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Pólo de Competitividade Engineering & Tooling

27 Abril 201027 Abril de 2010

Pólo de Competitividade - Engineering & Tooling

Tecnologias dominantes, prioritárias e emergentes na Indústria de Engineering & Tooling

com potencial de aplicação noutros sectores industriais

António Selada

Tendências de Evolução

Conceitos que definem o processamento a Alta Velocidade

Velocidade de avanço

Precisão

Tecnologia de Alta Velocidade

Duas tendências aparentemente conflituosas

A sua utilização possibilita o incremento da produtividadee da qualidade geral do que produzimos

Permite a redução ou eliminação de resíduos poluentes,matérias primas e consumo energético

Efeito dos parâmetros de corte sobre:

vida das ferramentas,

tempo de maquinação,

força específica de corte e

potência

Avanço por aresta [mm]

Vida da ferramenta [m]

Velocidade de corte [m/min]

0

50

100

150

200

250

0 200 400 600

.,

material:

X100CrMoV51 (2363)

60 HRC

tecnologia:

up-cut/reverse-cut

profundidade: 0.1 mm

passo: 0.2 mm

CBN

Carboneto sinterizado (TiN)

Cermet

0

50

100

150

200

250

0 0,05 0,1 0,15 0,2

ferramenta:

Topo esférico: 6 mm

Número de dentes: 2 (CBN: 1)

Material de corte: carboneto (TiN),

CBN, Cermet

comprimento: 24 mm (CBN: 30 mm)

fz: 0,1 mm

desgaste:

0.15 mm

vcm : 435 m/min

Vida da ferramenta [m]

desgaste:

0.1 mmvcm : 260 m/min

Vida da ferramenta

Maquinação a seco

Maquinação sem vibrações (alta frequência)

Redução das forças de maquinação

Formação da apara curta

Calor dissipado maioritariamente pela apara

O que é inovador no processo?

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Vc (m/min)

140

120

100

80

60

40

20

0

Esfo

rço

de c

orte

F

C/

ap

/F

CN/

ap

N

30

%

40

%

FC

FCN

CK45P20/25Vc=800m/minhm=0.06mmfz=0.31mmae=1.5mmap= 5mmd=40mmz=1

As altas temperaturas na zona de corte primária

ajudam a acelerar o processo de deformação plástica

Sistemas de accionamento

Máquina de alta velocidade Rápida

Precisa

fz conv = fz hsc Limite tecnológico

Motores lineares Tolerâncias apertadas

Avanços optimizados – em

geometrias envolvendo grandes acelerações

Fusos de esferas circulantes

Eixo motor

Problema: Precisamos de potência

A potência diminui com o incremento da

velocidade de rotação

Estado da arte:

Velocidades altas e potências baixas

Velocidade moderada e potência elevada

P=

apxaexvfxKc

60.000.000xKW

Tendência estudo de eixos motores com maior potência

Comando numérico de alto desempenho

Variáveis Parâmetros geométricos – definem trajectórias

Parâmetros tecnológicos – velocidade de corte

Problemas

Conhecimento

Alguns parâmetros variam em tempo real

Futuro – O CNC controla a máquina e o processo – forças, vibrações

Como? - Monitorização (ferramentas inteligentes)

As técnicas baseadas na teoria dos elementos finitos são válidas

para a simulação do processo de corte

Técnicas de simulação

Oferecem várias vantagens:

Previsão das forças de corte

Distribuição de temperaturas

Distribuição de estado de tensão

Estimativa sobre o desgaste da ferramenta

Optimização da geometria de corte

Optimização das condições de corte

Maquinação a cinco eixos

Simulação: necessidade de análise dos programas

HSC: maquinação a 5 eixos

Definição da trajectória

Controlo de colisão

Redução do tempode programação

Movimento dos eixosem contínuo

Dinâmica da maquina

Cavidades profundas emmateriais duros

Maquinação a cinco eixos

Células de Fabricação Flexível - FMC

Network

CMM

HSC Cell

Robot

EDM Cell

Central controller

CIM (produção integrada por computador)

FMS (sistemas flexíveis de produção):

Estão muito mais condicionados por problemas de ordem tecnológica (mecânica) muito menos fiáveis

Avaliar as tecnologias de micro manufactura para a produção moldes para

moldação por micro injecção:

Estudo da capacidade das micro tecnologias na execução do

micro detalhe em geometrias complexas;

Análise da precisão dimensional, geométrica, da morfologia e

estrutura superficial obtidas pelas microtecnologias

Identificação das limitações das microtecnologias na execução de

superfícies atendendo à razão de aspecto

Avaliação e sugestão sobre as tecnologias híbridas de micro

fabricação para o caso típico de geometrias complexas

Tecnologias de Micro Manufactura

Mercados e áreas de aplicação:

Em 2000: 1 bilião de Euros

Em 2006: 10 biliões de Euros

Remoção por força mecânica – CAA (µfresagem)) ,…, Rectificação, USM

Remoção por dissolução – ECM , “photo etching”

Remoção por fusão e evaporação – EBM , LBM , EDM , FIB

Deformação plástica - “hot embossing”

Solidificação – Moldação por injecção, fundição

Tipos de processos de micro maquinação

Processos de remoção Processos de adição Processos de ligação

Litográficos Não litográficos

LIGA raio X

LIGA UV

LIGA IB

Ablação laser

Micro fresagem, torn., furaç.

