ESTUDO DO CONTATO FERRAMENTA PEÇA NO PROCESSO DE FRESAMENTO EM GEOMETRIAS COMPLEXAS COM FERRAMENTA DE PONTA ESFÉRICA Felipe Gustavo Ebersbach, felipe.ebersbach@gmail.com 1 Eltom João Deglmann, eltom_deglmann@yahoo.com.br 1 Ronaldo Carlos Rohloff, ronaldorohloff@gmail.com 1 Ernesto Berkenbrock, ernesto.b@sociesc.org.br 1 Adriano Fagali de Souza, adriano.fagali@sociesc.org.br 1 1 Sociedade Educacional de Santa Catarina, Rua Albano Schimidt, 3333. Bairro Boa Vista. CEP: 89220-100. Resumo: Mesmo com o avanço tecnológico dos últimos anos a manufatura de moldes e matrizes contendo superfícies complexas é um desafio em garantir precisão e qualidade da superfície usinada. Durante o fresamento de formas complexas, onde a etapa de acabamento normalmente é realizada por uma ferramenta de ponta esférica, a condição do contato ferramenta-peça altera-se constantemente, tornando o processo instável. Este artigo apresenta um estudo do fresamento de superfícies complexas com ferramenta de ponta esférica no aço AISI P20. Para a realização dos experimentos foi empregada uma ferramenta de ponta esférica com insertos intercambiáveis revestidos de (TiAl)N- TiN. Através da avaliação da rugosidade superficial e dos sinais de um acelerômetro, instalado na máquina CNC, identificou-se a influência do contato ferramenta-peça no processo de fresamento de formas complexas. Os resultados demonstraram o nível de influência da direção e do sentido de corte e a atuação do centro da ferramenta, na estabilidade da usinagem e qualidade superficial. Palavras chaves: Contato Ferramenta Peça, Superfícies complexas, Ferramenta de Ponta Esférica, Fresamento. 1. INTRODUÇÃO A operação de fresamento é um dos processos de usinagem em que a peça é o resultado de um processo de remoção de material, sendo possível adquirir geometrias através da rotação da ferramenta junto com o deslocamento da própria ferramenta ou da peça a ser usinada (MACHADO et al, 2009). Segundo Souza e Ulbrich (2009), o processo de fresamento assumi um papel importante na manufatura de moldes e matrizes, devido a sua versatilidade na produção de geometrias complexas. Contudo, o fresamento de formas complexas ainda representa um desafio. Limitações neste processo de usinagem são estudas por Souza e Coelho (2007). Coelho et al (2009) discute a limitação dos centros de usinagem CNC para o fresamento de formas complexas. Para a fabricação destas geometrias a aplicação de sistemas CAD/CAM é indispensável. Estes sistemas devem possuir características específicas para atender ao modelamento e a fabricação de formas complexas, tipicamente encontradas no segmento de moldes e matrizes, como detalhado por Souza e Coelho (2003). Souza et al (2006) apresenta um estudo sobre as limitações das trajetórias calculadas por diferentes sistemas CAM para o fresamento de formas complexas. Durante o fresamento de geometrias complexas empregando ferramentas de ponta esférica, a condição de contato entre a ferramenta e a peça altera-se constantemente. O diâmetro efetivo de corte varia do centro da ferramenta a um valor que dependerá da profundidade de corte e da inclinação da superfície (CHIANG et al, 1995; SOUZA, 2004). Essa variação da área de contato entre ferramenta e peça modifica a formação do cavaco ao longo da geometria usinada, o que apresenta uma rugosidade não uniforme e severas alterações da força de usinagem (SOUZA et al 2010). Segundo Chung e Geddan (2003), o desenvolvimento de novas tecnologias fez com que os sistemas de monitoramento por sensores se intensificasse cada vez mais em processos de usinagem. Com isso aumenta-se a produtividade e a confiabilidade, antecipando a redução significativa dos erros provenientes do processo eliminando inspeções, e melhorando a qualidade superficial usinada. O presente artigo tem como objetivo verificar a influência da velocidade, direção e sentido de corte na qualidade superficial e na vibração gerada pelo processo de fresamento do aço AISI P20. O aço AISI P20 é um aço ferramenta de baixa liga, amplamente utilizado na manufatura de moldes de injeção de plásticos por apresentar características importantes como a resistência ao desgaste e alta polibilidade.
