|
Introdução
a High Speed Machining
Por Eng.
Daniel F. M. Krabbe
O
que é Tecnologia High Speed Machining (H.S.M.) para o Alumínio?
Como já é de atual conhecimento de vários
Engenheiros e Técnicos que atuam em setores ligados a usinagem
em nosso País e também já fora definido por
diversos autores, a definição de High Speed Machining
ou usinagem em alta velocidade de corte pode ser descrita como a
usinagem de materiais com gamas de velocidade de rotação
e taxa de avanço bem acima das faixas normalmente utilizadas
e é função dependente do material a ser usinado.
Para o caso do alumínio como para alguns outros materiais
não ferrosos, uma outra definição para High
Speed Machining pode ser encontrada ou descrita como sendo a de
se usinar tão próximo à freqüência
de ressonância da máquina. Um conceito para efetividade
ou rendimento para uma determinada usinagem pode ser descrita como
encontrar a perfeita combinação entre "rotação",
avanço e profundidade de cortes tão próximas
quando se comparadas à mesma usinagem um pouco abaixo a freqüência
de ressonância.
Aplicações
High Speed Machinning na usinagem de Ligas de Alumínio.
A operação de desbaste de alumínio é
possível conciliando a tecnologia de corte, o limite da operação
de desbaste e a potência diferida no eixo de rotação
(spindle) da máquina. A condição ótima
para se usinar ligas de alumínio é com velocidade
de corte ao redor de 4000 m x min-1 (na literatura encontramos para
a velocidade de corte o range compreendido entre os valores de 2000
a 5500 m x min-1 e taxas de avanço compreendidas entre 2000
e 19000 m x min-1 para o alumínio). Uma típica aplicação
de HSM é a usinagem de pockets e paredes finas em geometrias
semelhantes a "colméias". A usinagem HSM oferece
alta qualidade superficial em combinação com alta
taxa de remoção de material na operação
de acabamento. A usinagem de peças com geometrias semelhantes
a colméias só se é possível reduzindo-se
a profundidade de corte e dividindo-se a operação
em dois ou mais passos, sem desvantagens quando comparadas a usinagem
convencional. Pela redução da profundidade de corte,
os esforços de corte são reduzidos e uma melhor qualidade
dimensional é relatada. Usinando-se em dois passes aumenta-se
consideravelmente a exatidão dimensional em comparação
a se usinar em um único passe. Dividindo-se a usinagem em
mais do que dois passes, não se aumenta a exatidão
dimensional significativamente. Na indústria de aviação,
componentes complexos com 90% de taxa de remoção de
material e pockets profundos são usinados. Já existe
em nosso país, linhas de pesquisa na usinagem de paredes
finas para 1mm de espessura e 70 mm de altura para a industria de
aviação.
Eixo de rotação (SPINDLE) e fixação
do porta ferramnetas (TOOL HOLDER)
Um dos mais importantes componentes de uma máquina ferramenta
é o "spindle". O resultado da usinagem em alta
velocidade depende decisivamente da interface formada entre a ferramenta,
tool holder e o sistema de acoplamento na máquina devendo
ser desenvolvidos para trabalharem dentro de condições
severas. O sistema de fixação deve garantir não
só a troca rápida de ferramenta como também
as funções de alta performance e garantir a exatidão
dimensional após várias trocas. É de vital
importância que atentemos para os seguintes fatos:
Balanceamento, batimento, concentricidade e alta tolerância
de forma e posição, reduzindo assim a influência
da força centrífuga causada pela distribuição
não uniforme de pequenas massas e desvios radiais. Na figura
1.4 podemos observar o efeito do desbalanceamento causado entre
o porta ferramenta (tool holder) e o sistema de fixação
e giro do porta ferramenta (spindle) de uma máquina HSM onde
o sistema de fixação expande mais que o porta ferramenta,
conseqüentemente o porta ferramenta é axialmente deslocado
pela força de aperto (clamping force) e adicionalmente as
superfícies de contato são diminuídas. A transmissão
de torque é então afetada e o centro da ferramenta
não é mais garantido.
Figura 1.4A - Efeito do desbalanceamento entre o porta ferramenta
e o sistema de fixação.
Como sistemas de fixação pode-se citar como os mais
recomendados os mandris por fixação térmica
(shrinker, figura1.4B) e os por fixação hidráulica
(figura1.4C)
figura1.4B
- Mandril por fixação Térmica
figura1.4C
Mandril por fixação hidráulica
Cada
um apresenta vantagens e desvantagens durante um processo de usinagem,
devendo ser destacadas como principais características:
-
Mandril
por Fixação Térmica (shirinker) - É
o sistema de fixação onde se tem por objetivo
teórico, ferramenta e "tool holder" unidos
em um corpo só. Consiste basicamente em se aquecer previamente
o cone de fixação do "tool holder"em
um dispositivo apropriado, em condições térmicas
pré estabelecidas, tendo-se com isto, a dilatação
do furo de encaixe da ferramenta. A ferramenta é inserida
neste furo (ferramenta em temperatura ambiente) e faz-se então
o resfriamento do conjunto fixando-se assim a ferramenta. Para
se retirar a ferramenta, aquece-se novamente o conjunto e por
diferença de dilatações térmicas
do "tool holder"e ferramenta, pode-se retira-la.
