Avaliação da força e temperatura de corte no fresamento do Aço VP

Avaliação da força e temperatura de corte no fresamento do Aço VP 100
Alessandro Roger Rodrigues1, Flávio Henrique Manarelli2, Adriana Bruno
Norcino1, Fernando Brandão de Oliveira1
1
Universidade de São Paulo/ Escola de Engenharia de São Carlos
2
Univ Estadual Paulista / Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira
[email protected]
Resumo
A análise da influência dos parâmetros de usinagem na fabricação de moldes e matrizes tem fundamental
importância, pois possibilita seleção otimizada para o processo, proporcionando produtos de melhor
qualidade para o mercado. Este trabalho quantificou o efeito da velocidade de corte, avanço por dente e
tratamento térmico (dureza do material da peça) sobre o efeito mecânico (força de corte) e efeito térmico
(temperatura da peça) do aço VP100 aplicado na fabricação de moldes para injeção de plástico. Os ensaios
de fresamento foram conduzidos em um centro de usinagem CNC sem aplicação de fluido refrigerante,
empregando fresa de topo de duas arestas, com 25 mm de diâmetro e insertos revestidos de Al2O3. Os
sinais de força de usinagem foram obtidos com um dinamômetro, sendo as componentes utilizadas para o
cálculo a força de corte. Foi utilizado modelo térmico para estimar a temperatura de corte na zona de
cisalhamento secundária. Com base na Análise de Variância (ANOVA), os resultados mostraram que os
parâmetros mais significativos para o processo de usinagem foram o avanço por dente e a dureza do
material da peça.
Palavras-Chave: Força de usinagem, temperatura de corte, moldes e matrizes.
Abstract
The influence analysis of the cutting parameter on machining of dies and moulds is important, since it allows
optimizing the process, providing better products to the market. This research quantified the effect of cutting
speed, feed per tooth and workpiece heat treatment on the cutting force and temperature when milling
VP100 steel for moulds application. The milling tests were carried out in CNC machining center considering
25 mm diameter endmill, two Al2O3 coated carbides and dry condition. The machining force was measured
using a dynamometer. A thermal model was used to estimate the cutting temperature at the secondary shear
zone. Analysis of Variance (ANOVA) indicated the most significant machining parameter were the feed per
tooth and hardness of the workpiece.
Keywords: Machining force, cutting temperature, dies and moulds.
SIICUSP 2014 – 22º Simpósio Internacional de Iniciação Científica e Tecnológica da USP
Introdução
A indústria de injeção de plásticos encontra-se em constante expansão, produzindo peças plásticas cada
vez mais sofisticadas. Com isso aumenta a exigência por qualidade do molde utilizado, bem como redução
de custos. Segundo BOUJELBENE et al (2004), 30% do custo total de um produto plástico está relacionado
à fabricação do molde. A usinagem por fresamento é a mais utilizada na fabricação de um molde por ser
bastante versátil, capaz de atender a alta complexidade geométrica agregada às cavidades do molde.
Otimizar o processo de usinagem é uma alternativa para redução de custo do produto final. Para isso, se
faz necessário monitorar os parâmetros envolvidos no processo. Segundo Diniz et al. (2006), conhecer a
ordem de grandeza dos esforços de corte nos processos de usinagem é importante, pois afetam
diretamente a potência necessária para usinagem e a capacidade de obtenção de tolerâncias apertadas. A
força de corte representa a parcela mais significativa que influencia o calculo da potência de usinagem
(FERRARESI, 1970). Além disso, conhecer o fluxo de calor gerado pelo processo de usinagem e, assim, o
campo de temperatura, possibilita determinar as melhores condições de corte durante a usinagem.
Objetivos
Verificar como os parâmetros de acabamento (avanço e velocidade de corte) e a característica do material
da peça (dureza) influenciam a força de corte (efeito mecânico) e temperatura de corte (efeito térmico) no
fresamento do aço VP 100 utilizado na fabricação de moldes e matrizes.
