O fresamento de materiais endurecidos é a solução dos problemas?


A participação da usinagem a alta velocidade ou do fresamento de material endurecido nos processos de produção de moldes e matrizes deve aumentar 20% até 2008. A avaliação não tem origem no interesse de vender máquinas, mas resulta de uma pesquisa realizada em 2004 pelo Instituto Fraunhofer IPT junto a 600 fabricantes de moldes da Alemanha. Este artigo explica as razões de tão otimista avaliação


K. Arntz

Data: 20/01/2007

Edição: MM Janeiro 2007

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Figura 1 – A usinagem de aços sinterizados impõe exigências especiais para a máquina e a ferramenta. O inserto da foto tem dureza de 57 HRC.

O fresamento de materiais endurecidos tornou-se corriqueiro em muitas áreas de produção de moldes e matrizes. As empresas são obrigadas a enfrentar a crescente pressão da concorrência, valendo-se de processos rápidos e flexíveis.

Em muitos casos, porém, não é o tempo de usinagem que pode ser reduzido com o uso de máquinas modernas e de ferramentas de corte ou técnicas aprimoradas. Mais importante do que isso podem ser os processos prévios e intermediários, como os tratamentos térmicos, que geram gasto de tempo e de logística, e aumentam inutilmente o tempo de ciclo das peças.

Além disso, a realização de alguns testes permitiu comprovar que é possível reduzir retrabalhos, a exemplo de polimento, em superfícies endurecidas submetidas a fresamento. Isso pode se dever ao fato de que a microgeometria das superfícies geradas pelo fresamento de materiais endurecidos é mais homogênea do que a produzida por processos de retificação. Também se evita a influência térmica da zona marginal, conhecida como “camada branca”, que precisa ser removida por retrabalho manual.

Esses exemplos revelam o grande potencial do fresamento de materiais endurecidos, e como esse processo de produção de moldes pode enfrentar a concorrência com os processos convencionais. Só isso seria suficiente para que a previsão de crescimento de 20% ficasse dentro da realidade.

Apesar disso, determinadas condições não podem ser ignoradas. Nem tudo que é ou parece ser possível consegue ser economicamente viável. Ainda hoje há limites nas tecnologias disponíveis do processo para usinar materiais especiais de elevada dureza, peças filigranadas ou muito pequenas ou de geometrias muito complexas. Este artigo pretende oferecer uma visão geral sobre alguns exemplos, as possibilidades de uso e problemas de desenvolvimento, e as perspectivas.

Moldes seguem tendência de miniaturização

As pequenas cavidades e as microcavidades em moldes para processo de injeção, além da tecnologia de microssistemas, formam áreas de grande crescimento. Além disso, em virtude das enormes exigências referentes à precisão e qualidade superficial dos insertos de matrizes, trata-se de um nicho de produtos que, com processos eficientes de fabricação, oferece boas perspectivas. O grande potencial está, evidentemente, na área de fresamento de materiais endurecidos para produção de moldes microestruturados. Somente o fato de as peças poderem ser usinadas em acabamento, em uma única fixação, aumenta consideravelmente a precisão, porque podem ser eliminados os sobremetais exigidos em outros processos para cada uma das mudanças de fixação.

Figura 2 – Ferramentas de metal duro com diâmetro de 4 e 0,3 mm

Os novos desenvolvimentos na área das máquinas-ferramenta permitem hoje, mesmo para cavidades maiores, manter tolerâncias do processo dentro da faixa de ± 0,01 mm ou menos. Para aplicações especiais, já existem máquinas que garantem precisões de 1 μm ou até menos. Atualmente, ferramentas para fresamento de materiais endurecidos com até 0,1 mm de diâmetro são oferecidas em catálogos. Para usinar materiais temperados, é importante usar ferramentas com revestimentos, como ficou comprovado em vários testes.

Quando se trata da usinagem de ranhuras profundas utilizando microferramentas, o fresamento concorre com eletroerosão por penetração. Na construção clássica de moldes, geralmente a decisão é a favor da eletroerosão. Entretanto, por causa da qualidade superficial e da redução do tempo de ciclo, o microfresamento oferece vantagens claras para a produção de micromoldes.

Usinagem de aços sinterizados

Em vista das suas propriedades, os aços-ferramenta sinterizados permitem grandes melhorias relacionadas com a dureza a quente, resistência ao desgaste e tenacidade. Mas, da mesma forma que essas características são importantes para a usinagem de materiais como aços-ferramenta, podem diminuir a vida útil e conduzir a resultados insatisfatórios.

No Instituto Fraunhofer IPT foram feitos testes de fresamento com ferramentas de metal duro revestidas com granulações finíssimas. A estrutura fina do aço sinterizado no fresamento de materiais endurecidos provoca uma série de alterações não encontradas nos materiais convencionais.

Figura 3 – O fresamento de materiais endurecidos e a HSC são tendências indicadas por pesquisa sobre o potencial do fresamento

A distribuição fina dos carbetos é uma vantagem. Com isso, a aresta de corte não é carregada por carbetos grandes e em linha, que freqüentemente provocam quebras de arestas de corte e, conseqüentemente, perda prematura das ferramentas.

A multiplicidade de carbetos e a grande tendência de adesão dos aço sinterizados aumentam o desgaste das ferramentas, o que explica o tempo de vida reduzido das fresas, principalmente na usinagem de acabamento. A falta de rigidez do material também provoca aderências na aresta de corte da ferramenta, o que acaba aumentando a tendência à vibração do processo.

