6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
6th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING
11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
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April 11 to 15 , 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
ESTUDO COMPARATIVO DA USINABILIDADE DOS AÇOS PARA
MOLDES VP50IM E N2711 NO FRESAMENTO DE TOPO
Flávia Cristina Sousa e Silva, [email protected]
Mauro Araújo Medeiros, [email protected]
Frederico Mariano Aguiar, [email protected]
Álisson Rocha Machado, [email protected]
Márcio Bacci da Silva, [email protected]
Celso Antonio Barbosa, [email protected]
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Universidade Federal de Uberlândia, Av. João Naves de Ávila, 2121, Bloco 1O, Uberlândia, MG - Brasil
Villares Metals S.A., Rua Alfredo Dumont Villares, 155, Sumaré, SP - Brasil
2
Resumo: Os aços utilizados na fabricação de moldes devem possuir várias propriedades a fim de desempenhar
satisfatoriamente o serviço ao qual serão destinados. No caso dos aços para moldes de injeção de plástico, algumas
propriedades se destacam como resistência ao desgaste e dureza a quente. Naturalmente, essas propriedades não são
associadas a uma boa usinabilidade. O aço N2711 vem sendo utilizado na fabricação de moldes para injeção de
plástico, e, pertencendo à classe dos aços endurecidos, possui todos os inconvenientes destes materiais, bem como o
aço VP50IM, que também é utilizado neste setor. O objetivo deste trabalho é comparar a usinabilidade destes dois
aços avaliando o volume de material removido através do processo de fresamento de topo, onde também se fez a
medição do desgaste da ferramenta. Os resultados apresentam pouca diferença na usinabilidade dos dois aços em
condições mais severas de usinagem. Entretanto o aço VP50IM, por possuir maiores teores de MnS, apresentou maior
usinabilidade em condições baixas de corte.
Palavras-chave: Aço N2711, Aço VP50IM, Usinabilidade, Aços para moldes de injeção de plástico.
1. INTRODUÇÃO
Há pouco mais de uma década que a indústria vem passando por mudanças significativas nos tempos de produção.
Os processos têm se tornado cada vez mais automatizados e os profissionais mais qualificados. E, acompanhando este
progresso, o segmento de fabricação de moldes e matrizes se expande muito rapidamente. Os fabricantes de moldes e
matrizes contam com estrutura mais enxuta, o que torna a produção mais ágil. Nessas empresas, a maioria das peças
possui geometria complexa, fato esse que exige dos fabricantes, produtores de softwares e de máquinas-ferramenta,
constantemente, soluções melhores e mais efetivas para atender às necessidades do mercado (Bauco et al, 2004).
Segundo Boujelbene et al (2004), a maior porcentagem do custo de um produto fabricado pela injeção de plástico é
relativo à manufatura do molde, e os processos de usinagem e polimento representam até 80% do custo total de
fabricação. E quando os moldes possuem longo período de duração, a usinagem pode ser considerada o fator mais
importante na determinação do seu custo final. Logo, aumentar a taxa de remoção do material é uma das estratégias
para se diminuir o custo de fabricação (Hioki, 2006).
Vários processos de usinagem são empregados na fabricação de um molde. Mas, definitivamente, o fresamento é o
responsável por remover a maior quantidade de material durante a construção de um molde, e influencia diretamente as
operações subseqüentes, repercutindo na qualidade, custo e tempo de fabricação do produto (Souza e Bonetti, 2007).
Diversos aspectos são considerados na operação de fresamento de moldes, tais como os parâmetros de corte, o
material da peça, a ferramenta de corte utilizada, a estratégia de corte e os recursos tecnológicos disponibilizados pela
máquina-ferramenta (Villares Metals, 2010).
Normalmente, a vida útil de um molde é elevada e sua substituição acontece devido à mudança do projeto e, mais
raramente, ao desgaste do molde. Sendo assim, as propriedades relacionadas ao desempenho do aço empregado devem
ser consideradas apenas suficientes para a aplicação que se deseja. Já as propriedades relacionadas à manufatura, estas
sim, devem possuir maior destaque, de modo a reduzir os custos do molde produzido. O principal fator a ser
considerado são as interações entre o aço e o processo de fabricação (Mesquita e Barbosa, 2005).
