AULA 29 PROCESSO DE FRESAMENTO: OPERAÇÕES DE CORTE

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1 AULA 29 PROCESSO DE FRESAMENTO: OPERAÇÕES DE CORTE

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3 PROCESSO DE FRESAMENTO: OPERAÇÕES DE CORTE Introdução Como citado anteriormente, o fresamento é um processo de usinagem no qual a remoção de cavaco se dá de maneira intermitente pelo movimento rotativo da ferramenta multicortante (múltiplas arestas de corte) gerando superfícies das mais variadas formas geométricas. Usualmente a peça efetua o movimento de avanço, em baixa velocidade (entre 10 e 500 mm/min), enquanto a fresa, girando a uma velocidade relativamente alta (da ordem de 10 a 150 m/min 1 ), realiza o movimento de corte, mantendo o eixo de giro em uma posição fixa 2. De modo geral, tanto a peça como a fresa podem assumir movimentos relativos, independentes ou combinados, permitindo a realização de uma ampla variedade de operações, gerando superfícies planas ou curvas, ranhuras, ressaltos, roscas, engrenagens e outras configurações. As vantagens do processo de fresamento residem na variedade de formas que podem ser produzidas, na qualidade dos acabamentos superficiais, nas altas taxas de remoção de material (alta produtividade) e na disponibilidade de ampla variedade de ferramentas, que podem ser construídas ou associadas para produzir superfícies bastante complexas. De acordo com o movimento relativo entre a peça e a ferramenta, pode-se ter fresamento discordante, fresamento concordante ou fresamento combinado. Segundo a posição do eixo-árvore da máquina-ferramenta, a operação é classificada em: fresamento horizontal, fresamento vertical ou fresamento inclinado. Quanto aos métodos de fresar superfícies segundo a disposição dos dentes ativos da fresa, classifica-se a operação em: fresamento tangencial (ou periférico) e fresamento frontal Fresamento Concordante No fresamento concordante ou para baixo, o sentido de rotação da fresa é o mesmo do avanço da peça no ponto de contato. O corte inicia-se com a espessura máxima do cavaco (h Dmax ) e a força de corte tende a apertar a peça contra a mesa (o ângulo de contato do dente ( ) começa de um valor máximo e decresce até zero). Em máquinas CNC, o corte concordante (Fig. 29.1) tem as seguintes vantagens: vida mais longa da ferramenta (menor desgaste da fresa); 1 Qualquer tipo de usinagem pode ser enquadrado em 4 categorias: LSM (Low Speed Machining, cujas velocidades de corte variam de 1 a 600 m/min), HSM (High Speed Machining, para velocidades de corte de 600 a 1800 m/min), VHSM (Very High Speed Machining, composta por velocidades de corte de 1800 a m/min) e UHSM (Ultra High Speed Machining, de velocidades de corte de a m/min). 2 Em processos com eixos, o centro de usinagem executa um programa de 3-eixos com a ferramenta de corte travada em uma posição em ângulo desejada; com isso, o processo usa o 4 e o 5 eixo para somente orientar a ferramenta de corte numa posição fixa em vez de movê-la continuamente durante o processo de usinagem. Já em processos com 5 eixos simultâneos (sistema mais moderno), a máquina possui três eixos lineares (X, Y e Z) e dois eixos rotativos (A e B) que são capazes de trabalhar todos ao mesmo tempo para executar usinagens complexas.

4 222 melhor acabamento da superfície usinada; menor força e potência para o avanço; caminho mais curto da aresta durante o corte (redução da ordem de 3%, com redução correspondente do desgaste da fresa). Figura 29.1 Fresamento concordante. Entretanto, é a forma menos indicada de fresamento em máquinas convencionais que trabalham com o avanço da mesa baseado em fuso/porca, que com o tempo e desgaste apresentam uma folga. No movimento concordante esta folga é empurrada pelo dente da fresa no mesmo sentido de deslocamento da mesa (esforço de corte). Desta forma a mesa pode executar movimentos irregulares (vibração) que poderão prejudicar o acabamento da peça e até mesmo quebrar os dentes da fresa (Fig. 29.2a). Este inconveniente pode ser corrigido diminuindo-se as folgas fuso/porca ou utilizando-se fusos de esferas recirculantes (máquinas CNC), onde não existe folga e todo contato entre fuso e porca é feito através de esferas (Fig. 29.2b). (a) (b) Figura 29.2 Sistemas de avanço da mesa da fresadora: (a) por fuso/porca; (b) por fuso de esferas recirculantes Fresamento Discordante No fresamento discordante, ou para cima, ou convencional, o sentido de rotação da fresa é contrário ao sentido de avanço da peça, no ponto de contato. Isto faz com que o corte do cavaco se inicie com a espessura mínima (h Dmin ) (o ângulo de contato do dente ( ) cresce de zero a um valor máximo). A força de corte tende a levantar a peça da mesa. Se a peça for longa e estiver presa pelas extremidades, ela poderá gerar vibrações indesejáveis. A Figura 29.3 ilustra este método de fresamento. Essa é a forma mais indicada de fresamento em máquinas convencionais, já que não há a possibilidade de folga no sistema de avanço por fuso/porca no deslocamento da mesa. Com isso, o movimento torna-se mais uniforme, gerando melhor acabamento nessas máquinas.