300 275 250 225 300 275 250 225 300 275 250 225 300 275 250 225 V I I C o n g r e s s o N a c i o n a l d e E n g e n h a r i a M e c â n i c a, 3 1 d e j u l h o a 03 d e A g o s t o 2 0 1 2, S ã o L u i s - M a r a n h ã o 2. MATERIAIS E MÉTODOS Os experimentos foram planejados empregando como referencial insertos de metal duro de ponta esférica da classe P40 com 16 mm de diâmetro e 2 arestas de corte, com revestimento de (TiAl)N-TiN. Foram determinados para verificação as características de saída do processo a rugosidade das superfícies usinadas e as vibrações do sistema máquina-ferramenta-peça. 2.1. Procedimento Experimental Os experimentos foram realizados em um centro de usinagem Feeler, modelo FV-600, com rotação máxima do eixo árvore de 6000 rpm e potência de 7 kw. O corpo de prova foi pré-usinado nas dimensões de 100x80x39 com um semicírculo convexo, com ângulo compreendido entre 0 e 90 de raio de 26 mm para simular a usinagem de geometrias complexas. O material do corpo de prova utilizado é o aço AISI P20 beneficiado, com dureza de 30 HRC e composição química conforme demonstra a Tab. (1), obtida através do ensaio de emissão óptica. Tabela 1. Composição química do Aço AISI P20. Elemento C Mn Cr Mo Ni Aço AISI P20 0.37 1.48 1.78 0.18 0.74 O planejamento experimental, é composto com 8 experimentos com sentido de corte concordante e 8 experimentos com sentido de corte discordante, ambos sem o uso de lubrificantes, apresentando como variáveis a direção e a velocidade de corte. A profundidade de corte radial e axial, o avanço por aresta e o número de arestas são parâmetros que não sofreram modificações. A Tabela (2) mostra os parâmetros de corte utilizados na realização dos experimentos, estabelecidos pelo fabricante da ferramenta de corte. Tabela 2. Parâmetros de corte. Experimentos I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII XIV XV XVI Sentido de Corte Concordante Discordante Direção de Corte Descendente Ascendente Descendente Ascendente Programa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Vc m/min ae mm 0,3 fz mm/aresta 0,1 ap mm 1,5 Diâmetro da Ferramenta mm 16 Número de Arestas 2 Todos os experimentos foram realizados com a estratégia de usinagem raster, em um software CAM como ilustra a Fig. (1). Figura 1. Simulação da trajetória da ferramenta. A largura total de usinagem para cada experimento foi de 10mm, totalizando 33 passes da ferramenta de corte sobre o semi-círculo.
A fixação da ferramenta de corte foi realizada com cone térmico DIN 69871 40 SKIRN 16x80.E, com altura de 70 mm e batimento de 4μm. A rugosidade foi medida perpendicularmente ao sentido de avanço dos experimentos, nos ângulos de 85, 45 e 5 com a horizontal na geometria do corpo de prova, obtendo 3 réplicas do parâmetro Ra. Para isso foi utilizado um rugosímetro portátil da Mitutoyo, modelo SJ 201. 2.2. Monitoramento da Máquina-Ferramenta-Peça Juntamente com a avaliação da qualidade superficial, foram acompanhadas as vibrações do sistema máquinaferramenta-peça durante a realização dos experimentos, através de acelerômetros localizados no eixo-árvore nas direções X e Z como mostra a Fig (2). (I) Acelerômetros (II) Filtros do Sinal X Figura 2. Acelerômetros na direção X e Z (I), e filtros do sinal (II). Os sinais coletados são adquiridos simultaneamente e conduzidos até um condicionador de sinais da marca Sensis modelo DM 42, posteriormente são conduzidos à placa de conversão modelo BNC-2110 e aquisição, ambas da National Instruments, que envia os sinais coletados para o software LabVIEW 6.5. A captação dos sinais foi realizado com 250 pontos por segundo. Os dados gerados pelos sensores nos experimentos foram tratados no software Microsoft Office Excel 2007 e Minitab 16. 3. RESULTADOS OBTIDOS Neste item, serão apresentados todos os resultados do experimento proposto. 3.1. Rugosidade Z A Figura (3) mostra as médias aritméticas dos valores do parâmetro Ra em µm, nos ângulos do corpo de prova em análise, dos experimentos com direção descendente com sentido de corte concordante e discordante, para as 4 velocidades de corte analisadas. Figura 3. Média dos valores do parâmetro Ra em µm, dos experimentos com direção descendente com sentido de corte concordante e discordante.
