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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

ANLISE DE FORAS NO FRESAMENTO DE TOPO CONVENCIONAL E COM

ALTAS VELOCIDADES DE CORTE

DISSERTAO SUBMETIDA UNIVERSIDADE

FEDERAL DE SANTA CATARINA PARA A OBTENO

DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA MECNICA

SRGIO EDUARDO MORENO MACEDO

FLORIANPOLIS, MARO DE 2001

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ANLISE DE FORAS NO FRESAMENTO DE TOPO CONVENCIONAL E COM

AL TAS VELOCIDADES DE CORTE

SRGIO EDUARDO MORENO MACEDO

ESTA DISSERTAO FOI JULGADA PARA OBTENO DO TTULO DE

MESTRE EM ENGENHARIA

ESPECIALIDADE ENGENHARIA MECNICA E APROVADA EM SUA FORMAFINAL PELO PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

Pi rand Schroeter, Dr. Eng.Orientador

Prof. Walter Lindolfo Weingaertner, Dr.-lng.Co-orientador

Coordenador da Ps-Graduao

BANCA EXAMINADORA

Prof. Armando Albertazzi Gonalves Jr., Dr. Eng.Presidente

Prof. Joo Carl< ' sFerreira, Ph. D.

Prof. Carlos^Hnrique Ahrens, Dr. Eng.

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Aos meus pais,

meu alicerce.

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Agradecimentos iv

Agradecimentos

Ao Prof. Dr. Eng. Rolf Bertrand Schroeter pela orientao, pacincia, apoio e

amizade, sem os quais este trabalho no poderia ser concludo.

Ao Prof. Dr.-Ing. Walter Lindolfo Weingaertner tambm pela orientao, apoio e

amizade demonstrados desde meus primeiros dias do curso de graduao.

Ao Prof. Dr.-Ing. Gerhard Petuelli por ter aberto as portas do LWZM (Labor fr

Werkzeugmaschinen - Universitt - GH Paderborn Abteilung Soest) e dado todas as

condies para a realizao dos ensaios com altas velocidades de corte, alm do

indescritvel apoio pessoal durante minha estadia em Soest, Alemanha.Aos colegas LWZM, em especial ao Herr Hulsbeck, Herr Rtering, Herr Mller e

Herr Heinemann, que tambm deram grande apoio profissional e pessoal.

CAPES pelo apoio financeiro para a realizao deste trabalho, atravs de

concesso de bolsa de estudos.

firma Walter AG, Alemanha, por ter doado as ferramentas utilizadas nos

ensaios de alta velocidade.

firma Indufresa Comercial Ltda., na pessoa do Sr. Srgio Paolino, que doou asfresas de topo reto e se mostrou sempre disposto a auxiliar trabalhos de pesquisa.

Aos colegas do LMP pela amizade e auxlio durante nossos anos de trabalho

conjunto. Agradeo especialmente aos amigos que direta ou indiretamente deram sua

contribuio a este trabalho: Cleiton Rodrigues Teixeira, Milton Pereira, Haroldo Osis,

Joel Martins Crichigno Filho, Claudia Heusi Silveira, Henrique Brggmann Mhle,

Walmir Markus, Oliver Odebrecht, Jefferson de Oliveira Gomes, Pablo Deivid Valle,

Pablo Ricardo de Castro, Carlos Alberto Bork, Cristiano Markus, Hlio Irineu Jos,

Moacir Eckhardt, Alexandre Magno, Maria Guilhermina Salasrio.

Aos meus pais Ldia Moreno Macedo e Waldemar Macedo, pelo apoio

incondicional em todos os momentos da minha vida, mesmo quando o que fao no

de seu agrado.

minha esposa Grasiella Maria da Silva Macedo pelo amor, apoio e

companheirismo, mantendo-se sempre ao meu lado nesta nossa caminhada.

Aos colegas de curso e professores da Engenharia Mecnica da UFSC.

A todos que, direta ou indiretamente, contriburam para a realizao deste

trabalho.

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Sumrio v

Sumrio

Simbologia ______________________________________________________________ vii

Resumo__________________________________________________________ x

Abstract____________________________________________________________ xi

1. Introduo____________________________________________________________ 1

2. Estado da A rte____________________________________________________ _ 52.1. O Processo de Fresamento__________________________________________5

2.2. Fresamento de Topo_______________________________________________ 8

2.3. Excentricidade e Deflexo da Fresa___________________________________9

2.4. Vibraes no Fresamento___________________________________________11

2.5. Foras no Fresamento_____________________________________________ 15

2.6. Fresamento com Altas Velocidades de Corte___________________________25

2.7. Desgaste da Ferramenta___________________________________________30

2.8. Materiais para Fresas______________________________________________32

2.9. Fluidos de Corte__________________________________________________ 34

3. Planejamento Experimental_____________________________________________37

3.1. Fresamento de Topo Reto Convencional______________________________38

3.1.1. Ensaios de fora ______________________________________________ 41

3.1.2. Ensaios de desgaste___________________________________________42

3.2. Fresamento de Topo Esfrico com Altas Velocidades de Corte___________ 44

4. Anlise dos Resultados_________________________________________________ 49

4.1. Ensaios de Fresamento de Topo Reto Convencional ___________________50

4.1.1. Efeito da excentricidade da fresa nas foras_______________________50

4.1.2. Efeito da vibrao auto-excitada nas foras________________________56

4.1.3. Influncia dos parmetros de corte (d, z, ae) nos ensaios de fora_____59

4.1.4. Resultados dos ensaios de desgaste______________________________67

4.2. Ensaios de Fresamento de Topo Esfrico com Altas Velocidades de

Corte___________________________________________________________ 73

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Sumrio vi

5. Concluses e Sugestes para Futuros Trabalhos___________________________82

5.1. Concluses_______________________________________________________ 82

5.2. Sugestes para Futuros Trabalhos __________________________________85

6. Referncias Bibliogrficas_______________________________________________ 87

7. Anexos______________________________________________________________ 97

7.1. Caractersticas dos Equipamentos e Produtos Utilizados________________97

7.1.1. Fresadora vertical convencional__________________________________97

7.1.2. Fresadora vertical de alta velocidade_____________________________ _ 97

7.1.3. Sistema de medio de foras___________________________________987.1.4. Sistema de aquisio de imagens_______________________________101

7.1.5. Equipamentos para avaliao geomtrica das fresas_______________102

7.1.6. Sistema de minimizao de fluidos de corte______________________102

7.1.7. Descrio dos fluidos de corte utilizados__________________________103

7.2. Composio Qumica das Ferramentas de Ao-Rpido e Corpos de

Prova Utilizados____________________________________- ________ 103

7.3. Mdias e Desvio-Padro de Fxy e 0 para os Ensaios de Fora EF________ 1047.4. Mdias e Desvio-Padro do Desgaste do Flanco Principal para os

Ensaios de Desgaste ED_________________________________________ 107

7.5. Comparaes entre os Ensaios com Altas Velocidades de Corte________ 108

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Simbologia vii

Simbologia

Letras maisculas

F N Fora de usinagem

F ax N Fora na direo axial

Fc N Fora de corte

Fe N Fora de ensaio

Fr N Fora na direo radial

Fx N Fora na direo xFy N Fora na direo y

Fz N Fora na direo z

F xy N Resultante das foras no plano xy (Fxy = Fx + Fy)

KT mm Profundidade da cratera

Ra um Rugosidade mdia aritmtica

Rt j_im Profundidade mxima de rugosidade

Rt ter f m Profundidade mxima de rugosidade tericaRz fim Rugosidade mdia

VB mm Largura da marca de desgaste de flanco

Letras minsculas

ae mm Profundidade de corte radial (penetrao detrabalho, largura de usinagem, incremento lateral,

largura de engajamento)

ap mm Profundidade de corte axial (penetrao passiva)

apcr mm Profundidade de corte axial crtica

3Pcr min mm Profundidade de corte axial crtica mnima

br mm Distncia entre linhas

d mm Dimetro da fresa

f mm Avano por rotao

f Hz Freqncia

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Simbologia viii

fz mm Avano por dente

hc mm Espessura de usinagem

m - Nmero inteiro positivon min'1, rpm Rotao por minuto

Vf m/min Velocidade de avano

Vfh m/min Velocidade de avano na direo horizontal

vc m/min Velocidade de corte

vcm m/min Velocidade de corte mdia

z - Nmero de dentes da fresa

Letras gregas

i graus ngulo de inclinao longitudinal

t graus ngulo de inclinao transversal

A - Diferena

8 mm Deflexo da fresa de topoyf graus ngulo de sada radial

Yp graus ngulo de sada axial

9 graus ngulo de rotao

9 graus ngulo de fase

X graus ngulo de posio do dente de referncia

0 graus Direo da fora resultante Fxy

p mm Excentricidade da fresa de topo

Abreviaturas e smbolos qumicos

A/D

ASMECAD

Analgico/Digital

The American Society of Mechanical EngineersComputer Aided Design

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Simbologia ix

CAM Computer Aided Manufacturing

CBN Nitreto de Boro Cbico

CIRP Collge International pour l'Etude Scientifique desTechniques de Production Mcanique (International

Institution for Production Engineering Research)

CNC Computerized Numerical Control

CVD Chemical Vapour Deposition

FSO Full Scale Operation

LABSOLDA Laboratrio de Soldagem - UFSC

LMP Laboratrio de Mecnica de Preciso - UFSCM.U. Mechanical Units (por exemplo N, bar, g)

NC Numerical Control

NURBS Non-Uniform Rational B-Splines

PC Personal Computer

PCBN Nitreto de Boro Cbico Policristalino

PCI Peripheral Component Interconnect

PVD Physical Vapour Deposition

RAM Random Access Memory

RWTH Rheinisch Westflische Technische Hochschule

S3N4 Nitreto de Silcio

TiN Nitreto de Titnio

TU Technische Universitt

UFSC Universidade Federal de Santa Catarina

VDI Verein Deutscher Ingenieure

VGA Video Graphics Array

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Resumo x

Resumo

f

Neste trabalho so apresentadas caractersticas da resultante de fora Fxy, seu ngulo

de direo 0 e, em alguns casos, as componentes Fx, Fy e Fz em dois modos de

fresamento: topo reto com velocidades de corte convencionais e topo esfrico com

altas velocidades de corte. No primeiro modo foram avaliados os efeitos da

excentricidade, da vibrao auto-excitada e de parmetros de corte (d, z e ae).