Quando as geometrias são desfavoráveis, aumenta a formação de rebarbas. Especialmente durante o uso de ferramentas muito pequenas para usinar ranhuras, este item é apresentado (e não a dureza do material que está sendo usinado) como barreira para a fabricação com segurança do processo.

De forma geral, os aços-ferramenta sinterizados, em comparação com aços-ferramenta obtidos de forma convencional, apresentam uma usinabilidade bem melhor no processo de desbaste. Com espessura menor de cavacos, seja no processo de acabamento ou pela aplicação de microfer ramentas, aumenta a influência do desgaste abrasivo, o que, por sua vez, limita a usinabilidade.

Usinagem com cinco eixos ou apenas “3+2”?

No início dos anos 1990 foram reconhecidas e detalhadas as muitas vantagens da usinagem de cavidades de moldes com cinco eixos trabalhando simultaneamente.

As vantagens desse recurso são:

Entretanto, apenas em casos muito raros as fábricas de moldes e matrizes realizam usinagem com cinco eixos simultâneos. Por que será que, apesar de dispor das máquinas adequadas, na maioria dos casos só são usados três eixos ou, no máximo, mais dois eixos sobrepostos?

Na verdade, a programação muito mais cara para a usinagem com cinco eixos e a falta de conhecimento da tecnologia correspondente limitam a proposta de produção com maior economia de forma geral. Então, parece mais razoável executar uma usinagem com três eixos.

Por outro lado, ainda não existem estratégias CAM que justifiquem as exigências da usinagem de fresamento de materiais endurecidos com cinco eixos. Isso vale principalmente para a usinagem de desbaste e a usinagem de pré-acabamento, nas quais é essencial a manutenção de condições constantes de corte e de solicitação das ferramentas.

Uma revisão sobre o processo abre perspectivas bem interessantes: os desenvolvimentos atuais para a fabricação de discos de turbinas, em especial os discos com palhetas integradas em uma única peça, denominados Blisks (de blade integrated disks), conduz às mesmas conclusões.

Em um futuro próximo, a tendência deve ser a aplicação destes desenvolvimentos na produção de moldes e matrizes, para reduzir de tal forma o custo com a programação, a ponto de justificar o seu emprego, mesmo que seja para a fabricação de apenas uma cavidade.

Este é um dos objetivos do projeto de dois anos, previsto para terminar em dezembro de 2007, realizado no Instituto Fraunhofer IPT com patrocínio da Comissão Européia Hard Precision. O trabalho envolve um consórcio europeu composto de institutos de pesquisa, fabricantes e desenvolvedores de máquinas, ferramentas, software CAM, revestimentos, aparelhos de medição e dispositivos, além de usuários finais de diversas áreas da fabricação de moldes e matrizes.

O objetivo final será qualificar o processo de fresamento de materiais endurecidos em cinco eixos, para a usinagem econômica e precisa de moldes e matrizes temperados. Para isso, com uma nova máquina com mancais e guias hidrostáticos, será observada toda a cadeia desse processo. Os envolvidos no projeto acreditam que só dessa forma os objetivos poderão ser alcançados.

Fresamento como parte da cadeia do processo

Figura 4 – As microferramentas para materiais endurecidos só devem ser usadas com revestimentos

Quanto mais complexos forem os diversos processos relacionados com o fresamento de materiais endurecidos, em função das novas máquinas e comandos, tanto maior será a vantagem sobre os concorrentes. As empresas podem realizar um planejamento de fabricação personalizado, programação CNC e integração do fresamento nas suas cadeias do processo.

Considerando a grande variedade de materiais e de formas construtivas de moldes e matrizes, é cada vez mais difícil dominar o conhecimento dos processos para a sua correta utilização e otimização. Os sistemas CAM ajudam muito na tomada de decisão, em virtude dos seus bancos de dados de ferramentas e de parâmetros.

A escolha das estratégias corretas de fresamento para a programação CNC exerce grande influência sobre o resultado da usinagem, tanto qualitativa quanto economicamente. Deve ser dada atenção especial para a usinagem de materiais endurecidos durante a apresentação dos processos, relativamente às características das peças, das ferramentas e das máquinas. Essas considerações ajudarão a aumentar as chances de crescimento da tecnologia, tanto nas aplicações mais generalizadas quanto em nichos de produção.

Bibliografia

  1. HSC-Fräsen. Estudo não-publicado, realizado pelo Instituto Fraunhofer IPT e baseado em pesquisa com mais de 400 ferramentarias e fabricantes de máquinasferramenta na Alemanha.
  2. Jung, I.: Neue Hochleistungsstähle Herstellverfahren, Eigenschaften und Anwendungen für den Formenbau. Stahl 1, p. 73-76, 2004.
  3. Klocke, F.; Knodt, S.; Markworth, M.: Hard milling of powder metallurgical steel for sinter tools. In: Proceedings of the PM2TEC2002 Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials, Orlando, EUA, p. 3/32-3/37, junho, 2002.
  4. Klocke, F.; Glasmacher, L.; Knodt, S.: Es gibt noch viel zu tun in der CAD/CAM-Kette steckt noch jede Menge Entwicklungspotenzial. Revista Form und Werkzeug, p. 32-37, novembro, 2002.
  5. Klocke, F.; Arntz, K.; Kusumah, I.: Prozessketten verkürzen Hartbearbeitung metallischer Sonderlegierungen gewinnt zunehmend an Bedeutung. In: MM Das Industriemagazin no 26, p. 138-141, 2005.