Micro EDM e WEDM

ECM

EBM

Etching

FIB

Foto polimerização

PVD

CVD

Micro sold. Laser e IB

Soldadura ultra sónica

Fricção,....

Superfície rectificada Superfície depois de EBM

< 1mm< 1mm 1-10 mm1- 10 mm > 10mm> 10mm

<0.1mm

FIB

Moldes

Litográficos

> 0.1 mm > 1mm <1mm >1 mm <1mm

Micro moldes

Moldes

Convencionais

LIGA

Tecnologias

FuraçãoTorneamento

3D

mEDMmfresagem

Laser

Maquinação de

precisão

2D 3D2D

Dimension < 1mm< 1mm 1-10 mm1- 10 mm > 10mm> 10mm

<0.1mm

FIB

lithographical

Moulds

> 0.1 mm > 1mm <1mm >1 mm <1mm

Micro moulds

Conventional

Moulds

LIGA

Technologies

DrillingTurning

3D

mEDMm milling

Laser

High accuracy

machining

2D 3D2D

Dimen

Accuracy

< 1mm< 1mm 1-10 mm1- 10 mm > 10mm> 10mm

<0.1mm

FIB

Moldes

Litográficos

> 0.1 mm > 1mm <1mm >1 mm <1mm

Micro moldes

Moldes

Convencionais

LIGA

Tecnologias

FuraçãoTorneamento

3D

mEDMmfresagem

Laser

Maquinação de

precisão

2D 3D2D

Dimension < 1mm< 1mm 1-10 mm1- 10 mm > 10mm> 10mm

<0.1mm

FIB

lithographical

Moulds

> 0.1 mm > 1mm <1mm >1 mm <1mm

Micro moulds

Conventional

Moulds

LIGA

Technologies

DrillingTurning

3D

mEDMm milling

Laser

High accuracy

machining

2D 3D2D

Dimen

Accuracy

< 1mm< 1mm 1-10 mm1- 10 mm > 10mm> 10mm

<0.1mm

FIB

Moldes

Litográficos

> 0.1 mm > 1mm <1mm >1 mm <1mm

Micro moldes

Moldes

Convencionais

LIGA

Tecnologias

FuraçãoTorneamento

3D

mEDMmfresagem

Laser

Maquinação de

precisão

2D 3D2D

Dimension < 1mm< 1mm 1-10 mm1- 10 mm > 10mm> 10mm

<0.1mm

FIB

lithographical

Moulds

> 0.1 mm > 1mm <1mm >1 mm <1mm

Micro moulds

Conventional

Moulds

LIGA

Technologies

DrillingTurning

3D

mEDMm milling

Laser

High accuracy

machining

2D 3D2D

Dimen

Accuracy

< 1mm< 1mm 1-10 mm1- 10 mm > 10mm> 10mm

<0.1mm

FIB

Moldes

Litográficos

> 0.1 mm > 1mm <1mm >1 mm <1mm

Micro moldes

Moldes

Convencionais

LIGA

Tecnologias

FuraçãoTorneamento

3D

mEDMmfresagem

Laser

Maquinação de

precisão

2D 3D2D

Dimensão < 1mm< 1mm 1-10 mm1- 10 mm > 10mm> 10mm

<0.1mm

FIB

Moldes

Litográficos

> 0.1 mm > 1mm <1mm >1 mm <1mm

Micro moldes

Moldes

Convencionais

LIGA

Tecnologias

FuraçãoTorneamento

3D

mEDMm fresagem

Laser

Máquinas alta

precisão

2D 3D2D

Dimen

Precisão

Dificuldades

Execução do micro detalhe;

Precisão dimensional,geométrica e da qualidade das superfícies;

Execução de superfícies atendendo à razão de aspecto

Alterações de estrutura e micro dureza por efeito termo mecânico,..;

Tendências

Utilização de tecnologias híbridas de micro fabricação

m

milling

m

WEDM

m

SEDM

m

laser

m

ECM

Mínima dimensão da

ferramenta (mm)