Confirmou-se que a principal causa da excentricidade a montagem da fresa, e suas

conseqncias foram a sobrecarga sofrida por alguns dentes, alm do deslocamento

do contedo de freqncias do sinal de fora da freqncia de entrada de dentes para a de rotao. A vibrao auto-excitada foi extremamente prejudicial ao processo,

causando forte sobrecarga e podendo danificar ferramenta e pea. Foram

apresentadas caractersticas da influncia dos parmetros citados que podem ser

utilizadas no planejamento do fresamento. Nos ensaios com vc convencional tambm

foram avaliadas a influncia do fresamento a seco, com emulso, com minimizao de

fluido de corte, alm da vc e do uso de 5% de cobalto no ao-rpido na evoluo de Fxy

com o desgaste. O uso da emulso aumentou a vida da fresa em mais de 6 vezes ereduziu Fxy final em 25%. O aumento em 2 vezes de vc no foi suficiente para que o

ensaio com emulso apresentasse o mesmo desgaste do ensaio a seco. O uso da

minimizao teve o mesmo efeito da adio de cobalto, dobrando a vida e reduzindo

em 25% a Fxy, em comparao com o ensaio a seco. Nos ensaios com alta vc, devido

limitao da freqncia de ressonntia do dinammetro piezeltrico, analisou-se

somente a componente esttica de Fxy, medida para vrias inclinaes da fresa em

relao superfcie fresada, no fresamento concordante, discordante e combinado.

Obtiveram-se padres de comportamento que podem ser utilizados na determinao

de estratgias de fresamento. A intensidade de Fxy para as diversas condies foi

semelhante e somente 0 apresentou diferenas de acordo com a geometria do corte. A

atuao do gume transversal da fresa foi bastante prejudicial ao processo, promovendo

sobrecargas e esmagamentos de material da pea.

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Abstract xi

Abstract

This work presents the characteristics of the resulting force Fxy, its direction angle 0,

and in some cases, the components Fx, Fy and Fz in two ways of milling: flat end milling

with normal cutting speed and ball end milling with high-speed cutting. The first way of

milling evaluated the effects of eccentricity, chatter vibration and the cutting parameters

(d, z and ae). The main source of the eccentricity, which is the mounting condition of the

mill, was verified, and its consequences were the overload of certain teeth and the

shifting of the content of the force signal away from the tooth passing frequency to the

spindle rotational frequency. The chatter vibration was very damaging to the process, overloading the mill and leading to possible damage of the tool or workpiece. The

influences of the cutting parameters stated earlier were presented, which may help

future planning of the end milling process. The influence of milling with emulsion,

minimal amount of cutting fluid, dry cutting, two different cutting speeds and the addition

of 5% Cobalt in the HSS were evaluated relating the force Fxy and the wear of the mill

for the experiments with normal cutting speed. Milling with emulsion increased tool life

by more than 6 times and decreased the final Fxy by 25%. The cutting speed was then doubled, but it was not enough to have the same wear as the dry cutting experiment.

The end milling process with minimal amount of cutting fluid had the same effect as

using a 5% Co tool, doubling the tool life and decreasing the final Fxy by 25%, compared

to the dry process. The experiments with high-speed cutting were limited by the

resonance frequency of the piezoelectric dynamometer, and only the static content of

the force Fxy signal was evaluated. The conditions were different angles between the

tool and the milled surface for the up milling, down milling, and combined up and down

milling. Some standards of behaviour for future use in planning strategies of the high

speed cutting milling were obtained. The intensity of the Fxy was similar for many

conditions of the experiments, and only the angle 0 was different according to the

geometry of the cutting process. The centre cutting edge was very damaging for the

process when in contact with the workpiece, and caused overloading and crushing of

the workpiece material.

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1. Introduo 1

1. Introduo

O fresamento um dos mais universais, ainda que complexo, processos de

usinagem, tendo a maior variao em tipos de mquinas e ferramentas utilizadas e

movimentos da pea que qualquer outro mtodo bsico de usinagem. As vantagens

mais importantes so a alta taxa de remoo de material, a capacidade de produo de

superfcies com elevada qualidade e a grande variedade de ferramentas disponveis.

As aplicaes do processo incluem a produo de superfcies planas, contornos,

rasgos, ranhuras, cavidades e roscas, entre outras [1-4].Um dos mtodos de fresamento o fresamento de topo. Este o mais comum e

amplamente utilizado mtodo, sendo bastante verstil e possuindo o maior nmero de

tipos padronizados, formas e tamanhos de fresas. As fresas de topo so utilizadas para

facear, ranhurar, executar cavidades, rebaixos, matrizes, gravaes, rasgos de todos

os tipos e tamanhos e fresar contornos. Um problema comum em fresas de topo a

baixa preciso de giro e a possibilidade de vibrao devido deflexo [1, 2, 5, 6]. A

ocorrncia da excentricidade praticamente inevitvel, e atribui-se isso principalmentea erros na montagem da ferramenta [7-10]. Em virtude da fresa de topo estar fixa por

uma nica extremidade e devido sua caracterstica de falta de rigidez surgem

tambm deflexes pela ao das foras de usinagem [8, 11].

Tambm comum no fresamento de topo o surgimento de vibraes auto-

excitadas, principalmente quando o processo apresenta altas taxas de remoo. As

principais conseqncias so a piora na qualidade superficial e dimensional da pea, o

desgaste excessivo ou a quebra da ferramenta e a limitao da produtividade do

processo [12-14].

A utilizao de altas velocidades de corte reduz as foras na usinagem,

proporciona que o calor gerado no processo seja removido em grande parte pelo

cavaco, produz superfcies com melhor acabamento e menos afetadas termicamente,

permite a usinagem em regies de estabilidade, livres de vibraes auto-excitadas e

reduz a formao de rebarbas. Desta forma, o fresamento com altas velocidades de

corte, de 5 a 10 vezes maior que o utilizado convencionalmente, tem como um dos

maiores potenciais a fabricao de moldes e matrizes [15-21].

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1. Introduo 2

Moldes e matrizes geralmente so constitudos de muitas superfcies complexas

que podem ser usinadas, sem danificar o contorno, por fresamento em trs eixos ou

cinco eixos com fresa de topo. A utilizao de altas velocidades de corte tem comoconseqncia o aumento na mesma proporo da velocidade de avano, permitindo

melhor e mais rpida aproximao do perfil final da pea, considervel reduo do

tempo de trabalho final manual, reduo de tempos e custos e aumento de qualidade

das peas [15-18, 20-22].

A principal limitao do processo de usinagem com altas velocidades de corte

o acentuado desgaste da ferramenta, principalmente para o corte de aos, ferros

fundidos e ligas de baixa usinabilidade. Entretanto, a escolha adequada do tipo de estratgia a ser utilizada tem conseqncia direta na vida da ferramenta e tambm na

qualidade dimensional do componente usinado [15-21, 23].

Na anlise do processo de usinagem em termos quantitativos, a caracterizao

das foras envolvidas no corte de fundamental importncia para a pesquisa e o

desenvolvimento de modelos, para a otimizao, o monitoramento e o controle do

processo. Em virtude de sua relativa facilidade de medio e sua relevncia fsica, as

foras so, freqentemente, elementos-chave para o entendimento da cinemtica e da

dinmica de mquinas-ferramentas e processos de usinagem. O conhecimento da

grandeza e direo da fora de usinagem de importncia no projeto dos elementos

de mquinas-ferramentas, na determinao dos parmetros de corte, no conhecimento

dos fenmenos que ocorrem durante o processo de corte, no esclarecimento dos

mecanismos de desgaste e na estimativa da preciso de usinagem atingvel [1, 4, 5,

24-27].

As pesquisas na rea da engenharia de fabricao, principalmente no ramo da

usinagem, tm dado forte nfase a sistemas de manufatura totalmente automatizados,

integrados e auto-ajustveis que so capazes de usinar diversas peas e controlar o

processo sem a superviso ou a interveno humana. Para atingir tal objetivo, devem

ser criados sistemas simples e robustos de monitoramento de usinagem que garantam

segurana e eficincia na remoo de material, podendo detectar quebra de

ferramenta, desgaste, vibraes, sobrecargas e outras muitas anomalias indesejadas.

Entre os recursos disponveis para os sistemas de monitoramento, um dos mais

utilizados a medio de foras durante a usinagem, pois essas podem ser

relacionadas com a mecnica do processo [28-37].

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1. Introduo 3

O objetivo geral deste trabalho foi medir as foras durante o processo de

fresamento de topo, sob diversas condies, para buscar padres de comportamento

que possam ser utilizados em sistemas de monitoramento do processo, nadeterminao das condies de usinagem mais adequadas para um determinado caso

e na avaliao das influncias de alguns parmetros de corte nas foras.

O desenvolvimento do trabalho foi dividido em dois grupos de pesquisa com

objetivos especficos, estabelecidos em funo do tipo de ferramenta e condio de

velocidade de corte. No primeiro grupo esto as anlises do fresamento de topo reto

com velocidades de corte convencional e no segundo grupo o fresamento de topo

esfrico com altas velocidades de corte.

No primeiro grupo o objetivo foi analisar o comportamento das componentes de

fora Fx, Fy e Fz no fresamento de rasgos com fresas de topo reto em condies

normais, com elevada excentricidade e com vibrao auto-excitada. Esta anlise

buscou identificar padres de comportamento para que estas anomalias possam ser

detectadas em sistemas de monitoramento em processo, fornecer subsdios para o

estudo destes fenmenos e evitar seu surgimento.

Ainda neste grupo foram avaliadas as caractersticas da resultante das foras Fx

e Fy (plano xy), denominada Fxy e tambm o ngulo de direo (0) desta resultante.

Esta avaliao foi efetuada para diferentes condies de trabalho, alterando-se

parmetros de usinagem tais como dimetro da fresa (d), nmero de dentes (z) e

profundidade de corte radial (ae). Novamente o que se buscou foram padres de

comportamento das foras e informaes que possam ser utilizadas na determinao

da melhor condio de fresamento para determinada aplicao.

Por fim avaliou-se o comportamento das foras com o desgaste da fresa para

alguns fluidos de corte, velocidades de corte e material de ferramenta. Neste item a

nfase foi dada mais para a evoluo das foras com o desgaste do que para a forma

de desgaste propriamente dita.

