Optimização do Fabrico de Moldes de Precisão

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Otimização do Processo de Fabrico de Moldes de Precisão

João Pedro Oliveira Souto

Dissertação de Mestrado

Orientador na FEUP: Prof. Ana Reis Orientador na Empresa: Eng. Bruno Correia

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2018

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Resumo

Esta dissertação foi realizada no âmbito da conclusão do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e foi escrita em ambiente empresarial, na Celoplás.

O mercado da injeção de plásticos, é um mercado que para além da grande exigência em relação ao produto final, oferece uma forte concorrência. Deste modo, a qualidade dos produtos, o cumprimento dos prazos, e o aproveitamento dos recursos se destacam como pilares de uma empresa sustentável. Assim, torna-se necessário por um lado, a utilização total dos meios disponíveis, assim como um constante desenvolvimento e procura de soluções que permitam aumentar a eficiência dos processos.

Neste sentido, esta dissertação assenta em duas partes: uma parte de pesquisa sobre a constituição de um molde para a injeção de plástico e os seus processos de fabrico, seguido de uma parte prática. Esta parte prática é também subdividida em duas partes: uma primeira onde se acompanha o fabrico de um postiço de forma a conhecer as técnicas e metodologias utilizadas na empresa, e uma segunda, onde são desenvolvidos alguns ensaios de forma a melhorar os processos de eletroerosão e retificação para o fabrico de punções.

Quanto à retificação, com este projeto conseguiu-se definir parâmetros que permitam ter o melhor balanço qualidade/custo. Relativamente à eletroerosão, testou-se diferentes materiais de elétrodos e fios, assim como, um modo de construção da tecnologia de corte que até então raramente era usado na empresa, definindo-se, mais uma vez, quais os mais eficazes.

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Optimization of Precision Moulds Manufacturing

Abstract

This dissertation is part of the conclusion of Integrated Master’s Degree in Mechanical Engineering of the Faculty of Engineering of the University of Porto, and it was written in a industrial environment, at the company Celoplás.

The plastic injection market is a sector that, besides its hard requirements on the final products, it offers a lot of competition. So, the products quality, the deadlines meeting and the great exploitation of the factory resources are the main factors for the company to succeed. This way, there is a need of effective utilization of the available machinery and knowledge, as well as a constant development and research of new solutions to make the manufacturing processes more efficient.

This dissertation is divided in two parts: the first one is composed by a research about the plastic mould composition, and its manufacturing process, and the second one, is a pratical section. This section is subdivided itself in two projects: in the first project, the manufacturing process of a mold part was scrupulously followed, in order to know the technics and methodologys used by the company, and in the second project, a group of experiments were taken to improve electrical discharge machining and grinding processes at the company.

In the grinding part, it was made some experiences in order to find cutting parameters with which we could achieve the best quality/cost balance. Relatively to electrical discharge machining, different electrode materials, types of wire and softwares to select the cutting parameters were tested, in order to find, once again, the most effective ones.

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Agradecimentos

Em primeiro lugar, agradeço à empresa Celoplás, Plásticos para a Indústria, S. A., na pessoa do Sr. Eng. João Cortez, por permitir a escrita da tese nas suas instalações, e pôr ao dispor todas as condições para a elaboração deste relatório.

Agradeço também ao meu orientador na empresa, Eng. Bruno Correia, por toda a sua disponibilidade, apoio e motivação prestados, assim como conhecimentos transmitidos, ao longo deste estágio.

Agradeço à Sra. Professora Ana Reis, orientadora na FEUP, que apesar da sua agenda muito preenchida, forneceu alguns conselhos valiosos para a realização deste trabalho.

Agradeço a todos os colaboradores da empresa, que me acolheram muito amigavelmente e dispuseram parte do seu tempo a trabalhar para a elaboração deste relatório, principalmente, ao Nuno, André e Marta, que foram as pessoas com quem passei a maior parte do tempo.

Agradeço aos meus amigos pelo apoio moral e motivação em momentos mais difíceis. Por fim, agradeço à minha família por todo apoio, não só ao longo desta dissertação, mas sim ao longo de toda minha vida.

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Índice

1. Introdução ... 1

1.1. Enquadramento do projeto ... 1

1.2. Estado-da-arte da indústria dos moldes ... 1

1.3. Apresentação da Celoplás ... 3

1.4. Objetivos do projeto ... 4

1.5. Estrutura da dissertação ... 4

2. Moldes de injeção para plásticos ... 5

2.1. Tipos de molde ... 5

2.2. Estrutura ... 8

2.3. Sistema de Alimentação ... 10

2.4. Sistema de Extração ... 15

2.5. Sistema de Extração de Gases ... 18

2.6. Sistema de Arrefecimento ... 18

2.7. Sistema de Guiamento ... 21

3. Processos de Fabrico ... 21

3.1. Fresagem ... 22

3.2. Torneamento... 27

3.3. Eletroerosão por Penetração ... 34

3.4. Eletroerosão por fio ... 42

3.5. Retificação ... 43

3.5.1. Retificação de Titânio ... 53

4. Fabrico de um Postiço ... 56

4.1. Cálculos Empíricos para o Dimensionamento do Molde ... 56

4.2. Fresagem de Desbaste ... 68

4.3. Banca (preliminar)... 74

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4.6. Fresagem de acabamento ... 79

4.7. Eletroerosão por fio ... 80

4.8. Eletroerosão de Penetração ... 83

5. Ensaios Práticos ... 87

5.1.1. Caraterização dos aços... 87

5.1.2. Retificadora ... 96

5.1.3. Ensaios ... 96

5.1.4. Metrologia ... 100

5.1.5. Resultados e discussão ... 100

5.2. Eletroerosão por Fio ... 108

5.3. Eletroerosão de penetração ... 111

5.3.1 Elétrodos ... 111

5.3.2 Provetes ... 114

5.3.3. Máquina de Eletroerosão ... 115

5.3.4. ESPER vs HybridPack ... 115

5.3.5. Dados de Construção das Tecnologias ... 116

5.3.6. Metrologia ... 117

5.3.7. Resultados e Discussão ... 118

6. Conclusões e Trabalho Futuros ... 129

7. Referências ... 131

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Índice de Figuras

Figura 1 - Gráfico Produção-Exportação da indústria de moldes [1]. ... 1

Figura 2 - Balança comercial da indústria de moldes [1]. ... 2

Figura 3 - Países para onde a indústria de moldes portuguesa exporta [1]. ... 2

Figura 4 - Principais clientes da indústria de moldes portuguesa [1]. ... 3

Figura 5 - Logótipo da Celoplás [2]. ... 3

Figura 6 - Molde de duas placas [4]. ... 5

Figura 7 - Molde de três placas [4]. ... 6

Figura 8 - Molde tipo sandwich [5]. ... 7

Figura 9 - Molde de injeção multi-material: a) Rotação; b) Transferência [6]. ... 8

Figura 10 - Estrutura geral de um molde de duas placas [4]. ... 9

Figura 11 - Sistema de alimentação de um molde [9]. ... 11

Figura 12 - Sistema de canais quentes. ... 12

Figura 13 - Entrada restrita retangular [3]. ... 13

Figura 14 - Entrada em leque [4]. ... 13

Figura 15 - Entrada em filme [3]. ... 14

Figura 16 - Entrada capilar [3]. ... 14

Figura 17 - Entrada submarina [4]. ... 14

Figura 18 - Entrada unha de gato [4]. ... 15

Figura 19 - a) Entrada em disco ou diafragma. b) e c) Entradas em anel [3]. ... 15

Figura 20 - Esquema do sistema de placa impulsionadora [4]. ... 16

Figura 21 - Esquema do sistema de placa extratora [4]. ... 16

Figura 22 - Esquema do sistema com movimento lateral [4]. ... 17

Figura 23 - Esquema do sistema de ar comprimido [4]. ... 17

Figura 24 - Posicionamento das saídas de ar relativamente à alimentação [4]. ... 18

Figura 25 - Posicionamento dos canais de refrigeração [4]. ... 19

Figura 26 - Diferentes configurações do sistema de arrefecimento [4]. ... 20

Figura 27 – Esquema de funcionamento de um baffle e de um bubbler [12]. ... 20

Figura 28 - Componentes de guiamento: a) Coluna de guiamento; b) Guia prismátrica; c) Pino Inclinado; d) Pino e Casquilho [13]. ... 21

