Vantagens do fresamento helicoidal

O processo de furação é o processo de usinagem mais importante para obtenção de furos (COLDWELL et al., 2003; HERBERT et al., 2011; KIM e RAMULU, 2004, 2007; RAMULU et al., 2001; WANG et al., 2016a). De acordo com Tonshoff et al. (1994), a furação compreende 25% do tempo de ciclo e 33% do número total de operações de uma peça obtida por usinagem. Já Wang et al. (2015) afirmam que as operações para obtenção de furo são responsáveis por 50% do tempo de processamento total no escopo da usinagem, além de ser uma das últimas operações na manufatura de uma peça, demandando confiabilidade dado o alto valor agregado à peça em processamento devido às operações anteriores.

Entretanto, o processo de furação apresenta diversas limitações, tais como altos esforços na direção axial, altos níveis de força de avanço, formação de rebarba, quebra de material na saída do furo, deformação da periferia do furo, dificuldade na evacuação dos cavacos e na dissipação de calor, acabamento dimensional, geométrico e microgeométrico limitado, falha catastrófica da broca, entre outras (EGUTI e TRABASSO, 2014; IYER et al., 2007; JI et al., 2015; OLVERA et al., 2012). Logo, o processo de furação convencional quando destinado a obtenção de furos acabados, é associado ao retrabalho, baixa capacidade de processamento e dificuldade no acoplamento das peças (LIANG e BI, 2010). Estes problemas, de acordo com Iyer et al. (2007), estão relacionados ao processo de remoção de material da furação com broca, no qual a velocidade de corte se aproxima de zero na proximidade do centro da broca, ocasionando a remoção de material neste domínio por extrusão ao invés de cisalhamento. A evacuação de cavacos também é um fator limitante na furação com broca, uma vez que os cavacos são removidos lateralmente antes de serem evacuados através dos canais helicoidais.

A furação convencional ainda é referenciada como uma operação tradicional para obtenção de furos em CFRP, Ti-6Al-4V e compósitos sanduíche de CFRP/Ti (LIU et al., 2012b; QIN et al., 2014a; ZHANG et al., 2008). No caso dos materiais compósitos, a furação convencional pode acarretar defeitos específicos como a delaminação (SADEK et al., 2012). Considerando tais problemas, a furação convencional não é uma operação competitiva na indústria aeronáutica (QIN et al., 2012a). Ademais, é difícil utilizar robôs industriais para automatizar a furação na indústria aeroespacial. A rigidez dos dispositivos robóticos não é suficiente para resistir a deflexão causada devido aos altos níveis de força de corte resultantes do processo de furação com broca, dificultando a obtenção de tolerâncias apertadas (KIHLMAN et al., 2002). Levando em consideração a tendência atual de usinar o material após o tratamento térmico, na usinagem dura as limitações da furação convencional são exacerbadas

(IYER et al., 2007), uma vez que furar com broca materiais com níveis de dureza próximos de 60 HRC é uma tarefa desafiadora (COLDWELL et al., 2003).

O fresamento helicoidal é um processo de usinagem inovador para obtenção de furos, o qual pode ser usado como alternativa à furação convencional (LI et al., 2014a, 2010; LI e LIU, 2013; LIU et al., 2014; WANG et al., 2012). Considerando o avanço helicoidal em adição à rotação da fresa, a remoção de material próxima ao centro do furo ocorre por cisalhamento, diferentemente da furação, acarretando baixos níveis de força de corte (IYER et al., 2007; ZHAO et al., 2015). A cinemática do processo permite a obtenção de furos de diâmetros diferentes sem trocar a fresa, viabilizando a redução de tempo de ciclo (DENKENA et al., 2008a; EGUTI e TRABASSO, 2014; FANG et al., 2015a; LI et al., 2010; QIN et al., 2012a), e evitando operações de acabamento adicionais como furação de acabamento, alargamento e escareamento (OLVERA et al., 2012). Com uma pequena mudança no diâmetro da hélice, há a possibilidade de correção on-line de desvios dimensional e de forma do furo (SHAN et al., 2011). Esta é uma vantagem importante do fresamento helicoidal, uma vez que na furação convencional, à medida que a broca se arpxima do fim de vida, erros dimensional e de forma são obtidos, tal como averiguado por Coldwell et al. (2003). Considerando as vantagens relativas à cinemática flexível do fresamento helicoidal, este é um processo de obtenção de furos mais limpo e, portanto, menos prejudicial ao meio ambiente (PEREIRA et al., 2017b). A furação orbital de estruturas de aeronaves não requer desmontagem para rebarbamento, remoção de cavacos ou limpeza para remover contaminação devido uso de fluido lubri- refrigerante (WHINNEM et al., 2008). A furação orbital acarreta níveis mais baixos de força de corte se comparado à furação convencional e, consequentemente, permite o uso de robôs industriais de baixo custo disponíveis no mercado para obter furos dentro das especificações de tolerância projetadas (KIHLMAN et al., 2002).

A evacuação de cavacos é um benefício do processo de fresamento helicoidal, uma vez que os cavacos são removidos da região de corte através da folga radial entre a fresa e furo, enquanto na furação eles são evacuados pelos canais helicoidais (IYER et al., 2007). Consequentemente, ar comprimido pode ser usado para auxiliar no transporte de cavacos (IYER et al., 2007). Mínima quantidade de lubri-refrigerante (MQL) pode melhorar a qualidade geométrica, reduzir temperatura e esforços de corte (QIN et al., 2012a; SASAHARA et al., 2008). Rebaixo e escareamento de furos também são facilitados no fresamento helicoidal através da programação adequada do caminho da ferramenta (IYER et al., 2007). Boas condições de lubri-refrigeração também são atestadas no fresamento helicoidal (FANGMANN et al., 2011; LI et al., 2014b; SASAHARA et al., 2008).

Em contraste com a furação convencional, onde em materiais de difícil usinabilidade a falha da ferramenta é predominantemente catastrófica, no fresamento helicoidal a evolução do desgaste da fresa pode ser monitorada e o mecanismo de desgaste pode ser melhor compreendido (HE et al., 2009; IYER et al., 2007). No fresamento helicoidal o desgaste pode ser monitorado nas arestas de corte periféricas onde, o contato entre ferramenta e peça é intermitente, e nas arestas de corte frontais, onde o corte é contínuo e níveis mais severos de desgaste podem ser obtidos, geralmente definindo o critério de fim de vida da ferramenta (HE et al., 2009; QIN et al., 2012a). Pelo ajuste da excentricidade da fresa, o caminho da ferramenta pode ser corrigido para compensar o desgaste da fresa, prevenindo desvios dimensionais do diâmetro do furo (CHEN et al., 2010; FANGMANN et al., 2011). Estudos sobre o fresamento helicoidal tem sido realizados para obtenção de condições de corte para alcançar um processo livre de vibrações (LI et al., 2014b). O processo de fresamento helicoidal apresenta um grande potencial na usinagem de compósitos devido a redução de temperatura e esforços de usinagem (BRINKSMEIER et al., 2008; DENKENA et al., 2008a; SADEK et al., 2012). Consequentemente, o fresamento helicoidal apresenta níveis baixos de delaminação e de dano nas fibras na usinagem de CFRP (DENKENA et al., 2008a; SADEK et al., 2012; VOSS et al., 2016).