USINAGEM DE MOLDES E MATRIZES COM VELOCIDADES NA FAIXA DE TRANSIÇÃO PARA HSC (HIGH SPEED CUTTING)

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1 USINAGEM DE MOLDES E MATRIZES COM VELOCIDADES NA FAIXA DE TRANSIÇÃO PARA HSC (HIGH SPEED CUTTING) Eng. André Luís Helleno Universidade Metodista de Piracicaba - SCPM - Rodovia Santa Bárbara/Iracemápolis, Km Santa Bárbara D'Oeste, SP - alheleno@unimep.br Prof.Dr.-Ing Klaus Schützer Universidade Metodista de Piracicaba - SCPM - Rodovia Santa Bárbara/Iracemápolis, Km Santa Bárbara D'Oeste, SP - schuetzer@unimep.br Resumo. Em virtude dos processos de fabricação aplicados e da complexidade do produto, a manufatura de moldes e matrizes sempre apresentou como característica um alto tempo de fabricação. No entanto, o avanço da economia mundial na direção da redução dos lotes, grande diversidade de produtos e principalmente redução do tempo de lançamento de novos produtos, faz com que a demanda de moldes e matrizes cresça extraordinariamente, transformando o tempo de fabricação numa limitação para o setor de manufatura. Neste contexto, a tecnologia HSC surge como uma das soluções, uma vez que resultará na redução do tempo de fabricação, custos e uma melhora significativa no produto final. Porém, sua aplicação pode encontrar grandes restrições tecnológicas na indústria. Com isso, este trabalho visa analisar, através da usinagem de corpos de prova, a usinagem de moldes e matrizes com velocidades na faixa de transição para a Tecnologia HSC, o que trará grandes benefícios em relação a usinagem convencional e um menor impacto na aplicação industrial. Dentre os resultados obtidos, destacam-se: analise da influência da velocidade de corte sobre o tempo de fabricação e a comparação entre diferentes metodologias utilizadas para representar a trajetória da ferramenta através da análise geométrica, rugosidade e acabamento superficial dos corpos de prova. Palavras-chave: High Speed Cutting, Moldes e Matrizes, CAD/CAM/CNC, Usinagem com Altíssima Velocidade, Interpolação de trajetória de ferramenta 1 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 da redução de lotes, configuração do produto ao cliente, grande diversidade de produtos e principalmente redução de seu tempo de vida, juntamente com a exigência de redução do tempo de lançamentos de novos produtos. No Brasil, o setor de moldes e matrizes começou seu crescimento extraordinário no ano de 1999, quando o Real sofreu uma desvalorização frente ao 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 (Tânio, 2001). A partir disto, o crescimento deste setor vinha ocorrendo a taxas de 10% ao ano (Tânio, 2000), com uma situação futura promissora, principalmente pelo fato do crescimento da indústria

2 automobilística no país. No entanto, no processo de manufatura de moldes e matrizes, o tempo de fabricação é extremamente alto, 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(sandvik, 1999). Neste contexto, a tecnologia HSC (High Speed Cutting) surge como uma das soluções na usinagem de moldes e matrizes, uma vez que resultará na redução do tempo de fabricação, custos e uma melhora significativa na qualidade do produto final. Porém, sua aplicação pode encontrar grandes restrições na indústria, uma vez que, não se baseia somente em um eixo árvore de rotação mais elevada, mas sim na união de altas velocidades de corte e avanço para criar um novo processo de usinagem por completo, ou seja, sua aplicação requer uma reestruturação do processo produtivo baseado em todos os fatores que influenciam no processo de usinagem. Além disso, muitas características do processo produtivo até então despercebidas, ganham novas importâncias, tornando-se inclusive limitações tecnológicas na tecnologia HSC, tais como: Metodologias utilizadas pelos sistemas CAD/CAM para modelamento do produto e geração dos programas de usinagem; Capacidade de aceleração e desaceleração da máquina ferramenta; Capacidade e funções especiais de processamento do CNC. Em virtudes destas restrições, este trabalho visa analisar, através da usinagem de corpos de prova, a usinagem de moldes e matrizes na faixa de transição para a tecnologia HSC, o que trará grandes benefícios em relação a usinagem convencional e um menor impacto na sua aplicação industrial. Para definir a faixa de transição da velocidade de corte, considera-se que a velocidade de corte para HSC em operações de fresamento esta na faixa de 10 vezes superior às velocidades convencionais de usinagem, de acordo com o material a ser usinado (Schulz,1996; Schulz,1997). A Figura 1 ilustra a faixa de valores que define a altíssima velocidade de corte para cada material específico. Fibras reforçadas de plástico Ligas de alumínio Bronze, latão Ferro fundido Aço Ligas de titânio Ligas baseadas em níquel faixa convencional faixa de transição faixa HSC Velocidade de corte v c [m/min] Figura 1: Faixas de velocidade de corte para cada material específico (Schulz,1996) 2 DESENVOLVIMENTO DOS ENSAIOS DE USINAGEM 2.1 Corpo de prova Com o objetivo de usinar uma superfície complexa que representasse as características da manufatura de moldes e matrizes, o corpo de prova foi gerado com uma geometria contendo superfícies de diferentes graus de curvatura, alternando principalmente entre côncavas, convexas e planas. Esta geometria foi baseada em um corpo de prova utilizado por uma empresa alemã para