Figura 29 - Fresagem Cilíndrica [16]. ... 23

Figura 30 - Fresagem Frontal [14]. ... 24

Figura 31 - Fresadora Horizontal e fresadora vertical, respetivamente [14]. ... 25

Figura 32 - Fixação de peça na fresagem com recurso a uma mesa magnética e calços [18]. 27 Figura 33 - Funcionamento do torneamento [14]. ... 27

Figura 34 - Operações de torneamento: a) Facejar; b) Torn. Ext. Cônico; c) Perfilar; d) Perfilar com ferro de forma; e) Chanfrar; f) Sangrar ou ranhurar; g) Roscar ou filetar; h) Torn. Int. cilíndrico; i) furar; j) Recartilhar [14]. ... 29

Figura 35 - Tipos de tornos: a) Torno Horizontal; b) Torno Vertical; c) Torno de faces ou cabeçotes; d) Torno revolver; e) Torno automático [19]. ... 30

Figura 36 - Ferramenta de corte do torneamento [21]. ... 30 Figura 37 - Ferramentas usadas no torno: a) Ferro direito de corte à direita; b) Ferro direito de corte à esquerda; c) Ferro de ponta curva de corte à esquerda; d) Ferro de ponta curva de

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corte à direita; e) ferro de alisar ponteagudo; f) Ferro de alisar largo;g) Ferro de Sangrar ou ranhurar; h) Ferro perfilador de aresta côncava; i)Ferro perfilador de aresta convexa; j) Ferro

de filetar ou roscar; k) Ferro de facejar esquerdo; l) ferro de facejar direito [19]. ... 31

Figura 38 - Código ANSI para pastilhas para torneamento [21]. ... 32

Figura 39 - Sistema de fixação da peça: a) Prato condutor com cavalinho e contraponto; b) Bucha de 3 grampos; c) Bucha com 4 mordente independentes; d) Pinça; e) Sistema de luneta [20]. ... 34

Figura 40 - Processo de eletroerosão por penetração [10]. ... 35

Figura 41 - Ionização do fluido dielétrico [23]. ... 35

Figura 42 - Passagem de corrente [23]. ... 36

Figura 43 - Vaporização do fluido, do elétrodo e da peça [23]. ... 36

Figura 44 - Expansão da bolha de vapor [23]. ... 37

Figura 45 - Ponto máximo de pressão e temperatura na bolha de vapor [23]. ... 37

Figura 46 - Colapso da bolha de vapor [23]. ... 38

Figura 47 - Remoção do material erodido pelo fluido dielétrico [23]. ... 38

Figura 48 - Valores de tensão e intensidade de corrente durante um processo de eletroerosão [25]. ... 39

Figura 49 - Evolução do acabamento superficial com a intensidade de corrente [14]. ... 39

Figura 50 - Sistemas de fixação da peça com mandíbula ajustável [31]. ... 43

Figura 51 - Movimentos possíveis na retificação plana [14]. ... 45

Figura 52 - Comparação entre a retificação convencional (a) e retificação creep-feed (b) [14]. ... 46

Figura 53 - Esquemas exemplificativos da retificação cilíndrica interna e externa [33]. ... 46

Figura 54 - Estrutura de uma mó [36]. ... 48

Figura 55 - Diferentes formatos de mó [37]. ... 49

Figura 56 - Refrigeração do processo [38]. ... 50

Figura 57 - Detalha da retificação da mó com diamante de ponta única. ... 51

Figura 58 - Fixação na retificação plana: torno de fixação e mesa de senos apoiados em prato magnético. ... 52

Figura 59 - Fixação na retificação cilíndrica: bucha de três mordentes, pinça e prato magnético. ... 53

Figura 60 - Retificação de Titânio. ... 55

Figura 61- Dimensões da peça. ... 58

Figura 62 - Detalhe dos calços e placa do macho. ... 59

Figura 63 - Detalhe dos extratores. ... 63

Figura 64 - Efeito de encurvadura nos extratores [45]. ... 64

Figura 65 - Detalhe da utilização da cavilha. ... 65

Figura 66 - Diagrama de forças suportadas pela cavilha. ... 66

Figura 67 - Detalhe da utilização dos parafusos. ... 67

Figura 68 - Blocos de aço 1.2083. ... 68

Figura 69 - Postiço após a fresagem (parte inferior). ... 72

Figura 70 - Postiço após a fresagem (parte superior). ... 72

(13)

Figura 74 - Retificação da parte inferior do postiço. ... 77

Figura 75 - Retificação das partes laterais do postiço. ... 78

Figura 76 - Fresagem de acabamento. ... 79

Figura 77 - Postiço na máquina de eletroerosão por fio. ... 80

Figura 78 - Perfil do furo. ... 82

Figura 79- Eletroerosão por penetração do postiço. ... 84

Figura 80 - Escolha do tipo de cavidade a erodir... 84

Figura 81 - Seleção dos parâmetros para a construção da tecnologia para a erosão de uma cavidade. ... 85

Figura 82 - Seleção dos parâmetros para a construção da tecnologia para a erosão de uma ranhura. ... 85

Figura 83 - Programa de erosão. ... 86

Figura 84 - Exemplo de condição de corte. ... 86

Figura 85 - Diagrama de Transformação em Arrefecimento Contínuo do Aço 1.2083. ... 89

Figura 86 - Diagrama de Revenido do Aço 1.2083. ... 89

Figura 91 - Esquema do provete para o ensaio 1. ... 96

Figura 92 - Esquema do provete para o ensaio 2.1. ... 98

Figura 93 - Esquema do provete para o ensaio 2.2. ... 99

Figura 94 - Esquema da retificação da mó... 99

Figura 95 - Direção da medição da rugosidade. ... 100

Figura 96 - Dimensões medidas no ensaio 2.2. ... 100

Figura 97 - Gráfico Velocidade de Corte/Rugosidade para o aço 1.2344. ... 101

Figura 100 - Provetes após o ensaio 1. ... 103

Figura 101 - Gráfico Velocidade de Corte/Rugosidade para o ensaio 2.1. ... 104

Figura 102 - Provetes após ensaio 2.1. ... 105

Figura 103 - Dimensões medidas no ensaio 2.2. ... 106

Figura 104 - Esquema de desgaste da mó. Nota: entre as duas últimas fases, a mó foi perfilada. ... 107

Figura 105 - Provete após o ensaio 2.2. ... 108

Figura 106 - Bobinas de fio Bercocut Pro 500 (esquerda) e Megacut Plus (direita) [28]. [7] ... 108

Figura 107 - Perfil da primeira peça a ser produzida. ... 109

Figura 108 - Perfil da segunda peça a ser produzida. ... 110

Figura 109 - Peças obtidas no segundo teste. ... 110

Figura 110 - Elétrodos preparados para a eletroerosão. ... 113

Figura 111 - Elétrodo: a) antes da fresagem; b) Após a fresagem. ... 113

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Figura 114 - Seleção do modo de construção da tecnologia. ... 116

Figura 115 - Layout do software para a inserção do resultado desejado. ... 117

Figura 116 - Medidas registadas após os ensaios. ... 118

Figura 117 – Resultados ao nível do raio de concordância. ... 124

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Índice de Tabelas

Tabela 1 - Profundidade das saídas de ar para os diferentes termoplásticos [10]. ... 18

