O processo de fresamento é largamente usado em uma variedade de setores da indústria, tais como automotivo, aeroespacial, têxtil, entre outros. Os avanços tecnológicos obtidos nas áreas de ferramentas de corte e máquinas-ferramenta tornam o fresamento cada vez mais abrangente e competitivo. Estes avanços permitiram a este processo de usinagem atingir tolerâncias dimensionais cada vez mais exigentes e com excelentes níveis de acabamento, além da obtenção de geometrias complexas.

A usinagem representa papel fundamental nos processos de fabricação dos mais variados ramos da indústria mecânica. Dentre os diversos processos, o fresamento constitui um dos mais importantes pela sua produtividade e flexibilidade^[3].

A manufatura de um grande número de componentes na indústria depende de moldes e matrizes para processos como injeção de plástico, forjamento, metalurgia do pó, estampagem e fundição. Normalmente, os moldes e matrizes são compostos por peças com complexas geometrias confeccionadas em materiais de elevada dureza, o que torna a atividade de usinagem mais difícil. Apesar destas peças representarem um pequeno investimento comparado a todo programa de produção, seus projetos e manufaturas representam um aspecto fundamental no tempo total de desenvolvimento. Outro fator importante é que, em determinados processos, a qualidade dos moldes e matrizes implica diretamente no resultado das peças produzidas ^[6].

Na fabricação de matrizes, a preocupação com o conceito de redução de custos não é diferente dos demais segmentos industriais. Para atender a esta necessidade, as empresas lançam mão de ferramentas de software e hardware cada vez mais poderosas e usinagem em máquinas CNC, com a utilização de modernos conceitos de ferramental, desde ferramentas com revestimentos tribológicos a metodologias de usinagem específicas para cada objetivo ^[7].

A utilização de ferramentas reafiadas na linha de produção é algo que tem ganhado força ao longo dos anos, principalmente com a introdução no mercado de empresas especializadas neste segmento. Seu uso proporciona a redução do custo de usinagem e prolonga o tempo de uso da ferramenta em determinado processo.

Neste trabalho, o foco foi a utilização de fresas de topo de metal duro inteiriças e revestidas, com o intuito de sempre comparar o desempenho de uma fresa nova com as suas respectivas reafiações.

 

Procedimentos experimentais

Este trabalho consiste em analisar o desempenho de fresas de topo de metal duro, novas e reafiadas, depois de utilizadas até o fim de vida em fresamento de topo. A força e o torque dessas ferramentas foram as variáveis de saída, base para as comparações. Visando confiabilidade estatística, a própria metodologia escolhida permitiu várias repetições dos testes. Para cada tipo de teste foram utilizadas quatro ferramentas novas até cada uma delas atingir 100% de vida (fim de vida). Esta distribuição possibilitou a realização de quatro réplicas para cada condição.

Foram utilizadas ferramentas de metal duro da série Hy-Pro com quatro canais, inteiriças, de metal duro classe H, com 10% de cobalto, fornecidas pela OSG Sulamericana de Ferramentas. Foram usados dois tipos diferentes de revestimentos PVD, feitos pela Oerlikon Balzers, Alcrona (AlCrN) e o Futura Top (TiAlN). As fresas possuem 10 mm de diâmetro, 70 mm de comprimento, sendo 25 mm a extensão da aresta de corte.

A vida da ferramenta é definida como o período em que ela pode ser utilizada na produção (no processo de usinagem), seguindo o critério de fim de vida recomendado pela fabricante. Neste caso, a informação da OSG Sulamericana de Ferramentas para a operação mencionada foi o VBmáx = 0,2 mm. Este critério de fim de vida deve ser respeitado levando em consideração que o processo de reafiação é feito no sentido radial da ferramenta, sendo assim, quanto maior o desgaste, menor o seu diâmetro final que, nas fresas reafiadas, variou entre 9,9 e 9,8 mm.

Após atingir o fim de vida, a ferramenta foi enviada ao centro de reafiação da OSG Sulamericana de Ferramentas e depois para a Oerlikon Balzers Coatings do Brasil para re-revestimento, retornando ao Lepu/UFU reafiada e pronta para usinar novamente. A rotina utilizada para a reafiação é similar àquela utilizada para fabricar uma fresa nova.

O material da peça utilizada foi o aço ABNT P20 (de mesma designação ASTM, SAE e AISI, WNr 1.2311 da Nor ma DIN), utilizado para fabricação de moldes de injeção de plásticos. Foi fornecido na forma prismática, com as dimensões de 360 x 250 x 190 mm, pela Villares Metals, cuja designação própria deste fabricante é VP20ISOF. Trata-se de um aço Cr-Mo elaborado por meio de desgaseificação a vácuo, com usinabilidade melhorada por tratamento com cálcio e fornecido no estado temperado e revenido com dureza na faixa de 30-34 HRC (285-321 HB).

O tipo de usinagem escolhido foi o fresamento de topo, com usinagem em uma única direção, sentido discordante, com penetração de trabalho (ae) de 1 mm e profundidade de corte (ap) de 10 mm. O passe tem o comprimento de 360 mm, enquanto o balanço foi de 35 mm e o batimento medido no eixo-árvore da máquina e na ponta da ferramenta foi de 6 e 9 μm, respectivamente. As condições de corte são apresentadas na tabela 1.

