Ao rpido, High Speed Steel (HSS)

SUMRIO

INTRODUO41.0 HISTRIA52.0 AO RPIDO, HIGH SPEED STEEL (HSS)5

2.1 COMPOSIO QUMICA6

3.0 A ORIGEM DO HSC7

3.1 O QUE NECESSRIO?8

3.2 GENERALIDADES84.0 MQUINAS FERRAMENTAS10 4.1 SISTEMAS DE FIXAO DAS FERRAMENTAS11 4.2 COMANDOS NUMRICOS124.3 BALANCEAMENTOS EM ALTA VELOCIDADE DE CORTE135.0 OPERAES DE SEMI-ACABAMENTO EM FRESA TOROIDAL145.1 INFLUNCIA DA GEOMETRIA NA FERRAMENTA NA QUALIDADE SUPERFICIAL DA PEA216.0 OPERAO DE ACABAMENTO COM FRESA DE TOPO DE PONTA ESFRICA226.1DESGASTE E DETERIORIZAO EM FRESA DE PONTA ESFRICA26 CONCLUSO30REFERNCIAS31

INTRODUO

Neste trabalho iremos apresentar algumas caractersticas de composio da fabricao da higt speed, sua histria, trazendo os primrdios e tambm evoluo durante o inicio em que se comeou a us-la at as tecnologias que a incorporam agora.

O trabalho traz ainda alguns exemplos grficos comparativos do material em que a se forjada e o tipo de usinagem em que aplica para cada caso, detalhando a velocidade de avano, profundidade de corte, quebra de cavaco e outros itens que so fundamentais na hora em que deseja usinar determinado material.1.0 HISTRIA

O primeiro grande impulso causado nos materiais de ferramentas aconteceu na virada do sculo XIX, quando desenvolveram o primeiro, Ao rpido (HSS).

Em meados de 1899, Frederick Taylor e Maunsel White, trabalhando na Bethlehem Steel, Pennsylvania EUA, fizeram extensivos testes com os melhores aos ferramenta, aquecendo a temperaturas muito mais altas do que as utilizadas na indstria. Taylor elaborou estudos para determinao das velocidades e profundidades de corte da usinagem de metais.

O ao rpido revolucionou a prtica de usinagem naquela poca, dando um grande aumento na produtividade. As velocidades de corte puderam ser aumentadas em uma ordem de grandeza: de 3 a 5m/min com ferramentas de ao carbono para 30 a 35 m/min com os aos rpidos. Exatamente por isso, estes aos levaram este nome.

2.0 AO RPIDO, HIGH SPEED STEEL (HSS)Liga de ao composta por 0,67 a 1,3% C, 5 a 12% Co, 3,75 a 4,5% Cr, 03% Mn, 4 a 9% Mo, 2 a 20% W, 1 a 5% V e apropriado tratamento trmico.Para aumentar a vida til do ao rpido, as ferramentas so s vezes revestidas por uma camada de outro metal. Um exemplo o TiN (Nitreto de Titnio). A maioria dos revestimentos geralmente aumenta a dureza torna a ferramenta mais lisa. O revestimento permite a ponta da ferramenta cortar facilmente o material sem que partes deste fiquem incrustadas (presas) a ferramenta. O revestimento tambm ajuda a diminuir a temperatura associada ao processo de corte e aumenta a vida da ferramenta.

O uso principal do ao rpido continua a ser na fabricao de vrias ferramentas de corte: brocas, fresas, serras, bits de usinagem, discos para cortar engrenagens, plainas, etc., embora tambm seja usado em prensas ultimamente.

Aos de alto teor de carbono continuam sendo uma boa escolha para uso em baixas velocidades onde uma boa preciso necessria, como em plainas manuais, em talhadeiras, formes etc.

High Speed Machining (HSM), ou ainda High Speed Cutting (HSC), hoje a ltima palavra em termos de tecnologia para usinagem. Esta tecnologia est em constante desenvolvimento, e por isso, existem muitas dvidas sobre este assunto. As atuais propostas e fundamentos da HSC esto causando hoje o mesmo impacto que o CNC causou h 40 anos atrs.

Solues de alto nvel tecnolgico para HSC s podem ser desenvolvidas por uma empresa que est familiarizada com a alta demanda do setor aeroespacial, que construa plantas industriais perfeitas e avanadas, e que consiga fazer a diferena perante os demais concorrentes. Por isso a maioria das empresas do setor aeroespacial conta com a Siemens como parceira, desde a construo da fbrica at a usinagem dos componentes.

O CNC SINUMERIK 840D em conjunto com a linha SIMODRIVE 611D, a linha de motores lineares 1FN e os equipamentos SIMATIC S7, possuem todos os recursos necessrios para a utilizao da HSC. Muitas empresas fornecedoras de peas para grandes fabricantes do setor aeroespacial, assim como os prprios fabricantes, utilizam tecnologia SIEMENS para manter a qualidade de seu produto e a garantia de prazo de entrega.