3 avaliar máquinas para aplicação HSC (Daniel, 2001). A Figura 2 ilustra o corpo de prova utilizados no ensaio. Figura 2: Corpo de prova utilizado nos ensaios Estes ensaios foram realizados em material Aço 1045, em blocos preparados com dimensões de 300x80x70mm. 2.2 Fixação do corpo de prova O corpo de prova foi fixado com uma inclinação de 45 graus em relação ao eixo longitudinal do centro de usinagem, a fim de garantir um movimento simultâneo dos três eixos da máquina durante a usinagem, conforme pode ser observado na Figura 3. Figura 3: Fixação do corpo de prova 2.3 Descrição das operações de usinagem Na usinagem dos corpos de prova foram utilizadas as operações de fresamento de desbaste, préacabamento e acabamento. Para todos os corpos de prova foram utilizados os mesmos parâmetros de corte para a realização das operações, tais como velocidade de avanço programada, profundidade e espessura de corte e avanço por aresta de corte. Os parâmetros de corte foram extraídos de catálogos do fornecedor e estão descritos na Tabela 1. Tabela 1: Parâmetros de corte utilizados nas operações de usinagem PARÂMETROS DE CORTE OPERAÇÕES DESBASTE PRÉ ACABAMENTO ACABAMENTO Estratégia de corte Zig Zag Zig Zag Sentido Longitudinal One Way Sentido Longitudinal Ferramenta Fresa Esférica com pastilha intercambiável Ø16 mm Fresa Esférica interiça de metal duro Ø12 mm Fresa Esférica interiça de metal duro Ø10 mm Rotação 4800 rpm 6700 rpm rpm Velocidade de Avanço 1500 mm/min 2000 mm/min 4000 mm/min Velocidade de Corte 241 m/min 250 m/min 315 m/min Avanço por Aresta 0.15 mm/rot 0.15 mm/rot 0.1 mm/rot Espessura de Corte 3 mm 1 mm 0.3 mm Aresta de Corte (qtd) 2 2 4

4 2.4 Descrição dos métodos de usinagem Para analisar a influência da metodologia usada para representar a trajetória da ferramenta na usinagem com alta velocidade, os corpos de prova foram usinados com dois métodos diferentes de programação Método 1 - Interpolação Linear A metodologia de representação da trajetória da ferramenta através de interpolação linear é a mais utilizada atualmente pelos sistemas CAM e esta baseada na representação da forma geométrica original, através de segmentos de retas, conforme pode ser observado pela Figura 4. Tajetótia da ferramenta (linear) Faixa de tolerância Superfície a ser usinada 2 R R Figura 4: Representação da trajetória da ferramenta através da interpolação linear (Souza, 2001). O tamanho destes segmentos, assim como sua fidelidade com a forma geométrica original, varia conforme o campo de tolerância definido pelo usuário no sistema, ou seja, quanto menor a tolerância melhor será descrita esta geometria, mas diretamente, aumenta-se o tamanho do arquivo e o tempo para o cálculo do programa de usinagem, conforme comprovado em teste de laboratório, cujos resultados estão ilustrados na Figura 5. TAMANHO DO ARQUIVO ( MB) ,1 0,01 0,001 TOLERÂNCIA ( MM) TEMPO DE CÁLCULO ( MIN) ,1 0,01 0,001 TOLERÂNCIA ( MM) Figura 5: Influência da tolerância CAM na interpolação linear(souza, 2001). O programa de usinagem dos corpos de prova foi gerado com uma tolerância CAM de 0,05 mm e apresentou um tamanho de 2 Mbytes, sendo necessário assim, sua execução on line, pois não pode ser um programa residente no CNC. A execução on line, foi realizada através de uma interface RS232 com velocidade de transmissão de dados de bauds (caracteres/segundo).