5 223 Figura 29.3 Fresamento discordante. Porém, este tipo de fresamento costuma desgastar um pouco mais a ferramenta. Como o corte inicia-se com pouca espessura, o início do corte é difícil. Na realidade, a aresta de corte começa encruando o material a ser cortado (compressão do material da peça pela fresa), até que sejam superadas as deformações elásticas e realmente inicie-se o cisalhamento do material. Como resultado, a aresta de corte escorrega sobre a peça, provocando desgaste abrasivo. O material inicial é mais duro pelo encruamento produzido pelo dente precedente. Isso determina uma vida menor das arestas nesse tipo de corte. Há também tendência de adesão de cavacos nas arestas Fresamento Combinado Ocorre quando a fresa tem seu eixo dentro do campo de corte da peça. Desta forma parte do corte ocorre através da fresamento concordante e parte através da discordante (Fig. 29.4). Parte Discordante Parte Concordante Figura 29.4 Fresamento combinado Este corte combinado ocorre na maioria dos processos de fresamento frontal com fresa de topo Fresamento Tangencial No método tangencial ou periférico, o eixo de rotação da fresa é paralelo à superfície da peça que está sendo usinada. A seção transversal da superfície fresada corresponde ao contorno da fresa ou à combinação das fresas. A largura de corte a p (b a p ) é substancialmente maior que a penetração de trabalho a e. A superfície usinada é gerada pela aresta principal de corte. Usualmente, o fresamento tangencial é realizado em fresadoras horizontais (Fig. 29.5). As ferramentas de corte são chamadas de fresas de disco, fresas cilíndricas ou fresas tangenciais.

6 224 a e f z (a) (b) Figura 29.5 Fresamento tangencial em fresadora horizontal com: (a) fresa cilíndrica; (b) fresa de disco Forma do cavaco produzido No fresamento tangencial, o cavaco tem a forma de uma vírgula com a espessura de corte (h D ) variando de um valor máximo a zero (corte concordante) ou de zero a um valor máximo (discordante). O ângulo de contato do dente com a peça ( ) pode ser dado por: Assim, tem-se que: D 2 a 2 a D D e e cos 1 (29.1) 2 ae ae Dmax z z h f sen 2 f D D (29.2) Fresamento Frontal No método frontal, o eixo de rotação é perpendicular à superfície da peça. A superfície fresada é plana, sem qualquer relação com o contorno dos dentes. Ela é caracterizada pelas raias de usinagem deixadas pelos dentes, de acordo com o avanço por volta f e por dente f z. A penetração de trabalho a e é substancialmente maior que a profundidade de corte a p. Pela sua alta produtividade, deve ser preferida sempre que possível. Em geral, o fresamento frontal é realizado em fresadoras verticais (Fig. 29.6). As ferramentas de corte são chamadas de fresas de topo ou fresas frontais. (a) (b) Figura 29.6 Fresamento frontal em fresadora vertical com: (a) fresa de topo; (b) cabeçote fresador (fresa frontal).

7 Forma do cavaco produzido Os cavacos do processo de fresamento são geralmente curtos e de segmentos descontínuos, que são decorrentes da geometria do processo. A espessura de corte varia de zero a um máximo no corte discordante e de um máximo a zero no corte concordante. A Figura 29.7 mostra a geometria de um cavaco para o fresamento discordante. Figura 29.7 Geometria do cavaco. No fresamento frontal, podem-se ter formas de cavaco diferentes, como mostra a Figura Simétrico Assimétrico (a) (b) (c) (d) Figura 29.8 Tipos de fresamento frontal: (a) simétrico tipo rasgo; (b) simétrico tipo faceamento; (c) assimétrico com toda a superfície sendo fresada; (d) assimétrico com parte da superfície sendo fresada. Simétrico em relação ao eixo de simetria da peça em usinagem: Fresamento de rasgo ou canal com fresas de topo: quando a e D e 180 (Fig. 29.8a), a espessura de corte h D cresce de h Dmin 0 a h Dmax f z e depois volta a h Dmin 0 Fresamento comum com fresas de facear: quando a e D e 2 arcsen(a e /D) (Fig. 29.8b), a espessura de corte h D cresce de um determinado valor na entrada (h Dmin 0) a h Dmax f z e depois volta ao valor inicial (h Dmin 0). A direção das forças radiais de corte variará à medida que a aresta cortante penetrar na peça, o que poderá levar a vibrações e à quebra prematura da mesma. O problema é minimizado quando se tem mais de um dente que atua simultaneamente no corte simétrico.