Tabela 2 - Código ANSI para a identificação da pastilha de corte. ... 32

Tabela 3 - Propriedades dos Elétrodos [26,27]. ... 41

Tabela 4 - Propriedades dos diferentes tipos de fio [30]. ... 43

Tabela 5 - Propriedades do titânio e Aço 1.2344 [26, 43, 44]. ... 53

Tabela 6 - Parâmetros de corte para mós de diferentes materiais [41]. ... 56

Tabela 7 - Propriedades dos materiais constituintes do molde e peça. ... 56

Tabela 8 - Parâmetros de corte dos furos na fresagem. ... 69

Tabela 9 - Parâmetros de corte na fresagem ... 70

Tabela 10 - Parâmetros de corte dos furos na fresagem. ... 70

Tabela 11 - Parâmetros de corte na fresagem. ... 71

Tabela 12 - Parâmetros de corte usados na furadora. ... 74

Tabela 13 - Parâmetros usados na fresagem de acabamento. ... 79

Tabela 14 - Acabamento conseguido em relação ao número de passagens. ... 81

Tabela 15 - Tecnologias utilizados na eletroerosão por fio. ... 81

Tabela 16 - Tecnologia de corte utilizada. ... 82

Tabela 17 - Tecnologia de corte utilizada. ... 83

Tabela 18 - Identificação do aço 1.2083 nas diferentes normas. ... 87

Tabela 19 - Propriedades térmicas do aço 1.2083. ... 87

Tabela 20 - Composição do aço 1.2083. ... 88

Tabela 21 - Parâmetros do recozido para o aço 1.2083. ... 88

Tabela 22 -Parâmetros da têmpera para o aço 1.2083. ... 88

Tabela 23 - Parâmetros do revenido para o aço 1.2083. ... 90

Tabela 28 - Parâmetros da têmpera para o aço 1.2344. ... 91

Tabela 34 - Parâmetros do têmpera para o aço 1.2379. ... 94

Tabela 36 - Dureza dos provetes. ... 96

Tabela 37 - Parâmetros variáveis no ensaio 1. ... 97

Tabela 38 - Parâmetros variáveis no ensaio 2.1. ... 98

Tabela 39 - Parâmetros variáveis no ensaio 2.2. ... 100

Tabela 40 - Resultados do ensaio 1 para o aço 1.2344. ... 101

Tabela 41 - Resultados do ensaio 1 para o aço 1.2379. ... 101

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Tabela 43 - Resultados do ensaio 2.1 para a mó de tamanho de grão 120. ... 104

Tabela 44 - Resultados do ensaio 2.1 para a mó de tamanho de grão 220. ... 104

Tabela 45 - Resultados para o ensaio 2.2. ... 106

Tabela 46 - Resultados para o ensaio 2.2. ... 106

Tabela 47 - Propriedades dos fios utilizados [28]. ... 108

Tabela 48 - Resultados relativos ao primeiro teste de eletroerosão por fio. ... 109

Tabela 49- Resultados relativos ao segundo teste de eletroerosão por fio. ... 110

Tabela 50 - Propriedades do material dos elétrodos. ... 111

Tabela 51 - Custos da Fresagem dos Elétrodos. ... 112

Tabela 52 - Custo total da produção dos elétrodos. ... 114

Tabela 53 - Lista de parâmetros utilizados na construção das tecnologias... 117

Tabela 54 - Resultados obtidos para o elétrodo de cobre com tecnologia HybridPack. ... 118

Tabela 55 - Resultados obtidos para o elétrodo de cobre com tecnologia ESPER. ... 118

Tabela 56 - Resultados obtidos para o elétrodo de grafite ic45 com tecnologia ESPER. ... 119

Tabela 57 - Resultados obtidos para o elétrodo de Grafite ic16 com tecnologia ESPER. .... 119

Tabela 58 - Resultados obtidos para o elétrodo de Cobre-Tungsténio com tecnologia HybridPack. ... 119

Tabela 59 - Detalhe das ranhuras erodidas com os elétrodos de cobre. ... 119

Tabela 60 - Detalhe das ranhuras erodidas com os elétrodos de grafite. ... 120

Tabela 61 - Detalhe das ranhuras erodidas com os elétrodos de Cobre-Tungsténio. ... 122

Tabela 62 - Resultados obtidos utilizando 2 elétrodos de cobre. ... 126

Tabela 63 - Detalhe das ranhuras erodidas pelos dois elétrodos de cobre. ... 126

Tabela 64 - Custos do processo de eletroerosão. ... 127

Tabela 65 - Custos do processo de eletroerosão. ... 128

Tabela 66 - Parâmetros elétricos utilizados com elétrodo de cobre e tecnologia HybridPack. ... 135

Tabela 67 - Parâmetros elétricos utilizados com elétrodo de cobre e tecnologia ESPER. .... 135

Tabela 68 - Parâmetros elétricos utilizados com elétrodos de grafite e tecnologia ESPER. . 136

Tabela 69 - Parâmetros elétricos utilizados com 2 elétrodos de cobre e tecnologia ESPER+ESPER. ... 136

Tabela 70 - Parâmetros elétricos utilizados com 2 elétrodos de cobre e tecnologia ESPER+HybridPack. ... 137

Tabela 71 - Parâmetros elétricos utilizados com elétrodo de cobre-tungsténio e tecnologia HybridPack. ... 137

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1.

Introdução

1.1. Enquadramento do projeto

No âmbito da Unidade Curricular Dissertação do 5º ano do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica, na opção de Produção, Conceção e Fabrico da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, realizou-se um trabalho na empresa Celoplás, em Grimancelos. Este trabalho foi intitulado de “Otimização do fabrico de moldes de precisão”, e foi orientado pelo Eng. Bruno Correia por parte da Celoplás e pela Professora Ana Reis por parte da FEUP.

1.2. Estado-da-arte da indústria dos moldes

A indústria dos moldes em Portugal tem vindo a crescer e a destacar-se no panorama internacional, sendo neste momento, na área da injeção de plásticos, o terceiro maior produtor europeu e o oitavo a nível mundial.

Em 2016, a exportação (fig.1) atingiu o valor recorde de 630 milhões, ou seja cerca de 85% da produção total estimada de 750 milhões de euros [1].

Deste modo a balança comercial (fig. 2) torna-se muito positiva, pois a exportações excedem consideravelmente as importações.

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O setor de moldes em Portugal é constituído por 493 empresas, maioritariamente de pequena e média dimensão (PME), localizadas, sobretudo, nas zonas da Marinha Grande e Oliveira de Azeméis. Estas empresas empregam aproximadamente 10000 pessoas.

Relativamente ao destino das exportações (fig. 3), este concentra-se essencialmente no mercado europeu, principalmente, o abrangido pela livre circulação, representando 87% das exportações, sendo que os nossos cinco melhores clientes em 2016 foram: Espanha, com 22% das exportações, Alemanha, com 20%, França, com 16%, Polónia com 7% e República Checa com 5% [1].

Relativamente às principais indústrias fornecidas pelo setor de moldes (fig. 4), destaca-se a dependência ao mercado automóvel, destaca-sendo que este tem um peso total de 82% nas vendas

Figura 2 - Balança comercial da indústria de moldes [1].

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deste setor. Assim, torna-se necessário a procura de mercados alternativos, como a indústria de dispositivos médicos ou indústria aeronáutica [1].

1.3. Apresentação da Celoplás

A Celoplás, Plásticos para a Indústria S.A. foi fundada em 1989 em Grimancelos e conta hoje com uma área total de 25 000 𝑚 , sendo que 15 000 𝑚 são cobertos. Neste momento, a Celoplás dispõe de um parque de máquinas com mais de 70 máquinas de injeção e labora 24 horas por dia, 7 dias por semana [2].

A secção de fabrico de moldes está subdividida em setor de fresagem, fresagem de elétrodos, erosão, retificação e banca, sendo que estes estão equipados com maquinaria moderna e atualizada.

Figura 4 - Principais clientes da indústria de moldes portuguesa [1].

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O principal negócio desta empresa é a injeção e micro injeção de componentes técnicos de elevada precisão, sendo que esta produz mais de 200 milhões de peças por ano, num total de mais de 200 tipos diferentes de termoplásticos, termoendurecíveis e silicones.

A Celoplás também desenvolve componentes à escala micro, utilizando tecnologias de micro-maquinação e micro-moldação.

Os maiores clientes da companhia encontram-se nas indústrias automóvel, eletrónica, elétrica, ótica, de construção e médica, exportando mais de 95% da sua produção. Deste modo, a Celoplás é já reconhecida como uma “referência europeia no desenvolvimento e na produção de componentes e nos clusters de alta tecnologia, utilizando materiais poliméricos” [2].

1.4. Objetivos do projeto

O projeto desenvolvido teve como objetivos, por um lado, a assimilação de conhecimentos aprendidos ao longo do curso respeitantes ao fabrico de moldes para injeção de plásticos, e por outro, a perceção dos procedimentos, nomenclaturas e estratégias utilizadas numa indústria real.

Outro dos objetivos foi a melhoria das técnicas de retificação e eletroerosão utilizadas pela empresa, mais detalhadamente, no fabrico de pequenas geometrias.

1.5. Estrutura da dissertação

Esta dissertação divide-se em 6 capítulos.

Capítulo 1: É apresentado o tema, o enquadramento e os objetivos da dissertação e a empresa, assim como, a indústria dos moldes em Portugal.

Capítulo 2: Neste capítulo fez-se uma pesquisa bibliográfica acerca dos moldes para plástico, da sua composição e das suas especificidades.