0.04 0.01 0.005 - -

Mínima dimensão (mm)10-25

50-1005-20 4-10 1 10

Precisão (mm) 1 0,5 0,5 0,5 2

Razão de aspecto 5-10

2-5

10050

3-10

5020

-

Rugosidade (mm Ra)0.1

0,20.05

0.05

0,10,4 0.05

Taxa de remoção de

matarial (mm3/min)20 0.1 0.01 0.04 -

Electrodo de tungsténioΦ1.8μm: Sodick

Razão de aspecto de1:50 c/ eléctrodos em cobre tungsténio

Ponto de partida

Limites esperados para 2010

Importância

Investigação Indústria Tecnologia

corrente Futuro Corrente Futuro

Energia de radiação

Eléctrica/química

Maquinação

Prototipagem - laser

Litográficos

Revestimentos

Replicação

Importância das tecnologias:

X-raio Litografia

+ electroformação

max

R -

Niquel, (Ni-all.) Latão, Aço Aço, Metal duro, Cerâmicas

+ AR = 20-30 + versatibilidade + desgaste

+ R = 0,04 µm AR = 5-10 AR = 5 (10)

- tempo = 0,2 - 0,5 µm Rmax = 2 µm

LIGA Micro-Corte Laser

max

Postiços para moldes para moldação

por micro injecção

Micro-corte,

-fresagem, -furaçãoLaser-Ablação

Maquinabilidade de materiais doutros sectores alvo

Os materiais poliméricos utilizados em aplicações mecânicas

têm comportamentos mecânicos e térmicos muito diferentes

dos verificados nos metais.

Só é possível maquiná-los com técnicas e parâmetros

adaptados.

Materiais poliméricos e compósitos de matriz polimérica

Comportamento em maquinação

Módulo de elasticidade

A gama de valores é larga, desde os elastómeros e borrachas

sintéticas que são os mais flexíveis, com um módulo de elasticidade

de alguns MPa, até aos compósitos de fibras de carbono

unidireccionais com módulos susceptíveis de se avizinhar da dos

aços no sentido paralelo à das fibras (215.000N/mm2), mas a grande

maioria tem um módulo de elasticidade compreendido entre 13.000

e 21.000 N/mm2.

Resistência ao corte

Não existe uma relação directa entre o comportamento em tracção e

compressão e corte para estes materiais.

Estabilidade à fluência

Os materiais orgânicos sofrem uma deformação crescente sobre carga constante,

mais ou menos importante, segundo a sua natureza. É assim que os mais

sensíveis são sobretudo os elastómeros e os plásticos não reforçados. Os

termoduros resistem melhor que os termoplásticos.

Dureza

Esta característica mecânica, que influencia fortemente a maquinabilidade, é

muito inferior ao dos metais.

Higrometria

Certos polímeros absorvem uma quantidade muito grande de humidade, (8% para

certas poliamidas, por exemplo). A absorção de humidade altera as características

dimensionais e mecânicas.

Heterogeneidade

Os materiais do tipo estratificado são constituídos por um polímero contendo fibras

dispersas na matriz polimérica. È necessário maquinar em simultâneo dois

materiais de naturezas diferentes. Neste tipo de maquinação o material é removido

por formação de pó e não por formação de apara.

Dilatação térmica

É geralmente mais importante do que para os aços salvo para os materiais

compósitos reforçados com fibras longas.

Condutibilidade térmica

São materiais isolantes, salvo os carregados com partículas metálicas ou os

reforçados com fibras de carbono.

Desgaste das ferramentas

Uma grande parte dos materiais plásticos têm características auto

lubrificantes e não criam desgaste importante nas ferramentas.

Comportamento em maquinação dos materiais compósitos

A maquinação de materiais compósitos é de difícil realização devido à estrutura

anisotrópica e não-homogénea destes materiais e à alta abrasividade dos seus

elementos constituintes. Isso normalmente resulta em danos introduzidos na peça

e no desenvolvimento de desgaste muito rápido na ferramenta de corte.

A maquinação dos materiais compósitos apresenta as seguintes características:

Como resultado da sua elevada heterogeneidade, a qualidade obtida é inferior à verificada

nos metais;

A orientação das firmas exerce, naturalmente uma grande influência no corte;

A criação de descontinuidades nas fibras afecta o comportamento do componente;

As fibras ficam expostas ao ataque dos agentes exteriores;

É, normalmente, desejável a utilização dum fluido de corte;

A duração de vida das ferramentas é muito condicionada pela abrasividade das fibras;

A maquinação dos diferentes materiais compósito s determina delaminagens junto à

superfície de corte;

É difícil a obtenção de superfícies com boa continuidade, a elevada tenacidade dos

compósitos de aramida e carbono determina uma grande absorção de energia, com

consequências ao nível da regularidade das superfícies.