Pontos positivos:
* Por não possuir partes móveis ou dispositivos
assimétricos, é por concepção bem
balanceado
* Permite taxas de avanço e rotações altas,
devido ao baixo grau de desbalanceamento e sistema rígido
de fixação
Pontos negativos:
* Requer um mandril para cada ferramenta, devido a fixação
ser feita sem elemento intermediário (bucha)
* Não pode ser "utilizado" para fixar ferramentas
de aço rápido (estas não recomendadas para
HSM, mas devido ao fato de ainda não se ter no mercado
uma grande gama de ferramentas de metal duro com perfis especiais
quando comparadas ao HSS, existem ainda alguns casos onde podem
ser utilizadas), devido as mesmas terem coeficiente de dilatação
diferente e baixa tolerância dimensional ao comparada
com a de metal duro.
* Necessita de uma dispositivo de aquecimento para se dilatar
termicamente o tool holder e assim, fixar a ferramenta.
-
Mandril
por Fixação Hidráulica - Este sistema
de fixação consiste em se ter no "tool holder"
na região de encaixe da ferramenta, uma câmara
vedada preenchida por óleo. A fixação da
ferramenta é realizada quando se rosquea um parafuso
alojado no corpo do tool holder, e este, ao ser rosqueado, pressiona
o volume interno de óleo contra as paredes da câmara
e esta, podendo-se dilatar somente na região da ferramenta
(similar a uma pinça), dilata-se, fixando-se assim de
forma equalizada, a ferramenta. Para se soltar a ferramenta,
faz-se o processo inverso.
Pontos positivos:
* Pode-se utilizar um elemento intermediário de fixação
(bucha), evitando assim um mandril para cada ferramenta
* Possui grau de balanceamento razoável, devido ao maior
número de elementos de fixação. Tem como
principal limitante, rotações acima de 12000RPM.
* Fácil montagem da ferramenta, devido a fixação
da ferramenta ser realizada somente por um parafuso de aperto
Pontos negativos:
*"Limite" de rotação acima de 12.000RPM
* Não deve se usinar com taxas limite de avanço
para a ferramenta, devido a "não rigidez da fixação"
entre ferramenta e mandril.
Potência
no Speendle (Ps)
A potência no Spindle de uma máquina limita a quantidade
de material a ser removido em operações de desbaste
(mm3 x min-1) e é considerado item fundamental para escolha
ou não de uma máquina. Os programadores de usinagem
CNC, visando uma usinagem á máximo rendimento do
conjunto máquina/ferramenta, devem estar sempre atentos
a esses valores e devem conhecer a curva de potência/torque
do spindle, verificando se o mesmo fornece a potência calculada
para a rotação desejada. No fresamento, essa potência
pode genericamente ser calculada através da seguinte expressão:
Onde Kc é a Força específica média,
variando de 0.76 a 0.9 (N x mm-2) para o alumínio
No fresamento de materiais dúcteis, de todos os ângulos
de corte, o que mais influencia a força específica
de corte (Ks) é o ângulo de saída ( 0). Temos
também uma pequena influência do ângulo de
inclinação ( s), porém, devido a própria
variação causada pelo ângulo de saída,
este pode ser desconsiderado para efeito de cálculo.
O valor de Ks aumenta a medida que o ângulo de saída
( 0 ) é aumentado. KIENZLE sugere um aumento ou diminuição
de 1 a 2 % no Ks para cada diminuição ou aumento
de 1º do ângulo de saída ( 0), respectivamente.
Esta influência não está fortemente presente
na usinagem de materiais frágeis, como o ferro fundido,
pois quando usinados, têm uma deformação muito
pequena antes da ruptura.
Cobertura em ferramentas
para usinagem do Alumínio.
Um dos itens ainda em debate entre os engenheiros de aplicações
de empresas aeronáuticas (basicamente usinagem de ligas
alumínio-zinco) é sobre a necessidade ou não
de ferramentas recobertas, principalmente as recobertas com camadas
que possuem titânio (TiC, TiCN, TIN). Podemos citar abaixo
os motivos deste não consenso:
Fatores contra a cobertura:
* Comprimento cilíndrico da aresta principal de corte e
raio de canto da ferramenta ("cilindrical land widht, cilindrical
lenght, etc.). É de extrema importância para a usinagem
do alumínio que se tenha uma aresta de corte afiada como
também um "comprimento cilíndrico"ao longo
da aresta principal de corte e um arredondamento no raio da ferramenta,
reduzindo a vibração. Este comprimento/arredondamento
possuí dimensões extremamente "apertadas"
e são padronizados segundo a norma N.A.S.986. A adição
"simples e pura" destas coberturas iria alterar a geometria
da ferramenta e respectivamente seu comportamento durante a usinagem.