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Assim, o aço utilizado exerce mais influência no custo total de um molde através da sua usinabilidade do que pelo
seu próprio custo. Logo, aperfeiçoar as condições de usinagem é a melhor forma de se reduzir os custos na manufatura
dos moldes (Recht et al, 2004).
A escolha do aço para moldes de injeção de plástico é uma tarefa que requer atenção, pois, deve-se adequar as
características dos aços com o tipo de plástico a ser injetado. Os aços VP50IM e N2711, que são objeto de estudo neste
trabalho, são utilizados em moldes de injeção de termoplásticos não clorados. O VP50IM é um aço-ferramenta, de
baixo carbono e alto teor de elementos de liga. Foi desenvolvido especialmente para ser endurecido por tratamento
térmico de envelhecimento, com resistência superior a do aço VP20, que é o mais utilizado na indústria de moldes.
Pode ser fornecido solubilizado, com dureza de 32 HRC, para posterior endurecimento ou solubilizado e envelhecido
com 40 HRC, que foi a forma utilizada neste trabalho. Já o N2711 é um aço médio teor de carbono e baixa liga. É
fornecido no estado beneficiado. Ele possui boa polibilidade e resposta à texturização. Possui dureza de 40 HRC, que é
constante até o núcleo. Essa característica demanda cuidados na usinagem, principalmente em operações de furação
(Villares Metals, 2010).
Carvalho e Freitas (2005) avaliaram a usinabilidade dos aços VP50IM e N2711, ambos com dureza de 40 HRC, e
também o VP50IM apenas solubilizado, com dureza de 32 HRC, durante o processo de furação, e a evolução dos
desgastes de flanco das brocas ao longo da vida encontrada é mostrado na Fig. 1.
Figura 1. Desgaste de flanco em função do comprimento usinado (Carvalho e Freitas, 2005).
Notou-se que a vida da ferramenta de corte para o aço VP50 IM com dureza de 40 HRC é significativamente maior
em comparação ao aço N2711 de dureza semelhante. De acordo com os autores, esse comportamento se deve a maior
presença de carbonetos do aço N2711 e a maior concentração de enxofre do aço VP50 IM. Desse modo, o efeito
abrasivo do aço N2711 sobre a ferramenta de corte é substancialmente maior. Observa-se, também, que os autores
encontraram maior usinabilidade no aço VP50IM com menor dureza, como era de se esperar.
O objetivo deste trabalho é avaliar a usinabilidade dos aços VP50IM e N2711 através do volume de material
usinado durante o processo de fresamento de topo.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Os aços utilizados neste estudo foram comparados através da avaliação da vida da ferramenta, utilizando-se do
volume de material removido como parâmetro determinante.
A máquina-ferramenta utilizada foi o centro de usinagem CNC modelo Discovery 760, da Romi, e possui 9 kW de
potência instalada no motor principal, rotação de 10 a 10.000 rpm e comando Siemens 810D. Os testes foram realizados
sem a utilização de fluido de corte.
A ferramenta de corte utilizada foi uma fresa de topo de insertos intercambiáveis com especificação
32A03R039B32SSP10G, da Kennametal. O corpo da fresa possui 32 mm de diâmetro e alocação para três insertos. Os
insertos utilizados com especificação SPCT10T3PPER LD2 KC725M, também são da Kennametal. A classe KC725M
possui substrato de metal duro e revestimento PVD multicamadas de TiN – TiCN – TiN.
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A composição química dos aços analisados neste trabalho, VP50IM e N2711, está presente na Tabela 1.
Tabela 1. Composição química dos aços VP50IM e N2711 (Porcentagem em massa e balanço em Fe)
VP 50 IM
N 2711
C
0,15
0,55
Si
0,30
0,30
Cr
0,30
0,70
Mn
1,55
0,70
Mo
0,30
0,50
Ni
3,00
1,70
Al
1,00
*
Cu
1,00
*
S
0,10
*
V
*
0,075
A Tab. 2 apresenta as características dos corpos de prova utilizados e o volume de material retirado nos testes de
fresamento, para uma penetração de trabalho, ae, de 24 mm.
