Processos de Usinagem e Polimento em Moldes: Parâmetros de Corte e Texturização, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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moldes

AÇOS

para

Aspectos da Fabricação de Moldes

Os processos de usinagem e polimento podem consumir até 80% do recurso total de fabricação de moldes e matrizes. E, para o caso

de moldes que possuem longos tempos de utilização e dificilmente chegam ao fim de vida, podem ser considerados os principais itens

ligados ao custo final do molde.

Dentre os processos convencionais de usinagem de uma cavidade, o fresamento

é aquele responsável pela fabricação de superfícies complexas. Vários aspectos

devem ser considerados, como: os parâmetros de corte, o material a ser

usinado, a ferramenta de corte, a estratégia de corte e os recursos tecnológicos

disponibilizados pela máquina/ferramenta.

Outro ponto fundamental na fabricação de moldes são os processos de

acabamento, principalmente o polimento e a texturização. O documento a seguir

refere-se a algumas considerações básicas de modo a facilitar as operações de

fabricação de cavidades.

No processo de fresamento, é necessário o

conhecimento de técnicas para a minimização

do desgaste de flanco e de controle de vibrações,

de modo a evitar avarias.

O sentido de corte pode ser realizado tanto no

modo concordante quanto no discordante. No

fresamento concordante, o movimento de corte

e de avanço tem o mesmo sentido, enquanto que

no discordante não (ver Figura ao lado).

• Velocidade de corte (vc ) – influencia no desgaste da ferramenta

de corte, pois amplifica as condições de atrito, aumentando a

temperatura na zona de corte, levando desde a fenômenos

relacionados à difusão até problemas relacionados a choques de

origem térmica e/ou mecânica.

• Avanço por dente (fz ) – com o aumento do avanço por

dente ocorrem maiores solicitações mecânicas, aumentando a

deflexão da ferramenta. Com baixo avanço ocorre um aumento

do percurso usinado pelo gume, provocando elevado desgaste de

flanco. Objetiva-se sempre a busca da condição intermediária.

• Profundidade de corte axial (ap ) – é responsável direta

pelo aumento da potência de corte, limitando o processo de

desbaste.

• Profundidade de corte radial (ae) – grandes incrementos

radiais (>50% do diâmetro da ferramenta) aumentam o percurso

usinado para cada gume. No entanto, melhoram a característica

de impacto, direcionando o esforço para dentro da ferramenta. O

caso contrário ocorre para condições de engajamento pequeno

(<50% do diâmetro da ferramenta).

• Número de Dentes (z) – uma fresa de passo grande gera

menor potência que uma fresa de passo pequeno, mantendo-

se o mesmo avanço por volta, já que na primeira o avanço por

dente é maior que na segunda, para uma mesma taxa de cavaco

removido. A Tabela 1 apresenta um resumo das aplicações de

acordo com o passo da ferramenta.

Fresamento

Tipo de fresa Aplicação

Passo Grande – poucos dentes. Desbaste e semiacabamento de aço ou onde há tendência à vibração.

Passo Pequeno – maior número de dentes e espaços entre os dentes pequenos.

Corte de ferro fundido, desbaste leve e acabamento de aço.

Passo Extra Pequeno – muitos dentes e bolsões de armazenamento do cavaco muito pequenos.

Corte interrompido de ferro fundido e liga de titânio, acabamento de aço.

• Desbastar o máximo possível com ferramentas com raios de

quina grandes.

• Uma superfície deve ser acabada com a maior ferramenta

possível.

• A usinagem deve ter um contato contínuo da fresa em corte

concordante e com um mínimo de variação de direção da linha

de fresamento.

• Recomenda-se utilizar movimentos suaves de aproximação

e sempre num único sentido de corte em materiais de difícil

usinabilidade.

• Importante fazer com que a ferramenta permaneça em contato

com a peça o maior tempo possível (para aumentar sua vida

útil).

• Durante o acabamento ou super acabamento é recomendado

utilizar pequenas profundidades de corte. A relação profundidade

de corte axial (a p) e profundidade de corte radial (a e) deve ser

menor ou igual a 0,2 (ap /ae ≤ 0,2).

• Muitas vezes é vantajoso usar o avanço por dente (fz) igual à

profundidade radial de corte (ae), com vantagens em tempo de

usinagem e menor rugosidade (melhor acabamento).

• Investir tempo no método de interpolação a ser aplicado, de

modo a reduzir o tempo de usinagem e melhorar as condições

de acabamento da superfície usinada.

Algumas Recomendações Práticas Adicionais

Onde: d = diâmetro da ferramenta (mm); n = rotação (rpm); z = número de dentes da ferramenta; f (^) z = avanço por dente (mm/dente); ae = penetração de trabalho (mm); ap = profundidade ou largura de usinagem (mm)

Velocidade de corte (m/min)

Velocidade de avanço (mm/min)

Taxa de remoção de cavaco (mm³/min)

v (^) f = z⋅fz⋅ n Q =ae ⋅ap⋅vf

Exemplo de Parâmetros de Corte Velocidades de corte recomendadas para faceamento por fresamento com metal duro revestido.