Capítulo 3: Este capítulo apresenta uma pesquisa detalhada acerca dos processos de fabrico mais utilizados para a produção dos componentes para moldes.

Capítulo 4: Neste capítulo, detalhou-se, minuciosamente, o fabrico de um postiço moldante real.

Capítulo 5: São descritos os ensaios práticos levados a cabo no decorrer do projeto e analisados os resultados obtidos.

Capítulo 6: O capítulo final trata das conclusões deste trabalho, sugestões de melhorias e trabalhos futuros.

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2. Moldes de injeção para plásticos

Os moldes para injeção de polímeros apresentam, hoje em dia, uma grande variedade de soluções construtivas. De forma a cumprir as exigências do cliente, mas, simultaneamente, reduzir os custos para a empresa, os componentes do molde devem ser criteriosamente escolhidos e dimensionados. Assim, o projeto encontra-se como uma fase essencial na obtenção do produto final.

2.1. Tipos de molde

Existem vários tipos de moldes relativamente ao modo como funcionam e estes são escolhidos dependendo do tipo de material e das formas das peças a serem produzidas. Para o correto funcionamento deste, é necessário proceder ao design dos vários componentes do molde de forma a que estes assegurem as funções de controlo da temperatura, de alimentação da cavidade, de rigidez e alinhamento da estrutura, e de extração da peça.

Os moldes mais comuns são os moldes de duas placas de simples abertura [3]. Molde duas-placas

O molde de duas placas, esquematizado na figura 6, é o mais simples de todos os tipos e consiste em duas metades de moldes que abrem ao logo da linha de partição. As cavidades são formadas numa única placa na metade fixa, onde se pode colocar também uma bucha de injeção alimentando diretamente a moldação. Outra opção é o uso de um sistema de canais de alimentação que leva o termoplástico até aos locais de injeção desejados. O sistema de extração é colocado na metade móvel do molde, assim como o macho [3, 4].

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Molde três-placas

Este design, representado na figura 7, é normalmente utilizado quando existe mais do que uma cavidade. Neste tipo de molde existe mais uma placa que prolonga o canal de alimentação até um dos seus lados. No lado oposto, a placa forma a cavidade que se pretende encher.

Quando se abre o molde, a placa é separada por meio de um mecanismo de retardamento de ação, quebrando o ponto de ataque. Posteriormente são extraídos a peça por um lado e o sistema de alimentação por outro.

Por norma, estes moldes são mais caros que os anteriores.

Primeiro dá-se a abertura da primeira linha de partição, quebrando os canais de alimentação da peça. Seguidamente, a segunda de linha de partição abre, facilitando assim a remoção dos canais de alimentação. Finalmente, uma placa desacopla o sistema de alimentação dos pinos de retenção [3, 4].

Moldes “Stack-molds”

Outra configuração possível são os moldes “stack-molds” (fig. 8), ou moldes sandwich, que com a mesma força de fecho, conseguem aumentar a sua capacidade de produção. Nos moldes convencionais, as várias cavidades são orientadas numa simples linha de partição, e, por isso, a força de fechamento é a soma da força exercida na cavidade e nos canais de alimentação. Neste caso, as cavidades assentam em duas ou mais linhas de partição. As forças

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exercidas pela pressão, como têm sentidos contrários na mesma placa anulam-se, e por isso, a resultante das forças é equivalente à de uma linha de partição [4].

Moldes multi-material

De forma a reduzir o tempo de fabrico das peças e, consequentemente, reduzir os custos desta, por vezes, procede-se a moldação multi-material. Este processo consiste na injeção de dois ou mais materiais diferentes, no mesmo molde. Para este efeito são usados diferente métodos [6]:

 Moldação por injeção intervalada – Com este método, é possível a injeção de materiais diferentes através do controlo do tempo de acionamento de cada unidade de injeção. Neste tipo de injeção, apenas se consegue uma separação limpa entre os materiais, caso o intervalo entre a injeção dos dois materiais seja relativamente grande, permitindo a solidificação total do primeiro material injetado e a diferença de temperaturas de fusão do material seja elevada também. Neste caso, o material com temperatura de fusão mais elevado deverá ser injetado primeiro.

 Moldação por injeção “sandwich” – É um processo que envolve um núcleo e um elemento superficial, sendo que esta composição é conseguida através da utilização de um atraso na injeção do material da camada superficial. Esta tecnologia exige duas unidades de injeção intervaladas ligados ao mesmo bico de injeção por onde os materiais entram no molde.

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 Sobre-moldação – Esta operação consiste na moldação do material plástico sobre um componente previamente fabricado. Por norma um polímero é aplicado sobre um material base, que pode ser metálico ou plastificado, gerando uma forte ligação entre eles.

Estes processo são complementados por três outras técnicas [6]:

 Transferência dentro do mesmo molde (fig. 9 b)), ou seja, após a primeira injeção, a peça é transportada para uma segunda estação. Esta ação é realizada dentro do molde por um sistema automatizado, como por exemplo, um braço robótico.

 Rotação do molde ou do prato da máquina (fig. 9 a)). Esta rotação, sobre um eixo horizontal, implica o deslocamento da peça incompleta para a segunda estação. Durante esta fase as peças não são desmoldadas. Este molde implica a utilização de dispositivos que permitam a rotação.

 Os diferentes materiais também podem ser montados logo após a sua injeção, ainda no molde.

2.2.Estrutura

O molde, por norma, é dividido em duas metades, a metade móvel e a metade fixa. Estas partes são divididas pela linha de apartação, que é a linha por onde abre o molde. Apesar das especificidades de cada molde, a estrutura representada na figura 10 pode ser considerada uma estrutura comum.

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Placa de fixação inferior – Esta está localizada no lado móvel do molde, e, consequentemente, no lado da extração, e a sua função é a fixação do molde à máquina injetora. Casquilhos de guiamento – Os casquilhos de guiamento asseguram a centralização entre a metade fixa e a metade móvel, mantendo um alinhamento entre eles. O posicionamento destas deve ser o mais próximo da borda da placa possível, de forma aumentar a distância entre elas.

Colunas de guiamento – Têm uma forma cilíndrica com uma cabeça numa extremidade para que possa ser fixada à placa da cavidade e do macho, e uma saída na outra extremidade para facilitar a sua introdução no casquilho de guiamento. Juntamente com os casquilhos de guiamento têm a função de assegurar o correto posicionamento entre as metades do molde.

Pinos extratores – Têm a função de extrair o produto sem o deformar.

Placa porta-extratores – A placa extratora aloja as cabeças dos pinos extratores, sendo assim o principal responsável pelo posicionamento destes.

Placa impulsionadora ou placa extratora – Esta placa é acionada pela haste extratora, movimentado juntamente consigo os extratores de forma a extrair a peça. Esta placa juntamente com a placa porta-extratores formam uma cavidade onde se aloja as cabeças dos pinos extratores.

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Pinos de retorno – A função destes pinos é o alinhamento do sistema extrator no retorno à posição recuada destes.

Machos e cavidades – O macho juntamente com a cavidade são os elementos responsáveis por dar a forma à peça. Estes elementos podem ser fabricados em blocos de aço independente da placa do macho e cavidade, denominando-se postiço, de forma a facilitar a sua renovação caso haja uma avaria. Assim, apenas se substitui o postiço, em vez de substituir a placa completa.

Bucha de injeção – É o elemento de ligação entre a máquina injetora e o molde e por isso têm de assegurar um perfeito acoplamento. Este possibilita a passagem do plástico através de um canal cónico até aos canais de alimentação. Este canal deve ser bem polido, de forma a promover um fluxo fácil do material plástico.

Anel de centragem – A função do anel de centragem é o correto posicionamento do molde em relação à máquina injetora, assim como, a fixação da bucha de injeção.

Placa de fixação superior – Este componente situa-se na metade fixa do molde, e consequentemente, no lado da injeção e aloja o anel de centragem e a bucha de injeção. É responsável pela fixação desta metade à máquina injetora. Esta placa também apoia a cabeça das colunas de guiamento.

Placa da cavidade – A cavidade pode ser fabricada nesta placa ou então esta placa é maquinada de forma a alojar os postiços da cavidade. Para além disso esta placa contém os canais de alimentação e canais de refrigeração. A face desta placa determina o plano de apartação.

Placa do macho – Esta placa está localizada na metade móvel do molde e tal como a placa da cavidade pode alojar os postiços do macho, ou então o acho pode mesmo ser maquinado na placa. Nesta placa também são furados os canais de refrigeração.