8 226 Se a ferramenta usada for tenaz, ela será mais resistente ao choque e ao lascamento gerado por ele. Assim, não há mais necessidade de se ter pequeno. Neste caso, como o desgaste será o fator que determinará o fim de vida da fresa, o corte simétrico passa a ser mais interessante, pois o contato ferramenta/peça é menor e, consequentemente, o desgaste também. Assimétrico com fresas de facear: Pode ser concordante (se a maior parte da espessura for decrescente) ou discordante (se a maior parte da espessura for crescente, Fig. 29.8c e Fig.29.8d). Pode ser usado também para fazer rebaixos. O corte assimétrico é vantajoso quando o diâmetro da fresa é grande em relação à largura da peça. Neste caso, a variação da direção da componente radial da força de usinagem é bem menor, pois se tem um maior número de dentes simultaneamente no corte. Com isso, menores esforços de corte por dente e, portanto, um corte mais suave (menor vibração). No caso em que as avarias forem o fator predominante para o fim de vida da fresa (trincas mecânicas), o corte assimétrico com pequeno é mais vantajoso, pois desta forma o choque fica minimizado. À medida que cresce, aumenta a espessura de corte h D na entrada do dente de corte e, assim, cresce a energia do choque Fresamento de Acabamento Fino Na operação de acabamento fino, utiliza-se a aresta secundária ativa, isto é, r =0 (aresta secundária paralela à superfície usinada). O comprimento do chanfro da aresta secundária é da ordem de 2 a 3 mm, salvo no caso de fresas especiais de acabamento, em que este valor pode ir até 10 a 15 mm. Distinguem-se três tipos de fresas de acabamento fino, como mostra a Figura (a) (b) (c) Figura 29.9 Fresas frontais de acabamento: (a) convencional; (b) com arestas largas; (c) combinada. Fresas frontais convencionais, que operam com avanços por dente e profundidades de corte reduzidas (f z = 0,30 a 0,50 mm/dente e a p = 0,30 a 1 mm, respectivamente), e são providas de grande número de dentes (z = 10 a 60 dentes), Figura 29.9a. Fresas frontais com arestas de corte largas, que possuem um número reduzido de dentes (z = 1 a 7 dentes) e que operam com profundidades de corte muito reduzidas (a p = 0,05 a 0,20 mm) e avanços elevados (f z = 0,05 a 0,20 mm/dente). Usam-se basicamente insertos de cerâmica, cujas arestas secundárias têm um raio de curvatura grande (da ordem de 12 m) para facilitar o pré-ajuste da ferramenta (Fig. 29.9b).

9 227 Fresas frontais combinadas, que possuem arestas que associam as vantagens dos dois tipos anteriores (convencional: z 1 = 20 a 30 dentes, a p1 = 0,5 a 2,0 mm e f z1 = 0,1 a 0,3 mm/dente; arestas largas: z 2 = 1 a 2 dentes, a p2 = 0,03 a 0,05 mm, f z2 = 2 a 5 mm/dente). A ferramenta dispõe neste caso de apenas uma ou duas arestas de corte largas, que são recuadas radialmente em relação aos dentes normais e avançados de 0,03 a 0,05 mm em sentido axial, para gerar o acabamento de alta qualidade. O comprimento das arestas de acabamento deve corresponder ao menos 1,5 f [mm/volta] (Fig. 29.9c). Para o acabamento, o ajuste da altura dos vários dentes da fresa tem importância excepcional. Se não forem usados porta-ferramentas especiais com possibilidade de ajuste extrafino, deve-se proceder a retificação ou a lapidação do conjunto de arestas de corte a fim de obter uma adequada precisão de giro (inferior a 5 m). A velocidade de corte, no acabamento, deve ser alta, para assegurar uma boa qualidade superficial (por exemplo, v c = 300 m/min para usinagem de aço com ferramenta de metal-duro) Fresamento HSM de Moldes e Matrizes O desenvolvimento da tecnologia HSM (High-Speed Machining ou ainda High-Speed Milling) ocorreu principalmente pela necessidade da indústria de moldes e matrizes obter produtos com um melhor acabamento superficial, em um menor espaço de tempo. A eliminação de trabalhos manuais em decorrência de um melhor acabamento final conseguido por HSM é de extrema importância para as empresas que trabalham com essa tecnologia. O fresamento HSM não está baseado simplesmente na velocidade de corte. O processo requer: uma máquina-ferramenta adequada do ponto de vista de rigidez, rotação, velocidade de avanço, recursos no comando para processamento das informações, maior taxa de aceleração e desaceleração; ferramentas de corte com substratos de microgrãos específicos para cada situação, coberturas bastante resistentes ao desgaste e aresta de corte otimizada; cuidados específicos na fixação da ferramenta, na geração de estratégias de corte e na correta capacitação das pessoas envolvidas. Como principal benefício da aplicação do fresamento com altas velocidades na fabricação de moldes e matrizes pode-se destacar a redução ou, em alguns casos, a total eliminação das operações de eletroerosão e polimento, pois essas, além de serem extremamente morosas, têm um impacto nas precisões dimensional e geométrica das peças fabricadas. Outro importante aspecto positivo da HSM é a diminuição no tempo das operações mecânicas de acabamento, além de um melhor acabamento superficial das peças. Consequentemente, observa-se um aumento de vida útil de moldes e matrizes de cerca de 10 vezes quando fabricadas com processo HSM. As operações de acabamento em moldes e matrizes são realizadas por ferramentas de ponta esférica de pequeno diâmetro e elevado comprimento, o que diminui a estabilidade e induz vibração ao sistema. Para se evitar este problema, costuma-se diminuir a espessura do cavaco mediante a diminuição do avanço por dente (f z ) combinada com uma pequena profundidade radial de corte (a e ). A alta velocidade de corte (v c > 300 m/min), combinada com a alta rotação da ferramenta (n) necessária para obter alta v c com ferramentas de diâmetros (D) pequenos, faz com que a velocidade de avanço seja muito alta e, assim, compense a lentidão causada pelos baixos valores de f z e a e. Segundo estudos iniciados por Salomon (1931), após determinada v c, as temperaturas de usinagem começavam a decrescer. Isto ocorre, pois o aumento da velocidade de avanço (com pequenas espessuras de corte e altas taxas de remoção de material) leva à minimização do aquecimento da peça, já que uma

