INFLUÊNCIA DAS CONDIÇÕES DE CORTE E DUREZA DO MATERIAL NA USINAGEM DO AÇO VP100 PARA MOLDES E MATRIZES.

INFLUÊNCIA DAS CONDIÇÕES DE CORTE E DUREZA DO MATERIAL

NA USINAGEM DO AÇO VP100 PARA MOLDES E MATRIZES.

Daniel de Carvalho Secco, danielseccosdj@gmail.com1

Flávio Henrique Manarelli, flaviomanarelli@gmail.com1

Alessandro Roger Rodrigues, roger@sc.usp.br2

Hidekasu Matsumoto, hidekasu@dem.feis.unesp.br1

Wyser José Yamakami, wyser@dem.feis.unesp.br1

Leonardo Pupin Machado, leonardopupin@gmail.com1

Vinícius Machado Otoboni, vico_ottoboni@hotmail.com1

1_{UNESP Campus de Ilha Solteira, Av. Brasil Centro 56, CEP 15.385-000, Ilha Solteira-SP} 2_{USP Campus de São Carlos, Av. Trabalhador São Carlense 400, CEP 13.566-590, São Carlos-SP}

Resumo: Cerca de 30% do custo de fabricação de um produto moldado refere-se ao processo de fabricação do molde.

Os requisitos de qualidade que envolvem sua fabricação têm se tornado foco de pesquisas no mundo todo, tendo em vista que um pequeno incremento na sua qualidade pode resultar em uma economia anual de milhões de dólares. Este trabalho propôs um estudo comparativo entre parâmetros de usinagem e dureza do material que confiram condições para a fabricação do molde com boa qualidade e custo reduzido. Para isso foi aplicado o processo de fresamento frontal em um aço utilizado na fabricação de moldes e matrizes sobre diferentes condições. Como parâmetros de entrada variou-se as velocidades de corte, avanço e dureza do material. Como parâmetros de saída foram obtidos a força de corte, energia específica e temperatura de corte. Os resultados demonstraram como menores avanços associados a altas velocidades de corte podem permitir uma usinagem com menos esforços sem que a temperatura e a energia específica de corte elevem demasiadamente. Outro fator observado retrata que a dureza do material pode atuar como elemento estratégico na escolha do material a ser utilizado, tendo em vista sua elevada influência em todos os parâmetros de saída.

Palavras-chave: Fresamento,moldes e matrizes, força de corte

1. INTRODUÇÃO

A usinagem é um importante processo de fabricação largamente utilizado na indústria metal-mecânica, sendo aplicado tanto na confecção de componentes metálicos como não metálicos. O seu impacto econômico é expressivo, sendo os custos com usinagem correspondentes a mais de 15% dos gastos com a manufatura para países industrializados (Davim, 2008).

Dentre os processos de usinagem conhecidos, o fresamento é o mais versátil devido às mais variadas formas que a fresa apresenta e por possibilitar obtenção de vários perfis geométricos, sejam eles cilíndricos, retangulares, bem como a confecção de canais, cavidades, roscas e, sobre tudo, geometrias com elevado grau de complexidade, como o caso de moldes e matrizes.

A indústria de injeção de plásticos encontra-se em constante expansão, produzindo peças plásticas cada vez mais sofisticadas. Com isso aumenta a exigência por qualidade do molde utilizado, bem como redução de custos. De acordo com Boujelbene et. al. (2004), 30% do custo total de um produto plástico está relacionado à fabricação do molde. Portanto, otimizar o processo de usinagem é uma alternativa importante para redução de custo do produto final. Para isso, se faz necessário monitorar os parâmetros envolvidos no processo.

Segundo Diniz et al. (2006), conhecer a ordem de grandeza dos esforços de corte nos processos de usinagem é importante, pois afetam diretamente a potência necessária para usinagem e a capacidade de obtenção de tolerâncias apertadas. Além disso, o controle dessas forças na usinagem permite uma análise de sua influência sobre o desgaste das ferramentas que tem relação direta com os custos de fabricação do produto final.