Para a condição 2 (v c = 100 m/min), o critério de fim de vida teve NFx, Fy e Fz com TiAlN, vc = 100 m/min de ser alterado devido às altas vibrações geradas com o aumento do desgaste.

 

Resultados

Este artigo é o resultado da continuação da linha de pesquisa envolvendo ferramentas reafiadas. Segundo Moura e Machado [5], de forma geral, as que são revestidas com AlCrN tiveram um desempenho superior àquelas revestidas com TiAlN, possibilitando a utilização por um tempo maior de usinagem até atingir o fim de vida estipulado. As ferramentas reafiadas e recobertas com AlCrN apresentaram um desgaste ligeiramente inferior ao de uma nova, enquanto que as reafiadas e revestidas com TiAlN apresentaram um desgaste levemente superior.

Segundo Ávila^[1], as principais causas associadas a este resultado podem ser atribuídas à falta de uma boa adesão do revestimento ao substrato da ferramenta, à alta dureza deste revestimento, o que indica a provável baixa tenacidade do mesmo, além das condições mecânicas, químicas e térmicas impostas durante o processo de fresamento.

Considerando a velocidade de corte utilizada, o avanço e a profundidade de corte, a alta dureza do material usinado – associado a elevadas temperaturas na região de corte – proporcionaram o melhor desempenho do revestimento AlCrN devido a sua maior capacidade de trabalho a elevadas temperaturas (1.100^oC), enquanto que o TiAlN tem uma temperatura máxima de operação de 900^oC.

 

Ferramentas revestidas com TiAlN

As figuras 1 e 2 reproduzem a evolução das forças Fx, Fy e Fz ao longo da vida das ferramentas revestidas com TiAlN, antes e após o processo de reafiação.

Nota-se, na literatura, a concordância entre vários autores^[2,4,8] para o fato de que a força de usinagem tende a diminuir com o aumento da temperatura devido ao aumento da velocidade de corte.

Observa-se que ocorre um aumento dos valores medidos das componentes de força ao longo da vida da ferramenta, o que se justifica pela taxa de desgaste maior, confirmando os dados encontrados na literatura. O aumento da velocidade de corte não produz incrementos de força de usinagem, uma vez que os valores da força Fz não sofreram variações significativas.

Analisando a figura 1, na condição de reafiada e no 140^o passe, ocorre o aumento significativo das forças Fx e Fy , o que pode ser justificado pelo fato de a ferramenta ter apresentado uma taxa de desgaste levemente superior ao de uma nova. O estudo de vida destas ferramentas mostra que a reafiada e recoberta com TiAlN apresenta maiores taxas quando comparada com uma nova. A análise estatística da vida das fer ramentas mostrou que não ocorreu uma diferença significativa entre o desempenho de uma nova e da reafiada^[5] .

A figura 3 apresenta a evolução do torque ao longo da vida da ferramenta revestida com TiAlN, comparando a evolução dos valores da reafiada com a nova. Estes resultados diferem um pouco daqueles observados com as componentes de força, pois o crescimento do torque com o desgaste da ferramenta não é obser vado nitidamente. Em algumas situações nota-se, inclusive, um ligeiro decaimento do torque com o desgaste, como no caso da ferramenta reafiada. Pequenas reduções nos diâmetros das fresas e a maior geração de calor podem estar contribuindo com estes resultados, mas conclusões adequadas sobre este comportamento carecem de mais investigações.

Nota-se, nitidamente, que os torques medidos na usinagem com as ferramentas reafiadas são bem inferiores aos medidos com as novas, possivelmente a redução do diâmetro das fresas após a reafiaç ão (medidas desses diâmetros antes e após a reafiaç ão indicam uma redução de, aproximadamente, 0,2 mm) podem contribuir para esta redução, mas isso não deve ser o único fator influente. Outros aspectos devem também estar contribuindo. Investigações mais detalhadas são requeridas para justificar completamente estes resultados.

 

Ferramentas revestidas com AlCrN

As figuras 4 e 5 (pág. 22) reproduzem a evolução das forças Fx, Fy e Fz ao longo da vida das ferramentas revestidas com AlCrN, antes e após o processo de reafiaç ão. O comportamento das forças Fx, Fy e F z das revestidas com AlCrN seguiu o mesmo padrão das revestidas com TiAlN ao longo da vida.

A figura 6 ilustra a evolução do torque ao longo da vida da fer ramenta revestida com AlCrN, comparando a evolução dos valores da reafiada com a nova. Estes resultados são similares aos observados com as ferramentas revestidas com TiAlN, pois as ferramentas reafiadas apresentam menor valor de torque em comparação com as novas para as duas velocidades de corte testadas.