2.3. Sistema de Alimentação

O sistema de alimentação (fig. 11) acomoda o plástico derretido vindo da máquina de injeção e direciona este para a cavidade. A suas configuração e dimensões têm um grande impacto no enchimento do molde e, consequentemente, na qualidade do produto final [7].

Um sistema de alimentação é composto por vários elementos que se dividem em canal de injeção (Sprue), canais de alimentação primário (Main Runner) e secundário (Sub Runner) e pontos de injeção (gate), que é a ligação entre os canais e a cavidade. Na imagem, percebe-se ainda a existência de poços frios (Cold Slugs). Este componente não passa de um prolongamento do canal de alimentação, de forma a receber o material mais frio, e por isso,

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mais viscoso, que se desloca na frente do material líquido, evitando que este entre na peça

prejudicando a qualidade da peça ou o bom funcionamento do molde [8].

A configuração do sistema de alimentação pode ter várias formas, mas deve seguir algumas regras gerais [3]:

 O comprimento do sistema de alimentação deverá ser o mais curo possível de forma a reduzir o desperdício de material, e a perda de calor e pressão;

 Os canais de alimentação devem também ser balanceados, isto é, a distância entre as diferentes cavidades e o bocal de injeção deverá ser a mesma.

Quanto ao controlo de temperatura, os sistemas de alimentação podem divididos em 3 tipos: standard, canais quentes e canais frios.

Os sistemas de alimentação standard são maquinados diretamente nas placas dos moldes, formando a linha de partição principal. Assim, a temperatura do sistema é igual à temperatura do molde. O material que ressolidifica no canal de injeção tem que ser desmoldado após cada ciclo.

Os sistemas de canais quentes podem ser vistos como uma extensão do bocal de injeção da máquina injetora. Placas isoladoras separam os blocos onde estes canais estão do resto do molde e estes são aquecidos à temperatura de injeção do plástico. As vantagens deste tipo de sistema são inexistência de perda de material, pois não existe extração do sistema de alimentação e uma qualidade do produto final superior pois o material chega à cavidade à temperatura ideal. No entanto, estes moldes acarretam um custo superior, devido à sua complexidade e maios custo dos componentes.

Os sistemas de canais frios são usados para moldes para materiais reativos tais como polímeros termoendurecíveis e borrachas. Os canais têm que ser mantidos a uma temperatura

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reduzida, entre 80 e 120ºC, para que os materiais não reajam prematuramente nos canais. As vantagens são semelhantes aos sistemas de canais quentes, contudo a pressão exigida neste tipo de canais é muito elevada, tornando o design ainda mais caro.

Os sistemas de canais quentes, representados na figura 12, e os sistemas de canais frios funcionam de maneira quase oposta, sendo que na primeira o material é aquecido para entrar numa cavidade mais fria, e no segundo o material é mantido mais frio para entra numa cavidade mais quente [7].

Para moldes simples de uma cavidade, por norma, o sistema de alimentação é composto só pelo canal de injeção. Contudo, para moldes mais complexos, o canal de injeção alimenta os canais de alimentação que por sua vez direcionam o material para as cavidades [7]. O ataque do material à cavidade pode ser feito usando várias configurações:

Entrada Restrita Retangular (fig. 13) – É usada para moldes com mais de uma cavidade. Operações de acabamento são regularmente eliminadas porque a pequena ligação é quebrada facilmente na extração da peça. A secção desta ligação tem que ser suficientemente grande de forma a permitir o correto enchimento da peça, sem comprometer a quebra na extração [3].

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Entrada em leque (fig. 14) – Este tipo de entrada é normalmente usado para moldes onde as peças são relativamente pequenas, planas e com espessuras reduzidas. As dimensões da entrada dependem da forma e espessura da peça. Para moldes com mais de uma cavidade, ondes as entradas estão arranjadas em série, é necessário equilibrar o enchimento das cavidades. Normalmente, entradas mais afastadas do canal de alimentação, apresentam uma maior secção [3].

Entrada em filme (fig. 15) – Usado para a injeção de peças planas e longas de espessura fina. Permite que uma cavidade de maiores dimensões possa ser enchida rápida e continuamente. O seu dimensionamento tem por base o comprimento e largura do produto, assim como o fluxo de plástico desejado. Por vezes é vantajoso ter a entrada com o comprimento total da peça, todavia, é mais comum o uso de dimensões a rondar os 50% do lado maior da peça [3].

Figura 13 - Entrada restrita retangular [3].

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Entrada capilar (fig.16) – É utilizada sempre que possível por permite a sua separação automaticamente através de corte por cisalhamento. É muito frequente em situações onde a alimentação é feita numa parte visível do produto final. Contudo, devido ao seu tamanho, não é recomendável o seu uso com materiais muito viscosos [3].

Entrada Submarina (fig. 17) – Devido ao seu design, as entradas submarinas conseguem alimentar a cavidade em zonas localizadas fora do plano de partição. Por norma, este tipo de entrada é usado em superfícies perpendiculares ao plano de partição. Dependendo do seu design a entrada é quebrada, durante a abertura do molde ou a extração da peça [4].

Entrada Unha de Gato ou Bayer (fig. 18) – Estas entradas permitem a alimentação da peça pela parte de baixo das superfícies orientadas paralelamente ao plano de partição. A

Figura 15 - Entrada em filme [3].

Figura 16 - Entrada capilar [3].

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principal dificuldade neste tipo de entradas é a sua maquinação, daí sejam aplicadas através de insertos. O uso de matérias muito frágeis não é aconselhado, pois estes podem partir na extração do sistema de alimentação [4].

Entrada em anel, diafragma ou disco (fig. 19) – Usado em moldes com formas cilíndricas e tubulares, assegurando a sua alimentação consistente. Como o plástico é injetado a toda a volta, a pressão é constante em todos nas paredes do macho, assegurando assim que este não se desloca devido à diferença de pressões. A entrada em disco tem de ser removida através de um processo de maquinagem posterior [3].

2.4. Sistema de Extração

Após a solidificação e arrefecimento da peça, esta tem de ser removida do molde. Idealmente, a gravidade poderia ser suficiente para que isso acontecesse, contudo, devido à contração do plástico e às próprias formas da peça, isso não acontece. Assim, recorre-se a um sistema de extração para assegurar a remoção da peça.

O sistema de extração é normalmente alojado na parte móvel do molde. A abertura do molde atua mecanicamente o sistema extrator, movendo-o no sentido da linha de partição [7].

Figura 18 - Entrada unha de gato [4].

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Os diferentes sistemas de extração podem ser sumarizados: Placa Impulsionadora (fig. 20)

O deslocamento dos elementos extratores é assegurado por uma placa impulsionadora, chamada de placa extratora. Estes elementos podem ser extratores circulares, extratores laminares, levantadores, punções [3].

Placa Extratora (fig. 21)

Usando este sistema, recorre-se a uma placa stripper para extrair a peça, o que aumenta a área de contacto com a peça, diminuindo assim a pressão exercida na extração da peça. O movimento da placa stripper, deve-se mais uma vez à placa [3].

Figura 20 - Esquema do sistema de placa impulsionadora [4].

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Também este é um design semelhante aos anteriores, mas neste existe movimento lateral devido à presença de gavetas e pinos inclinados. Este tipo de moldes pode ser útil na presença de contra-saídas [3].

Ar Comprimido (fig. 23)

Por vezes, é gerada uma pressão de vácuo entre a peça e o molde, o que dificulta consideravelmente a extração da peça. Este fenómeno é frequente em machos altos com fundo fechado e com pequenas saídas de desmoldação. O uso de válvulas de ar comprimido resolve este problema, pois é inserido ar entre a peça e a parede durante a extração [4].

Figura 23 - Esquema do sistema de ar comprimido [4]. Figura 22 - Esquema do sistema com movimento lateral [4].

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2.5. Sistema de Extração de Gases

Durante o enchimento do molde, o ar que está presente nas cavidades e nos canais de alimentação tem que escapar, caso contrário, o ar não permite o correto enchimento da cavidade. Para além disso, devido à compressão, o ar fica tão quente que pode queimar o material em seu redor. Assim é necessário projetar escapes de ar (fig.24), de forma a que este não cause problemas [7]. Dependendo da viscosidade do material, os escapes de ar têm dimensões diferentes, como se pode analisar pela tabela 1.

Tabela 1 - Profundidade das saídas de ar para os diferentes termoplásticos [10].