O objetivo do segundo grupo dos ensaios foi avaliar o comportamento de Fxy no

fresamento de topo esfrico com altas velocidades de corte para diversas inclinaes

da fresa em relao superfcie a ser usinada no fresamento concordante, discordante

e combinado. Buscou-se com estes experimentos simular as muitas condies a que a

fresa submetida durante a usinagem de uma cavidade complexa, como as existentes

em moldes e matrizes. O objetivo foi obter informaes para a elaborao de

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1. Introduo 4

estratgias de usinagem que reduzam o desgaste da fresa, que crtico em altas

velocidades, e tambm minimizem deflexes indesejadas da ferramenta e da pea.

Este trabalho apresenta no Captulo 2 o embasamento terico bsico no qualtodo desenvolvimento efetuado est fundamentado. No Captulo 3 tem-se as

informaes necessrias para o entendimento de como os experimentos foram

realizados. A apresentao e anlises dos resultados obtidos nos ensaios, as

conseqncias para o processo e as relaes com a teoria esto no Captulo 4. O

Captulo 5 apresenta as concluses finais e sugestes para a elaborao de futuros

trabalhos. A referncias bibliogrficas e informaes adicionais esto nos captulos 6 e

7, respectivamente.

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2. Estado da Arte 5

2. Estado da Arte

2.1. O Processo de Fresamento

Fresamento um processo de usinagem para remoo de material por

movimento relativo entre a pea e uma ferramenta rotativa, normalmente de mltiplos

gumes, denominada fresa. Em algumas aplicaes a pea permanece fixa enquanto a

ferramenta rotativa se movimenta sobre essa a uma determinada velocidade. Em

outras aplicaes tanto a pea quanto a fresa se movem uma em relao outra e emrelao mquina-ferramenta. Contudo, freqentemente a pea se movimenta com

uma velocidade de avano pequena em relao fresa, que possui uma rotao

relativamente alta. Uma caracterstica do processo que cada gume da fresa remove

uma poro de material da pea na forma de pequenos cavacos individuais [1-3, 38].

Praticamente toda operao de fresamento consiste em corte interrompido, onde cada

gume atua num tempo inferior metade do necessrio para a ferramenta completar

uma revoluo. Em conseqncia do duplo movimento, rotao da fresa e avano dapea, a espessura do cavaco varia constantemente [1, 5].

As operaes de fresamento so efetuadas em diferentes mquinas-

ferramentas. Desde que a fresa e a pea possam se movimentar relativamente entre si,

independentemente ou em combinao, uma grande variedade de operaes podem

ser efetuadas por fresamento. As aplicaes do processo incluem a produo de

superfcies planas, contornos, rasgos, ranhuras, cavidades e roscas, entre outras [1-4].

O fresamento um dos mais universais, ainda que complexo, processos de

usinagem. O processo tem a maior variao em tipos de mquinas utilizadas,

movimentos da pea e tipos de ferramentas que qualquer outro mtodo bsico de

usinagem. As vantagens mais importantes so a alta taxa de remoo de material, a

capacidade de produo de superfcies com elevada qualidade e a grande variedade

de ferramentas disponveis. Os gumes das fresas podem ser produzidos para formar

muitos tipos de superfcies complexas [1-3]. Por outro lado, comparando-se com outros

processos, o fresamento pode apresentar desvantagens em determinadas condies.

O aplainamento possui um custo inferior de mquina e ferramental, o brochamento

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17/120

2. Estado da Arte 6

externo mais econmico para grandes lotes e a retificao, apesar da menor taxa de

remoo de material, gera melhores caractersticas geomtricas e superficiais [4],

Os mtodos de fresamento podem ser divididos em dois grupos principais:perifrico ou tangencial, e frontal [1-4, 24, 38]. Outros mtodos de fresamento que

existem podem ser considerados variaes desses dois e dependem do tipo de pea e

ferramenta utilizados [1, 24].

No fresamento perifrico, ou tangencial, a superfcie usinada gerada por

gumes ou insertos posicionados na periferia da fresa, e geralmente um plano paralelo

ao eixo da ferramenta. Operaes para produo de relevos ou perfis esto includos

nesse mtodo. A seo transversal da superfcie fresada corresponde ao contorno da fresa ou combinao de fresas utilizadas [1-4, 24, 38].

No fresamento frontal a superfcie usinada resulta da ao combinada dos

gumes localizados na periferia e na face frontal da fresa, esta geralmente em ngulo

reto ao eixo da ferramenta. Normalmente a superfcie fresada plana, sem qualquer

relao com o contorno dos gumes [1-4, 24, 38].

De acordo com a direo de corte e de avano, distinguem-se ainda o

fresamento concordante e o fresamento discordante. No fresamento concordante os

movimentos de corte e de avano tm, em mdia, o mesmo sentido, iniciando-se o

corte com a espessura mxima de cavaco. No fresamento discordante os movimentos

de corte e avano tm, em mdia, sentidos opostos, iniciando-se o corte com a

espessura mnima de cavaco. No caso do eixo da fresa interceptar a pea, tem-se o

fresamento concordante e discordante combinados. Isto ocorre geralmente nos

processos de fresamento frontal e de topo (figura 2.1) [1-3, 5, 38, 39].

No fresamento discordante a espessura inicial de corte teoricamente zero.

Assim, inicialmente uma camada de material deformada elstica e plasticamente pela

compresso da ferramenta. Somente quando atingida uma espessura mnima de

corte que se inicia a remoo de material [1-3, 5, 39]. O resultado disso o desgaste

abrasivo sofrido pelo flanco principal da fresa que atrita sobre uma superfcie de

material que pode estar endurecido pelo gume anterior, reduzindo assim a vida da

ferramenta. Alm disso, cavacos ficam ocasionalmente aderidos ao gume da fresa,

podendo provocar sua quebra quando entrar novamente no corte [1-3].

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2. Estado da Arte 7

Discordante

Figura 2.1 - Fresamento discordante, concordante e combinado [1, 2, 5]

As vantagens do fresamento concordante so as seguintes [1, 2]:

A fora de corte empurra a pea contra a mesa da mquina e contra a

fixao, minimizando a possibilidade de vibraes;

Menor desgaste e por conseqncia maior vida da ferramenta;

Melhor qualidade superficial obtida;

Menor fora e potncia de avano;

Menor caminho percorrido pelo gume na pea.

Embora no seja algo bvio, a reduo de caminho percorrido , em mdia, da

ordem de 3%, com reduo correspondente de desgaste. Essa diferena de percurso

funo do dimetro da fresa, do avano por rotao e da profundidade de corte radial,

sendo igual a: 2ae(f/7td)[(d/ae)-1]1/2. Atravs de uma anlise cuidadosa da figura 2.1

percebe-se que no fresamento discordante, em funo do movimento em direes

opostas, o gume permanece um tempo maior em contato com a pea [1, 2, 38, 40].Apesar das vrias vantagens do fresamento concordante existem casos em que

no se pc^le utiliz-lo, como por exemplo [1, 2]:

Quando existem folgas no fuso da mesa da mquina-ferramenta;

Quando a superfcie da pea tiver resduo de areia de fundio, for

proveniente de processo de forjamento ou for muito irregular.

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2. Estado da Arte 8

2.2. Fresamento de Topo

Muitos mtodos de fresamento podem ser classificados de acordo com oconceito de fresamento perifrico ou frontal. Entretanto, alguns so relacionados com o

tipo de pea usinada ou a caracterstica da ferramenta empregada. Entres estes

mtodos est includo o fresamento de topo. As fresas de topo possuem gumes tanto

na sua periferia quanto na sua face. Este tipo de fresa a mais comum e amplamente

utilizada, sendo bastante verstil e possuindo, entre todos os tipo de fresa, o maior

nmero de tipos padronizados, formas e tamanhos. Podem ser produzidas com topo

simples ou duplo, haste e corpo cilndricos ou cnicos, em diversos dimetros e comprimentos, possuir dois, trs, quatro, seis ou mais canais, sendo que na maioria

estes so helicoidais e, em alguns casos, retos. O topo pode ser reto ou esfrico [1].

Construtivamente as fresas de topo podem ser inteirias, com insertos ou gumes

soldados ou ainda com insertos intercambiveis. Os insertos soldados so de ao-

rpido ou, na maioria das vezes, metal-duro, e os intercambiveis so geralmente de

metal-duro. As fresas inteirias so feitas normalmente de ao-rpido ou metal-duro

(figura 2.2) [1,6],

11

t

r y m i p|| rT 22

Figura 2.2 - Tipos gerais de fresas de topo [6, 15]

Nas operaes de fresamento perifrico o dimetro da fresa determina a mxima

profundidade de corte radial, e nas operaes de fresamento frontal o comprimento

axial dos gumes determina a mxima profundidade da corte axial [1]. Essas fresas so

utilizadas para facear, ranhurar, executar cavidades, rebaixos, matrizes, gravaes,

rasgos de todos os tipos e tamanhos e fresar contornos [1, 2, 5, 6].

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2. Estado da Arte 9

As combinaes de corte com fresas de topo so numerosas. A experincia tem

mostrado que quando a face da fresa atua no processo de usinagem o sentido de

rotao e o sentido da hlice devem ser os mesmos. A combinao das componentesradial, axial e tangencial de fora sobre a fresa podem produzir deflexes que levam a

ferramenta tanto para fora quanto para dentro da pea, conforme a intensidade dessas

componentes. Contudo, para o mesmo sentido da rotao e da hlice, a fora axial

tende a puxar a fresa do fuso da mquina. Tambm nesse caso danos podem ocorrer

quando a usinagem for executada com a face e um grande comprimento da periferia da

fresa simultaneamente. Isto ocorre porque o sentido da hlice fora a ferramenta contra

a pea, podendo danificar seriamente a pea, a fresa ou a mquina. Neste caso deve- se providenciar uma fixao de ferramenta bastante segura para que possveis danos

sejam evitados. Para operaes onde a face da fresa no atua deve-se utilizar um

sentido contrrio entre a rotao e a hlice. A fora axial contrria ao fuso ir promover

uma garantia adicional de fixao da ferramenta em sua posio [1, 2].

2.3. Excentricidade e Deflexo da Fresa

Um problema comum em fresas de topo a baixa preciso de giro e a

possibilidade de vibrao devido deflexo [1]. O ideal seria que o centro de rotao

coincidisse com o centro geomtrico da ferramenta, produzindo-se desta forma

cavacos com a mesma espessura para todos os dentes. Define-se ento

excentricidade (p) como sendo a distncia entre o centro de rotao e o centro

geomtrico da fresa, junto com o menor ngulo positivo (X)formado pela linha que liga

os centros e uma linha do centro geomtrico a um dente tomado como referncia

(figura 2.3) [7-10].