Materiais e Métodos
Os corpos de provas foram fabricados em aço VP 100 fornecidos pela Villares Metals S/A de dimensões 29
x 30 x 100 mm. Trata-se de um aço microligado, com 0,22C, 0,40Si, 1,90Mn, 0,58Cr, 0,40Ni, 0,25Mo,
0,027P e 0,002S, indicado para confecção de porta-moldes, moldes para injeção de plásticos não clorados,
matrizes para extrusão de termoplásticos e moldes para sopro.
Os ensaios de fresamento foram realizados a seco em um centro de usinagem Romi, modelo Discovery
560. Foi proposto fresamento de topo discordante (fresa de Ø25mm – duas arestas), insertos de metal duro
(Classe ISO P15) revestidos de Al2O3, fabricados pela Sandvik Coromant (R390-11 T3 08M-PM 4230). Os
parâmetros utilizados como variáveis de entrada nos ensaios foram o avanço por dente (f z), velocidade de
corte (vc) e tratamento térmico do material da peça (dureza). A profundidade de usinagem (ap) e a largura de
usinagem (ae) foram mantidas constantes em todos os ensaios, sendo 0,5 mm e 17,5 mm, respectivamente.
A matriz experimental foi dividida em dois grupos em função do nível de dureza do material: beneficiados
(B), que passaram apenas pelo processo de alívio de tensão (32 HRC) e temperados/revenidos (T), cuja
dureza alcançou 43 HRC.
Para processamento dos resultados, foi aplicada Análise de Variância (ANOVA) e nível de significância de
5%, considerando duas réplicas. A seguinte nomenclatura, independentemente do tratamento térmico do
material da peça, foi adotada na apresentação dos resultados: V200-F01, V200-F02, V450-F01 e V450-F02,
onde V denota velocidade de corte (200 ou 450 m/min) e F, avanço por dente (0,1 ou 0,2 mm/z), que
culminou em quatro combinações distintas para cada nível de dureza do material da peça (corpo de prova).
A força de usinagem foi medida com um dinamômetro piezelétrico de três componentes da marca Kistler,
modelo 9257BA e um condicionador de sinais 5233A. A temperatura de corte foi estimada na zona de
cisalhamento secundária (interface cavaco-ferramenta), recorrendo-se ao modelo térmico de Cook (1973).
Resultados
O comportamento da força de corte máxima e da temperatura de corte estimada pode ser observado na
Figura 1. A Figura 1(a) mostra que o aumento do avanço por dente, independentemente da dureza da peça
e da velocidade de corte, eleva a força de corte máxima. Isto ocorre devido ao aumento das componentes
da força, ou seja, força de avanço e força de apoio (perpendicular à de avanço). Em termos quantitativos, o
incremento do avanço em 100% elevou a força de corte máxima em 59% para o aço beneficiado e 45%
para o aço temperado/revenido. Por outro lado, a influência da velocidade de corte é inversamente
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proporcional à força de corte, uma vez que o incremento em 125% implicou em reduções de 24% e 13%,
respectivamente, para o aço beneficiado e temperado/revenido.
O aumento da velocidade de corte e do avanço da ferramenta demonstra não ter sido influente nas
temperaturas de corte, uma vez que estas não apresentaram variação significativa para o mesmo
tratamento térmico da peça (Figura 1b). A dureza do material da peça foi um fator significativo tanto na força
de corte como na temperatura estimada, apesar de algumas variabilidades terem sido coincidentes,
particularmente no caso da força de corte máxima. Uma comparação entre o comportamento da força e
temperatura de corte em relação ao material da peça mostrou que a temperatura foi mais sensível à
variação da dureza da peça (+35%) que a força de corte (+19%).
Figura 1 - Força de corte máxima e temperatura de corte em função da velocidade de corte e avanço por dente no
fresamento de topo do aço VP100.
A Figura 2 apresenta o resultado qualitativo da aplicação da Análise de Variância. Pode-se observar no
gráfico dos efeitos principais que o aumento da dureza da peça e do avanço da ferramenta elevou a força
de corte máxima, ao passo que a velocidade de corte causou efeito contrário. Já para a temperatura
estimada na zona de cisalhamento secundária, o incremento de todas as variáveis de entrada aumentou a
temperatura de corte. As maiores variações de força e temperatura de corte em torno da média ocorreram
para o avanço por dente e tratamento térmico, respectivamente. Este comportamento indica que estes
fatores são significativos sobre estas respostas, mas apenas a aplicação da ANOVA quantitativa pode
confirmar estas ou outras significâncias, como é mostrado na Tabela 1.