A força necessária para remover uma porção do material é também conhecida como energia específica de corte. Sua compreensão é de grande valia para avaliar a usinabilidade dos materiais e a quantidade de calor dissipado no processo de corte que pode ser medido através da temperatura de corte. De acordo com Melo, et. al. (2003), a energia consumida no corte essencialmente converte-se em calor que se distribui em partes para o cavaco (90%), para a peça (5%) e para a ferramenta (5%).

Todos estes fenômenos resultantes do processo de usinagem: Força de corte, energia específica e temperatura de corte atuam como parâmetros de controle para avaliar tecnologicamente a eficiência do processo. Assim, permitem ajustar as condições de usinagem de forma a obter um produto final de melhor qualidade e custo reduzido.

2. OJETIVO

Verificar como a velocidade de corte, o avanço e a dureza do material influenciam a força de corte, energia específica e temperatura de corte no fresamento do aço VP 100 utilizado na fabricação de moldes e matrizes.

3. MATERIAIS E MÉTODOS

Os corpos de provas foram fabricados em aço VP 100 fornecidos pela Villares Metals S/A de dimensões 29 x 30 x 100 mm. Trata-se de um aço microligado Cr-Ni-Mn de dureza média 32HRC e composição descrita na Tabela 1. Indicado para confecção de porta-moldes, moldes para injeção de plásticos não clorados, matrizes para extrusão de termoplásticos e moldes para sopro.

Tabela 1. Composição química do aço VP 100

Composição química do VP 100 em porcentagem de peso

C P Mo Si S Ni Mn Cr

0,22 0,027 0,25 0,4 0,002 0,4 1,9 0,58

Os ensaios de fresamento foram realizados a seco em um centro de usinagem Romi, modelo Discovery 560. Foi proposto fresamento de topo discordante (fresa de Ø25mm – duas arestas), insertos de metal duro (Classe ISO P15) revestidos de Al2O3, fabricados pela Sandvik Coromant (R390-11 T3 08M-PM 4230). A força de usinagem foi medida

com um dinamômetro piezelétrico de três componentes da marca Kistler, modelo 9257BA e um condicionador de sinais 5233A (Figura 1).

Figura1. Montagem experimental para aquisição da força de corte.

A temperatura de corte foi estimada através do modelo de Cook (1973), dado pela Equação 3.

𝑇

=

0,4. 𝑈

𝜌. 𝐶

𝑣

ℎ

𝑘

U: Energia específica de corte [J/mm³] vc: Velocidade de corte [m/min]

h: Espessura de corte [mm] r: Massa específica [kg/m³]

C: Calor específico do material [J/kg °C] k: Difusividade térmica do material [m²/s]

Os parâmetros utilizados como variáveis de entrada nos ensaios foram o avanço por dente (fz), velocidade de corte (vc) e tratamento térmico do material da peça (dureza). A profundidade de usinagem (ap) e a largura de usinagem (ae) foram mantidas constantes em todos os ensaios, sendo 0,5 mm e 17,5 mm, respectivamente. A matriz experimental

(Tabela 2) foi dividida em dois grupos em função do nível de dureza do material: beneficiados (B), que passaram apenas pelo processo de alívio de tensão (32 HRC) e temperados/revenidos (T), cuja dureza alcançou 43 HRC.

Tabela 2. Matrix experimental.

Parâmetros vc (m/min) fz (mm/dente) ap (mm) ae (mm)

Condições

200 0,1 0,5 17,5

200 0,2 0,5 17,5

450 0,1 0,5 17,5

450 0,2 0,5 17,5

As Tabelas 3 e 4 e a Figura 2 a seguir mostram os parâmetros e as respectivas curvas de aquecimento e resfriamento para os ciclos de tratamento térmico: processo de alívio de tensão (Figura 5a) e têmpera (Figura 5b). Os valores de temperaturas, velocidade de aquecimento e tempo de homogeneização foram obtidos a partir do catálogo do fabricante. O resfriamento dos corpos de prova aliviados ocorreu ao ar livre e dos temperados em óleo. Os corpos de provas foram posicionados em uma caixa metálica apropriada e envoltos por carvão a fim de evitar oxidação ou formação de carepas.