*f (^) z : 0,15 a 0,3 mm/dente e ap : 2 a 4 mm Classe: P25 – P35. **fz : 0,05 a 0,2 mm/dente e ap : 0,5 a 1 mm Classe: P10 – P20.

Material VP20ISO VP20ISOF VP20ISOFS VH13IM VP420IM N2711M VP50IM

Estado Beneficiado Beneficiado Beneficiado Recozido Recozido Beneficiado Beneficiado

Dureza 32 HRC 32 HRC 32 HRC 200 HB 200 HB 40 HRC 40 HRC

Desbaste* 120 a 150 120 a 150 170 a 190 180 a 260 180 a 260 80 a 110 100 a 150

Acabamento** 220 a 240 220 a 240 260 a 280 220 a 300 260 a 300 100 a 150 110 a 160

Cálculo dos Parâmetros

v (^) c =

π ⋅ d ⋅ n

1000

O polimento é empregado em moldes para atender a vários requisitos da peça injetada:

• requisitos estéticos: brilho e transparência.
• mecânicos: evitar entalhes e quebras por fadiga ou sobrecarga
• funcionais: ex. dispositivos óticos (lentes).

O polimento é uma etapa que consome tempo e recursos. O tempo médio gasto no polimento manual de moldes de grande

porte está em torno de 300 a 400 horas por molde. Duas observações são importantes na avaliação da qualidade da superfície

do molde. Primeiro, a superfície deve ter a forma geométrica correta, sem qualquer

ondulação; estas são derivadas de operações recentes de usinagem. Segundo, a

avaliação da condição de polimento espelhado do molde metálico é muitas

vezes realizada por comparação visual do molde ou da superfície da

peça injetada, baseada na experiência do operador.

A qualidade final da superfície polida de um aço depende de

fatores como: a técnica de polimento, o tipo de aço-ferramenta

e o tratamento térmico aplicado no material. Em geral, pode-se

dizer que a técnica de polimento é o fator mais importante.

Um exemplo típico é mostrado no gráfico abaixo, do fenômeno de

polimento excessivo (do inglês “over polishing”), causado por um

encruamento mecânico de camadas muito finas na superfície

do molde. No polimento excessivo, a rugosidade aumenta

com o aumento do tempo de polimento. O problema é apenas

solucionado com a remoção de parte da superfície (décimos de

mm) por usinagem e aplicação de novo polimento.

Visualmente, o fenômeno normalmente aparece como “casca de

laranja”.

Gráfico mostrando o efeito do polimento excessivo (“over

polishing”), para dois aços com diferentes durezas.

Para um bom polimento, a superfície do molde deve estar livre

de arranhões, poros, do efeito “casca de laranja”, pites (pitting)

e pontos pretos (pinholes). No Brasil, os problemas de pites e

pontos pretos são comumente denominados de “porosidades”.

Apesar de visualmente parecer correto, o termo porosidade é

erroneamente aplicado neste caso, pois deveria ser usado

apenas para vazios pré-existentes no material. No caso de pontos

ou pites observados após polimento, o problema é normalmente

causado por um processo mal realizado (para um determinado

aço e dureza), por aços com um nível inadequado de inclusões

não-metálicas ou mesmo pela combinação desses dois fatores.

Outras possíveis fontes de problemas são superfícies com defeitos

de eletroerosão ou encruamento excessivo de usinagem.

Em relação às inclusões, elas podem ser entendidas

mecanicamente como partículas na superfície do aço com

dureza e ductilidade muito diferentes do metal. Todo aço possui

inclusões, porém a quantidade e distribuição dependem do

processo de fabricação. Para aplicações de alto requisito de

Polimento de Moldes

50

Tempo (min)

VA2 - 60 HRC P20 - 32 HRC

Polimento Excessivo (over polishing)

Rugosidade RA (mm)

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25

A resposta à texturização mede a facilidade de se aplicar

uma textura ao aço-ferramenta utilizado no molde. O

tratamento de texturização é normalmente realizado por

ataque químico (photo-eaching) diferencialmente aplicado

na superfície do molde, gerando “o negativo” do aspecto

final desejado na peça injetada.

O controle do processo, em termos do meio ácido

empregado e do procedimento aplicado, é fundamental

para um bom resultado de texturização. Em relação à

qualidade do aço, requisitos similares aos de polimento

são necessários: homogeneidade de microestrutura e

dureza, além de alto grau de limpeza quanto a inclusões

não-metálicas.

polimento, portanto, recomenda-se a refusão via ESR

(processo ISOMAX®). Como mostra o esquema abaixo,

existe redução significativa do nível de inclusões.

Texturização

a) Convencional ASTM G 2, b) ISOMAX, ASTM 1,0F Inclusões do tipo D: a) Nível 2,0, aceitável para materiais de Convencional. b) Nível 1,0, típica de material produzido via ESR. Fonte: ASTM E 45.

4 mm

4 mm

2 mm

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Abril de 2011