do processamento dos dados da tabela N.3 através deste software se obteve o gráfico da figura 8 Como se pode observar no gráfico da figura 8 a variável que mais afeto a ocorrência de defeitos foi o avanço da fresa e em segundo lugar a combinação do avanço e a velocidade de corte. As propriedades mecânicas do material no tiveram uma influencia significativa. Esses resultados coincidem com os resultados obtidos nos trabalhos realizados anteriormente. Figura 8: Representação da influencia do avanço e a velocidade de corte na geração de defeitos nas bordas dos canais. Para estudar a influencia do avanço e da velocidade de corte no acabamento superficial nos canais usinados em função dos parâmetros de corte foi utilizado também o software de estatística MINITAB versão 14. Do processamento dos dados da tabela N.4 através deste software se obteve o gráfico da figura 9 Como se pode observar no gráfico da figura 9 a variável que mais afeto no acabamento superficial foi o avanço da fresa e em segundo lugar a combinação do avanço e a velocidade de corte. As propriedades mecânicas do material no tiveram uma influencia significativa. Esses resultados coincidem com os resultados obtidos nos trabalhos realizados anteriormente. Pode-se observar no gráfico da figura 9 como quando se incrementa o avanço aumenta muito a rugosidade superficial e ao contrario da velocidade de corte quando se incrementa a velocidade de corte diminui o parâmetro Ra, trazendo uma melhoria no acabamento superficial. Este comportamento é bem similar á usinagem dos metais. Figura 9: Representação da influencia do avanço e a velocidade de corte no acabamento superficial. CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011 CIBEM 10, Porto, Portugal,

6 Gilberto Garcia del Pino, Arthur Monteiro de Lima, Jose L Valin Rivera, Cristiane Barbosa, Antonio Claudio Kieling, Jose Luis Sansone, Suzianne Aguiar Pinto, Jonas Proscopio, Alan Coelho Redid, Marcelo da Gama Os resultados obtidos neste trabalho demonstram que este material composto a base de resina epóxi e pó de alumínio tem uma Usinabilidade aceitável e que podem ser obtidos acabamentos superficiais adequados para realizar injeção de termoplásticos. De esta forma pode ser utilizado como material para a fabricação rápida de ferramentas. Se pode verificar que o acabamento superficial de estes materiais melhorou quando se aumentaram as propriedades mecânicas como resistência e dureza e diminuiu quando se incrementaram a profundidade de corte e o avanço da ferramenta, por esse motivo ficou também estabelecido que o comportamento deste material composto em quanto a Usinabilidade é similar ao dos materiais metálicos. Os autores agradecem a CNPq, CAPES, FAPEAM, UEA e UNINORTE (Manaus) pela ajuda na realização deste trabalho. [1]- Ruben W. L.,et.all. Machinability of rapid tooling composite board, Journal of Materials Processing Technology, 127 (2002) [2]- M. Kotnis, Building rapid prototype injection molding tools, SME Technical Paper No. PE99-122, 1999, pp [3]- Derenievicki, F. O, Procedimento para testar resinas poliméricas para a fabricação de moldesprotótipo usinados. Dissertação de Mestrado. PPGEM - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Fevereiro [4]- Yang, M. I.; Riu, S. G., Development of a Composite Suitable for Prototipe Machining, Journal of Materials ProcessingTechnologi, v. 5760, pp [5]- Volpato, N.; Amorim, J. R.; Manente, M. M, The use of Epoxi resins as Insert for Injection Mold. Anais do COBEM, 2003, São Paulo. [6]- Serafim, C. L.; Capudi, E.; Gondak, M. O.; Araújo, M. S., Desenvolvimento de Compósito de Alumínio para Usinagem. 17 Anais do CBECIMAT, Novembro [7]-Jenrich, R. I, An Introduction to Computational Statistics - Regression Analisis. Englewood Cliffs, NJ. Prentice Hall [8]-Ferraresi, D., Fundamento da Usinagem dos Metais. São Paulo: Edgard Blücher, v [9]-Shaw, M. C., Metal Cutting Principles. 2ª ed. New Iork: Oxford Universiti Press CIBEM 10, Porto, Portugal, 2011 CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011