Analisando o comportamento da rugosidade ilustrada na Fig (3), nota-se que: Os experimentos com sentido de corte concordante apresentaram diminuição nos valores da rugosidade com o aumento do diâmetro efetivo de corte, apresentando comportamento oposto ao sentido de corte discordante; Com o aumento da velocidade de corte, ocorreu diminuição dos valores da rugosidade para os experimentos com sentido de corte concordante, e para os experimentos com sentido de corte discordante ocorreu aumento dos valores da rugosidade. A Figura (4) demonstra os valores médios do parâmetro Ra em µm, dos experimentos com direção ascendente com sentido de corte concordante e discordante. Figura 4. Média dos valores do parâmetro Ra em µm, dos experimentos com direção ascendente com sentido de corte concordante e discordante. Verificando o comportamento da rugosidade demonstrada na Fig (4), percebe-se que: Os experimentos com sentido de corte concordante e discordante, apresentaram as mesmas características observadas nos experimentos com direção descendente ilustrada na Fig (3), porém com valores diferentes; Os valores das rugosidade devido ao aumento da velocidade de corte nos experimentos com direção ascendente, obteve as mesmas características da direção descendente, observada na Fig (3), apresentando valores distintos. Através dos valores de rugosidade obtidos na Fig (3) e (4), conforme ocorreu o aumento do diâmetro efetivo de corte nos experimentos com sentido de corte concordante, os valores de rugosidade diminuíram, e no sentido de corte discordante, os valores de rugosidade aumentaram. Sugere-se que essa característica esteja relacionada ao inicio do corte, onde a espessura do cavaco inicia em zero, ocorre um aumento na temperatura e consequente um encruamento nessa região aumentando a dureza. Neste trabalho, o comportamento dos valores da rugosidade devido ao sentido de corte dos experimentos realizados apresentou semelhanças ao estudo realizado por Costa et al (2004), onde verificou-se que no sentido de corte concordante, com o aumento da velocidade de corte ocorreu a redução dos valores da rugosidade, e no sentido de corte discordante aumentou os valores da rugosidade, pois o esforço e a tendência a vibrações na ferramenta de corte são maiores que no sentido concordante. O gráfico de interação do parâmetro Ra em µm da rugosidade dos experimentos realizados, é demonstrado na Fig. (4).
Figura 5. Gráfico de interação da rugosidade (Ra) em μm. Analisando a Fig. (4), nota-se que: A direção de corte ascendente, foi a que apresentou maior variação na qualidade superficial devido ao sentido de corte; Percebe-se que o aumento da velocidade de corte, o acabamento superficial é influenciado pelas direções e pelo sentido de corte analisados; Os valores da rugosidade nos ângulos em análise no corpo de prova, apresentaram pequena diferença no acabamento superficial devido as direções analisadas, e grande influência devido ao sentido de corte estudados; Interagindo todas as velocidades de corte com os valores da rugosidade obtidos nos ângulos em análise, percebe-se que os menores valores da rugosidade ficaram no ângulo de 45º. O efeito da média da rugosidade em μm é mostrado pela Fig (6). Figura 6. O efeito da média da rugosidade (Ra) em μm. Dentre todos os parâmetros de corte variáveis envolvidos na realização dos experimentos, o sentido de corte analisados, apresentaram maior efeito da média da rugosidade, como ilustra a Fig (6).