Material Dimensão mínima [mm] Dimensão máxima [mm]

ABS 0.051 0.076 POM 0.013 0.038 PMMA 0.038 0.076 PA 0.013 0.025 PA - Reforçado 0.013 0.064 PC 0.025 0.076 PE 0.025 0.051 PP 0.025 0.051 PS 0.025 0.076 PVC - Rígido 0.025 0.076 PVC - Fléxivel 0.013 0.051 2.6. Sistema de Arrefecimento

A velocidade da troca de calor entre o plástico injetado e o molde é um fator decisivo na performance económica pois o arrefecimento da peça demora, tipicamente, cerca de dois terços do ciclo de produção da peça [11]. O calor precisa de ser extraído do material até este se

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da peça depende da temperatura do material injetado, e do seu calor específico. Para este efeito, os moldes são providos de um sistema de canais por onde circula um líquido refrigerante [7].

Por norma, o sistema de refrigeração é executado em placas com uma furadora ou uma fresadora, em modo de desbaste, pois a rugosidade promove um escoamento turbulento do fluido, beneficiando as trocas de calor. Os canais de refrigeração devem ser posicionados perto das paredes da cavidade e a distância entre as paredes e os canais deve ser a mesma [11], como indica a figura 25. Contudo, se esta distância for muito reduzida, pode ocorrer um arrefecimento desigual da peça, assim assume-se as dimensões da imagem como regra geral [4].

A disposição dos sistemas de refrigeração segue determinadas linhas gerais [11]:  Circuitos de refrigeração simétricos e independentes, circundando as cavidades;  Os machos necessitam de uma refrigeração eficaz;

 Circuitos de refrigeração curtos de forma a assegurar que a diferença de temperatura do líquido refrigerante à saída e entrada do molde não supere os 5ºC;

 Arrefecimento em circuitos paralelos é preferível ao arrefecimento em circuitos em série;

 Evitar pontos mortos e bolhas de ar nos canais;

 A transferência de calor entre a molde e a máquina injetora deve ser minimizado com recurso a placas isoladoras;

 Devem ser evitadas diferenças de diâmetro nos canais que alterem a resistência ao escoamento do fluido refrigerante.

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Por vezes, em zonas de fraca refrigeração, podem ser utilizados dispositivos de arrefecimento alternativos como o baffle e o bubbler, esquematizados na figura 27. Estes dispositivos consistem em secções de circuitos de refrigeração onde o fluido é desviado para zonas que normalmente estariam sujeitas a uma falta ou insuficiência de refrigeração. Um baffle, ou circuito em lâmina, é um canal perfurado perpendicularmente a canal de refrigeração principal, com uma lâmina que o separa em 2 canais semi-circulares. O fluido circula num dos lados da lâmina, e quando chega ao fim do canal, retorna pelo outro lado até ao canal principal. Um bubbler, ou circuito em cascata, é um dispositivo semelhante a um baffle, mas em vez de uma lâmina, e introduzido um pequeno tubo. O fluido circula até ao topo através do tubo e retorna pelo lado externo deste [11].

Figura 26 - Diferentes configurações do sistema de arrefecimento [4].

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2.7. Sistema de Guiamento

O sistema de guiamento dos moldes assegura os movimentos mecânicos precisos dos seus componentes. Este sistema é o responsável pelo perfeito fecho e encaixe das duas metades do molde, assim como dos elementos móveis, evitando quer defeitos na peça final, quer fugas de material plástico que podem danificar o molde. Assim torna-se essencial a correto dimensionamento deste.

De modo proporcionar o perfeito alinhamento, são usados dispositivos como colunas de guiamento, casquilhos, guias prismáticas, pinos inclinados, pinos cónicos, etc., representados na figura 28.

3. Processos de Fabrico

Os moldes, ou mais precisamente, os seus componentes, são desenhados e dimensionados na fase de projeto, onde, após o desenho do molde, são corridas simulações do ciclo de injeção, para verificar o comportamento do molde durante o trabalho e, caso não seja o desejado, efetuar as devidas alterações.

Os elementos de um molde podem ser fabricados por um variado número de processos, contudo, os mais utilizados são a fresagem, o torneamento, a retificação e a eletroerosão, sendo que a ultima é dividida em eletroerosão por penetração e eletroerosão por fio.

Figura 28 - Componentes de guiamento: a) Coluna de guiamento; b) Guia prismátrica; c) Pino Inclinado; d) Pino e Casquilho [13].

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3.1. Fresagem

A fresagem é um processo em que a modelação da peça é obtida através de arranque de apara por uma ferramenta rotativa com duas ou mais arestas de corte, a fresa. Para esse efeito é utilizada uma máquina denominada fresadora, que pode também fazer operações de furação, mandrilagem ou roscagem [14].

A fresagem poder ser dividida em dois grupos: fresagem cilíndrica e fresagem frontal [15].

Na fresagem cilíndrica (fig. 29), ou fresagem tangencial, ou fresagem periférica, o eixo de rotação da ferramenta é paralelo à superfície a ser maquinada, e a arranque de apara é realizado pelas lâminas presentes na periferia da fresa. Dentro deste grupo, ainda se pode subdividir diferentes tipos de fresagem cilíndrica [15, 16]:

1) Fresagem de formas complexas – As fresas são utilizadas para forma complexas e por norma são construídas através da associação de fresas mais simples.

2) Fresagem cilíndrica ou tangencial – é a forma básica deste tipo de fresagem em que a fresa apenas retiram material na sua periferia cilíndrica gerando superfícies planas.

3) Fresagem de ranhuras e contornos – O uso de fresas cilíndrico-frontais gera uma superfície plana com paredes laterais, resultado da ação combinada dos gumes da periferia e da face frontal da fresa.

4) Fresagem de ranhura para chavetas Woodruff – As fresas usadas nesta operação têm uma haste cilíndrica e maquinam uma superfície cilíndrica na peça.

5) Fresagem de guias prismáticas – Esta operação requer o uso de fresas especiais, padronizadas com ângulos de 45º,60º ou 90º.

6) Fresagem de ranhuras com perfil constante – As fresas utilizadas nesta operação têm o perfil desejado, que é reproduzido inversamente na peça.

7) Fresagem de canais – Esta operação é semelhante à anterior, mas as fresas têm um perfil cilíndrico e, por isso, os rasgos gerados na peça são planos.

8) Fresagem de roscas – Para a criação de roscas são usados machos e fresas de mandril.

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Na fresagem frontal (fig. 30), ou fresagem de topo, o eixo de rotação da ferramenta é perpendicular a superfície a ser maquinada e o arranque de apara é assegurado por lâminas quer no topo quer na periferia da fresa [15]. Tal como na fresagem frontal, também esta pode ser subdividida [16]:

1) Fresagem frontal – Nesta operação a superfície gerada é plana, e como o material é retirado ao longo de todo o diâmetro da fresa é a operação com maior produtividade. 2) Fresagem de cantos a 90º - Normalmente são usadas fresas de topo de haste cilíndrica

para esta operação.

3) Fresagem de ranhuras em T – Esta operação precisa de ser precedida pela abertura de uma ranhura com uma fresa de topo, e apenas posteriormente se maquina a ranhura em T.

4) Fresagem de guias em forma de cauda de andorinha – Esta operação é efetuada cm uma fresa frontal angular com ângulos padronizados de 45º,50º,55º e 60º.

5) Fresagem de canais – São utilizadas fresas de topo com diâmetro menor que a largura da peça de forma a fazer ranhuras.

6) Facejamento – É utilizado para fazer desbastes e rebaixos.

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Sentido da Fresagem

Dependendo do sentido de rotação da fresa relativamente ao movimento da peça, a fresagem pode ser dividida entre fresagem concordante ou fresagem discordante. Na fresagem concordante a peça desloca-se no mesmo sentido que a rotação da fresa, reduzindo a diferença entre a velocidade entre a periferia da fresa e a peça, o que resulta na redução da vibração, menor desgaste da ferramenta, um melhor acabamento superficial. Na fresagem discordante, peça e fresa deslocam-se em sentidos opostos no ponto de contacto, aumentando assim o atrito, e consequentemente o esforço de corte. Para alem disso, este modo também promove o levantamento da peça [15].

Fresadoras

As fresadoras, apesar de operarem com o mesmo mecanismo de desgaste das peças, podem ser divididas conforme a posição da árvore principal em verticais, horizontais, como mostra a figura 31.