Em condies normais de usinagem a ocorrncia da excentricidade

praticamente inevitvel, e atribui-se isso principalmente a erros na montagem da

ferramenta [7-10]. Segundo o trabalho realizado por ARMAREGO e DESHPANDE [7], a

excentricidade causada por erros na fabricao da fresa de aproximadamente 2 um,

pois seu processo de retificao executado normalmente entre centros. Em

contrapartida, a excentricidade verificada com a ferramenta montada na fresadora

consideravelmente maior (18 a 20 fim) [7]. Alm disso, a excentricidade tende a variar

cada vez que a fresa montada no seu sistema de fixao [8].

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2. Estado da Arte 10

Figura 2.3 - Excentricidade na fresa de topo [9]

Uma fresa de topo excntrica pode ser representada por uma ferramenta com

raio varivel girando em torno do eixo de rotao e, desta forma, tem-se que a

espessura do cavaco no igual para todos os dentes. Numa condio crtica pode

ocorrer que um dente no remova material nenhum. Sendo assim, a excentricidade

um importante fator que contribui para a alterao no perfil esperado de fora de

fresamento [7-10], A excentricidade altera as foras mdias e os picos mximos e

mnimos do perfil instantneo de foras de diversas maneiras, dependendo das

condies de corte, da geometria do corte e da natureza e intensidade da

excentricidade. Isto pode levar a problemas de quebra e desgaste excessivo da

ferramenta, erros geomtricos na pea e alteraes no comportamento dinmico do

processo de corte e da mquina-ferramenta. Existe a tendncia do contedo de

freqncias das foras deslocar-se da freqncia de entrada de dentes para a de

rotao da fresa [9],

Em virtude da fresa de topo estar fixa por uma nica extremidade e devido sua

caracterstica de falta de rigidez surgem deflexes pela ao das foras de usinagem

(figura 2.4) [8, 11]. Tambm so defletidas, mas em propores consideravelmente

menores, a fixao da fresa, da pea e a mquina-ferramenta [41]. As deformaes da

pea a ser usinada devem ser consideradas crticas quando se tratar de paredes finas

com baixa rigidez [42, 43]. O aumento da rigidez e a reduo da deflexo da fresa

podem ser obtidos pelo aumento do dimetro e pela reduo do comprimento livre da

fresa. A deflexo diretamente proporcional ao cubo do comprimento livre e

inversamente proporcional quarta potncia do dimetro, sendo tambm afetada pelo

nmero de gumes que atuam simultaneamente na pea. Fresas com tamanho de canal

reduzido podem ser utilizadas para diminuio da deflexo, mas desta forma o espao

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para armazenamento de cavacos ficar tambm reduzido. Algumas fresas para

trabalho pesado possuem ainda ncleo cnico [1].

A inclinao da ferramenta produzida por sua deflexo causa diferentesespessuras de cavaco no sentido axial, prejudicando o acabamento da pea,

restringindo a produtividade e gerando esforos no-uniformes sobre os gumes.

Algumas destas caractersticas so comuns excentricidade, entretanto, no caso da

deflexo, existe a diferena de espessura de cavaco no sentido axial, sendo que este

problema se torna mais crtico quanto maior for a profundidade de corte axial [25].

Figura 2.4 - Deflexo da fresa de topo causada pela fora de usinagem [16]

Apesar de indesejvel por diversos aspectos, a flexibilidade da ferramenta temcomo vantagem a reduo de sobrecargas em situaes transientes e sob vibrao

auto-excitada [42]. Deve-se notar tambm que a deflexo da ferramenta tem a

propriedade de atenuar os efeitos da excentricidade [8, 41, 43, 44]. Quando, devido

excentricidade, a espessura de cavaco a ser removida por um gume maior do que a

terica, as foras na usinagem tambm sero maiores, conduzindo a uma maior

deflexo. No entanto, caso a espessura de cavaco seja menor do que a terica, o

inverso ocorre [43]. Desta forma tem-se que os picos mximos de fora so atenuados

e os mnimos elevados [8, 41, 43,44].

2.4. Vibraes no Fresamento

As vibraes que surgem durante um processo de usinagem podem ser

divididas em dois tipos para melhor compreenso do fenmeno: vibrao externamente

excitada e vibrao auto-excitada [45, 46]. As vibraes externamente excitadas

ocorrem devido a foras transmitidas atravs da fundao da mquina, danos ou

imperfeies em elementos de mquinas gerando desbalanceamento, falhas em

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mancais e choques em engrenagens [12, 45, 47]. Tambm pertencem a essa categoria

as variaes de fora devido mudana de direo e ao corte interrompido no

fresamento, com freqncia igual de passagem dos dentes. Tambm os choques causados pelos impactos dos dentes da fresa contra a pea so causadores de

vibraes externamente excitadas [45-47].

A caracterstica principal da vibrao externamente excitada, tambm conhecida

como vibrao forada, que o sistema ir oscilar na freqncia de excitao. Neste

caso, as amplitudes sero particularmente elevadas se esta freqncia for prxima, ou

at mesmo idntica, a uma das freqncias naturais do sistema [45-47]. Estas

consideraes so obviamente vlidas para excitaes peridicas. Para impulsos eexcitaes transientes o sistema tender a oscilar em uma ou mais das suas

freqncias naturais e a amplitude de vibrao ir decair exponencialmente [45, 47].

As vibraes auto-excitadas, ou vibraes regenerativas, tm como

caracterstica a oscilao do sistema em uma ou mais freqncias naturais, sem a

interferncia de foras externas. Existem diversas fontes desse tipo de vibrao, sendo

a maioria de pouca relevncia [12, 45]. A fonte principal de vibrao regenerativa

ocorre no processo de corte devido a um mecanismo de auto-excitao durante a

formao do cavaco. No fresamento, foras com espectro de excitao de banda larga

excitam de forma relevante uma, e em alguns casos at mais, das freqncias naturais

do sistema. Devido obviamente vibrao natural desse sistema, produz-se na pea

uma superfcie ondulada que dever ser removida pelo gume subseqente. Passe

aps passe a vibrao pode ser atenuada ou ampliada, dependendo da fase entre a

vibrao natural da fresa e a ondulao produzida na pea. No limite de estabilidade a

magnitude de vibrao permanece constante, no caso de instabilidade a vibrao

amplificada e no caso estvel a vibrao atenuada (figura 2.5) [45, 46, 48-50].

Figura 2.5 - Modelo dinmico da superfcie produzida por fresamento [50]

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Esse fenmeno ocorre principalmente quando o processo apresenta altas taxas

de remoo. As principais conseqncias so a piora na qualidade superficial e

dimensional da pea, o desgaste excessivo ou a quebra da ferramenta e a limitao daprodutividade do processo [12-14]. A ocorrncia ou no de vibrao auto-excitada

depende das seguintes variveis [48]:

Estrutura da mquina e pea (rigidez, amortecimento e massa);

Orientao dos modos de vibrao do sistema;

Condies de corte: material da pea, avano, velocidade de corte,

profundidade de corte radial e axial, nmero de dentes da fresa.

Modelos ou ensaios para avaliao da vibrao na usinagem podem ser

executados e, com os resultados, preparados diagramas que indicam regies de

estabilidade e instabilidade em funo da rotao da ferramenta (n) e da profundidade

de corte axial (ap), sendo que muitos autores concentraram esforos neste tipo de

trabalho [13, 14, 24, 45, 46, 48-57]. Um exemplo desse tipo de diagrama para uma

condio de usinagem especfica est apresentado na figura 2.6. A curva deste

diagrama indica a profundidade de corte crtica em funo da rotao multiplicada pelo

nmero de dentes da fresa, dividindo-se desta forma as regies de estabilidade e

instabilidade. Profundidades de corte acima da curva resultaro em instabilidade do

processo, abaixo da curva o processo estvel. A varivel m um nmero inteiro

positivo relacionado quantidade de ondulaes produzidas por um gume em cada

passagem. Operaes normais de fresamento apresentam m

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Figura 2.6 - Diagrama de estabilidade de um processo de usinagem [45, 50]

Convm observar que esse diagrama apenas apresenta os limites de

estabilidade, no levando em considerao a amplitude de vibrao [46]. A figura 2.7

exemplifica tendncias qualitativas da amplitude de vibrao para o fresamento frontal

em funo da profundidade de corte. Deve-se considerar que as foras dinmicas so

proporcionais ao comprimento do gume. Sendo assim, as amplitudes da vibrao

externamente excitada, causada pelos impactos dos gumes contra a pea, so

diretamente proporcionais largura do cavaco. Nas vibraes auto-excitadas observa-

se uma tendncia de crescimento da amplitude similar ao anterior para valores

pequenos de ap. Ao ser atingido o limite de estabilidade (ap Cr) o processo torna-se

instvel e a amplitude de vibrao eleva-se abruptamente [45].

excitada

3pcr

Profundidade de corte ap Profundidade de corte ap

Figura 2.7 - Variao da amplitude de vibrao em funo da profundidade de corte

para vibraes externamente excitadas e auto-excitadas [45]

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2.5. Foras no Fresamento

Para deformar um material durante a usinagem e lograr a remoo de cavacos, a ferramenta empregada deve atuar com uma determinada fora sobre a pea usinada

[26]. Na anlise do processo de usinagem em termos quantitativos, a caracterizao

das foras envolvidas no corte de fundamental importncia para a pesquisa e o

desenvolvimento de modelos, para a otimizao, o monitoramento e o controle do

processo. Em virtude de sua relativa facilidade de medio e sua relevncia fsica, as

foras so, freqentemente, elementos-chave para o entendimento da cinemtica e da

dinmica de mquinas-ferramentas e processos de usinagem [25]. O conhecimento da grandeza e direo da fora de usinagem, respectivamente suas componentes Fc, Fr e

Fax ou Fx, Fy e Fz (figura 2.8), de importncia no projeto dos elementos de mquinas-

ferramentas, como acionamentos, guias, mancais, sistemas de fixao das ferramentas

e dispositivos de fixao das peas, na determinao dos parmetros de corte para o

planejamento dos trabalhos de usinagem, no conhecimento dos fenmenos que

ocorrem durante o processo de corte, no esclarecimento dos mecanismos de desgaste

e na estimativa da preciso atingvel durante a usinagem sob determinadas condies

de corte [1, 4, 5, 24, 26, 27].