Tabela 2. Caracterização dos materiais utilizados nos testes de fresamento de topo
Material
Dimensão inicial do corpo de prova
[mm]
VP50IM
N2711
324,85 X 349,80 X 215
346 X 302 X 200
Volume de material retirado por passada
(conforme Fig. 2) [cm³]
ap = 1 mm
ap = 2 mm
113,63
227,26
104,49
208,98
O desgaste dos insertos foi monitorado utilizando-se o estereomicroscópio da marca Olympus, modelo SZ6145TR ,
com ampliação máxima de 45 vezes. O estereomicroscópio possui uma câmera ccd acoplada onde foi feita a captura das
imagens das ferramentas. O desgaste foi medido através de um software analisador de imagens, Image Pro Express.
A vida da ferramenta foi avaliada realizando-se o monitoramento do desgaste de flanco (VBBmáx) máximo. Ao fim
de cada passada completa sobre a peça, a fresa era retirada e media-se o desgaste dos três insertos. O critério de fim de
vida utilizado foi o citado na norma ISO 8688-2(1989), que determina para o processo de fresamento de topo um
VBBmáx de 0,5 mm. O fim de vida era atingido quando qualquer um dos insertos atingisse primeiro o critério
estabelecido pela norma. A freqüência de medida de desgaste era por passada completa na peça, porém, como uma
passada completa sobre a peça (Fig.2) levava aproximadamente de 16 a 18 minutos, dependendo das velocidades
utilizadas, também era dada atenção ao ruído e vibração excessivos, podendo estes serem considerados como critérios
de parada do teste para averiguação do desgaste.
Figura 2. Caminho realizado pela fresa sobre a peça
Com o objetivo de verificar o efeito estatístico de cada parâmetro de corte e a interação entre eles (Box e Hunter,
1978), utilizou-se um planejamento fatorial 2k. Os parâmetros de corte analisados, ou variáveis independentes, em
termos estatísticos, foram velocidade de corte, avanço por dente, profundidade de corte e material da peça. A penetração
de trabalho foi mantida constante em 24 mm, ou seja, um terço do diâmetro total da fresa. A Tab. 3 mostra os níveis dos
parâmetros considerados. O uso de quatro variáveis de entrada resultou em um planejamento fatorial 24, totalizando
dezesseis testes, sendo oito com o aço VP50IM e oito com o aço N2711. As condições de corte de cada teste são
apresentadas na Tab. 4, no item de resultados e discussões.
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Tabela 3. Níveis das variáveis independentes
Nível
Fatores
-1
+1
Velocidade de Corte (Vc) [m/min]
100
200
Avanço por dente (fz) [mm/dente]
0,1
0,2
Profundidade de corte (ap) [mm]
1
2
Material da peça
VP50IM N2711
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
As ferramentas de metal duro utilizadas nos testes apresentaram apenas desgaste de flanco. Por isso, o critério de
fim de vida adotado foi o VBBmáx. A figura 3 mostra as ferramentas utilizadas em um dos testes, já em fim de vida, para
a usinagem dos dois aços em questão, para efeito de ilustração.
(a)
(b)
Figura 3. Desgaste de flanco, já atingido o fim de vida, nos insertos de metal duro utilizados na condição 8:
Vc = 200 m/min, ap = 2 mm, fz = 0,2 mm/dente. a) Fresamento do aço VP50IM; b) Fresamento do aço N2711.
Os resultados referentes ao volume de material usinado dos dois aços utilizados, para todas as dezesseis condições
de corte realizadas, seguindo o planejamento fatorial 24, estão apresentados na Tab. 4 e na Fig. 4, na qual se tem uma
melhor visualização do comportamento de cada aço em cada condição.