 

Análise estatística dos dados

Para realizar a análise estatística dos dados utilizou-se um planejamento fatorial clássico 2k, com dois níveis (ferramentas novas e reafi adas) e três fatores (velocidade de corte, revestimento e reafiação), apresentados na tabela 2, gerando um planejamento fatorial de 23, para uma confiabilidade de 95%. As comparações foram realizadas com os valores de força no início da vida (com o intuito de eliminar a influência do desgaste) e no fim da vida. Os gráficos de Pareto permitem analisar a influên cia de um ou mais parâmetros e suas interações, simultaneamente, na força e no torque das ferramentas analisadas.

Os resultados obtidos com essa análise estatística são apresentados nas figuras 7 e 8 (pág. 24), por meio dos gráficos de Pareto gerados. Os da figura 7 mostram que não ocorreu uma diferença significativa nos valores das componentes de força Fx, Fy e Fz no início da vida da ferramenta, entre uma nova e uma reafiada. Ao analisar o torque (Mz), conforme figura 7b, percebemos que os fatores velocidade de corte, reafiação e a interação entre estes apresentaram influência significativa no torque da ferramenta de corte.

Pode ser observado nos gráficos gerados anteriormente que as forças Fx e F y tendem a aumentar de forma linear ao longo da vida, o que pode ser explicado pelo crescimento do desgaste da ferramenta. É possível perceber que a variação que ocorre nas forças Fx e Fy, quando são aumentadas as velocidades de corte, não é muito significativa. Uma possível explicação para este fenômeno é que, embora ocorra o incremento na taxa de remoção de material – que acaba por promover o aumento da força de corte –, por outro lado, a alta na temperatura do cavaco acarreta na diminuição desta força, mantendo pequenas variações nos esforços gerados. O aumento da temperatura do cavaco com a da velocidade de corte pode ter contribuído significativamente para a diminuição do torque.

Outro fator importante que deve ser levado em consideração é a diminuição do diâmetro da ferramenta reafiada, que pode contribuir significativamente para a obtenção dos menores valores de torque. A variação da força Fz não foi significativa nos testes realizados, mas podemos perceber pela figura 7c que a velocidade de corte foi o fator mais influente para esta componente de força.

Os gráficos de Pareto apresentados na figura 8 não mostram nenhuma diferença significativa entre as ferramentas novas e reafiadas, tanto nas componentes de força quanto no torque das ferramentas no fim de vida, mesmo com a influên cia do desgaste. Ainda de acordo com os gráficos, fica evidente que a reafiação e o revestimento foram os fatores que mais influenciaram nas componentes de força, enquanto que a reafiação foi o fator mais influente no torque.

 

Conclusão

• As forças de usinagem seguiram a tendência de aumentar ao longo da vida da ferramenta.
   
• Os maiores valores de força foram obtidos com a ferramenta revestida com TiAlN.
   
• De modo geral, as forças obtidas com ferramenta reafiada foram ligeiramente superiores às da ferramenta nova.
   
• Estatisticamente não houve diferença significativa entre o desempenho de uma ferramenta nova para uma reafiada em relação aos dados de força obtidos.
   
• As ferramentas reafiadas apresentaram menores valores de torque em relação às novas.
   
• As ferramentas revestidas com TiAlN apresentaram maiores valores de torque.
   
• A análise estatística dos dados coletados mostrou que há uma variação significativa de desempenho entre as ferramentas novas e reafiadas em relação ao torque gerado no início da vida da ferramenta, com destaque para as ferramentas reafiadas que obtiveram menores valores de torque, o que não se repetiu no fim de vida.
   
• No geral, podemos afirmar que as ferramentas reafiadas possuem desempenho similar ao de uma nova, para uma confiabilidade estatística de 95%.
   

Referências

1. Ávila, R. F.: Desempenho de ferramentas de metal duro revestidas com Ti-N, Ti-C-N e Ti- Al-N (PAPVD) no torneamento do aço ABNT 4340 temperado e revenido. Tese de Doutorado, 152 p., Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2003.
    
2. Ferraresi, D.: Fundamentos da usinagem dos metais. Editora Edgard Blucher, p. 751, São Paulo, 1977.
    
3. Groover, M. P.: Fundamentals of modern manufacturing, materials, processes, and systems. Editora John Wiley & Sons, New Jersey, 2002.
    
4. Machado, Á. R.; Abrão, A. M.; Coelho, R. T.; Da Silva, M. B.: Teoria da usinagem dos materiais. Editora Edgard Blucher, 1o ed., v. 1, 371 p., São Paulo, 2009.
    
5. Moura, R. R.; Machado, Á. R.: Fresamento de aço para matrizes VP20ISOF com ferramentas reafiadas. 7 ̊ Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, ABCM, 10 p., Penedo, Rio de Janeiro, 2013.
    
6. Oliveira, A. J.: Análise do desgaste de ferramentas no fresamento com alta velocidade de aços endurecidos. Tese de Doutorado, Universidade Estadual de Campinas, 2007.
    
7. Ribeiro, J. L. S.; Abrão, A. M.; Sales, W. F.: Forças de usinagem no fresamento de aços para matrizes. 16o Posmec - Simpósio de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Uberlândia, 2006.
    
8. Trent, E. M.; Wright, P. K.: Metal cutting. 4th Edition, Editora Butterworth-Heinemann, 751 p., Estados Unidos, 2000.