A HSC est sendo muito utilizada em indstrias que exigem velocidade de produo conciliada com preciso de usinagem. Isto, devido aos diversos benefcios que a acompanham, tais como tempo de produo e custos reduzido, excelente qualidade de acabamento e menor distoro da pea final, menor stress do material, entre outros. A produo orientada em HSC teve incio em 1976 com a indstria aeroespacial, e ainda hoje, este o ramo que mais utiliza esta tecnologia como ferramenta de produo.

2.1 COMPOSIO QUMICAQuando um ao ferramenta contm uma combinao com mais de 7% tungstnio, molibdnio e vandio, com mais de 0.60% carbono, ele chamado Ao Rpido. Esse termo, que descreve sua habilidade de cortar metal rpido, usado desde 1940 quando a ferramenta de ao predominante era a de alto teor de carbono, que no era capaz de cortar em altas velocidades.

O tipo principal T-15 com 18% de tungstnio no mudou sua composio desde 1910 e era o tipo mais usado at 1940, quando foi substitudo pelo molibdnio-2). Hoje em dia, apenas 5-12% do ao rpido usado na Europa desse tipo e apenas 2% nos EUA.

A adio de 10% de tungstnio e molibdnio no total maximiza a dureza efetiva e a resistncia do ao rpido e mantm essas propriedades sob altas temperaturas geradas quando se corta metal.

3.0 A ORIGEM DO HSC

O conceito bsico da HSC foi desenvolvido pelo Dr. Carl Salomon em 1931, o que resultou em uma patente alem. A idia consiste em aumentar a velocidade de usinagem e assim diminuir a temperatura da pea sendo usinado, o que causa um menor enfraquecimento do material. A razo que a velocidade de corte (Machining Feed Rate) maior do que a velocidade de conduo trmica, concentrando a maior parte da dissipao de calor no material removido (cavaco). No existe uma velocidade que determina se o processo de usinagem est ou no sendo feito em HSC, pois este valor depende de outros fatores como dureza do material a ser usinado, tipo da ferramenta utilizada, ect. No entanto podemos citar como exemplos velocidades de spindle variando de 20000 at 60000 rpm, e velocidades de corte entre 2 e 20 m/min. Na tabela abaixo, podemos observar um comparativo de velocidades convencionais e de HSC.MaterialTipos de ferramentas

Brocas, Fresas para acabamentoFresas, Fresas de topo

Convencional (m/min)HSC (m/min)Convencional (m/min)HSC (m/min)

Alumnio> 3053050> > 6103658>

Ferro fundidoMacio1523663661219

Dctil107244244914

AoLiga76244213366

Inoxidvel107152152274

Duro RC65241223046

Titanium38614691

Figura 1.0Ao invs de construir um conjunto partir de diversas peas pequenas, a HSC permite que este seja construdo em um bloco nico de material. Isto evita o desperdcio de at 60% de tempo de montagem alm de melhorar a resistncia da pea final. Alm disso, existe uma reduo no nmero de ferramentas utilizadas para compor o conjunto e o peso da pea final muito menor. Certas formas de usinagem seriam impossveis de serem construdas sem a utilizao da HSC, como formas complexas, paredes extremamente finas, ou mesmo com fendas muito estreitas.

3.1 O QUE NECESSRIO?

A utilizao da tecnologia HSC depende tanto da mecnica quanto da eletrnica que a equipa, por isso o conjunto completo que forma a mquina deve ser desenvolvido para tal finalidade. Os itens mais importantes na questo da mecnica so o spindle e o cabeote (toolholder), pois a ferramenta est diretamente ligada a estes dois componentes (no caso de um centro de usinagem). O balanceamento e a simetria do conjunto spindle+cabeote essencial para um bom desempenho da mquina, j que neste conjunto que so exercidas as foras de usinagem. Devemos tambm nos preocupar com a formao de cavacos, e dar preferncia aos cavacos "quebrados" (em pedaos de 2 3 cm) ao invs de cavacos contnuos (ou fita), pois os primeiros geram menos calor e menor desgaste da ferramenta.A eletrnica utilizada para estas aplicaes, alm de ser de ltima gerao, deve controlar alguns itens essenciais para a HSC: -Processamento rpido de blocos de movimento (block cycle time) -Pr-processamento - Leitura antecipada de blocos de movimento para gerenciamento da velocidade (look-ahead) -Transformaes (p.ex. transformao para 5 eixos) -Eliminao de erro de contorno -Correes de ferramenta precisas (dimenses, desgaste, etc...) -Compensaes para erros mecnicos/induzidos - Mxima segurana de mquina devido alta velocidade dos eixos