As fresadoras verticais são as mais comuns e são caraterizadas por apresentarem um eixo da rotação da ferramenta no sentido vertical. Por norma, neste tipo de fresadoras movimentos em XY são executados pela mesa de trabalho, enquanto que os movimentos da ferramenta, isto é, no sentido vertical, são executados pela árvore.

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Contrariamente às fresadoras verticais, a fresadoras horizontais funcionam de forma oposta. A fresa é montada sobre um eixo horizontal e os três movimentos são assegurados (XYZ) pela mesa, sendo que apenas a rotação da ferramenta é proporcionada pela árvore. Esta fresadora é utilizada para trabalhos de facejamento na horizontal ou ranhuras e perfis retilíneos [14].

Mais recentemente começaram a aparecer fresadoras com controlador numérico computadorizado, CNC, em que o percurso da fresa é controlado através de dados alfanuméricos, ou seja, um programa CNC, em vez do uso de um template físico. Neste momento já existem fresadoras CNC com 5 eixos, isto é, para além dos movimentos nos 3 eixos cartesianos, XYZ, esta máquina ainda permite a rotação sobre dois eixos, denominados movimentos A e B. Além disto, estas máquinas possuem um carrossel de ferramentas e procedem à troca de ferramentas automaticamente [14].

As maiores vantagens Fresagem CNC relativamente à fresagem convencional são [14]:  Múltiplas operações apenas com um setup. Os centros de maquinagem permitem as

diferentes operações, apenas numa máquina sem intervenção humana, minimizando o tempo de preparação da máquina e consequentemente o tempo de produção da peça.  Troca de ferramenta automática. As ferramentas são colocadas num carrossel de

armazenamento e são trocadas pela árvore conforme o programa CNC for correndo.  Posicionamento automático da peça. Como estes centros de maquinagem possuem

mais de 3 eixos, um dos eixos adicionais é definido como uma mesa de rotação de forma a posicionar a peça com o ângulo desejado relativamente à ferramenta. Para além disso, muitas destas máquinas vêm equipadas com sondas e programas especializados para medir e posicionar a peça em relação ao zero da máquina.

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Ferramentas de Corte

As fresas podem ser separadas em dois grupos: Integrais e Porta-Pastilhas.

As fresas integrais são produzidas num bloco rígido, isto é, toda a ferramenta é um único corpo. Por norma são produzidas em aço rápido ou metal duro. Este último permite o uso de velocidades de corte superiores e por isso a sua utilização tem vindo a ser preferida. Estas fresas usualmente ainda são revestidas por uma película especial para facilitar a dissipação térmica e reduzir o atrito entre ferramenta e peça, de forma a prolongar a vida útil da ferramenta. As fresas porta-pastilhas têm duas partes distintas: corpo de ferramenta, que é fixado na árvore da fresadora, e as pastilhas que são responsáveis pelo corte de material. As pastilhas são normalmente em carboneto de tungsténio e são produzidas através de sinterização e posteriormente sofrem um tratamento superficial.

Estas são fixadas ao corpo através de parafusos de fixação e normalmente apresentam quatro arestas de corte cada uma. Desta forma, quando uma aresta de corte estiver desgastada basta rodar a pastilha para se obter uma aresta de corte nova e funcional. Quando as quatro arestas forem gastas, é necessário trocar as pastilhas da ferramenta.

Embora as fresas porta-pastilhas sejam mais económicas, as ferramentas inteiriças, devido à sua rigidez, permitem uma maior precisão e por isso um resultado final com melhor qualidade.

Existem diferentes tipos de fresas para diferentes funções. As fresas porta-pastilhas de facejar, que são vulgarmente conhecidas por rocas, são utilizadas nos facejamentos de peças. As fresa de topo plano são usadas na produção de rasgos, caixas, contornos e rebaixos. As fresas de topo esférico, ou fresas boleadas, são utilizadas em canais esféricos, troncos cónicos ou então em peças com superfícies muito complexas onde não seja possível a utilização de fresas planas [17].

Fixação das peças

Na fresagem, os sistemas de fixação das peças mais comuns são os pratos magnéticos e os tornos de fixação apoiados por calços (fig. 32). Como as peças, antes deste processo, se encontram em estado bruto, é necessário que existem grandes faces de apoio para que este fique corretamente fixado e não se desloque durante a fresagem.

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3.2. Torneamento

O torneamento é um processo de maquinagem onde uma ferramenta de ponta única retira material de uma peça em rotação, esquematizado na figura 33. A ferramenta é, essencialmente, deslocada numa direção paralela ao eixo de rotação de forma a criar uma geometria cilíndrica. A peça é fixa no torno e este é responsável por fornecer a rotação [14].

Operações

Uma vez fixada a peça no torno, é possível realizar várias operações diferentes no torno [14]:

Figura 33 - Funcionamento do torneamento [14].

Figura 32 - Fixação de peça na fresagem com recurso a uma mesa magnética e calços [18].

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 Facejar: A ferramenta é incrementada radialmente na peça em rotação, gerando uma face plana numa numa das pontas do cilindro;

 Torneamento exterior cônico: A ferramenta é incrementada com um determinado ângulo para o eixo de rotação da peça, criando uma superfície cônica ao longo da peça;

 Perfilar: A ferramenta não é incrementada segunda uma linha reta paralela ao eixo de rotação, mas sim segundo uma determinada trajetória, gerando assim uma superfície não linear;

 Perfilar com ferro de forma: Esta operação tem a mesma aplicação que a anterior, mas neste caso o ferro de forma já tem o perfil pretendido para a peça, e assim, a ferramenta só é incrementada radialmente;

 Chanfrar: A aresta de corte do ferro está posicionada de forma a quebrar uma aresta da peça.

 Sangrar: Uma ferramenta é incrementada radialmente no meio da peça, gerando uma ranhura.

 Roscar: Um ferro pontiagudo é incrementado linearmente numa direção paralela ao eixo de rotação da peça, formando uma rosca na peça.

 Torneamento interior cilíndrico: Uma ferramenta é incrementada radialmente, retirando material na parede interna de um furo;

 Furar: A furação pode ser efetuada num torno, no entanto esta apenas é possível se o eixo do furo for colinear com o eixo de rotação da peça.

 Recartilhar: Nesta operação não existe arranque de apara, e, por isso, não pode ser considerada uma operação de maquinagem. Assim é considerado um processo de conformação plástica, onde a pressão exercida pela ferramenta na peça, reproduz na superfície a sua textura.

(45)

Tornos

Tendo em conta as especificidades das operações e das peças a ser torneadas, existem várias soluções no que toca à construção da máquina, como se percebe na figura 35.

Os tornos paralelos ou horizontais são os mais comuns e conseguem fazer a generalidade das operações. Este é composto por um cabeçote fixo, um cabeçote móvel, uma carruagem e o barramento onde a carruagem se desloca.

Os tornos verticais têm o eixo de rotação no sentido vertical e, assim, suportam cargas mais pesadas, possibilitando o torneamento de peças de grandes dimensões.

Os tornos de faces têm um prato de fixação bastante largo, o que permite tornear peças curtas de grandes diâmetros

O torno revolver é indicado para produção rápida de peças duplicadas. Este torno tem a particularidade de ser composto por um dispositivo equipado com várias ferramentas, no lugar do cabeçote móvel.

Figura 34 - Operações de torneamento: a) Facejar; b) Torn. Ext. Cônico; c) Perfilar; d) Perfilar com ferro de forma; e) Chanfrar; f) Sangrar ou ranhurar; g) Roscar ou filetar; h) Torn. Int. cilíndrico; i) furar; j) Recartilhar [14].

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Os tornos automáticos são destinados à produção de grandes séries, pois a máquina é alimentada de forma automática, assim como o controlo das ferramentas [19, 20].

Ferramentas de torneamento

A maioria das operações de torneamento são realizadas com pastilhas de corte substituíveis presas num suporte próprio, que é montado no carro móvel do torno [21], representado na figura 36.

Figura 35 - Tipos de tornos: a) Torno Horizontal; b) Torno Vertical; c) Torno de faces ou cabeçotes; d) Torno revolver; e) Torno automático [19].

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As ferramentas utilizadas para o arranque de apara no torneamento são divididas em grupos consoante a operação para que estas são designadas (fig. 37). Assim as ferramentas são divididas em [19]:

Ferros de debastar – Como o próprio nome indica, estes ferros são indicados para operações de desbaste, onde é necessário remover uma grande quantidade de material num curto espaço de tempo. Para este efeito, a aresta de corte desta ferramenta é relativamente longa e esta tem que ser ais robusta para suportar as tensões superiores. Neste grupo estão incluídos ferros direitos e de pontas curvas de corte.