A norma ISO (grupo S) é dividida em duas grandes famílias, ligas de titânio e ligas

termo resistentes (HRSA).

As últimas podem ser divididos em três grupos: ligas à base de cobalto (Haynes 25, Stellite 21, 32, …)., ferro e níquel (Inconel 716, 706, Udimet 720, …) .

As ligas HRSA podem ser fornecidas no estado recozido ou tratada termicamente e

o processo primário de enformação mecânica pode ser a laminação, o forjamento ou

a fundição. O incremento do teor de cobalto determina uma maior resistência ao

calor, à corrosão e aos esforços de tracção.

A maquinabilidade de cada uma destas ligas varia consideravelmente com a sua

composição química e com aspectos metalúrgicos relacionados com o processo

primário de fabrico. Dum modo geral, a formação da apara é difícil (apara

fragmentada) e a força e potência necessária ao corte, como resultado duma força

específica de corte (Kc) elevada, é, também, bastante elevada.

Ligas de titânio e superligas

Ligas de titânio

A estrutura e os diferentes elementos de liga determinam quatro classes

diferentes para as ligas de titânio:

titânio puro não tratado;

ligas alfa com adições de Al, O e/ou N;

ligas beta com adições de Mb, Fe, V, Cr e/ou Mn e;

mistura de ligas alfa e beta.

Estas últimas (do tipo Ti-6Al-4V) são as mais utilizadas, sobretudo em aplicações

aeronáuticas e de uso geral.

A maquinabilidade do titânio, por diferentes técnicas, é mais difícil do que as de outros

metais de alta desempenho (aços inoxidáveis austeníticos, por exemplo).

Algumas características específicas das ligas de titânio devem ser tidas em consideração::

A formação da apara pouco comum e baixa condutividade térmica (treze vezes menor que

o alumínio) do titânio tende a formar a apara aderente e a provocar uma acumulação de calor

na aresta de corte e na face de ataque da ferramenta.

O baixo módulo de elasticidade do titânio determina grandes deflexões das peças e,

portanto, pode exigir aperto adequado.

O titânio tem uma alta afinidade química com quase todos os materiais de ferramenta a

temperaturas elevadas, o que significa que tem uma forte tendência a reagir, nestas

condições, com a generalidade dos materiais para ferramenta de corte.

A observação dos seis critérios seguintes ajudará ao sucesso da maquinação das ligas de titânio:

Devem ser usadas baixas velocidades de corte:

Utilizar altas velocidades de avanço: a temperatura das ferramentas de corte é menos afectada pela

velocidade de avanço do que pela velocidade de corte.

Use uma generosa quantidade de fluido lubrificante: o fluido de corte dissipa o calor da zona de corte,

remove as aparas e reduz as forças de corte, melhorando assim a vida das ferramentas.

Utilizar ferramentas afiadas: a formação da aresta postiça de corte causa maus acabamentos de

superfície, incrementa as forças de corte, com consequentes deflexões da fermenta e/ou peça a maquinar.

Nunca pare a velocidade de avanço quando a ferramenta está em contacto com o material: programar

um tempo de espera (paragem) em contacto com o titânio, causa endurecimento, promovendo a rotura

prematura da ferramenta.

Devem ser utilizados apertos com grande rigidez (dinâmica e estática): a rigidez da máquina, das

ferramentas e das peças e respectivos apertos asseguram um razoável incremento da profundidade de

corte (axial e radial)

Maquinabilidade das super ligas (HRSA)

A maquinabilidade das super ligas, por diferentes técnicas, é mais difícil do

que as de outros metais de alta desempenho, como os aços inoxidáveis

austeníticos.

Quando maquinamos super ligas, devemos observar o seguinte:

A maquinação destas ligas requer uma maior rigidez por parte da máquina ferramenta,

doutro modo a vibração auto excitada pode ocorrer;

De modo a assegurar um corte estável e suave as profundidades de corte, axial e radial,

devem ser constantes;

O fluido de corte deve ser utilizado em quantidades generosas, sobretudo em baixas

velocidades de corte, de modo a evitar a formação da aresta postiça de corte;

As velocidades de corte devem ser baixas em combinação com moderados avanços por

dente, não menos do que 0,1mm de modo a prevenir o endurecimento do material

A geometria da aresta de corte deve ser positiva;

Para profundidades de corte inferiores a 5mm, deve ser utilizada uma roca com pastilhas

com um ângulo de posição inferior a 45º. Na prática, pastilhas redondas com geometria

positiva deve ser usada;

Deve utilizar-se fresagem contra o material. A possibilidade de apara aderente sai

reduzida.

Pólo de Competitividade - Engineering & Tooling

Obrigado pela vossa atenção