3.2 GENERALIDADESDefine-se fresamento em HSM (High Speed Machining) como sendo o fresamento de topo com elevadas velocidades de corte (altas rotaes) e elevada velocidade de avano. Na realidade o conceito de HSM algo bem mais abrangente do que simplesmente girar um eixo em altas rotaes. O conceito HSM envolve a redefinio de parmetros como mquinas com alta rotao e elevada rigidez, sistema de fixao bem balanceado, ferramentas capazes de suportar as condies de corte extremamente severas, tecnologia CAD/CAM e funes de comandos CNC com 47 processamento look-ahead. H contudo algumas limitaes e dificuldades que devem ser lembradas ao se trabalhar com HSM: excessivo desgaste das ferramentas, necessidade de mquinas extremamente caras, balanceamento do sistema de fixao das ferramentas e a necessidade de materiais para ferramentas e revestimentos cada vez mais sofisticados, alm de programas computacionais e capacidade de processamento e armazenamento de dados das mquinas de comando numrico (Fallbhmer et al., 2000). O desenvolvimento da tecnologia HSM ocorreu principalmente pela necessidade da indstria de moldes e matrizes obter produtos com melhor acabamento superficial, em um menor espao de tempo. A eliminao de trabalhos manuais em decorrncia de um melhor acabamento final conseguido por HSM de extrema importncia para as empresas que trabalham com essa tecnologia. H inmeras vantagens na utilizao de processos HSM, quais sejam: alta taxa de remoo de material, reduo do tempo de fabricao das matrizes, baixas foras de corte, dissipao do calor com a alta taxa de cavaco removido e por conseqncia menor distoro geomtrica das peas, melhor acabamento superficial, melhor preciso final das peas, reduo na formao de rebarbas e ainda a possibilidade de simplificao do ferramental e eliminao de trabalhos manuais de acabamento.

A indstria de moldes e matrizes um dos segmentos do setor metal-mecnica que est alcanando benefcios significativos com a utilizao da tecnologia High Speed Machining. As empresas que produzem moldes e matrizes trabalham com lotes unitrios de produtos, alocando assim todos os custos de produo diretamente sobre um nico produto. Como grande parte dos custos atribudo ao processo de usinagem, 48 uma vez otimizado esse processo, a reduo dos custos se torna-se imediata. As empresas tornam se ento mais competitivas, pois alm de reduzirem custos, conseguem tambm uma melhoria na qualidade de seu produto final. Para o domnio da tecnologia HSM necessrio que se entenda bem todas as fases do processo. Geralmente as etapas de um processo de usinagem em alta velocidade de corte podem ser divididas da seguinte maneira:

1. Tratamento trmico para a obteno da dureza necessria;

2. Usinagem em desbaste (em alguns casos a operao de desbaste realizada antes do tratamento trmico);

3. Pr-acabamento;

4. Acabamento com ferramenta de metal duro, cermet, metal duro inteirio, cermica mista ou PCBN;

5. Usinagem por eletroeroso de cantos e canais profundos. Como principal benefcio da tecnologia HSM pode-se destacar a reduo ou a total eliminao das operaes manuais de acabamento, pois essas, alm de serem extremamente morosas, tm um impacto na preciso geomtrica e dimensional das peas. Outro importante aspecto positivo da tecnologia HSM a diminuio no tempo das operaes mecnicas de acabamento em at 50% (Silva et al., 2001), alm de um melhor acabamento superficial das peas.

4.0 MQUINAS FERRAMENTASA fim de satisfazer as altas exigncias do processo, a tecnologia HSM requer uma nova concepo de ferramentas, sistemas de fixao e de mquinas de comando numrico. Para mquinas de alto desempenho, em que se esperam vibraes mecnicas em freqncias e potncias bem mais altas que as normalmente observadas, as propriedades de amortecimento da estrutura so de extrema importncia. Portanto a estrutura de uma mquina para trabalhar em rotaes compatveis com os eixos-rvores disponveis deve ser mais bem projetada em sua forma, ou utilizar materiais com melhores propriedades de amortecimento (Teixeira, 2002). Alm da capacidade de amortecimento, as estruturas das mquinas-ferramentas devem tambm ser capazes de evitarem grandes variaes trmicas, pois essas podem influir na tolerncia dimensional das peas que esto sendo usinadas. Medidas como projeto de estruturas simtricas, compensao trmica atravs do resfriamento contnuo da estrutura e projeto com materiais de baixo coeficiente de dilatao trmica so medidas eficazes que minimizam consideravelmente o problema. As altas rotaes dos processos HSM exigem eixo-rvore adequado, alm de mancais capazes de suportar os desgastes. A utilizao de mancais com rolamentos de esferas cermicas tem sido uma boa opo. Da mesma forma que o eixo-rvore da mquina para altas velocidades, os acionamentos de movimentao dos eixos tambm devem acompanhar a evoluo. Isso se faz necessrio para que a espessura de corte seja mantida dentro de valores possveis para que se formem cavacos por cisalhamento, tanto para processos de fresamento quanto de torneamento.