Tabela 3. Parâmetros de aquecimento para o processo de alívio de tensão.

Tabela 4. Parâmetros de aquecimento para o processo de têmpera

Figura 5. Curva de aquecimento e resfriamento para o processo de tratamento térmico

Para processamento dos resultados, foi aplicada Análise de Variância (ANOVA) e nível de significância de 5%, considerando duas réplicas. A seguinte nomenclatura, independentemente do tratamento térmico do material da peça, foi adotada na apresentação dos resultados: V200-F01, V200-F02, V450-F01 e V450-F02, onde V denota velocidade de corte e F, avanço por dente.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 6 apresenta os valores de força de corte máxima. Em termos quantitativos, pode-se observar que o incremento do avanço em 100% elevou a força de corte máxima em 59% para o aço beneficiado e 45% para o aço temperado/revenido. Por outro lado, a influência da velocidade de corte é inversamente proporcional à força de corte, uma vez que o incremento em 125% implicou em reduções de 24% e 13%, respectivamente, para o aço beneficiado e temperado/revenido.

Nota-se na Figura 6 que a força de corte máxima obtida apresentou comportamento inversamente proporcional à velocidade de corte e diretamente proporcional ao avanço. Este resultado reflete o fenômeno físico envolvido no processo. Com o aumento da velocidade de corte, altera-se a dinâmica de escoamento do cavaco, de tal forma, que o tempo de contato deste com a superfície de saída da ferramenta diminui, o que reduz o atrito. Outro fator importante é a redução na seção do cavaco que esse aumento provoca. Como observado por Dolinsek et. al. (2001), destes dois últimos fenômenos decorre a redução do grau de recalque, de tal forma que, associados, estes três fatores reduzem os esforços de corte. Ao mesmo tempo observa-se que o aumento do avanço incorre em aumento também da força de corte. Seu efeito é contrario da velocidade de corte, pois incorre em aumento da seção do cavaco e provável aumento do grau de recalque, o que conduz a pequenos ângulos de cisalhamento e grande deformação do material. Estes fatores associados resultam em maiores esforços de corte.

Figura 6. Comportamento da força de corte máxima e temperatura de corte para diferentes velocidades de avanço e de corte.

Ao observar o comportamento da temperatura de corte apresentada na Figura 7(a), nota-se que ela sofreu pouca influência tanto da velocidade de corte como do avanço. Tal fenômeno pode ser justificado ao observarmos a Figura 7(b). Nesta atesta-se um comportamento semelhante ao da temperatura, ou seja, diante da variação das velocidades de corte e de avanço, a energia específica de corte permaneceu praticamente a mesma. Esta por sua vez representa a energia utilizada para o corte de um volume do material. Neste sentido, prevalece o fato de que cerca de 97% da potência necessária para o corte dos metais se transforma em calor na região próximo à aresta cortante, (Shaw, 1997). Portanto, o comportamento da temperatura de corte é praticamente um reflexo da energia utilizada para o corte.

Figura 7. Temperatura de corte (a) e energia específica de corte (b) em função das velocidades de corte e avanço durante fresamento frontal do aço VP100.

A dureza do material da peça foi um fator significativo tanto na força de corte como na temperatura estimada, apesar de algumas variabilidades terem sido coincidentes, particularmente no caso da força de corte máxima. Uma comparação entre o comportamento da força e temperatura de corte em relação ao material da peça mostrou que a temperatura foi mais sensível à variação da dureza da peça (+35%) que a força de corte (+19%). Verifica-se também que a magnitude da energia especifica de corte é diretamente proporcional à dureza do material da peça, ou seja, como apresentado por Rodrigues (2005), o aumento da dureza do material normalmente leva a um aumento da energia específica de corte.

Figura 8. ANOVA gráfica dos efeitos principais (velocidade de corte, avanço por dente e tratamento térmico da peça) sobre a resposta (força de corte máxima e temperatura de corte).