Muitos autores tm dedicado um grande esforo no trabalho de criao de

modelos e simulao das foras no fresamento de topo reto ou esfrico. Os modelos

so desenvolvidos considerando-se parmetros especficos como a geometria da fresa

e do corte, o material da pea, os parmetros de corte, a excentricidade e as deflexes

estticas e dinmicas da ferramenta, pea e mquina, as vibraes externa e auto-

excitadas, entres outros. Ressalta-se que cada um deste autores considera somente

algumas daquelas variveis em seus trabalhos e no todas ao mesmo tempo [7-10, 41,

43, 44, 61, 63-78],

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(3.H / \

Figura 2.8 - Componentes da fora de usinagem segundo os sistemas de coordenadas

na ferramenta e na pea [17]

As foras nos processos de usinagem em geral so influenciadas por diversosfatores, sendo que os principais so apresentados na figura 2.9 [1, 4, 5, 24, 26, 62], A

grandeza e direo da fora de usinagem so basicamente influenciadas por fatores

quase-estticos e, alm disto, o processo de usinagem marcado por componentes de

fora irregulares e de alta dinmica, causadas por problemas de preciso na

movimentao do fuso, caractersticas do material da pea e as vibraes relativas

entre pea e ferramenta causadas por estes fatores [26].

/-----------------\Ferramenta

material,desgaste,geometria,excentricidade,deflexo,...

V J

f------- ;----------\Fluido de

Corte

refrigerao,lubrificao,...

v ____ -/

< 7

Materialda Pea

dureza,estrutura,propriedadestrmicas,...

Foras naUsinagem

Figura 2.9 - Fatores de influncia sobre a fora de usinagem [1, 4, 5, 24, 26, 62]

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Durante o fresamento cada dente ou inserto da fresa est sujeito a uma carga de

impacto quando entra na regio de corte. A magnitude desta carga depende do

material da pea, da posio da ferramenta, dos parmetros de usinagem e dageometria da ferramenta. As foras no fresamento so cclicas e fortemente

proporcionais espessura de corte em cada posio [1-3, 5, 38]. A figura 2.10 mostra

a influncia do nmero de dentes da fresa no perfil instantneo de fora na direo y

[45]. No fresamento concordante a componente da fora na direo do avano tende a

puxar a pea contra a ferramenta, resultando em baixa potncia necessria para o

avano. No fresamento discordante a componente na direo do avano tem sentido

contrrio a este [1],

Nmero de dentes z = 12

1,5

1 , 1,0>.

LL

CU

0,5o

LL

0,0

YTnrYYN

0 90 180 270 360ngulo de rotao (p []

1,5

1, 1,0L>>

0,5o

0,00 90 180 270 360

ngulo de rotao

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deflexo com respeito ao instante de gerao de superfcie. Tome-se como exemplo a

fresa de topo de dentes retos da figura 2.11. A deflexo da fresa ser proporcional

fora de corte instantnea e a superfcie usinada ser formada pela soma das pequenas regies usinadas quando um dente encontra-se na posio A. Somente as

deflexes da ferramenta neste instante sero impressas na superfcie, pois para

qualquer outro momento a deflexo ficar registrada na poro de material que ser

removida pelo dente seguinte, no afetando a superfcie final. Na primeira parte da

figura 2.11 a profundidade de corte radial (ae) tal que somente o dente 1 est em

contato com a pea no ponto A. Como a espessura da cavaco zero no h fora de

corte e deflexo e, conseqentemente, erro dimensional. Com o aumento progressivode ae a situao no instante de formao da superfcie no muda at que um segundo

dente entre no corte. Nesta condio, mostrada na parte central da figura, tem-se a

deflexo causada pela fora registrada no ponto A. O erro dimensional no muda at

que o valor de ae seja tal que um terceiro dente participe do processo. Desta forma o

erro aumenta na forma de degraus discretos de acordo com o nmero de dentes que

participam da usinagem [63].

Figura 2.11 - Fresamento de topo em diferentes profundidades de corte radial [63]

O desenvolvimento de sistemas de manufatura integrados e auto-ajustveis que

so capazes de usinar diversas peas sem a superviso ou assistncia de operadores

um dos principais objetivos atuais na pesquisa de processos de usinagem. Para isso,

faz-se necessrio que existam sistemas de monitoramento da operao capazes de

garantir segurana e eficincia na remoo de material, tomando as medidas

necessrias para correo das aes na ocorrncia de distrbios ou falhas. As tarefas

normais dos sistemas de monitoramento durante o processo so: detectar o desgaste e

a quebra da ferramenta, detectar e evitar a vibrao auto-excitada, controlar os

esforos de usinagem para obteno da mxima remoo e controlar a preciso

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geomtrica do componente. Destas atividades, uma das mais importantes deteco

da quebra da ferramenta que, a menos que seja imediatamente reconhecida e

corrigida, poder ocasionar danos irreparveis pea e at mesmo mquina-ferramenta. As pesquisas de monitoramento de quebra fazem uso principalmente de

medies de emisso acstica, corrente eltrica do fuso ou motor de avano, vibrao

e foras na usinagem. Este ltimo recurso um dos mais utilizados, pois pode ser

relacionado com a mecnica do processo. Sendo assim, a proposta do sistema de

monitoramento detectar variaes bruscas no sinal de fora que tanto podem ser

causadas por quebra quanto por condies de corte transientes, tais como entrada e

sada da pea, sendo que a diferenciao destas duas causas um dos problemas aser solucionado na concepo do sistema em questo [28-34].

O desenvolvimento de mtodos de usinagem completamente automatizados

invivel sem que sejam tambm criados mtodos prticos e robustos para detectar o

desgaste da fresa. Este recurso permite que se melhore a qualidade da pea usinada,

assegurando que as especificaes superficiais e geomtricas estejam dentro das

tolerncias, alm de possibilitar o aumento da velocidade de corte, com conseqente

reduo do tempo de usinagem, e a reduo nos tempos de troca de ferramenta. Aqui

tambm o monitoramento das foras na usinagem fornece bons subsdios para tal

controle [28, 35-37].

O fresamento de topo amplamente utilizado na usinagem de superfcies

complexas tais como moldes e peas de aplicao aeroespacial. Dependendo da

geometria a ser usinada os esforos aplicados na ferramenta podero ter

caractersticas irregulares durante seu percurso, e devero ser limitados a valores que

evitem danos na ferramenta e na preciso da pea. Muitos autores tm proposto a

utilizao de sistemas de controle durante a usinagem que limitam principalmente as

foras aplicadas na fresa. O objetivo destes sistemas controlar e otimizar condies

variveis ou imprevistas durante o processo atravs de mudanas em parmetros de

corte, principalmente avano e velocidade de corte. Atravs de mudanas a cada

instante nestes dois parmetros pode-se continuamente atingir objetivos previamente

determinados, obtendo-se uma melhor utilizao da mquina-ferramenta e,

conseqentemente, aumento de produtividade [79-85].

Um problema desse tipo de controle que a correo do avano ou rotao

feita atravs de medies de fora efetuadas num instante anterior, permitindo

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sobrecargas quando o aumento da seo do cavaco sbito. Se o limite de fora

estabelecido for prximo ao limite de resistncia da fresa tem-se a sua ruptura. Como o

processo de produo de componentes utilizando-se esses sistemas de controle normalmente auxiliado por trajetrias para mquinas NC geradas em sistemas

CAD/CAM, ALTINTAS e SPENCE [86, 87] propuseram um mtodo no qual as foras de

usinagem so previamente simuladas no CAD/CAM. Examinando-se as interaes

entre a pea e a ferramenta, a largura e espessura de corte podem ser calculadas em

qualquer trecho da trajetria. Nas regies passveis de sobrecarga a geometria pode

ser suavizada e informada ao sistema de controle do processo antes de sua

ocorrncia, permitindo-se a correo dos parmetros de forma segura [86, 87].Esses sistemas de controle em processo enfrentam algumas dificuldades para

sua plena aceitao na indstria, quais sejam [80]:

Entendimento limitado do processo de corte;

Variaes nas caractersticas do processo de usinagem e estratgias de

controle inadequadas para enfrentar tais variaes;

Falta de sensores confiveis e adequados para utilizao em ambiente de

produo;

Limitado conhecimento em variaes de usinabilidade, desgaste de

ferramenta e propriedades do material da pea;

Altos custos extras de manuteno da mquina-ferramenta, pois esta ir

operar mais freqentemente carregada e sujeita a altos esforos em geral.

A medio das foras na usinagem pode ser feita de forma direta ou indireta. A

medio indireta realizada atravs do deslocamento de molas, sendo os meios de

medida mecnicos, eltricos, pneumticos e hidrulicos. Na medio direta utiliza-se

princpios piezeltricos e da magneto-elasticidade [1, 24]. Em sistemas que utilizam

sensores piezeltricos para a medio de foras aproveitada a propriedade que

certos materiais, como quartzo, turmalina, algumas cermicas e outros materiais

apresentam de, sob a ao de uma fora, tornarem-se eletricamente carregados. A

carga eltrica proporcional a esta fora e de sinais opostos nas superfcies do

elemento, sendo sua soma algbrica nula. Essa carga pode ser medida, amplificada e

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transformada num sinal analgico de tenso proporcional fora que foi aplicada sobre

o sensor [1, 24, 26, 88].

Uma desvantagem dos sistemas piezeltricos que, por se tratar de um sistemade medio ativo, no permite medies estticas reais tais como possvel com

extensmetros. No entanto, esse tipo de sistema no apenas adequado a medies

puramente dinmicas, sendo que isto verdadeiro para dinammetros com elementos

piezeltricos de cermica. A utilizao de elementos de quartzo combinados com

modernos amplificadores de carga oferece uma excelente capacidade de medio

quase-esttica. Tem sido prtica comum por mais de trinta anos a calibrao esttica

de transdutores de quartzo, e so incontveis as suas aplicaes para medirfenmenos quase-estticos, que duram de minutos a, at mesmo, horas [88].

O emprego de elementos piezeltricos tem-se revelado, at o momento, como o

mais adequado maioria das aplicaes na usinagem. As principais vantagens de

dinammetros que utilizam transdutores de quartzo so [26, 88]:

Faixa de medio extremamente ampla (a relao entre a faixa de medio e

a mnima carga pode ser maior que 106);

Extremamente linear, alta estabilidade e baixa histerese;

Baixa interferncia inerente entre os canais (tipicamente abaixo de 1%);

Alta rigidez (deflexes de medio de poucos micrometros);

Alta freqncia natural (tipicamente em torno de 1 kHz ou maior);

Fcil operao (sem balanceamento de circuitos de ponte);

Sem fadiga nem mudana do zero sob carregamento dinmico;

Ampla faixa de temperatura de trabalho.