4.1 SISTEMAS DE FIXAO DAS FERRAMENTASA usinagem de matrizes e moldes requer a utilizao de ferramentas longas para as mais diversas profundidades de superfcies. muito importante se obter o menor comprimento possvel na ferramenta, principalmente em operaes de fresamento.Muitas vezes uma pequena diferena no comprimento em balano da ferramenta pode ser a diferena entre trabalhar ou no com boa produtividade ou mesmo no conseguir trabalhar. Para contornar essa dificuldade, a utilizao de ferramentas modulares apresenta-se como uma boa sada.

O Coromant Capto um sistema modular de acoplamento capaz de manter uma boa flexibilidade e produtividade atravs de um nmero variado de combinaes. Por meio desse sistema possvel construir uma montagem usando suportes bsicos longos e curtos, extenses e redues para alcanar o comprimento necessrio. Pode-se assim obter um sistema em condies de se adaptar as mais variadas situaes de fresamento, como o caso da usinagem de moldes e matrizes, em que h uma enorme variedade de geometrias e profundidades de superfcies.

Outro aspecto interessante do Coromant Capto o sistema de fixao por parafuso central da fresa com os mdulos. O sistema de parafuso central a maneira mais forte e barata para se fixar. Normalmente a fora de fixao dobrada quando comparada com qualquer mecanismo de fixao lateral (front clampling ).

Alm do comprimento da ferramenta, outro item de importncia o sistema de fixao. O momento de flexo crtico em termos de vibraes e um ponto muito importante para se reduzir o momento de flexo est na fora de fixao. Sistemas de fixao hidrulicos permitem altas foras de fixao e so capazes de manter baixo o batimento por um longo tempo (Layne, 2001).

O sistema de fixao CoroGrip da Sandvik Coromant (Figura 3.1) utilizado nesse trabalho, abrange todas as aplicaes (do acabamento fino ao desbaste pesado).

Um suporte que pode fixar todos os tipos de ferramentas, de fresas faceadoras a brocas com hastes cilndricas. A fora de fixao simtrica no sistema mantm um baixo batimento por um longo tempo. O desenho rgido dos suportes mantm o baixo batimento nas operaes de desbaste. Para a obteno de alta fora de fixao deve ser usada uma bomba hidrulica externa. Com uma presso 700 bar, a bucha externa do mandril deslocada para cima, sobre a superfcie cnica, quando a ferramenta fixada e para baixo quando a mesma liberada. Quando a ferramenta fixada, o mecanismo de fixao se auto trava e no h nenhuma presso hidrulica no suporte durante usinagem (Sandvik-Coromant, 2002/a).

Figura 2.04.2 COMANDOS NUMRICOSOs processos de HSM tm realado a necessidade de se desenvolver radicalmente tanto a tecnologia CAM, quanto a tecnologia CNC. HSM no simplesmente uma questo de controlar e impulsionar os eixos e girar os fusos mais rapidamente. As aplicaes de HSM criam a necessidade de uma comunicao de dados muito mais rpida entre diferentes unidades das cadeias dos processos. Existem tambm condies especficas para o processo de corte nas aplicaes de HSM com os quais os comandos numricos convencionais no so capazes de lidar.

Para que as vantagens da tecnologia de usinagem com altas velocidades de corte possam ser alcanadas, os comandos numricos presentes nas mquinas devem possuir caractersticas tcnicas no necessariamente exigidas, at o momento, para mquinas ferramentas. O primeiro requisito a velocidade de processamento de blocos (linhas de comando). Programas CNC para fresamento de superfcies complexas, muito comuns em moldes e matrizes, geralmente consistem de uma longa seqncia de comandos de interpolao que determinam a posio da ponta da fresa. Neste caso, o tempo de processamento de bloco pode representar uma limitao velocidade de avano. Outro recurso necessrio a capacidade de interpolao simultnea de at cinco eixos. Para a usinagem de superfcies complexas necessrio que uma fresa de topo possa fresar com ngulos de at 90 graus trabalhando perpendicularmente superfcie gerada. Isso s possvel com capacidade de movimentao em 5 eixos, movendo-se a mesa (pea) ou o eixo-rvore. Nesse caso o CNC deve compensar a geometria da mquina bem como o comprimento e dimetro da fresa. Alm disso, o CNC deve garantir que a velocidade de avano comandada seja mantida para a ponta da ferramenta. So ainda desejveis recursos mais sofisticados, permitindo que se modifique a inclinao da fresa em relao normal da superfcie fresada durante a interpolao. Isto permite a otimizao da usinagem durante a operao, atravs da eliminao de vibraes (Teixeira, 2002).