5 2.4.2 Método 2 - Percurso Exato A metodologia de representação da trajetória da ferramenta através do percurso exato esta baseada é um método de programação manual, baseado somente nos recursos de programação do CNC, tais como: G0/G1 Interpolação linear e G2/G3 Interpolação circular, para representa o percurso geométrico real da trajetória do centro da ferramenta. Este tipo de programação tem por característica a geração de programas de usinagem pequenos (até 100 vezes menores em relação à programação via CAM), e a ausência de influências dos sistemas CAD/CAM na geometria final da peças, uma vez que não utiliza parâmetros de tolerância e metodologias de interpolação para representar o percurso da ferramenta. No entanto, sua utilização é extremamente restrita, uma vez que somente permite representar superfícies simples formadas por retas e arcos. O programa de usinagem dos corpos de prova, apresentou um tamanho de 1.11 Kbytes, não sendo necessário assim, sua execução on line, pois pode ser um programa residente no CNC. 2.5 Equipamentos utilizados nos ensaios A usinagem foi realizada em um centro de usinagem vertical, modelo Discovery 760, fabricado pelas Indústrias ROMI S.A., conforme ilustrado na Figura 6. Esta máquina apresenta as seguintes características tecnológicas: Rotação máxima: RPM; Avanço rápido Eixos X ey: mm/min; Avanço rápido Eixo Z: mm/min; Máximo avanço programável: mm/min; CNC Siemens modelo Sinumerik 810D; Tempo de processamento do CNC: 12 ms. Figura 6: Centro de Usinagem utilizados nos ensaios Os desvios de formas e dimensionais dos corpos de prova, foram determinados com o auxílio de uma máquina de medir coordenadas e a qualidade superficial foi determinada através dos valores de rugosidade das superfícies usinadas, obtidas com o auxílio de um rugosímetro digital e de imagens obtidas através de uma câmera de vídeo acoplada em um microscópio com aumento de 10 à 60 vezes. A Figura 7 ilustra os equipamentos utilizados na análise dos corpos de prova.

6 MÁQUINA DE MEDIR COORDENADAS MARCA: STARRETT MODELO: RGDC RUGOSÍMETRO DIGITAL Figura 7: Equipamentos utilizados na análise dos corpos de prova. 3 ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS 3.1 Tempo de fabricação Para analisar o efeito do aumento da velocidade de corte sobre o tempo de fabricação na usinagem de moldes e matrizes, foi considerada somente a operação de acabamento, por ser esta, a mais demorada e a que trabalha com as maiores velocidades de corte. A Figura 8 ilustra o efeito da velocidade de corte e da metodologia para representar a trajetória da ferramenta sobre o tempo de fabricação dos corpos de prova, sendo que, para a usinagem com velocidades de corte na faixa convencional (Vc = 80 m/mim) e os métodos de interpolação linear com tolerância de 0.01 mm, mm e mm, os valores foram obtidos através de simulações em vazio com o centro de usinagem. Tempo (min) Faixa convencional Vc = 80 m/min Faixa de transição Vc = 315 m/min Redução (%) 0 Percurso Exato Linear Tol. 0,05 Linear Tol. 0,01 Linear Tol. 0,005 Metodologia para representar a trajetória da ferramenta Linear Tol. 0,001 Figura 8: Tempo de fabricação dos corpos de prova (Acabamento). Conforme pode-se observar na Figura 8, o tempo de usinagem com velocidade na faixa de transição é extremamente menor em relação à usinagem com velocidade na faixa convencional, no entanto, fica evidente que a variação da metodologias para representação da trajetória da ferramenta e principalmente, a variação da tolerância utilizada para a interpolação linear afetaram o tempo usinagem com velocidade na faixa de transição com maior intensidade do que na usinagem com velocidade na faixa convencional. Este fato ocorre principalmente, em virtude do tempo de processamento do CNC, ou seja, o tempo que o CNC leva para processar cada bloco de programa e transmitir estas informações para a máquina executar o movimento.

