São Paulo, 29 de março de 2024

29/08/2015

Como controlar cargas mecânicas no fresamento

(30/08/2015) – Esse artigo de Patrick de Vos (*) analisa a influência do posicionamento da fresa e do caminho da ferramenta sobre as cargas mecânicas durante o fresamento. Enquanto o torneamento gera cargas mecânicas estáveis em ferramentas de aresta única, o fresamento submete várias arestas de corte a cargas intermitentes que mudam rapidamente. Como tal, para ser bem sucedido, é preciso fazer uma série de escolhas e considerações específicas a respeito do fresamento.

Cargas em constante mudança – O primeiro passo básico no planejamento de uma operação de fresamento é a escolha da fresa e das pastilhas ou arestas de corte cujo objetivo seja produzir as características desejadas na peça. Os fornecedores de ferramentas oferecem fresas de facear, de topo, de disco e outras com geometrias para desbaste ou acabamento, projetadas para produzir praticamente qualquer característica desejada para a peça.

Seja qual for a fresa empregada, as arestas de corte entrarão e sairão várias vezes do material da peça. As cargas sobre os dentes de fresamento variam desde 0, antes da entrada, a valores de pico, durante o corte, voltando a 0 na saída. O objetivo é moderar as cargas intermitentes do processo de fresamento e, assim, maximizar a vida da ferramenta, a produtividade e a confiabilidade do processo. O posicionamento da fresa, as estratégias de entrada e saída e o controle da espessura dos cavacos são os principais elementos para alcançar o objetivo.

Como lidar com a peça – No fresamento, as cargas sobre as ferramentas de corte são determinadas, em grande parte, pela forma como a fresa e as arestas de corte entram na peça. No fresamento discordante, a fresa gira contra o sentido de avanço da peça. No fresamento concordante, a fresa se move no mesmo sentido de avanço.

Em consequência disso, no fresamento discordante, a aresta de corte entra na peça com a espessura mínima de cavaco e sai na espessura máxima de cavaco. Por outro lado, no fresamento concordante, a aresta de corte entra na peça com a espessura máxima de cavaco e sai à medida que a espessura do cavaco diminui até chegar a zero. Em ambos os casos, a operação produz cavacos cônicos.

Na maioria das situações, os fornecedores de ferramentas recomendam o fresamento concordante, por minimizar o atrito que ocorre na entrada de pouca espessura do fresamento discordante. No fresamento concordante, a entrada no material com espessura total também facilita a transferência de calor para o cavaco, o que protege a peça e a ferramenta. Os cavacos passam por trás da fresa, o que minimiza o risco de que eles sejam novamente cortados.

Em alguns casos, no entanto, o fresamento discordante tem preferência. O fresamento de faceamento com o método concordante gera uma força descendente que pode causar movimento de reação em máquinas manuais mais antigas. O fresamento discordante, em que a fresa puxa a peça para cima, pode ser uma melhor escolha em máquinas menos estáveis, especialmente em cortes pesados. O fresamento discordante também pode ser eficaz no fresamento de materiais com superfície bruta ou parede fina. A entrada gradual no material da peça pode proteger a pastilha contra danos por impacto. Por outro lado, o excesso de atrito e de calor, que pode ocorrer na entrada com pequena espessura, característica do fresamento discordante, pode ter efeitos prejudiciais sobre a ferramenta. A aplicação desigual de forças na aresta da ferramenta pode provocar o lascamento da aresta e aumentar as tensões de tração. O acabamento da superfície pode sofrer, já que os cavacos caem na frente da fresa e correm o risco de ser cortados novamente.

A entrada da ferramenta de corte em toda a espessura, como o fresamento concordante, submete a ferramenta a cargas mecânicas pesadas, mas, na maioria dos materiais cortantes, esse não é um grande problema. Os materiais das ferramentas modernas, que incluem metal duro, cerâmicas e aços rápidos, são produtos à base de pó que tem boa resistência à compressão.

Ao discutir estratégias de posicionamento da fresa e entrada da ferramenta, os operadores devem saber que é sempre preferível posicionar a fresa de um lado ou de outro do eixo da peça. O posicionamento simétrico mistura as forças de fresamento discordante e concordante, o que pode provocar instabilidade e vibração durante a usinagem.

Estratégias de saída – A forma como a aresta de corte sai da peça é tão importante quanto a forma como ela entra. Resultados experimentais mostram uma relação clara entre o posicionamento da fresa na saída e a vida operacional da ferramenta. Se a saída for muito brusca ou irregular, as arestas de corte se lascarão ou quebrarão. Por outro lado, a atenção dada à saída da ferramenta pode gerar aumento de até 10 vezes na vida da ferramenta. O valor crítico do ângulo de saída, definido como o ângulo entre a linha radial da fresa e o ponto de saída da aresta de corte. O ângulo de saída pode ser negativo (acima da linha radial da fresa) ou positivo (abaixo da linha radial). As falhas nas arestas da ferramenta são mais aparente sob ângulos de saída entre cerca de -30º e +30º (veja as imagens da Figura 3/3). A largura da área na peça englobada por esses ângulos é aproximadamente metade do diâmetro da fresa.