4.3 BALANCEAMENTOS EM ALTA VELOCIDADE DE CORTE.Define-se desbalanceamento como sendo a condio em que o eixo de massa principal de um corpo giratrio, tambm conhecido como eixo de inrcia, no coincide com seu eixo de rotao (Layne, 2001). H diferentes tipos de desbalanceamento; desbalanceamento esttico quando o eixo de massa de um rotor no coincide com o eixo de rotao e paralelo ao eixo de rotao, desbalanceamento conjugado, quando o eixo de massa no coincide com o eixo de rotao, porm o intercepta no centro de gravidade do rotor. Finalmente tm-se o desbalanceamento dinmico como sendo a condio em que o eixo de massa no coincide com o eixo de rotao, no paralelo a ele e no o intercepta.

Quando se trabalha com velocidades acima de 8000 rpm, um desbalanceamento relativamente pequeno pode produzir foras extremamente altas sobre os mancais do eixo rvore medida que a rotao aumenta. Essas foras certamente afetam as peas que esto sendo produzidas assim como as mquinas-ferramentas.

Na pea o desbalanceamento produz ondulaes na superfcie do metal como tambm acabamentos superficiais de qualidade bastante ruim. O desbalanceamento pode tambm ter como conseqncia a incapacidade de se manter tolerncias apertadas.

Nas mquinas, os efeitos das foras centrfugas provocam tenses internas no eixo-rvore, normalmente resultando em falha prematura do mancal do eixo-rvore. Alm dos efeitos mencionados acima, no se deve esquecer o efeito negativo do desbalanceamento na vida da ferramenta. Segundo Layne (2001), a vida da ferramenta pode ser melhorada em at 50% usando-se suporte balanceado.

H dois tipos de fontes de desbalanceamento em suporte de ferramentas; um controlvel (fixo) e outro incontrolvel (varivel). Os desbalanceamentos provocados por fontes fixas so atribudos a detalhes como rasgos de arraste em suporte de ferramentas, base no retificada do flange V, pino de reteno e quaisquer outras caractersticas geomtricas. As fontes fixas envolvem detalhes como posio da pina, posio da porca da pina e fontes devido s prprias ferramentas de corte. Para as causas fixas de desbalanceamento recomenda-se o balanceamento esttico, enquanto para as causas variveis recomenda-se o balanceamento dinmico.

5.0 OPERAES DE SEMI-ACABAMENTO COM FRESA TOROIDALA qualidade final de uma matriz ou de um molde depende em muito dos resultados das operaes finais de acabamento e semi-acabamento. Por sua vez, os resultados de tais operaes encontram-se estreitamente ligadas s operaes anteriores de desbaste leve e pesado. Quando o resultado de uma operao de desbaste uma grande quantidade de sobre metal em formato de escada, as foras de corte tornam-se variveis e h uma grande deflexo da ferramenta. O resultado um material no uniforme para o acabamento, o que acaba influenciando na preciso geomtrica da pea final.

A utilizao de pastilhas redondas visa a obteno de transies suaves entre os passes, e tambm um sobremetal menor e mais uniforme para o semi-acabamento (Figura 3.2). Uma das principais caractersticas das pastilhas redondas consiste no fato delas gerarem uma espessura de cavaco menos varivel, possibilitando assim taxas de avanos mais altas. O fato do ngulo de posio variar continuamente de 0 a 45 possibilita uma ao de corte bastante suave. Na profundidade mxima de corte o ngulo de posio 45 e na usinagem em cpia com a periferia o ngulo 90. Isso tambm explica a resistncia das pastilhas redondas, em que a carga de trabalho se forma progressivamente.

Figura 3.0 - Superfcie gerada por ferramentas com pastilhas redondas.Contudo, a grande vantagem de se trabalhar com altas velocidades de corte e com pastilhas redondas reside no fato de se trabalha com pequenos valores para a profundidade de corte (ae) e para a profundidade axial de corte (ap). Como a velocidade de corte alta, mantm-se uma boa produtividade e tambm um bom acabamento superficial, geralmente atingindo um acabamento superficial final em torno de Ra = 0,2m.

Figura 3.1 - ngulo de posio em funo da profundidade axila de corte. (Sandvik-

Coromant, 2002/a).

Na Figura 3.4 observa-se uma relao entre a profundidade radial de corte e o ngulo de posio. Para uma pequena profundidade radial de corte tem-se um pequeno ngulo de posio. A espessura do cavaco ser menor, resultando em baixas foras de corte e menor gerao de calor. A temperatura na aresta da ferramenta ser menor, aumentando a vida da ferramenta.

Devido aos pequenos valores de ae e ap, a velocidade de corte e o avano por dente podem ser aumentados de 5 a 10 vezes se comparado ao fresamento convencional

(Figura 3.4 e Figura 3.5), resultando em avanos de mesa e taxas de remoo muito alta. Mantm-se assim uma boa produtividade, uma boa qualidade final sem afetar a vida da ferramenta e a segurana do processo.