7 Pode-se dizer que este tempo é extremamente pequeno e até então na usinagem com velocidade na faixa convencional, pouco importava, no entanto, quando trabalhamos com altas velocidades e segmentos de retas pequenos, constatamos a sua importância, pois caso o tempo de processamento do bloco seja maior que o tempo de execução do segmento, a máquina irá atingir o ponto de destino e a informação para o próximo movimento ainda não estará disponível. Neste caso, os CNC reduzem automaticamente a velocidade de avanço programada para uma velocidade compatível com o seu tempo 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 do CNC e do tamanho do segmento de movimento. Esta equação é válida para CNC com tempo de atualização dos servomotores menor do que o tempo de processamento(souza, 2001). x Va = TPB / 60 Onde: Va = Velocidade de avanço (mm/min) x = Comprimento do segmento de reta (mm) TPB = Tempo de Processamento de Bloco (segundos/1000) (1) Como podemos observar na Figura 9, para que a interpolação linear não influencie diretamente no tempo de usinagem, é necessário assegurar um segmento mínimo em função do CNC utilizado (tempo de processamento) e da velocidade de avanço desejada, para representar a trajetória da ferramenta. Segmento mínimo [mm} 4,000 3,000 2,000 1,000 0, ms 0,017 0,033 0,067 0,100 0,133 0, ms 0,167 0,333 0,667 1,000 1,333 1, ms 0,333 0,667 1,333 2,000 2,667 3,333 Avanço [mm/min] Figura 9: Segmento mínimo para a interpolação linear. Com isso, a medida que for reduzindo a tolerância na interpolação linear, a fim de obter uma melhor exatidão final dos corpos de prova, aumenta-se o tempo de usinagem com velocidade na faixa de transição, em virtude de uma redução automática da velocidade de avanço para se adequar com o tempo de processamento. 3.2 Medição dos corpos de prova Conforme observa-se na Tabela 2, os corpos de prova usinados com o método percurso exato, apresentaram valores menores de erro de forma (46% em média), em relação ao método interpolação linear. Isto ocorre pelo fato de que o método percurso exato representa os arcos exatamente como arcos, enquanto que no método interpolação linear, estes arcos são representados por segmento de retas. Em ambos os métodos, os corpos de prova apresentaram grande variação dimensional, não sendo assim possível observar tendências ou características que os diferenciassem. Esta variação

8 pode ter ocorrido por diversos fatores do processo, como erros inerentes à máquina ferramenta, balanceamento do porta ferramenta e ferramentas de corte, fatores térmicos, entre outros. A rugosidade superficial de ambos os métodos apresentou uma média de 1µm Ra e valores máximos abaixo de 1.5µm Ra, não sendo assim possível observar tendências ou características que os diferenciassem. Tabela 2: Valores obtidos na medição dos corpos de prova ENSAIO VALORES ENCONTRADOS (µm) ITEM FIGURA DESCRIÇÃO Percurso Exato Interpolação linear Erro Dimensional Erro de Forma Erro Dimensional Erro de Forma Erro Dimensional Erro de Forma Erro Dimensional Erro de Forma Erro Dimensional Erro de Forma Erro Dimensional Erro de Forma Erro Dimensional Erro de Forma Análise superficial dos corpos de prova Conforme observa-se na Tabela 3, os corpos de prova usinados com o métodos percurso exato apresentam uma superfície mais uniforme em relação ao método interpolação linear e apesar de apresentem algumas marcas nas regiões de intersecção entre arcos e retas, estas são de menor intensidade.