3.2. Monitoramento dos Sinais de Vibrações A Figura (7) demonstra o comportamento das vibrações na direção X em 4 passes da usinagem com velocidade de corte de 225 m/min, tendo como variáveis a direção e o sentido de corte. Figura 7. Comportamento das vibrações efetivas na direção X em função do tempo de usinagem com velocidade de corte de 225 m/min. Analisando o comportamento das vibrações na direção X, é perceptível que não ocorreu modificações significativas ao longo da usinagem, devido à direção de usinagem dos experimentos realizados terem o mesmo sentido de posicionamento do acelerômetro em X, localizado no eixo-árvore da máquina-ferramenta. Todos os outros experimentos realizados apresentaram o mesmo comportamento das vibrações na direção X. Na Figura (8) é demonstrado o comportamento das vibrações na direção Z nos mesmos 4 passos de usinagem com velocidade de corte de 225 m/min, tendo como variáveis a direção e o sentido de corte. (I) (IV) (VII) (III) (V) (II) (VI) Figura 8. Comportamento das vibrações efetivas na direção Z em função do tempo de usinagem com velocidade de corte de 225 m/min. Analisando o comportamento das vibrações em Z dos experimentos com direção descendente em ambos os sentidos de corte, nota-se um nível de vibração elevado na região (I), onde a ponta da ferramenta nesse instante participa do corte. Na posição (II), ocorre uma redução na intensidade da vibração em Z, sugere-se que esse fenômeno está relacionado com as componentes da força de corte, onde uma das componentes altera a direção de corte devido à geometria do movimento. Ao final da usinagem, a ferramenta utiliza seu diâmetro máximo para o corte, onde ocorre um aumento nas vibrações em ambos os sentidos de corte, representado por (III). No sentido concordante os valores de vibrações nesse instante são menores, pois o corte inicia com um cavaco de grande espessura gerando uma pressão específica menor, fazendo com que as forças durante processo tendem a manter a aresta da ferramenta no corte. Já no sentido de corte discordante os valores de vibrações são maiores, pois o cavaco inicia com espessura zero gerando uma
máxima pressão específica, fazendo com que as forças durante o processo sejam elevadas, tendendo a afastar a ferramenta de corte da peça. Na direção ascendente concordante, nota-se um nível de vibração elevado quando a ferramenta utiliza seu diâmetro máximo para o corte, representado por (VII). Na direção ascendente discordante no mesmo instante, representado por (VI), o nível de vibração é menor quando comparado com o sentido de corte concordante, sugerindo que a espessura do cavaco no inicio do corte modifica significativamente os níveis de vibração. Na posição (IV) e (V), os níveis de vibrações aumentam, devido à ferramenta utilizar sua ponta para o corte. Berkenbrock e Souza (2011), afirmam que o diâmetro efetivo de corte na direção ascendente é superior do que na direção descendente,o que modifica o comportamento das vibrações dos experimentos, apresentando menores níveis do que a direção descendente. Todos os outros experimentos realizados apresentaram as mesmas características de comportamento das vibrações na direção Z, modificando seus valores devido às velocidades de corte testadas. 4. CONCLUSÃO A usinagem de geometrias complexas, ainda apresenta um grande desafio para a manufatura de moldes e matrizes. Os fatores como a direção e sentido de corte, influenciam diretamente na qualidade superficial da peça a ser usinada. O presente estudo contribui para se conhecer melhor a influência da velocidade, direção e sentido de corte no processo de fresamento com geometrias complexas. As conclusões deste estudo são: Com os valores obtidos da rugosidade, percebe-se que a qualidade superficial aumenta com o aumento da velocidade de corte no sentido concordante e diminui com o aumento da velocidade de corte com o sentido discordante; Quando a ferramenta utiliza sua ponta para o corte, nota-se sua influência no comportamento da vibração de ambas as direções de corte analisadas, representados pelos picos (I, IV e V) na Fig (8); Ao longo da superfície usinada, a direção de corte ascendente apresentou menores níveis de vibração, comparada com a direção de corte descendente. Sugere-se realizar a continuação desse estudo modificando outros fatores, como os parâmetros de corte: velocidades de corte superiores, outros tipos de fixação da ferramenta de corte, e outros revestimentos de ferramentas. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Instituto Superior Tupy (IST/SOCIESC); ao Grupo de Pesquisa PROMOLDE (SOCIESC); as empresas SECO TOOLS e Villares Metals; a CAPES pelo fomento aos projetos PROCAD e PROENGENHARIAS; a FAPESC pelo fomento da bolsa de mestrado de um dos autores. 6. REFERÊNCIAS Berkenbrock, E.; Souza, A. F. Estudo da Força de Corte no Processo de Fresamento de Geometrias Complexas com Ferramentas de Ponta Esférica. 15º Colóquio de Usinagem, 2011. Chiang, S. T.; Tsai, C. M.; Lee, A. C. Analysis of Cutting in Ball end Milling. Journal of Materials Processing Technology. Amsterdam, v. 47, n3/4, p. 231-249, Jan. 1995. Chung, K., T.; Geddam, A. A multi-sensor approach to the monitoring of end milling operations. Journal of Materials Processing Technology, p. 15 20, 2003. Costa, L.; Luis, C. J.; Ortíz, J. A.; Vivancos, J. Optimal Machining Parameter Selection in High Speed Milling of Hardened Steels for Injection Moulds. Journal of Materials Processing Technology, p. 1505 1512, 2004. Machado, Á. R.; Abrão, A. M.; Coelho, R. C.; Silva, M. B. Teoria da usinagem dos materiais. São Paulo: Blücher, 2009. Souza, A. F.; Coelho, R. T. (2007). Experimental investigation of feed rate limitations on high speed milling aimed at industrial applications. International Journal Advanced Manufacturing Technology. (32) pp 1104-1114. Coelho R. T.; Souza, A. F.; Roger A. R.; Rigatti, A. M. Y.; Ribeiro A. A. L. (2009). Mechanistic Approach to Predict Real Machining Time for Milling Free Form Geometries Applying High Feed Speed. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 46: 1103-1111. Souza, A. F.; Coelho, R. T. (2003). Tecnologia CAD/CAM - Definições e estado da arte visando auxiliar sua implantação em um ambiente fabril. In: XXIII Encontro Nacional de Engenharia de Produção, 2003, Ouro Preto. Anais XXIII Encontro Nacional de Engenharia de Produção, 2003. Souza, A. F.; Santos, M. T.; Rodríguez, C. A. (2006). Análise comparativa dos algoritmos utilizados por diferentes sistemas CAM, para cálculo das trajetórias de ferramenta, no fresamento de formas geométricas complexas. in IV Congresso Nacional de Engenharia Mecânica. 2006. Recife. Souza, A. F.; Coelho, R. T.; Rodrigues, A. R. (2010) Manufacturing complex geometries using high speed cutting technology. VDM Verlag, v. 1. 130 p., Brazil.
Souza, A.F., 2004, Contribuições ao fresamento de geometrias complexas aplicando a tecnologia de usinagem com altas velocidades. Tese de doutorado. Universidade de São Paulo. São Carlos, SP. http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18135/tde-14012005-101635/ 7. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho. STUDY OF CONTACT PIECE TOOL IN THE PROCESS OF MILLING IN COMPLEX GEOMETRY WITH TOOL BALL NOSE Felipe Gustavo Ebersbach, felipe.ebersbach@gmail.com 1 Ronaldo Carlos Rohloff, ronaldorohloff@gmail.com 1 Ernesto Berkenbrock, ernesto.b@sociesc.org.br 1 Eltom João Deglmann, eltom_deglmann@yahoo.com.br 1 Adriano Fagali de Souza, adriano.fagali@sociesc.org.br 1 1 Sociedade Educacional de Santa Catarina, Rua Albano Schimidt, 3333. Bairro Boa Vista. CEP: 89220-100. Resumo: Even with the technological advances of recent years the manufacture of dies and molds containing complex surfaces is a challenge to ensure accuracy and quality of the machined surface. The finishing milling of complex shapes is performed usually by a ball nose cutting tool and the condition of contact between the tool-workpiece chances constantly, thus making the process unstable. This article presents a study of milling of complex surfaces using a ball nose cutting tool with inserts coated with (TiAl)N-TiN for milling AISI P20 steel. Through the evaluation of surface roughness and signs of an accelerometer installed in the CNC machine it was possible to identify the influences of the contact of the tool-workpiece during milling complex shapes. The results showed the influences of these features on machining stability and surface quality. Palavras chaves: Milling, Steel AISI P20, Surface Roughness, Vibration.