Figura 3.4- Velocidade de Corte em Funo de ae, ap (Sandvik-Coromant, 1999/b).

Figura 3.5- Avano por dente em funo da relao ae/ap para trs classes de

ferramentas (Sandvik-Coromant, 1999/b).Os baixos valores dos parmetros de corte e o avano mais rpido da mesa impedem a propagao de calor para a ferramenta, ficando grande parte desse calor retido na pea. A conseqncia um amolecimento do material da pea e a diminuio da fora necessria para a realizao do processo de corte.

A fresa de topo toroidal (Figura 3.6) uma ferramenta de alta preciso para desbaste leve e semi-acabamento de moldes e matrizes e perfis complexos, assim como fresamento de acabamento. Possui grande versatilidade permitindo o desbaste de bolses atravs do fresamento em rampa, a usinagem em contorno, o fresamento em perfis e faceamento em condies difceis. O longo alcance a torna ideal para bolses fechados e profundos e cavidades rasas. Projetada para pequenas profundidades de corte 0,2 - 1 mm e avanos por dente at 0,5 mm, o que permite que os valores do avano por dente sejam mantidos bem altos, pois o menor contato da aresta de corte resulta em cavacos finos e pouca gerao de calor.

Figura 3.6- Fresa de topo toroidal em diversas operaes de usinagem.

Na utilizao de fresas com pastilhas redondas em profundidades de corte pequenas, sempre importante calcular a velocidade de corte real baseada no dimetro de corte efetivo ou dimetro real (Figura 3.7). Caso esse aspecto no seja levado em considerao, ocorrero graves erros de clculo da faixa de avano, que depende da velocidade do fuso. Tais erros de clculo provavelmente faro com que o desempenho da fresa fique abaixo de sua capacidade.

As equaes 3.1 e 3.2 permitem o clculo da velocidade de corte efetiva a partir do dimetro efetivo.

Figura 3.7- Dimetro efetivo de uma fresa toroidal.

5.1 INFLUNCIA DA GEOMETRIA DA FERRAMENTA NA QUALIDADE SUPERFICIAL DA PEAA geometria circular da aresta de corte da fresa de topo toroidal provoca um perfil em formato de ondas na superfcie usinada. A rugosidade terica (Figura 3.8) ento determinada pela profundidade radial de corte (ae), pelo avano por dente (fz) e pela inclinao entre a haste da fresa e a superfcie usinada. Na direo transversal ao avano, a rugosidade terica influenciada negativamente pela profundidade radial(equao 3.3) de corte, pela inclinao da fresa em relao superfcie usinada e pelo raio da pastilha redonda (R). J na direo longitudinal ao avano, a rugosidade terica aumenta proporcionalmente ao avano por dente. Entretanto a influncia do avano por dente menos sensvel, devido ao elevado raio de ponta da ferramenta redonda (Oliveira, 2002).

Figura 3.8- Rugosidade terica transversal e longitudinal ao avano (Oliveira 2002). Rth = ae 2/8R6.0 OPERAO DE ACABAMENTO COM FRESA DE TOPO DE PONTA ESFRICA (Ball Nose)

Nas operaes de acabamento, a operao realizada por ferramentas de ponta esfrica de pequeno dimetro e elevado comprimento, o que diminui a estabilidade do sistema e induz vibrao do sistema. Para se evitar esse tipo de problema, costuma-se diminuir a espessura do cavaco mediante a diminuio do avano combinada com uma pequena profundidade radial de corte (Silva et al., 2001). A alta velocidade de corte passa ento a desempenhar um papel fundamental na reduo do tempo de fabricao das peas, pois um baixo valor para o avano e uma pequena profundidade radial de corte torna o processo extremamente lento.

A estratgia de corte um ponto fundamental quando se trabalha com fresas de ponta esfrica. Para um melhor acabamento e uma maior vida da ferramenta, deve-se adotar o sentido concordante de fresamento com movimentos ascendentes (Figura 3.9), pois desta maneira a ferramenta se desloca subindo ao longo do perfil no chamado corte em reverso. Dessa forma a espessura do cavaco tem um valor mximo com uma velocidade de corte mais favorvel, evitando-se ento que se tenha uma grande espessura do cavaco com velocidade de corte muito baixa. importante tambm fazer com que a ferramenta permanea em contato com a pea, o maior tempo possvel.

Todas as operaes de fresamento tm um carter interrompido ou intermitente devido s caractersticas da ferramenta (mltiplos dentes). A vida til ser consideravelmente mais curta se a ferramenta for submetida a muitas entradas e sadas no material. Essa condio aumenta a quantidade de esforos e a fadiga trmica na aresta de corte. Ocorre tambm um considervel prejuzo para o acabamento final da superfcie fresada, pois a cada entrada da ferramenta na pea, esta se deflexionar e haver uma marca e um excesso de material na superfcie usinada. Quando a ferramenta sai da pea, as foras de corte e a flexo da ferramenta diminuiro e haver tambm uma marca e uma leve rebaixo de material na superfcie usinada.