9 ITEM Tabela 3: Análise superficial dos corpos de prova IMAGENS CAPTURADAS FIGURA PERCURSO EXATO INTERPOLAÇÃO LINEAR REGIÃO DE INTERSEÇÃO ENTRE 2 ARCOS 10 X 1 40 X 2 REGIÃO DE INTERSEÇÃO ENTRE 2 ARCOS 10 X 3 REGIÃO DE INTERSEÇÃO ENTRE PLANO E ARCO 10 X REGIÃO DE INTERSEÇÃO ENTRE 2 ARCOS 10 X 4 40 X 4 CONCLUSÕES Com este trabalho, fica comprovado que a aplicação da tecnologia HSC (High Speed Cutting), na manufatura de moldes e matrizes trará grandes benefícios na redução do tempo de fabricação. Além disso, estes benefícios já podem ser observados na faixa de transição para a tecnologia HSC. No entanto, na medida em que se aumenta a velocidade de corte na usinagem, alguns parâmetros até então despercebidos ganham novas importâncias tornando-se inclusive limitações tecnológicas. Dentro deste trabalho, foi possível evidenciar que apesar da metodologia utilizada para representar a trajetória da ferramenta não influenciar na usinagem com velocidades de corte na faixa convencional, ela se torna uma limitação tecnológica na aplicação de usinagem com velocidades na faixa de transição para HSC e conseqüentemente, para aplicação da tecnologia HSC. Com isso, apesar da interpolação linear ser a metodologia mais utilizada atualmente para representar a trajetória da ferramenta, ela se demonstrou não ser adequada para aplicações com altas velocidades, uma vez que a redução do segmento de reta para obter uma melhor representação do

10 modelo original, resultará numa variação da velocidade de avanço real em decorrência do tempo de processamento do comando CNC, resultando assim, num aumento do tempo de fabricação e variação dos parâmetros de corte. Além disso, apesar da metodologia do percurso exato apresentar um melhor desempenho na usinagem dos corpos de prova, também não pode ser considerada uma solução para a usinagem de moldes e matrizes, devido sua limitação para representar superfícies complexas. Em virtude disto, outras metodologias para representar a trajetória da ferramenta devem ser estudadas e aplicadas, a fim de eliminar esta limitação tecnológica para aplicação da tecnologia HSC na manufatura de moldes e matrizes. 5 REFERÊNCIAS Tânio, F.: Fabricantes de Ferramentas investem em soluções para moldes e matrizes.mercado, Revista Metal Mecânica. São Paulo,n.349,DEZ 2000/JAN 2001, p Tânio, F.: Setor de máquinas e equipamentos projeta crescimento de 10%.Conjuntura, Revista Metal Mecânica. São Paulo,n.343,Jun/Jul 2000, p Sandvik,Guia de Aplicação Fabricação de Moldes e Matrizes,1999. Schulz, H.: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. München, Hanser-Verlag, Schulz, H.: State of art and trends of high-speed machining. In: Anais do 2 Seminário Internacional de Alta Tecnologia - Usinagem com Altíssima Velocidade de Corte e Alta Precisão. Santa Bárbara d'oeste, July, 1997, p Daniel, A.: High speed machining in the pratice of the tool and mould making industry. 6º Seminário Internacional de Alta Tecnologia Manufatura Avançada - Universidade Metodista de Piracicaba, Souza, A.F.: Análise das interpolações de trajetórias de ferramenta na usinagem HSC (High Speed Cutting) em superfícies complexas. Universidade Metodista de Piracicaba, Dissertação de Mestrado. 88 p. MANUFACTURING OF DIES AND MOLDS WITH SPEED CUTTING IN THE TRANSITION RANGE FOR HIGH SPEED CUTTING Eng. André Luís Helleno Methodist University of Piracicaba - SCPM - Rodovia Santa Bárbara/Iracemápolis, Km Santa Bárbara D'Oeste, SP, Brazil - alheleno@unimep.br Prof.Dr.-Ing Klaus Schützer Methodist University of Piracicaba - SCPM - Rodovia Santa Bárbara/Iracemápolis, Km Santa Bárbara D'Oeste, SP,Brazil - schuetzer@unimep.br Abstract. The HSC technology appears as one of the solutions in die and molds manufacturing for reduction of the lead time, but her application finds restrictions in the industry, once that it isn't base only in the high rotation spindle, but in the combination of high speed cut and feedrate to create a new process based on the factors that influence in the application of the HSC technology. This paper analyzes the manufacturing of dies and molds with speed cutting in the transition range for high speed cutting, once time that your application finds less restrictions in the industry. Among the obtained results detach the analysis of the influence of the speed cutting about the leadtime and the comparison among different methodologies used to represent the tool path through the geometric and superficial finish analysis of the work pieces. Keywords. High Speed Cutting, Die and Molds, CAD/CAM/CNC, Tool path interpolation.