O sistema de medio deve ser capaz de seguir as variaes de fora impostas

a ele. Caso isso no seja mais possvel o sistema no estar medindo somente o

processo mas tambm a sua prpria dinmica. Os fabricantes especificam a freqncia

natural de um dinammetro em condies especiais de laboratrio, sendo que estas

consideram que o dinammetro est montado numa base de rigidez infinita e livre de

vibraes [27, 89]. No trabalho realizado por DAMARITRK [89] constatou-se que um

dinammetro piezeltrico, cujo fabricante especifica uma freqncia natural de 4 kHz,

apresenta valores de freqncia natural de 1,5 kHz para a montagem na mesa da

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mquina-ferramenta [89]. Para se assegurar a completa transmissibilidade das foras

de usinagem, a freqncia natural do dinammetro, recomendada no trabalho editado

por DROZDA e WICK [1], deve ser pelo menos 5 ou 6 vezes maior que a freqncia de excitao qual a ferramenta estar sujeita [1]. Altas freqncias naturais so obtidas

atravs de elevada rigidez e massa reduzida [1, 27, 89]. A figura 2.12 apresenta a

relao entre a fora aplicada na direo z num dinammetro piezeltrico e a sua

resposta. A freqncia de ressonncia deste equipamento est na faixa de 1,2 kHz,

mas percebe-se que a partir de 0,5 kHz tem-se resultados comprometidos [17].

Figura 2.12 - Resposta do dinammetro piezeltrico fora aplicada [17]

Nos processos de usinagem a formao de cavaco um fenmeno peridico,

inclusive para cavacos contnuos, com fases alternadas de recalque e escorregamento.

Segundo KETTELER [90], a freqncia de formao de lamelas pode variar de 0,4 a

100 kHz. Tem-se desta forma o sistema excitado por freqncias que so,

normalmente, muitas vezes maior que a freqncia de entrada de dentes no

fresamento [24, 27, 90].

Devido s altas dinmicas envolvidas neste processo, os limites de medio dos

sistemas piezeltricos atuais so facilmente atingidos quando se deseja a deteco das

vibraes nos fenmenos de formao de cavaco, atravs da medio temporal da

fora de usinagem. Esses sistemas possuem freqncia natural suficientemente alta

para o estudo da variao das foras, relacionadas entrada dos dentes e mudana da

espessura de usinagem, no fresamento com velocidades de corte convencionais.Entretanto, a freqncia de entrada de dentes no fresamento com altas velocidades de

3

Dinammetropiezeltrico

10-8 o,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Freqncia [kHz]

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corte, utilizando-se fresas de pequeno dimetro, pode facilmente alcanar o limite

dinmico do dinammetro, prejudicando tambm este tipo de anlise. Em resumo, a

anlise dinmica do processo de formao de cavaco para velocidades de corteconvencionais, ou o estudo do processo de fresamento com altas velocidades, atravs

do espectro de foras, fortemente limitado pelos sistemas de medio piezeltricos

atuais [27, 89].

Os pesquisadores da rea de fabricao tm utilizado algumas solues para

resolver este problema. A mais simples delas a anlise somente das foras mdias,

ou a filtragem e aquisio somente dos sinais de baixa freqncia. Este procedimento

til para diversas aplicaes tais como o estudo do processo de fresamento, o controleem processo da solicitao sobre a ferramenta, a deteco em processo de desgaste e

quebra. No entanto, ele no permite anlises amplas do espectro de fora, somente da

componente esttica ou das componentes de baixa freqncia [27, 33, 36, 91, 92].

Por ser um sistema linear, mesmo que o dinammetro piezeltrico esteja sendo

excitado na sua freqncia natural ou acima dela, as freqncias nas faixas

recomendas de medio podero ainda ser analisadas. Do ponto de vista fsico a

condio necessria para um sistema ser linear a aplicabilidade do princpio da

superposio, isto , a presena de uma excitao no afeta a resposta devido a

outras, no havendo assim interaes entre as respostas de diferentes excitaes. A

anlise do efeito combinado de diversas excitaes num sistema linear pode ser feita

com o estudo individual do efeito de cada excitao, como se as demais no

existissem, e ento executada a soma, ou sobreposio, dos resultados [47, 93-95].

Existe outro aspecto fsico que caracteriza um sistema linear. Se a excitao

aplicada a tal sistema uma funo altemante no tempo com freqncia f, ento a

resposta em regime permanente, aps o transiente inicial ter cessado, ser tambm

alternante com freqncia f. So no-linearidades comumente encontradas nos

sistemas fsicos: as saturaes dos amplificadores, os atritos secos ou de Coulomb, as

folgas das engrenagens, a zona morta ou de insensibilidade dos amplificadores, os

ampliadores a tudo ou nada, grandes compresses ou extenses de molas a ponto das

espiras perderem sua identidade individual. Devido no-linearidade o princpio da

superposio no pode ser aplicado e, entre outros fenmenos, surgem freqncias

acima ou abaixo da freqncia de excitao [47, 93-95].

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Quando necessria a anlise de componentes do espectro de fora com

freqncias maiores pode-se adotar outras solues, que normalmente no so

simples de serem implementadas. Uma delas a construo de um novo dinammetrocom freqncia natural superior aos normalmente encontrados no mercado.

DAMARITRK [89] construiu um dinammetro com maior rigidez e menor massa

utilizando uma liga de titnio. A freqncia natural deste novo dinammetro, montando

em condio de trabalho, est na faixa de 2,5 a 3 kHz, o que claramente melhor do

que um equivalnte comercial [89].

Outra soluo, proposta por HERGET [27], a supresso matemtica dos

efeitos da dinmica do sistema de medio no sinal de fora medido. Pode-se medir as caractersticas dinmicas do sistema completo de medio de fora e, com estas

informaes, montar uma funo de transferncia, a qual tem como entrada o sinal de

fora medido e sada o sinal de fora sem os efeitos indesejveis da limitao dinmica

de medio. Essa soluo apresenta como vantagem a possibilidade de anlise em

faixas de freqncia superiores ao permitido pelo dinammetro, fato que no possvel

nas propostas apresentadas anteriormente. A figura 2.13 mostra quatro sinais de fora

Fy para diferentes rotaes da ferramenta e conseqente freqncia de entrada de

dentes. Pode-se observar claramente o efeito da dinmica do sistema de medio no

resultado e tambm a possibilidade deste efeito ser suprimido matematicamente [27].

u.CO0 1o

a)

0,4

0,2

0- 0,2

Rotao n = 2930 min1

**--- --

0 5 10 15 20 25 30 35 40Tempo [ms]

c)

z 0,4 y

>*LL 0,2COP'

0OLL.1oN

)

O

-l

Rotao n = 18425 min1

2 4Tempo [ms]

b)Rotao n = 11050 min1

d)

z 0,4 T>*

LL0 , 2

CDO 0 >O

LL - 0 ,2 l

0

Rotao n = 29475 min1

Tempo [ms]

Figura 2.13 - Supresso matemtica dos efeitos indesejveis da dinmica do sistema

piezeltrico de medio de fora [27]

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2.6. Fresamento com Altas Velocidades de Corte

A definio de usinagem com altas velocidades no simples, pois os valoresde velocidade de corte possveis de serem utilizados dependem de fatores como o

material da pea, a ferramenta utilizada e o tipo de operao de corte. Alm disso, a

definio de altas velocidades muda dependendo da tecnologia disponvel. Em geral, a

velocidade de corte de 5 a 10 vezes maior, comparada com os valores atuais

convencionalmente praticados [15, 18, 19, 96]. Uma faixa de velocidades de corte para

diversos materiais de pea foi apresentada por SCHULZ [18, 19] e pode ser observada

na figura 2.14.

m m

Faixa dealta velocidade

Faixa detransio

10 100 1000 10000

Velocidade de corte [m/min]

Figura 2.14 - Velocidade de corte em funo do material da pea [18, 19]

Tem-se demonstrado que a utilizao de altas velocidades de corte reduz as

foras na usinagem, proporciona que o calor gerado no processo seja removido em

grande parte pelo cavaco, produz superfcies com melhor acabamento e menos

afetadas termicamente, permite a usinagem em regies de estabilidade, livres de

vibraes auto-excitadas e reduz a formao de rebarbas. Desta forma as aplicaes

que mais se beneficiam do fresamento com altas velocidades so [18, 19]:

Usinagem de grandes volumes de material como ligas leves, plsticos, metais

no-ferrosos e alumnio, para a indstria aeroespacial ou ao e ferro fundido

para moldes e matrizes;

Plstico refoadopor fibras .............. ...........r .....

Alumnio .........................( v /////m m m m

Bronze e lato ......................., v /////A m m m

Ferro fundido ................. !

Ao

Titnio .............

Ligas a basede nquel

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Fabricao de componentes com paredes finas propensos a deformaes

trmicas ou por esforo mecnico;

Usinagem de grafite para fabricao de eletrodos para eletroeroso; O acabamento mecnico de moldes e matrizes;

Usinagem de materiais com baixa usinabilidade tais como ligas de titnio, de

nquel, alguns aos de alta liga e aos endurecidos.

A principal limitao do processo de usinagem com altas velocidades de corte

o acentuado desgaste da ferramenta, principalmente para o corte de aos, ferros

fundidos e ligas de baixa usinabilidade. O sucesso da usinagem nesta rea temocorrido em virtude do desenvolvimento de novos materiais, revestimentos e

geometrias para as ferramentas de corte. Materiais de fcil usinagem podem ter a

velocidade de corte limitada no pelo desgaste mas pela mquina-ferramenta

disponvel para o trabalho [18, 19].

Uma importncia especial atribuda usinagem com altas velocidades devido

ao fato da crescente exigncia de preciso dos componentes. Normalmente a

usinagem com altas velocidades no um mtodo de produo de componentes de

ultrapreciso, podendo no entanto entrar no campo da alta preciso com a fabricao

de superfcies com 0,2 j m de rugosidade Ra e 3 de Rz [18].