Figura 3.9- Fresamento concordante e ascendente .Devido sua grande versatilidade, as fresas de topo de ponta esfrica (Figura 3.10) so tambm bastante utilizadas na usinagem de superfcies curvas em processos de fabricao de moldes e matrizes. Utilizadas principalmente para operaes de acabamento e semi-acabamento com altas velocidades de corte (Vc > 220 m/min), as fresas de topo de ponta esfrica tm apresentado resultados bastante satisfatrios quanto ao acabamento superficial, vida das ferramentas e s foras presentes no processo.

Figura 3.10- Fresa de topo de ponta esfrica (Aspinwall et. al. (2000/a)).

O clculo da velocidade de corte feito em relao ao dimetro efetivo da ferramenta, conforme nos indicam as equaes

A Figura 3.11 ilustra o mecanismo de formao do cavaco durante o corte de um material com fresa de topo de ponta esfrica. Como mostra a Figura 3.12, a geometria da ferramenta produz um cavaco curto, em forma de cunha.

Figura 3.11- Formao do cavaco durante o corte com ferramenta de topo de ponta esfrica (Fallbohmer, 1996).

Figura 3.12- Cavaco em forma de cunha (Fallbohmer, 1996).

Diversos autores tm estudado o comportamento das fresas de topo de ponta esfrica sob a influncia de vrios fatores como: tipo de cobertura da ferramenta, posio da ferramenta em relao pea, utilizao de fluido de corte e variao dos parmetros de corte. Aspinwall et al., (2000/b) analisaram o comportamento dessas fresas ao usinarem Inconel 718 ( 53% Ni , 19 % Cr , 18% Fe , 5 % Nb 3%Mo , 0,9% Ti , 0,5 % Al , 45 HRC). Ferramentas com coberturas de TiAlCrN e com cobertura de TiAlN (mono e multi-camadas) foram avaliadas sob vrias condies de corte. As ferramentas com cobertura de TiAlCrN apresentaram melhores resultados quando se avaliou a vida das ferramentas e o acabamento superficial. A Figura 3.13 mostra o efeito do tipo de cobertura no comprimento de corte. A operao foi realizada sem fluido de corte.

Figura 3.13- Comprimento de corte obtido em funo do tipo de cobertura

(Aspinwall et al., 2000/b).

6.1 DESGASTE E DETERIORAO EM FRESAS DE PONTA ESFRICADevido complexidade das superfcies a serem usinadas, as fresas de topo de ponta esfrica tm sido amplamente utilizadas na usinagem de acabamento de aos endurecidos empregados na confeco de moldes e matrizes. Utilizando fresas na usinagem de ao ABNT 1045 e velocidade de corte variando de 100 m/min a 1600 m/min, Fallbohmer et al., (1996) testaram vrios tipos de cobertura de ferramenta. A Figura 3.14 mostra o comportamento do desgaste de flanco em funo do comprimento de corte. Observou-se que as ferramentas de PCBN apresentaram um desempenho consideravelmente superior em relao s demais ferramentas. As ferramentas de metal duro com cobertura de TiN apresentaram um desempenho superior aos outros tipos de cobertura mais avanados, como TiCN e o TiAlN. Segundo Fallbohmer et al., 1996, para se tirar maior proveito de ferramentas com uma cobertura mais avanada, necessrio que se utilize ferramenta com grande rigidez, o que s vezes extremamente difcil de se conseguir em fresamento de matrizes, j que esse tipo de processo exige ferramentas longas para a usinagem de raios, reentrncias e cavidades, o que acaba reduzindo a rigidez do sistema.

Figura 3.14- Comportamento do desgaste de flanco para vrias ferramentas

(Fallbohmer et al., 1996).

Elbestawi et al., (1997) analisaram o desgaste de fresa de topo de ponta esfrica com pastilhas de PCBN durante a usinagem de ao endurecido (55HRC). Eles constataram que a alta dureza do material, associada alta velocidade de corte produz grande quantidade de calor. Calor esse que amolece o material que est sendo usinado, facilitando assim o processo de corte.

Com o objetivo de estudar o mecanismo de desgaste e a vida dessas ferramentas, Nelson et al., (1998) estudaram o desgaste de fresas de topo de ponta esfrica na usinagem do ao ferramenta H13 (46 HRC). Trs tipos de ferramentas foram avaliados e tiveram seu desempenho comparado.As ferramentas utilizadas durante os ensaios foi um inserto de metal duro classe ISO K30 com cobertura de TiN por processo CVD. Uma ferramenta de metal duro base de micro gros VC101 (89% WC -1%TaC-10% Co) e duas classes de ferramentas de PCBN (BZN-8100 -65% de CBN e BZN-6000 90% de CBN). A escolha dessas ferramentas foi em virtude de sua grande utilizao no mercado.