Figura 2 - ANOVA gráfica dos efeitos principais (velocidade de corte, avanço por dente e tratamento térmico da peça)
sobre a resposta (força de corte máxima e temperatura de corte).
Nota-se no quadro ANOVA (Tabela 1) que todas as variáveis de entrada nos ensaios (fatores de controle)
foram influentes na resposta (força de corte máxima), uma vez que os valores de Probabilidade (P) foram
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menores que o nível de significância adotado (α = 0,05). Isto equivale a dizer que estas significâncias têm
95% de confiabilidade de ocorrerem de fato. Pelo exame da Distribuição F, observa-se que o avanço por
dente apresenta o maior valor, o que demonstra que este parâmetro de corte, dentre todos os demais
significativos, é mais influente. Este fato compatibiliza com a Figura 2, onde o avanço por dente causou a
maior variação da força de corte máxima em torno da média.
Entretanto, ao analisar o quadro ANOVA para a temperatura de corte, constata-se que apenas a dureza do
material da peça é influente, já que a Probabilidade (P) foi praticamente nula. Este resultado também é
condizente com a Figura 2, na medida em que o tratamento térmico foi a variável que mais causou variação
da temperatura de corte em torno da média. Os demais fatores de controle não apresentaram significância
sobre a resposta, pois os valores-P foram maiores que o nível de significância adotado no cálculo da
ANOVA. Mesmo a velocidade de corte, que é um parâmetro de corte tipicamente influente no
comportamento da temperatura de corte, não causou significância (P = 0,061 > 0,05).
Tabela 1 - Quadro ANOVA do efeito do tratamento térmico da peça, velocidade de corte e avanço por dente sobre a
força de corte máxima e temperatura de corte.
Variável
GL
TT
vc
fz
Erro
Total
1
1
1
12
15
TT
vc
fz
Erro
Total
1
1
1
12
15
SQ
QM
Força de Corte Máxima
11017
11017
20071
20071
73302
73302
18075
1506
Temperatura de Corte
358247
358247
51050
51050
24935
24935
143107
11926
F
P
7,31
13,32
48,66
0,019
0,003
0,000
30,04
4,28
2,09
0,000
0,061
0,174
TT: Tratamento Térmico, GL: Graus de Liberdade, SQ: Soma dos Quadrados, QM: Quadrado Médio, F: Distribuição F, P: Probabilidade P.
Conclusões
A força de corte máxima e a temperatura de corte estimada são influenciadas diretamente pelo avanço por
dente e dureza do material da peça, sendo estes os parâmetros mais significativos para o processo. Apesar
da velocidade de corte não ter influencia significativa, o seu aumento contribui para reduzir a força de corte
máxima. Esse resultado sugere que é possível otimizar o processo selecionando altas velocidade de corte
aliadas a baixas velocidades de avanço dentro do intervalo recomendado pelo fabricante da ferramenta, o
que promove maior taxa de cisalhamento decorrente do aumento da velocidade, minimizando tanto o atrito
na interface cavaco-ferramenta, como também os esforços de corte envolvidos ao conjunto peça,
ferramenta e máquina. O menor avanço favoreceria movimentos precisos da máquina-ferramenta durante a
usinagem, característica fundamental para usinagem de moldes com geometrias complexas, além de
reduzir a demanda por potência no processo.
Referências Bibliográficas
BOUJELBENE, M., MOISAN, A., TOUNSI, N., BRENIER, B. Productivity enhancement in dies and molds
manufacturing by the use of C1 continuous tool path. International Journal of Machine Tool & Manufacture
2004; v.44, n.1, p.101-107.
DINIZ, A. E.; MARCONDES, F. C.; COPPINI, N. L. Tecnologia da Usinagem dos Materiais. São Paulo:
Artliber, 2006. 244 p.
FERRARESI, D. Fundamentos da usinagem dos Materiais. 1. Ed. São Paulo: Edgard Blücher, 1970. 754p.
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