A reduo da fora de usinagem com o aumento da velocidade de corte

atribuda ao amolecimento do material da pea devido ao aumento de temperatura

durante o processo de formao de cavaco. Alguns trabalhos reportam que esta

reduo no ocorre indefinidamente [19, 97], SUTTER et al. [97] descreve o

decrscimo de fora no corte ortogonal para velocidades de 600 a 2400 m/min e, a

partir disto, a fora de corte passa a aumentar principalmente devido a efeitos de

inrcia relacionados mudana de momento das partculas passando da pea para o

cavaco [97], Convm ressaltar que o aumento de fora descrito no trabalho de

SUTTER et al. [97] no evidente, podendo as diferenas estarem dentro das

incertezas do processo, que no so apresentadas pelos autores, sendo que estes se

apoiaram fortemente em trabalhos de outros pesquisadores.

O processo de fresamento com altas velocidades deve ser considerado uma

tecnologia independente, e no somente a mesma tecnologia de usinagem utilizada de

forma mais rpida. O requisito de alta velocidade gera uma cadeia de conseqncias

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que tem como ponto inicial a necessidade de um fuso de alta rotao. Na seqncia

desta cadeia tem-se o aumento das velocidades de avano, a necessidade de novos

acionamentos e controles de alta velocidade, eixos com alta dinmica e altaacelerao, massas mveis reduzidas e comandos CNC com funes como leitura

prvia de comandos (look aheacf) e interpolao de geometrias. Sendo assim, a

simples instalao de um fuso de elevada rotao, como muitos fabricantes fazem, no

converte uma mquina convencional em mquina de alta velocidade. A tecnologia atual

produz mquinas convencionais com rotao na faixa de 15000 rpm e velocidades de

avano entre 20 e 25 m/min, o que em muitos casos permite a usinagem com altas

velocidades de aos, ferros fundidos e ligas especiais. A utilizao de componentes e conceitos voltados para altas velocidades de usinagem tem permitido o

desenvolvimento de mquinas com velocidade de avano superiores a 100 m/min e

acelerao de 30 m/s2 [18-20, 96].

Um dos maiores potenciais do fresamento de alta velocidade a fabricao de

moldes e matrizes. Este tipo de pea geralmente constitudo de muitas superfcies

complexas que podem ser usinadas, sem danificar o contorno, por fresamento em trs

eixos com fresa de topo esfrico ou em cinco eixos com fresa de topo reto. Neste

ltimo caso o eixo da ferramenta constantemente adaptado curvatura da superfcie

com um ngulo de inclinao apropriado (figura 2.15) [15-17, 20, 21].

Figura 2.15 - Fresamento em trs e cinco eixos [15-17, 21]

O resultado da usinagem tanto em trs eixos como em cinco eixos uma

superfcie ondulada que aproximada da superfcie final. Este perfil ondulado deve ser

removido, normalmente por trabalho manual, a fim de se obter a rugosidade final e

corrigir desvios dimensionais. Tal operao manual bastante trabalhosa, de alto custo

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e normalmente representa um gargalo no processo de produo de moldes e matrizes.

A usinagem tem contribuio peremptria nos custos dos moldes, sendo relevante a

participao de custo da ajustagem e polimento final [15, 16, 18, 20].A quantidade de retrabalho fortemente determinada por o quo prxima est a

superfcie ondulada da final. Utilizando-se uma fresa esfrica de um determinado

dimetro, a profundidade mxima da rugosidade substancialmente funo das

distncias entre as linhas (br), como mostra a figura 2.16 [15, 16, 18, 20].

Figura 2.16 - Influncia da distncia entre as linhas na profundidade mxima de

rugosidade [15, 16, 18, 20]

Neste contexto o fresamento com altas velocidade de corte tem uma funo

preponderante. Por trabalhar com velocidades de corte de 5 a 10 vezes maior, a

velocidade de avano pode ser aumentada pelo mesmo fator e o nmero de linhas

reduzido tambm pelo mesmo fator. Para o trabalho final manual, isso significa um

perfil melhor aproximado, reduo de tempos e custos e aumento da qualidade deste

acabamento. Quando no h a necessidade de reduo da distncia entre linhas, o

aumento da velocidade de avano permite uma grande reduo no tempo de

fresamento final. Normalmente busca-se uma soluo de compromisso entre estas

duas situaes. A figura 2.17 mostra um exemplo geral da reduo de tempo de

produo de um molde ou matriz. Desde o projeto at a montagem uma parcela

importante de tempo reduzida com o auxlio de sistemas CAD/CAM, sendo que estes

so pr-requisitos indispensveis para a aplicao de novas tecnologias de usinagem

com altas velocidades [15, 16,18, 20, 22].

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Tempo fabricao [h]

Operao Convencional

AltaVelocidade

a - Pr-acabamento mecnico 0 10b - Acabamento mecnico 36 30c - Remoo manual linhas 20 0d - Ajustagem manual 30 4e - Polimento manual 20 10Tempo Total 106 54

Figura 2.17 - Exemplo da reduo do tempo de produo de moldes e matrizes atravs

da usinagem com altas velocidades de corte [22]

Fresas de topo esfrico so comumente utilizadas neste acabamento de

superfcies complexas de moldes e matrizes. Este tipo de ferramenta tem uma

caracterstica que influi fortemente no resultado do processo de usinagem: a velocidade

de corte varivel ao longo do gume. Em operaes de acabamento a profundidade de

corte normalmente pequena e, como conseqncia, o dimetro ativo da ferramenta

tambm pequeno. Desta forma, mesmo com uma alta rotao do fuso, a velocidade

de corte efetiva no gume poder no estar na faixa de alta velocidade e sim numa

regio de transio. O extremo desta situao o centro da ferramenta, que tem

velocidade zero e mnimo espao para cavacos. Caso esta rea esteja em contato com

a superfcie, podem ocorrer problemas de qualidade superficial e lascamentos em

ferramentas de material menos tenaz. Sendo assim, a utilizao de estratgias de

fresamento em cinco eixos bastante adequada para solucionar tais problemas, pois

pode-se manter a ferramenta inclinada com um ngulo predefinido em relao normal

da superfcie, evitando o contato do centro da fresa. A escolha adequada do tipo de

estratgia a ser utilizada tem conseqncia direta na vida da ferramenta e tambm na

exatido dimensional do componente [15-18, 20, 21, 23].

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2.7. Desgaste da Ferramenta

Durante a usinagem a cunha da ferramenta submetida a um desgaste que depende da forma de solicitao e da durao de utilizao da ferramenta. Na prtica,

os desgastes mais medidos e mais verificados so o desgaste de flanco e o desgaste

de cratera, que so empregados como critrio de fim de vida. As condies de atrito na

regio de contato da ferramenta podem ser comparadas com as do atrito seco no

vcuo. O desgaste da ferramenta, numa regra geral, relativamente rpido devido s

solicitaes trmicas e mecnicas elevadas. Os diversos mecanismos de desgaste em

geral agem simultaneamente, de forma que tanto sua causa como seu efeitodificilmente podem ser distinguidos entre si. Discrimina-se normalmente as seguintes

causas de desgaste [1, 5, 24, 62]:

Danificao do gume por solicitaes trmicas e mecnicas excessivas;

Adeso;

Difuso;

Abraso mecnica;

Oxidao.

medida que a ferramenta vai se desgastando, observam-se variaes mais ou

menos profundas no processo de usinagem. A temperatura se eleva progressivamente,

a fora de corte e a potncia consumida aumentam, as dimenses da superfcie

usinada se alteram e a qualidade superficial piora. Com ferramentas de ao-rpido,

ocorre um sobreaquecimento do gume, que amolece e fica com aspecto de queimado.

Em ferramentas de metal-duro o aumento das foras de corte, no caso de um desgaste

excessivo, provoca o lascamento e a destruio total do gume. A utilizao de uma

ferramenta at este ponto de todo desaconselhvel, pois ser necessrio um longo

trabalho de reafiao com a remoo de uma extensa camada de material de corte,

antes que se possa restabelecer um gume adequado [62].

A determinao do ponto representativo do fim da vida de uma ferramenta

fundamental no estudo da usinabilidade. So utilizados na prtica e nos ensaios de

laboratrio diversos critrios para determinar este ponto, dependendo a escolha, em

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grande parte, das exigncias da usinagem (preciso de medidas, grau de acabamento)

e do material da ferramenta [62]. Entre esses critrios pode-se citar [1, 24, 62]:

Falha completa da ferramenta;

Falha preliminar da ferramenta;

Largura da marca de desgaste de flanco (VB);

Vibraes intensas da pea ou da ferramenta, rudos fortes por vibraes da

mquina;

Profundidade da cratera (KT);

Deficincia de qualidade superficial; Formao de rebarbas;

Alteraes de dimenso da pea;

Comportamento das foras, do torque ou da potncia;

Aumento da fora de avano;

Aumento da temperatura do gume.

O processo de fresamento possui particularidades que influem diretamente no

desgaste ou na quebra da ferramenta. Quando cada dente entra no corte, ele

submetido a uma carga de choque mecnico que depende do material da pea, da

posio da ferramenta, dos parmetros de corte e da geometria da fresa. O calor

gerado proporcional espessura do cavaco e fora de corte, ambos de carter

cclico, alm de ser funo do material da pea e da ferramenta. As rpidas mudanas

na gerao de calor submete o material da fresa a severas solicitaes que podem

levar fadiga trmica da parte cortante da ferramenta. Em virtude da constante

interrupo do corte, o tipo de contato de entrada do gume na pea tem grande

influncia sobre o desgaste e os lascamentos da ferramenta [1, 2, 5, 6, 39].

A escolha adequada da geometria da fresa e da profundidade de corte radial

permite que contatos desfavorveis, principalmente o contato S, sejam evitados (figura

2.18). Na fabricao de rasgos, com profundidade de corte radial igual ao dimetro

(ae = d), a carga de coliso relativamente pequena devido espessura inicial do

cavaco igual a zero. Contudo, neste caso, o gume pode sofrer um desgaste abrasivo

quando a fresa atrita uma superfcie de material endurecido pelo dente anterior. Para

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valores de ae menor do que d a quina muito solicitada e muitas vezes ocorre a quebra

total do gume [1, 2, 5, 6, 39].