* Classe do "Metal Duro" - teríamos por "teoria"
a classe "P" para a usinagem do alumínio visto
que esta, entre outros fatores, é indicada para materiais
dúcteis e formadores de cavaco "em fita", entretanto
faz-se a escolha da classe "K" devido ao fato da classe
"P" conter o elemento carbeto de titânio em sua
composição e este combinar quimicamente com o alumínio
durante a usinagem.
* A vida de uma ferramenta de metal duro em "Velocidade de
Corte" entre 700 e 1300 m x min-1 varia de 600min a 1300min,
dependendo do "fabricante" da ferramenta, sendo que
o critério de fim de vida está mais relacionado
a vibrações e rugosidade superficial da peça
do que propriamente as dimensões dos desgastes da aresta
de corte.
* Fluído de corte - tem-se exemplos onde a alteração
do fluído de corte fez com que alguns fenômenos de
oxidação da ferramenta em regiões próximas
a aresta de corte e em Velocidades de Corte superiores a 1300
m x min-1 a altas taxas de remoção de material (objeto
do nosso trabalho) não se repetissem ou não foram
notados visualmente.
Fatores a favor:
* Fatores "tribológicos" entre a cobertura e
material da peça como também a estrutura cristalina
desta cobertura, faz com que esta se comporte de maneira mais
estável na usinagem
* Coberturas de diamante PVD são atualmente possíveis
porém deve-se fazer análises técnicas e econômicas
para seu uso.
* Outros tipos de cobertura estão sendo desenvolvidas no
mercado e podem ser testada.
VIDA
DA FERRAMENTA
Para se realizar com êxito uma usinagem rentável
usando baixa profundidade de corte, tanto avanço quanto
rotação devem ser ampliadas. Uma grande preocupação
surge com relação a vida da ferramenta, entretanto,
muitos estudos tem concluído que se pode usinar alumínio
com taxas maiores, sem se sacrificar a vida da ferramenta. Uma
explicação, talvez pode ser inferida ao compararmos
as figuras 1.8A e 1.8B , onde as figuras representam um ensaio
comparativo entre uma usinagem convencional (1.8A) e uma High
Speed (1.8B), sendo mantidas como constantes a profundidade de
corte e o avanço por dente. Esta figura mostra um acréscimo
na temperatura na região próxima a aresta de corte
da ferramenta, entretanto o valor máximo alcançado
não é suficiente para alterar significativamente
a vida da ferramenta.
As figuras 1.8A e 1.8B - Comparação de temperatura
na ferramenta entre uma usinagem convencional e outra em HSM,
utilizando uma fresa de topo de 25mm, avanço por dente
(fz) de 0.025 inches/dente.
Estratégia
de corte.
Devido aos novos parâmetros de geometria que a usinagem
HSM veio proporcionar à industria aeronáutica, pode-se
considerar como principais itens para a manufatura desses componentes:
* a habilidade do programador;
* a utilização de softwares de programação,
simulação de usinagem e simulação
de máquina, sendo este último utilizado principalmente
para máquinas HSM de quatro eixos ou mais.
* parâmetros de usinagem adequados.
Os fabricantes de máquinas ferramentas assim como os fabricantes
de ferramentas tem auxiliado sobre o tipo de estratégia
e parâmetros de corte (muitos dos mesmos bem conservadores)
que devem ser usados a princípio para a montagem da estratégia
de usinagem, os quais devem ser citados:
* usar ferramentas as mais curtas possíveis. Uma relação
ideal é de até três vezes o seu diâmetro;
* remover maior quantidade possível com uma fresa curta,
método de usinagem em degraus para depois troca-lá
por outra próxima de comprimento maior;
* nas cavidades desbastar e acabar por planos, interna e externamente
sempre que possível;
* usinar com sentido de corte concordante;
* interpolação circular nos cantos, nas entradas
e saídas da ferramenta, se possível;
* usar refrigeração interna nas ferramentas;
* usar relação 50/50% (Ae/Ap) para a profundidade
radial e axial. Para essa regra existem exceções
e ao se determinar a profundidade de corte, deve-se analisar o
comprimento da ferramenta que está em externo a fixação
(overhang - figura1.8)
Figura1.8: comprimento da ferramenta externo a fixação
(overhang )
Uma
boa recomendação da profundidade de corte, segue
a seguinte regra:
Comprimento (overhang) Profundidade de Corte (ap)
1~2 diâmetros 50 % do diâmetro
3 diâmetros 33 % do diâmetro
4 diâmetros 25 % do diâmetro
5 diâmetros 20 % do diâmetro
Para ferramentas cujo comprimento exceda 5 vezes o diâmetro,
tem se como recomendação a utilização
de parâmetros convencionais
|
