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    Qualidade de Superfície: Acabamento ou polimento?

    Quando o foco está na precisão e na superfície

    Quando se procura obter a máxima qualidade de superfície na fresagem, geralmente a peça é polida após o acabamento. Na fabricação de moldes, tal atividade pode levar entre várias horas ou dias. Contudo, cada vez é mais difícil encontrar trabalhadores qualificados. E muitas empresas preferem não recorrer ao polimento porque compromete a precisão geométrica, 
    garantidas cada vez mais pela automatização e controlo de qualidade.

    Portanto, o ideal é conseguir-se a mais alta qualidade de superfície durante a fresagem. No entanto, será que a maquinação de superfícies de alto brilho compensa em termos de custo?

    Por exemplo, existem grandes áreas onde o polimento manual final de um bom acabamento superficial pode ser bastante simples e económico.

    Num seminário Tebis, na Alemanha, o fabricante de máquinas Röders, o fabricante de ferramentas Mitsubishi Materials e a empresa de software CAM Tebis compararam a relação custo-benefício dessas duas abordagens.

    Foi demonstrado como a precisão geométrica e a qualidade da superfície ideais podem ser alcançadas integrando corretamente a máquina CNC, as ferramentas e o software CAM.

    Participantes: O moderador Ferdinand Hoischen (Tebis, Diretor de Cooperação), Marc Fuest (Tebis, Diretor de Assistência Técnica), Jörg Janke, (MMC Hartmetall, Formador) e o Dr. Oliver Gossel (Röders, Diretor Comercial) (da esquerda para a direita) (Foto: Klaus Vollrath)

    No exemplo, as peças de teste foram insertos de uma ferramenta de conformação de aço de trabalho a frio com uma dureza de 48 HRC. Foram fresadas duas peças na CNC Röders RXP 601 DSH de 5 eixos, usando diferentes estratégias de CAM e as fresas mais adequadas.

    Na primeira peça, foram selecionadas ferramentas e estratégias de fresagem em linha com as práticas mais tradicionais na fabricação de moldes. Apresentamo-la aqui como abordagem "tradicional". Por outro lado, as possibilidades oferecidas por estratégias CAM ajustadas a fresas modernas HSC e com novos designs são áreas exploradas na segunda peça.

    No entanto, esta abordagem "alternativa" requer um esforço de programação significativamente maior, especialmente na fase de acabamento. O objetivo em ambos os casos era alcançar o resultado ideal em precisão geométrica e qualidade de superfície.
    Estratégias de desbaste: Fresa de contorno paralelo/alto avanço à esquerda, fresa de carboneto sólido e adaptativa à direita (imagem: Tebis)

    Estratégias tradicionais de fresagem"O fabrico de matrizes é muitas vezes dominado por estratégias de fresagem em centros de maquinação CNC de 3 eixos", diz Marc Fuest, Diretor de Assistência Técnica da Tebis AG. Isto deve-se também à falta de tempo dos departamentos para procurar novas ferramentas e estratégias. No desbaste tradicional, o material geralmente é removido plano a plano usando fresas com maior avanço.

    Devido a restrições de tempo, raramente se tenta dividir os contornos das peças em áreas planas e inclinadas, embora seja mais eficiente fresar áreas planas com fresas de carboneto sólido e fresagem adaptativa. Uma combinação de estratégias de 3 e 5 eixos contínuos é geralmente o mais frequente para se evitar o possível aumento do esforço de programação. A vantagem desta abordagem é que os programas NC necessários podem ser criados de forma rápida e fácil, o que tem um impacto positivo na relação custo-benefício.

    Insertos intercambiáveis limitam a automatização
    "Na prática, a abordagem tradicional aplica fresas com grandes avanços", explicou Jörg Janke, formador da MMC Hartmetall, a sede europeia da Mitsubishi Materials. Neste caso, foi utilizada uma fresa plana com insertos intercambiáveis. Uma clara desvantagem desta solução é que estas fresas não permitem uma operação sem supervisão, ou seja, impedem a automatização total. Isto porque existe o risco de danos graves caso um inserto se parta. A vida útil de fresas de carboneto sólido é consideravelmente maior do que a de insertos intercambiáveis, e permitem o desbaste autónomo/ sem supervisão.