A Figura 8 apresenta resultados qualitativos da análise de variância (ANOVA) de temperatura e força de corte máxima. As retas inclinadas representam a influência que determinado parâmetro de entrada teve sobre uma saída. Quanto maior sua inclinação em relação a uma linha média horizontal maior sua influência sobre a saída. Neste caso específico foi avaliada a influência de três parâmetros de entrada: Tratamento térmico (TT), velocidade de corte (Vc) e avanço por dentre (fz) sobre as saídas: Força de corte Máxima e Temperatura de corte máxima. Nota-se nesta figura que o elemento de entrada de maior significância sobre a força de corte máxima foi o avanço por dente e que a velocidade de corte apresentou comportamento inverso. Já para a temperatura estimada na zona de cisalhamento secundária, o incremento de todas as variáveis de entrada aumentou a temperatura de corte, no entanto o parâmetro de maior influência foi o tratamento térmico. Tais retas nos ajudam a entender o comportamento dos dados de entrada em relação a saída mas não fornece uma análise quantitativa que nos permita compará-los, algo que pode ser entendido com ajuda dos dados apresentado na Tabela 5.

Tabela 5. Quadro ANOVA do efeito do tratamento térmico da peça, velocidade de corte e avanço por dente sobre a força de corte máxima e temperatura de corte.

Variável GL SQ QM F P Força de Corte Máxima

TT 1 11017 11017 7,31 0,019 vc 1 20071 20071 13,32 0,003 fz 1 73302 73302 48,66 0,000 Erro 12 18075 1506 Total 15 Temperatura de Corte TT 1 358247 358247 30,04 0,000 vc 1 51050 51050 4,28 0,061 fz 1 24935 24935 2,09 0,174 Erro 12 143107 11926 Total 15

Nota-se no quadro ANOVA (Tabela 5) que todas as variáveis de entrada nos ensaios (fatores de controle) foram influentes na resposta (força de corte máxima), uma vez que os valores de Probabilidade (P) foram menores que o nível de significância adotado (α = 0,05). Isto equivale a dizer que estas significâncias têm 95% de confiabilidade de ocorrerem de fato. Pelo exame da Distribuição F, observa-se que o avanço por dente apresenta o maior valor, o que demonstra que este parâmetro de corte, dentre todos os demais significativos, é mais influente. Este fato compatibiliza com a Figura 8, onde o avanço por dente causou a maior variação da força de corte máxima em torno da média.

Entretanto, ao analisar o quadro ANOVA para a temperatura de corte, constata-se que apenas a dureza do material da peça é influente, já que a Probabilidade (P) foi praticamente nula. Este resultado também é condizente com a Figura 2, na medida em que o tratamento térmico foi a variável que mais causou variação da temperatura de corte em torno da média. Os demais fatores de controle não apresentaram significância sobre a resposta, pois os valores-P foram maiores que o nível de significância adotado no cálculo da ANOVA. Mesmo a velocidade de corte, que é um parâmetro de corte tipicamente influente no comportamento da temperatura de corte, não causou significância (P = 0,061 > 0,05).

5. CONCLUSÕES

O avanço e a velocidade de corte não apresentaram relevância significativa sobre a temperatura de corte. No entanto, ao analisar a de força de corte observa-se que apresentaram influência oposta, de tal forma que uma redução do avanço associado a uma elevada velocidade de corte se apresentam como as condições mais favoráveis à usinagem com menores esforços de corte, o que se traduz, muitas vezes, em boa qualidade da peça usinada com reduzido desgaste da ferramenta. Este fenômeno é de grande interesse em se tratando da usinagem aplicada a indústria de moldes e matrizes.

A dureza do material apresentou grande influência sobre os resultados de força de corte, energia específica e, principalmente, sobre a temperatura de corte. Isto demonstra a importância estratégica da escolha do material quando se considera os custos e a qualidade adquirida durante processo de fabricação do molde ou matriz.