PeaFresa

Yf > 0 AJMH PYp> 0 Inserto

Plano dereferncia Contato S

Figura 2.18 - Exemplos de tipos de contato de entrada do gume na pea [5, 6]

2.8. Materiais para Fresas

Em funo das solicitaes mecnicas e trmicas alternantes, os materiais para

fresas devem ter alta tenacidade, alta resistncia solicitao trmica cclica e alta

resistncia do gume. Na usinagem de aos so empregadas ferramentas de ao-rpido

e metal-duro de elevada tenacidade do grupo P15 a P40, e para ferros fundidos, metais

no-ferrosos, plsticos e aos temperados emprega-se o grupo K10 a K30. O

desenvolvimento do metal-duro e da tecnologia de revestimentos permite hoje autilizao de ferramentas revestidas no fresamento de aos e ferros fundidos. No

desbaste de ferro fundido cinzento com altas taxas de remoo utiliza-se a cermica

no-xida (S3N4) ; para o acabamento de ferro fundido cinzento, fundidos duros, aos

para beneficiamento e aos para ferramentas utiliza-se cermicas xida e mista; para

aos endurecidos e para ferramentas utiliza-se tambm o PCBN. Cermets tm

aplicao no acabamento fino de aos. A usinagem de alumnio, plsticos e grafite para

eletrodos tipicamente feita com diamante policristalino [5].

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A fabricao de moldes e matrizes ainda utiliza bastante ferramentas de ao-

rpido em virtude da grande variedade de formas de ferramentas, facilidade de afiao

e menor custo em relao a outros materiais. A elevada tenacidade do ao-rpidopermite ainda a utilizao da fresa em condies desfavorveis de vibrao. Materiais

mais resistentes ao desgaste, como por exemplo o metal-duro, so mais sensveis

vibrao e o resultado pode, muitas vezes, ser prejudicado. Fresas inteirias de ao-

rpido so as de menor custo e disponveis na maior variedade de tipos e tamanhos.

So adequadas a uma ampla gama de aplicaes, com a possvel exceo usinagem

de materiais de baixa usinabilidade. Normalmente esse tipo de fresa a melhor para

pequenos dimetros e pequena produo. Uma desvantagem a reduo da dureza

dos gumes com o aumento da temperatura de fresamento. Pode-se utilizar tambm

ao-rpido com adio de at 10% de cobalto, aumentando a resistncia a quente e ao

desgaste. Contudo, este tipo de ferramenta tem custo mais elevado e, por ser mais

frgil, exige fixao mais cuidadosa. Existem tambm fresas de ao-rpido produzidas

por metalurgia do p ou com revestimento [1, 5, 6].

Fresas de topo inteiria de metal-duro, em comparao com o ao-rpido, so

mais duras, mais resistentes abraso e menos afetadas pelas altas temperaturas de

usinagem. Podem ser utilizadas com velocidades de 3 a 10 vezes maior, tendo

geralmente vida superior. Devem ser empregadas em altas produes, com mquinas

de potncia suficiente e fixao rgida. O metal-duro particularmente bem adequado

para usinagem de materiais no-metlicos, metais no-ferrosos e materiais de alta

abrasividade e baixa resistncia tais como alumnio, ligas de zinco e plsticos. So

utilizadas tambm no fresamento de muitos aos e ferros fundidos, sendo para isso

necessrio elevada rigidez. O alto custo dessa ferramenta pode ser considerado uma

desvantagem [1, 5].

Ferramentas com corpo de ao e insertos ou gumes brazados ou parafusados

so amplamente utilizados a um custo inferior. Especificamente no caso de fresas com

insertos intercambiveis, opera-se com altas velocidades e avanos, alm da

possibilidade do uso de mltiplos gumes sem necessidade de reafiao. A utilizao de

fresas de topo com insertos intercambiveis flexibiliza a adaptao do material da fresa

com o material pea a ser usinada. Como desvantagens pode-se citar a produo de

acabamento ruim e a indisponibilidade de fresas com pequeno dimetro [1, 5].

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A escolha do material da ferramenta para o fresamento com altas velocidades de

corte deve considerar os mecanismos de desgaste em altas temperaturas, as tenses

causadas por choques trmicos e as tenses mecnicas alternantes na fresa. O metal-duro demonstra ser o material mais verstil para aplicaes com altas velocidades em

funo da boa relao entre dureza e tenacidade. No fresamento de acabamento de

aos, fresas de Cermet proporcionam bons resultados [18, 19, 96].

Em geral utiliza-se o metal-duro da classe P devido sua maior dureza em altas

temperaturas comparado com a classe K. Revestindo-se o metal-duro com TiN atravs

do processo PVD obtm-se caractersticas mais favorveis de desgaste. O uso do CBN

e de cermicas xidas vantajoso no fresamento de aos endurecidos. A utilizao demetal-duro revestido e Cermet produz bons resultados no fresamento de ferro fundido

com velocidades de corte de at 1000 m/min e, acima disso, ferramentas de S3N4 e

CBN so mais adequadas. Para o fresamento de ligas de alumnio, magnsio e cobre

so empregadas fresas de metal-duro da classe K, cermica no-xida e diamante

policristalino, sendo que o ltimo tambm muito utilizado na usinagem de grafite e

plsticos reforados com fibras [18, 19, 96].

2.9. Fluidos de Corte

As funes dos fluidos de corte no fresamento so as mesmas de outras

operaes de usinagem: refrigerao e lubrificao da ferramenta e da pea, transporte

dos cavacos, controle e preveno de gumes postios e preveno da corroso. A

temperatura tem uma influncia decisiva na dureza da ferramenta e,

conseqentemente, na sua vida. Num exemplo dado por FERRARESI [24], a vida de

uma ferramenta de ao-rpido passou de 10 para 60 minutos com a reduo de

aproximadamente 50 C na temperatura de usinagem de um ao carbono [1, 3, 5, 6,

24, 62].

O fresamento, entretanto, possui caractersticas que podem causar problemas

para a utilizao dos fluidos. A natureza intermitente do processo, as variaes de

espessura de cavaco, alm da ao centrfuga da fresa tornam a aplicao de meios

refrigerantes difcil de ser efetuada sem que ocorram choques trmicos. No fresamento

de aos e ferros fundidos, as fresas de metal-duro tm a tendncia de lascar ou

quebrar devido a esses choques trmicos. Ligas de alumnio, cobre e outros materiais

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moles so beneficiados com a utilizao de fluidos de corte, pois o risco de falha da

ferramenta menor devido s menores temperaturas e choques trmicos, o transporte

de cavacos favorecido e o acabamento melhorado. Em alguns casos, como nofresamento de topo, pode se fazer necessrio o uso de fluidos para remoo dos

cavacos. Nestes casos deve-se aplicar o fluido copiosamente a fim de evitar grandes

choques trmicos. As ferramentas de ao-rpido so favorecidas com a utilizao dos

fluidos em funo da sua maior tenacidade e menor dureza a quente, quando

comparadas com o metal-duro [1, 3, 6, 24, 62].

Nos ltimos anos tem crescido a importncia dada aos fatores negativos

relacionados com a utilizao dos fluidos de corte. Por razes econmicas, ecolgicas e de novas leis tem-se tentado reduzir a aplicao destes fluidos nos processos de

usinagem. Os custos relacionados introduo e ao tratamento dos fluidos de corte

podem atingir o dobro dos custos com as ferramentas. O investimento e o espao

necessrio para os equipamentos so altos e o custo de descarte tem crescido

progressivamente. Os fluidos de corte so um problema para o meio ambiente e uma

srie de leis, em diversos pases, tm que ser observadas no seu uso. Eles constituem

um perigo para a sade das pessoas, podendo causar doenas de pele, pulmo, olhos,

estmago e at mesmo cncer [5, 18, 98, 99].

Na usinagem a seco as funes dos fluidos de corte tm que ser substitudas. A

falta de refrigerao aumenta a temperatura na usinagem, causando

conseqentemente maior desgaste da ferramenta, tenses residuais, erros

dimensionais e de forma na pea, alm do aquecimento de componentes da mquina

que podem levar a mais desvios. Sem o efeito de lubrificao o atrito aumenta,

favorecendo a adeso e tambm a formao de gumes postios. A no remoo dos

cavacos pelo fluido pode levar ao entupimento dos espaos para cavaco na

ferramenta, danificao de superfcies j usinadas e aquecimentos localizados na

mquina devido ao acmulo de material removido [5, 18, 98, 99].

Os problemas relacionados usinagem a seco vo depender da combinao

entre material da pea e processo de usinagem, sendo portanto distintas as diferenas

encontradas nos diversos casos de usinagem com fluido ou a seco. No fresamento de

aos com fresa de metal-duro freqentemente se observa o aumento da vida da

ferramenta na usinagem a seco, sendo ainda recomendado, nestes casos, o uso de

ferramentas revestidas. Para ligas de alumnio, que apresentam desgaste normalmente

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pequeno, existe uma forte de adeso, que pode ser reduzida atravs da utilizao de

quantidades mnimas de fluido de corte. Por quantidade mnima de fluido de corte

entende-se aplicao de uma nvoa (meio lubri-refrigerante atomizado por um jato de ar comprimido) com consumo de fluido de corte inferior a 50 ml/h. Utiliza-se tambm o

termo quantidade reduzida de fluido de corte quando a vazo for menor que 2 l/min

para processos de geometria definida. A reduo ou minimizao da quantidade de

fluido de corte utilizado pode ser uma alternativa para o sucesso da usinagem nos

casos onde necessria sua manuteno [5, 18, 98, 99].

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3. Planejamento Experimental 37

3. Planejamento Experimental

Os experimentos realizados neste trabalho foram divididos e executados em dois

grupos distintos, com condies e equipamentos diferentes. A primeira parte referiu-se

aos ensaios de fresamento de topo reto, com velocidade de corte convencional, e a

segunda aos ensaios de topo esfrico, com altas velocidades de corte. As descries

detalhadas dos equipamentos citados esto nos anexos.

O objetivo principal dos experimentos foi a medio das componentes de fora

Fx, Fy e Fz em diversas condies de usinagem. Foi necessrio, para isso, a definio de um sistema de coordenadas unificado que pudesse ser aplicado em todas as

condies, e que facilitasse a anlise dos resultados. Durante a realizao dos ensaios

poderia ter sido adotado o sistema de coordenadas da mquina-ferramenta ou o

sistema do dinammetro piezeltrico. Considerou-se, entretanto, que ambos os

sistemas de coordenadas eram inadequados, porque as medies foram feitas com

movimentos em diversos sentidos e direes e, alm disso, no segundo grupo de

experimentos foi utilizado um dinammetro inclinado com diferentes ngulos emrelao ferramenta. Desta forma seria possvel, por exemplo, uma fora Fx ora

positiva, ora negativa, para os mesmos parmetros de ensaio, o que uma

incoerncia. Optou-se ento por criar um terceiro sistema de coordenadas, aplicvel

em todas as con

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