Ferros de tornear liso – Estas ferramentas são destinadas a acabamentos. Os ferros de alisar estão inserem-se neste grupo.

Ferros de facejar – São ferros utilizados para tornear as faces e mandrilar ou tornear reentrâncias ou saliências;

Ferros de forma – São ferros de gume com uma forma específica que se destinam a reproduzir na peça uma forma oposta à sua. Este grupo inclui ferros de sangrar, ferros perfiladores e ferros de roscar.

Figura 37 - Ferramentas usadas no torno: a) Ferro direito de corte à direita; b) Ferro direito de corte à esquerda; c) Ferro de ponta curva de corte à esquerda; d) Ferro de ponta curva de corte à direita; e) ferro de alisar ponteagudo; f)

Ferro de alisar largo;g) Ferro de Sangrar ou ranhurar; h) Ferro perfilador de aresta côncava; i)Ferro perfilador de aresta convexa; j) Ferro de filetar ou roscar; k) Ferro de facejar esquerdo; l) ferro de facejar direito [19].

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Os Instituto Nacional de Normalização Americano (ANSI) desenvolveu um código de forma a facilitar a identificação da pastilha [21]:

Tabela 2 - Código ANSI para a identificação da pastilha de corte.

C N M G - 4 3 2

Formato Ângulo de Ataque Tolerância Tipo Tamanho Espessura Raio da aresta

de corte Formato - As pastilhas de corta podem ser fabricadas em vários formatos. Esta podem ser arredondadas, maximizando a resistência na zona de corte, com formato de diamante, permitindo uma aresta de corte afiada, para operações mais rigorosas, quadradas ou octogonais, oferecendo mais que uma aresta de corte por pastilha, reduzindo o seu custo.

Ângulo de ataque – Este ângulo de ataque impede que a parede da ferramenta esteja toda em contacto com a peça, facilitando a remoção da apara.

Tolerância – Este parâmetro refere-se às tolerâncias consideradas relativamente às medidas das pastilhas.

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Tipo – As pastilhas podem ter diferente perfis para os seus furos, assim como para a zona que quebra a apara.

Tamanho – Este parâmetro refere-se ao comprimento da pastilha. Espessura – Este valor especifica a largura da pastilha.

Raio da aresta de corte – As pastilhas de corte apresentam um raio de canto. De forma a reduzir a vibração, este raio deverá ser inferior ao incremento da ferramenta.

Relativamente aos materiais utilizados nas pastilhas, estas são usualmente fabricadas em metal duro, ainda que materiais cerâmicos, cermets e diamantes possam ser utilizados. Estes materiais podem ser ainda ser revestidos por películas especiais, aumentando a sua eficiência e duração.

O metal duro é composto essencialmente por carbonetos de tungsténio e um aglomerante, por norma, cobalto. Este material oferece uma boa resistência à abrasão.

Os cermets têm como base carboneto ou nitreto de titânio e um aglomerante, usualmente níquel. Estes oferecem uma maior resistência ao desgaste que o metal duro em troca da perda de alguma ductilidade, tornando-se mais frágeis.

Os materiais cerâmicos são utilizados geralmente a elevadas velocidades de corte, devido à sua excelente resistência ao calor. Contudo, este são bastantes frágeis. Os materiais mais utilizados são óxido de alumínio, carbonetos e nitretos de silício.

O nitreto de boro cúbico também pode ser utilizado devido à sua elevada dureza. É utilizado para materiais muito duros que devido à sua elevada velocidade de corte aquecem e tornam-se mais macios.

Por fim, existem pastilhas diamantadas, que apesar de serem consideradas as mais duras, não são recomendáveis para o torneamento de aço, devido à elevada afinidade do carbono do diamante com o ferro do aço. Utilizada para aplicações poucos eficazes com qualquer outra ferramenta, como por exemplo, o torneamento de materiais cerâmicos [21].

Fixação da peça

Para que a operação ocorra sem problemas, é necessária uma fixação correta e segura da peça na máquina. Assim são usados diversos mecanismos de fixação [19], representados na figura 39:

 Bucha de 3 grampos;  Sistema de contraponto;  Sistema de lunetas;

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 Pratos;

 Buchas com mordentes independentes;  Pinças;

3.3. Eletroerosão por Penetração

A eletroerosão é um dos processos não tradicionais mais usados atualmente.

O principal mecanismo de remoção de material na eletroerosão assenta no efeito de Joule, isto é, com a transformação da energia elétrica em energia térmica quando se dá a condução de corrente elétrica num material condutor. O calor gerado deve-se à colisão entre os eletrões livres e os átomos do condutor.

O espaço entre o elétrodo e a peça é chamado de gap e é preenchido por um fluído dielétrico [14, 22], como se encontra esquematizado na figura 40.

Figura 39 - Sistema de fixação da peça: a) Prato condutor com cavalinho e contraponto; b) Bucha de 3 grampos; c) Bucha com 4 mordente independentes; d) Pinça; e) Sistema de luneta [20].

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Figura 40 - Processo de eletroerosão por penetração [10].

O fluido dielétrico, apesar de ser um bom isolador térmico, quando sujeito a um potencial elétrico suficientemente grande é ionizado, permitindo a passagem de corrente elétrica do elétrodo para a peça [23].

O campo elétrico é mais forte nos pontos de menor distância entre o elétrodo e a peça. Numa primeira fase (fig. 41) é aplicada uma tensão que aumenta progressivamente, aumentando o número de partículas ionizadas, o que diminui as propriedades isoladores do fluido dielétrico ao longo de um canal que se forma nos pontos onde o campo elétrico é mais forte. A tensão aplicada chega ao seu pico, mas ainda não se dá a passagem de corrente [23].

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À medida que o fluido perde as propriedades isoladoras, uma corrente é estabelecida entre o a peça e o elétrodo, como está representado na figura 42. A tensão começa a reduzir e a intensidade da corrente a aumentar progressivamente [23].

A temperatura aumenta rapidamente com o aumento da intensidade da corrente, e com a redução da tensão. O calor vaporiza parte do fluido, assim como, parte do elétrodo e da peça, e um canal de plasma é formado entre estes [23].

Figura 42 - Passagem de corrente [23].

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Uma bolha de vapor expande-se (fig. 44), limitada pelo movimento dos iões contra o canal de plasma. Estes iões são atraídos pelo campo magnético muito intenso gerado no canal de plasma [23].

Perto do fim da descarga elétrica, a intensidade da corrente e a tensão estabilizam (fig. 45), o calor e a pressão na bolha de vapor estão no seu máximo, e o metal continua a ser removido. A camada de metal abrangida pelo canal de plasma está no estado líquido, mas mantém-se na sua posição devido à pressão na bolha de vapor [23]. Os elétrodos são instantaneamente submetidos a elevadas temperaturas, perto dos 12000ºC [24].

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Quando a descarga elétrica é terminada, a temperatura reduz drasticamente, o que resulta no colapso da bolha de vapor (fig. 46), e remoção do material da gap pelo fluido dielétrico [23], como está esquematizado na figura 47.

O contacto do fluido dielétrico com a peça resulta em alterações estruturais na peça, criando uma zona afetada pelo calor. Para além disso o metal derretido não removido pelo fluido dielétrico solidifica gerando assim, uma camada conhecida por “camada branca” [23].

Este é um processo cíclico (fig. 48), onde os intervalos, tempo de descarga e tempo de

Figura 46 - Colapso da bolha de vapor [23].

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Figura 48 - Valores de tensão e intensidade de corrente durante um processo de eletroerosão [25].

Como se pode observar pela imagem 49, a intensidade de corrente e a frequência de descarga são dois parâmetros importantes na eletroerosão, sendo que estas influenciam a taxa de remoção do material e a rugosidade superficial. O melhor acabamento é obtido operando a elevadas frequências e a baixas intensidades de corrente. A taxa de remoção de material é maior, quanto mais elevadas forem a frequência e a intensidade de corrente [22].

A grande vantagem da EDM é a independência de propriedades mecânicas como a dureza e a resistência ao desgaste da peça a maquinar pois não existe contato direto entre o elétrodo e postiço. Outra vantagem é a aplicação em pormenores de complexidade elevada ou impossíveis de fazer através de maquinação convencional, como um furo numa superfície