    Acabamento alternativo: Maquinação síncrona a 5 eixos contínuos com incrementos com base na deteção de curvatura (imagem: Tebis)

    Acabamento e qualidade da superfície"As estratégias de acabamento raramente se concentram na qualidade da superfície", afirma Marc Fuest. A fresa selecionada normalmente é muito grande, deixando demasiado material residual que tem de ser removido em operações subsequentes e demoradas. Embora a diferença entre o passo lateral de uma fresa esférica D16 e D12 seja mínima, pode poupar-se tempo com um passo lateral maior, mas posteriormente irá gastar-se muito mais tempo ao maquinar o material residual. Na prática, para se reduzir o material residual, normalmente uma peça é primeiro maquinada no modo Z constante a 3 eixos e, em seguida, no modo paralelo ao eixo. Embora estas operações sejam rápida e facilmente programadas, o tempo de execução é significativamente maior. Da mesma forma, as opções de desvio automático de 5 eixos contínuos ou de prevenção de colisão raramente são implementadas pelo trabalho adicional de programação.

    A fresagem a 5 eixos contínuos é indispensável para obter melhores qualidades de superfície e, especialmente, superfícies de alto brilho sem retrabalho manual. Neste caso, o percurso de fresagem deve seguir a superfície e a abordagem da fresa deve ser num ângulo que evite um corte central.
    Desbaste alternativo: Fresa de desbaste de carboneto sólido trocoidal MPMHVRBD com raio de canto. (Imagem: Röders/MMC/Tebis)
    Acabamento alternativo: Fresa de barril de carboneto sólido VQT6URR com 6 arestas de corte para acabamento de alta performance com grande passo lateral. (Imagem: Röders/MMC/Tebis)

    Fresas HPC de alta performance para maquinação eficiente "As fresas tóricas de carboneto sólido com arestas de corte maiores são recomendadas para o desbaste como alternativa às fresas HFC de alto avanço", disse Janke. Portanto, na abordagem alternativa utilizou-se uma fresa Mitsubishi Materials MP series DIAEDGE, com diâmetro de 12 mm e raio de canto de 1 mm. De referir que o vídeo mostrado no evento com esta ferramenta despertou grande interesse. As arestas laterais mais longas tornam esta fresa ideal para a fresagem trocoidal, com uma alta taxa de remoção de material, superior à da fresa de alto avanço, mesmo em aplicações mais tradicionais.

    Para o acabamento dos flancos, foi usada uma ferramenta de barril de carboneto sólido, revestido com uma haste de 10 mm e seis dentes com um raio de 85 mm. O raio maior permite um grande incremento vertical nos flancos da peça com uma inclinação a 5 eixos.
    Por exemplo, uma fresa esférica de carboneto sólido de alta precisão de 1 mm, com duas navalhas polidas é ideal para áreas estreitas, podendo ser utilizada para maquinar raios e transições com resultados muito bons. Naturalmente que boas ferramentas contribuem para os bons resultados.

    Acabamento tradicional e alternativo: Fresa esférica VFR2SBFR de 1 mm com navalhas altamente polidas. (Imagem: Röders/MMC/Tebis)
    Semi-acabamento e acabamento tradicional: Fresa esférica MP3XBR de carboneto sólido, de forma cónica para acabamento e semi-acabamento de caixas profundas. (Imagem: Röders/MMC/Tebis)
    Centro de maquinação Röders RXP 601 DSH de 5 eixos contínuos utilizado nos testes (foto: Klaus Vollrath)

    Essencial: Um centro de maquinação CNC robusto e preciso"Para obtermos uma maior rentabilidade, é importante que todas as operações sejam feitas com o mesmo setup e na mesma máquina", diz o Dr. Oliver Gossel, Chefe de Vendas da Röders GmbH, Alemanha. "Além do desempenho de desbaste, a máquina deve ser capaz de alcançar a precisão e a qualidade de superfície pretendidas". A Röders RXP 601 DSH de 5 eixos contínuos utilizada nestes testes é extremamente robusta e tem um ótimo desempenho não só no desbaste, mas também no acabamento. O spindle HSC atinge uma velocidade até 30.000 rpm, enquanto o pórtico e os eixos rotativos garantem a máxima robustez.  Para uma precisão ideal, todos os eixos usam acionamentos diretos sem atrito, suportados pela compensação de peso sem atrito no eixo Z.
    Com a elevada velocidade de controlo e interpolação por spline, o sistema de controlo Röders consegue uma alta qualidade de superfície com tempo mínimo de execução (imagem: Röders)

    Esta máquina tem também uma performance especial nas mudanças de direção que são críticas para a precisão da maquinação: graças ao "jerk" (taxa de variação da aceleração em relação ao tempo) particularmente elevado das unidades de acionamento, a taxa de avanço desejada pode ser mantida por mais tempo, mesmo em superfícies muito curvas. A ótima gestão da temperatura também desempenha um papel especial. Como o calor é o inimigo da precisão, todos os principais componentes do sistema têm o seu próprio controlo de temperatura.