10 228 grande parcela do calor gerado durante o processo de corte é dissipada juntamente com o cavaco, reduzindo os efeitos do calor proveniente do corte no componente usinado. Essa ferramenta (fresa de topo com ponta esférica) é amplamente utilizada no fresamento de superfícies complexas (formas livres) devido à possibilidade de se alterar o ponto de contato da ferramenta com a superfície a partir da variação do ângulo entre esta e o eixo da ferramenta. Devido à complexidade geométrica, a interação entre a ferramenta e a peça varia continuamente e não pode ser calculada analiticamente. Além disso, o centro da ponta da fresa tem velocidade de corte zero. Como várias vezes esta região atua no corte quando se tem fresamento em três eixos, isto geralmente pode ser prejudicial ao processo de usinagem. Na fabricação de moldes e matrizes, o diâmetro nominal da ferramenta (D) não corresponde ao diâmetro em contato com a superfície usinada. O diâmetro real ou efetivo de corte da ferramenta (D e ) neste caso varia de acordo com a p, com D e com a curvatura da superfície da peça, o que faz com que a v c real varie constantemente (Fig ). Portanto, a máxima v c deve ser calculada considerando o máximo D e da ferramenta. Caso contrário, haverá graves erros de cálculo no avanço, pois ele depende da rotação para certa velocidade de corte. D e = 2 a p (D a p) Figura Fresa de topo de ponta esférica. Um dos principais parâmetros a observar durante o acabamento em aço-ferramenta endurecido por meio de HSM é utilizar pequenas profundidades de corte axial (a p ) e radial (a e ). Isso serve para evitar uma deflexão excessiva da ferramenta de fixação/corte, mantendo um alto nível de tolerância e precisão geométrica na matriz ou molde usinado. Para evitar acréscimo de tempo pelo uso de baixos valores de a p e a e, altas taxas de avanço (f) são necessárias, as quais requerem altas rotações para que a espessura de cavaco se mantenha aproximadamente iguais aos valores usados em usinagem convencional. Ao usar fresas com insertos intercambiáveis, é interessante que elas possuam hastes feitas em metal pesado, para aumentar a estabilidade e a resistência à flexão (principalmente se a razão balanço/diâmetro for grande). Ferramentas com insertos intercambiáveis de metal-duro em HSM podem ser aplicadas com bons resultados, pois se tem uma situação em que altas velocidades de corte tendem a aumentar o calor gerado; por outro lado, baixos valores de a p e, principalmente a e (em que pequenos ângulos de contato são gerados), tendem a reduzir o calor gerado, levando a níveis térmicos suportáveis pela aresta de corte deste tipo de material. Algumas desvantagens, como o elevado custo de manutenção da máquina-ferramenta, é um impeditivo para a aplicação em larga escala do processo HSM, restringindo-se apenas para condições especificas. Ademais, faz-se necessário um bom planejamento e pessoas que dominem os parâmetros do processo HSM antes de realizar investimentos precipitados para sua aplicação na indústria.