Influência do contato ferramenta-peça na rugosidade e força de usinagem no fresamento de formas complexas

Abstract

O processo de acabamento com fresa de topo esférica permite a fabricação de superfícies complexas para diversos setores da indústria. Entretanto, as características geométricas desta ferramenta tornam seu mecanismo de corte difícil de ser entendido. Muitos trabalhos buscam avaliar qual a melhor trajetória e sentido de corte para obter menores esforços de corte e baixos valores de rugosidade, mas devido as diferentes trajetórias e parâmetros de corte utilizados em cada pesquisa, ainda não há consenso sobre qual a melhor trajetória e sentido de corte a ser utilizado. Ao contornar superfícies complexas, o ângulo de contato da ferramenta se altera constantemente e em determinadas condições, o centro da ponta pode atuar na superfície da peça. Em torno do centro da ponta as velocidades de corte são baixas e o material da peça é deformado ao invés de ser cisalhado, danificando a superfície, principalmente em materiais mais dúcteis. Porém, ao fresar materiais endurecidos, a atuação da ponta se mostra benéfica em alguns casos, mas o mecanismo de corte nessa condição ainda não é bem compreendido. Assim, este trabalho tem como objetivo avaliar por meio das componentes de força de usinagem e da rugosidade da peça a influência da variação do ângulo de contato ao usinar corpos de prova de aço AISI H13 em dois estados de dureza, recozido e temperado. Para isso uma geometria com o formato de quarto de um cilindro foi usinada em diferentes ângulos utilizando diferentes diâmetros de ferramenta, profundidade de usinagem e avanço por aresta. O contato ferramenta-peça foi avaliado por meio de equações analíticas e de modelamento em programas de desenho auxiliado por computador. A usinagem foi realizada em um centro de fresamento 3-eixos e as forças adquiridas por meio de um dinamômetro. Após a usinagem a qualidade da superfície foi avaliada por perfilometria ótica. Os resultados mostraram que a variação do ângulo de contato altera de forma significativa os resultados da força e da rugosidade, sobretudo durante o contato do centro da ponta na superfície geradora do cavaco. A análise de contato demonstrou que há diferença na área de corte nessa região, que causou instabilidade em algumas condições, gerando danos e aumentando a rugosidade da superfície. A utilização de velocidades de avanço menores diminuiu significativamente a instabilidade em algumas condições. A maior dureza do material influenciou de forma positiva na obtenção de menores valores de força e de rugosidade.

Abstract: The ball-nose end mill finishing process allows for the fabrication of complex surfaces for various industry sectors. However, the geometric characteristics of this tool make its cutting mechanism difficult to understand. Many studies seek to assess the best path and direction of cutting to obtain lower cutting forces and low roughness values, but due to the different paths and cutting parameters used in each research, there is still no consensus on the best path and direction of cutting. cut to be used. When contouring complex surfaces, the contact angle of the tool is constantly changing and under certain conditions, the center of the tooltip can act on the surface of the workpiece. Around the center of the tooltip cutting speeds are low and the workpiece material is deformed rather than sheared, damaging the surface, especially in more ductile materials. However, when milling hardened materials, the action of the tooltip proves to be beneficial in some cases, but the cutting mechanism in this condition is still not well understood. Thus, this research aims to evaluate the influence of the contact angle variation when machining AISI H13 steel specimens in two hardness states, annealed and quenched, through the components of machining force and workpiece roughness. For this, geometry in the shape of a quarter of a cylinder was machined at different angles using different tool diameters, machining depth, and edge feed. The tool-part contact was evaluated using analytical equations and modeling in computer-aided design programs. Machining was carried out in a 3-axis milling center and the forces were acquired by means of a dynamometer. After machining, the surface quality was evaluated by optical profilometry. The results showed that the variation of the contact angle significantly alters the results of force and roughness, especially during the contact between the center of the tip and the generating surface of the chip. The contact analysis showed that there is a difference in the cut area in this region, which caused instability in some conditions, causing damage and increasing surface roughness. The use of lower feed speeds significantly reduced instability in some conditions. The greater hardness of the material had a positive influence on obtaining lower values of machining force and roughness.