A energia específica de corte sofreu pouca influência do avanço e da velocidade de corte, mas ainda assim, nota-se pequena redução desta nas condições em que maiores avanços e velocidades de cortes foram aplicadas. Este comportamento contrasta com a força de corte, quando se observa que esta foi menor para baixo avanço e alta velocidade de corte. Esta relação retrata a importância de uma análise da energia em conjunto com a força de corte.

6. AGRADECIMENTOS

À Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pela concessão de bolsas de pesquisa, à Villares Metals pela doação do material da peça utilizado nos ensaios, ao Grupo de Pesquisa em Usinagem (GPU) da UNESP Campus de Ilha Solteira e aos alunos Adriana Bruno Norcino e Fernando de Oliviera Brandão da pós-graduação da USP Campus de São Carlos pelo apoio em fase experimental.

7. REFERÊNCIAS

Boujelbene, M., Moisan, A., Tounsi, N., Brenier, B., 2004, “Productivity enhancement in dies and molds manufacturing by the use of C1 continuous tool path”, International Journal of Machine Tool & Manufacture, Vol. 44, n.1, pp.101-107.

Cook, N., 1973, “Tool wear and tool life”, ASME Transactions, Journal of Engineering for Industry, Vol. 95, pp. 931-938.

Davim, P. J., 2008, “Machining: fundamentals and recent advances”, Ed. Springer-Verlag, London, USA, 361 p. Diniz, A. E., Marcondes, F. C., Coppini, N. L., 2006, “Tecnologia da Usinagem dos Materiais”, Ed. Artliber, São Paulo,

Brasil, 244 p.

Dolinšek, S., Ekinović, S., Kopač, J., 2004, “A contribution to the understanding of chip formation mechanism in high-speed cutting of hardened steel”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 157-158, pp. 485-490. Melo, A.C. A. et. al., 2003, “Estudo da variação da temperature de corte no fresamento frontal”, In: 2º Congresso

Brasileiro de Engenharia de Fabricação, Uberlândia-MG, Anais… Uberlândai-MG: UFU.

Rodrigues, A. R., 2005, “Estudo da geometria de arestas de corte aplicadas em usinagem com altas velocidades de corte”, 2005, Tese (Doutorado), Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. Shaw, M.C., 1997, “Metal Cutting Principles”, Ed. Oxford University Press, Oxford, USA, 616 p.

8. DIREITOS AUTORAIS

INFLUENCE OF CUTTING CONDITIONS AND WORKPIECE HARDNESS

IN THE VP100 STEEL MOLDS AND DIES MACHINING

Daniel de Carvalho Secco, danielseccosdj@gmail.com1

Flávio Henrique Manarelli, flaviomanarelli@gmail.com1

Alessandro Roger Rodrigues, roger@sc.usp.br2

Hidekasu Matsumoto, hidekasu@dem.feis.unesp.br1

Wyser José Yamakami, wyser@dem.feis.unesp.br1

Leonardo Pupin Machado, leonardopupin@gmail.com1

Vinícius Machado Otoboni, vico_ottoboni@hotmail.com1

1_{UNESP Campus de Ilha Solteira, Av. Brasil Centro 56, CEP 15.385-000, Ilha Solteira-SP} 2_{USP Campus de São Carlos, Av. Trabalhador São Carlense 400, CEP 13.566-590, São Carlos-SP}

Abstract: Around 30% of the manufacturing costs of a molded product refers to the mold manufacturing process. The

quality requirements involving its manufacture has become focus to research at the all world, giving that a small increment in their quality can result in a annual economy of million of dolars. This paper proposed a comparative study betwen machining parameters and workpiece hardness conferring conditions to the mold manufacturing with good quality and reduced costs. To this was applied face milling process in a steel used in the molds and dies manufacturing under different conditions. As input parameters was varied cutting speeds, feed and workpiece hardness. As output parameters were obtained cutting force, specific energy and cutting temperature. The results showed how lower feeds associated with high cutting speeds can enable machining with less efforts without excessively increase of the temperature and specific energy. . Another factor observed portrays that the workpiece hardness can act as a strategic element in the choice of material to be used, given its high influence on all output parameters.