Outra maneira de melhorar a natureza intermitente das cargas sobre as arestas de uma fresa é maximizar o número de arestas de corte em contato com a peça, a qualquer momento. Com a utilização de fresas de passo fino, menor diâmetro e cortes radiais mais profundos, o número de dentes em contato com a peça aumenta, o que distribui as forças de corte mais uniformemente.

Espessura dos cavacos – A espessura dos cavacos produzidos durante o fresamento influi bastante nas forças de corte, na temperatura de corte, na vida da ferramenta e na formação e evacuação dos cavacos. Se os cavacos forem muito espessos, serão geradas cargas elevadas que podem lascar ou quebrar as arestas de corte. Quando os cavacos são muito finos, o corte ocorre numa porção menor da aresta de corte e o maior atrito gera calor, o que acelera o desgaste.

A espessura do cavaco é medida perpendicularmente à aresta de corte efetiva. Como discutido anteriormente, os cavacos gerados durante o fresamento mudam continuamente de espessura à medida que a aresta de corte passa pela peça. Para fins de programação, os fornecedores de ferramentas utilizam o conceito de “espessura média dos cavacos”. A espessura média é a média numérica das maiores e menores dimensões dos cavacos. Os fabricantes de ferramentas fornecem dados sobre a espessura média dos cavacos para geometrias de ferramentas específicas que, quando aplicados e mantidos, maximizam a vida da ferramenta e a produtividade.

Os operadores utilizam esses dados para determinar as taxas de avanço da fresa que manterão a espessura média recomendada para os cavacos. O contato radial, o diâmetro e o posicionamento da fresa e o ângulo da aresta de corte são fatores que determinam a taxa de avanço correta. O contato radial é definido como a razão entre a profundidade radial de corte (ae) e o diâmetro da fresa (Dc). Quanto maior o contato radial da fresa, menor será a taxa de avanço necessária para gerar a espessura desejada para os cavacos. Da mesma forma, com um menor contato da fresa, a taxa de avanço terá de ser maior para obter a mesma espessura de cavacos. O ângulo da aresta de corte também afeta os requisitos de avanço. A espessura máxima dos cavacos ocorre com arestas de corte a um ângulo de 90°, de modo que ângulos menores exigem taxa de avanço maior para gerar a mesma espessura de cavacos.

Arestas de corte agudas produzem menores forças de corte, mas também são mais frágeis que as arestas arredondadas ou chanfradas. A carga mecânica sobre a aresta de corte deve ser limitada para evitar lascamento e quebra. Assim, recomenda-se usar menores espessuras médias de cavacos ao aplicar arestas de corte agudas. Nesse caso, a geometria da aresta de corte utilizada determina a espessura média dos cavacos, e vice-versa.

Os operadores podem utilizar esses princípios e métodos em aplicações básicas de fresamento para controlar as tensões intermitentes em ferramentas de fresamento. No entanto, à medida que as exigências das peças se tornam mais complexas – mesmo no simples fresamento de cantos – é praticamente impossível alterar manualmente as taxas de avanço para manter as espessuras médias recomendadas para os cavacos. Nesses e em outros casos, entre eles os de fresamento muito complexo com 5 eixos, os fabricantes do software CAM e de equipamentos CNC avançados desenvolveram técnicas, como a de fresamento trocoidal e remoção de cantos, bem como programas com caminhos de contato constante das ferramentas, como o Dynamic Milling, Volumill ou Adaptive Clearing. Esses softwares de controle de máquinas-ferramentas representam a evolução da tecnologia dos conceitos básicos de controle de entrada e saída das ferramentas e da espessura dos cavacos, para controlar o efeito do processo de fresamento sobre a ferramenta de corte.

Fabricantes empregam fresadoras e ferramentas de fresamento há mais de um século, produzindo peças em grande volume e de alta qualidade. Ao longo desse período, o processo básico de fresamento se manteve igual, ou seja, resume-se em utilizar uma fresa rotativa sobre uma peça para usinar uma superfície. A natureza de corte intermitente do processo também permanece a mesma.

As fresadoras e ferramentas de fresamento evoluíram de forma surpreendente, mas, em muitos casos, os usuários não aproveitam plenamente esse progresso tecnológico. O reconhecimento da interação singular da peça com a ferramenta, que acontece durante o fresamento, e o empenho em moderar as tensões intermitentes envolvidas no processo permitem que os fabricantes atinjam a tripla meta, raramente alcançável, de maximizar a produtividade, a qualidade e a vida operacional da ferramenta.

(*) Patrick de Vos é gerente de Educação Técnica Corporativa da Seco Tools

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