    A temperatura do líquido de controlo de temperatura que circula no sistema é mantida estável com uma precisão de +/- 0,1 Kelvin. Uma das características exclusivas e notáveis da Röders é o seu sistema de controlo desenvolvido internamente.

    Com um tempo de execução de blocos inferior a 0,1 milissegundo e uma antecipação de mais de 10.000 blocos, consegue-se uma ótima precisão e qualidade de superfície. Especialmente notável é a velocidade de controlo excecionalmente elevada com um ciclo de 32 kHz em todos os eixos. Isto significa que o percurso da ferramenta é corrigido a cada 0,03 milissegundos.
     
    No debate final, alguns dos profissionais presentes consideraram que os tempos de programação mais longos com a estratégia de fresagem “alternativa” seriam, pelo menos, compensados pela poupança nos custos de polimento (Foto: Klaus Vollrath)

    Debate: Acabamento espelhado ou polimentoA comparação das duas estratégias revelou que o tempo de programação de 0:27:30 para a estratégia "tradicional" representa 10% do tempo utilizado na estratégia "alternativa", que demorou 4:40:15. No entanto, a diferença no tempo total de execução foi apenas de 42 minutos, com vantagem para a abordagem "tradicional". Ou seja, do ponto de vista de gastos de tempo, a vantagem desta estratégia é evidente.

    Com base nas estimativas dos intervenientes, pode concluir-se que o tempo necessário para polir esta peça é provavelmente igual ao esforço de programação adicional para "fresar" a superfície equivalente na peça fresada "alternativa", com custos de ferramenta "reais" proporcionais de 524€ a 426€.

    No entanto, se pretendermos obter uma qualidade de superfície ideal na máquina (ou seja, sem as distorções causadas pelo retrabalho manual), o tempo não é o fator principal. A peça fresada de forma "alternativa" atingiu uma rugosidade Ra de 0,238 micrômetros, em comparação com 0,617 micrômetros com a abordagem "tradicional".

    No decurso das apresentações e debates, tornou-se claro que cada vez mais clientes estão a colocar exigências mais elevadas na qualidade da superfície na produção de moldes. O polimento de qualquer tipo é frequentemente proibido, uma vez que põe em causa a precisão geométrica e o nível de controlo do processo.
    Ao analisar o tempo de maquinação, a abordagem "tradicional" representou uma poupança de tempo de aproximadamente 42 minutos. (Imagem: Tebis)

    Os participantes referiram que os tempos de polimento poderiam ser de até 35 horas para matrizes de complexidade comparável à peça de teste. Vários deles mencionaram que a melhor qualidade da superfície e a possibilidade de operação automatizada no "turno fantasma" também justificam maiores custos de programação e tempo de operação na máquina. Por outro lado, ainda existem muitas aplicações em que a abordagem “tradicional” apresenta uma ótima relação custo-benefício, uma vez que os tempos de programação e execução são mínimos.

    A conclusão foi que é possível obter resultados muito bons com ambas as estratégias. Os utilizadores devem, portanto, escolher a melhor abordagem de acordo com os requisitos específicos do projeto.

    Após a comparação das vantagens de ambas as estratégias de maquinação, os participantes do seminário mostraram-se interessados em colocar na prática os conhecimentos adquiridos. Tanto na estratégia mais ou menos tradicional: os resultados da maquinação surpreenderam a todos. 


    Parceiros:
    Röders GmbH, Gottlieb-Daimler-Strasse 6, 29614 Soltau, Alemanha, Telefone: +49 5191 603-43, hsc@roeders.de, www.roeders.de

    MMC Hartmetall GmbH, Comeniusstraße 2, D-40670 Meerbusch, Alemanha, Telefone: +49 2159-91890, Fax: +49 2159-918966, admin@mmchg.de, www.mmc-carbide.com

    Tebis Technische Informationssysteme AG, Einsteinstrasse 39, D-82152 Martinsried/Planegg, Alemanha, Telefone: +49 89-81803-0, Fax: +49 89-81803-8200, info@tebis.com, https://www.tebis.com

    Autor: Klaus Vollrath, Comunicações Industriais