Segundo Nelson et al., (1998), as ferramentas de metal duro com cobertura de TiN tiveram um resultado bastante insatisfatrio se comparada s ferramentas de metal duro base de micro-gros e de PCBN. Esse fato foi atribudo grande quantidade de cobalto na constituio qumica da ferramenta e incapacidade desta em resistir ao desgaste por abraso. As ferramentas com micro-gros de metal duro apresentaram um bom resultado em funo de uma maior dureza proporcionada por sua microestrutura, e pela menor quantidade de cobalto. Para velocidades de corte de at 150 m/min, as ferramentas de micro-gros de metal duro apresentaram boa resistncia ao desgaste por abraso. A partir desse nvel de velocidade de corte, a alta temperatura da zona de corte facilita o desgaste causado por reaes qumicas entre a pea e a ferramenta. Devido sua boa estabilidade qumica a altas temperaturas, as ferramentas de PCBN conseguem manter o corte mesmo em altas temperaturas, sendo assim indicadas para serem utilizadas em velocidades de corte acima de 150 m/min.

A Figura 3.15 apresenta os resultados obtidos por Nelson et al., (1998) para cada tipo de ferramenta utilizada no experimento. Nela observa-se um rpido desgaste das ferramentas de metal duro com cobertura de TiN. Em compensao fica claro o bom desempenho da ferramenta de PCBN, principalmente em altas velocidades de corte (vc = 366 m/min).

Figura 3.15- Comportamento do desgaste de flanco (Nelson et al.,1998).Existe atualmente uma forte tendncia em se utilizar ferramentas de metal duro com cobertura base de titnio em ferramentas de ponta esfrica. Dentre as coberturas utilizadas, o TiAlN o tipo de revestimento que melhor se adapta quando so necessrias altas velocidades de corte e dureza a quente. As coberturas de TiN e TiCN, embora possuam tambm elevada dureza, no suportam altas temperaturas, mantendo sua dureza numa faixa de temperatura em torno de 400C a 450C. Segundo Dorr et al., (2001), testes com fresas de topo de ponta esfrica com trs tipos diferentes de revestimento (TiN ,TiCN e TiAlN), mostraram que as ferramentas com cobertura de TiAlN superam em alguns casos, os demais tipos de cobertura em at sete vezes. Esses resultados credenciam as ferramentas de metal duro com revestimento de TiAlN para a usinagem de matrizes, em que exigido da ferramenta uma alta dureza a quente. A Tabela 3.1 resume as principais caractersticas dos materiais base de titnio que so utilizados como cobertura nas ferramentas de metal duro. Como se pode observar, as coberturas de TiAlN apresentam significativa vantagem em relao aos demais tipos de revestimento. Alm de possurem uma dureza superior, as coberturas de TiAlN conseguem manter essa dureza em temperaturas bem elevadas, 800C (Dorr et al., 2001). Embora alguns fabricantes afirmem que as ferramentas de metal duro com revestimento de TiAlN mantenham sua dureza em temperaturas de at 1000C. Alm da dureza elevada em altas temperaturas, as coberturas de TiAlN possuem um baixo coeficiente de atrito e um baixo coeficiente de condutibilidade trmica em relao aos outros tipos de revestimento.

Tabela 3.1 Propriedades das coberturas a base de titnio (Dorr et al., 2001).CONCLUSO

A definio de High Speed ou usinagem em alta velocidade de corte pode ser descrita como a usinagem de materiais com gamas de velocidade de rotao e taxa de avano bem acima das faixas normalmente utilizadas e funo dependente do material a ser usinado. Para o caso do alumnio como para alguns outros materiais no ferrosos, outra definio para High Speed pode ser encontrada ou descrita como sendo a de se usinar to prximo freqncia de ressonncia da mquina. Um conceito para efetividade ou rendimento para uma determinada usinagem pode ser descrita como encontrar a perfeita combinao entre rotao, avano e profundidade de cortes to prximas quando se comparadas mesma usinagem um pouco abaixo a freqncia de ressonncia.BIBLIOGRAFIA

GOOGLE. Fresadora High Speed. Disponvel em: < http://www.google.com/#hl=pt-R&q=fresadora+high+speed&oq=fresadora+high+speed > Acesso em: 15 Junho 2011.UOL.BR. Mecatrnica Atual. Disponvel em: Acesso em: 15 Junho 2011.

TERRA. Mundo CNC. Disponvel em:

. Acesso em: 15 Junho 2011.

SIEMENS. \Alta Tecnologia Para HSC. Disponvel em:

Acesso em: 15 Junho 2011.