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

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