Tabela 4. Volume de material usinado em cada condição de corte
Vc [m/min]
Condição 1
Condição 2
Condição 3
Condição 4
Condição 5
Condição 6
Condição 7
Condição 8
100
200
100
200
100
200
100
200
ap [mm]
1
1
2
2
1
1
2
2
fz [mm/dente]
0,1
0,1
0,1
0,1
0,2
0,2
0,2
0,2
VP50IM
3636,241
217,63
1276,66
116,832
340,897
25,6452
140,335
15,5928
N 2711
1253,904
104,492
2089,84
208,984
626,952
104,492
417,968
116,256
Material
Volume de Material Usinado [cm³]
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Figura 4. Condições de Usinagem X Volume de material usinado
Pela análise da Tab. 4 e do gráfico da Fig. 4 nota-se que, apenas nas duas primeiras condições, onde o único
parâmetro que altera é a velocidade de corte, o volume de material usinado até o fim de vida no aço VP50IM foi
superior ao do aço N2711. Nessas condições fica evidente o efeito da existência em maior quantidade dos sulfetos de
manganês no VP50IM do que no N2711. Esses sulfetos, que possuem baixa dureza, agem de forma a lubrificar a
ferramenta de corte, facilitando o corte (Mesquita e Barbosa, 2005). Porém, nas demais condições de corte, esse
fenômeno não foi significante. Em condições mais severas de usinagem, os dois materiais obtiveram pouca diferença na
quantidade de material usinado. Estes resultados confirmam a maior eficiência dos elementos facilitadores do corte, no
caso o MnS, apenas em condições de corte baixas. Em velocidades mais altas, as altas taxas de deformações da zona de
fluxo dificultam a ação lubrificante dos precipitados. Isto acontece também com os elementos de baixo ponto de fusão
que são adicionados para melhorar a usinabilidade dos metais, como o chumbo, o bismuto, o selênio, o telúrio, etc.
(Evangelista Luís, 2007 e Evangelista Luís e Machado, 2009).
Seguindo o planejamento estatístico, foi feita uma análise dos efeitos estimados e também uma análise de variância
(ANOVA) para mostrar os efeitos das variáveis independentes no volume de material usinado. O gráfico de Pareto, na
Fig. 5, demonstra de forma gráfica esses efeitos.
VP50IM X N2711
Pareto Chart of Standardized Effects; Variable: Volume
2**(4-0) design; MS Residual=429236,5
DV: Volume de Material Usinado (cm³)
(1)Vc
-3,38576
(3)fz
-2,71553
1by3
2,420984
2by4
1,302809
3by4
,8903688
1by2
,7397401
(2)a p
-,735615
1by4
,4441627
2by3
,4243674
(4)Material
-,323182
p=,05
Standardized Effect Estimate (Absolute Value)
Figura 5. Efeitos estimados para volume de material usinado na comparação entre os aços VP50IM e N2711
Nota-se que todas as variáveis independentes, velocidade de corte, avanço por dente, profundidade de corte e
material da peça, demonstram influência contrária, estatisticamente, ou seja, a medida que se aumenta os valores desses
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parâmetros, ou quando se compara o VP50IM com o N2711, nessa ordem, há um decréscimo no quantidade de material
usinado. Isso é esperado, pois o aumento dessas variáveis tendem a gerar maior temperatura durante o corte, o que
contribui com a diminuição da vida útil da ferramenta.
Contudo, de acordo com o diagrama de Pareto, a velocidade de corte e o avanço por dente são os únicos parâmetros
que possuem efeito significativo no volume de material usinado, do ponto de vista estatístico, para uma confiabilidade
de 95%.
4. CONCLUSÕES
- As ferramentas de metal duro apresentam, essencialmente, desgaste de flanco;
- Nas condições de corte menos severas, o aço VP50IM obteve um desempenho bem superior ao do aço N2711,
considerando o volume de material usinado até o final da vida da ferramenta, determinado pelo critério de desgaste
adotado. Os sulfetos de manganês no VP50IM agem de forma a lubrificar e facilitar o corte. Logo, para essas condições
de corte, a usinabilidade do VP50IM é superior à usinabilidade do N2711;
- Nas condições de corte mais severas, o efeito do sulfeto de manganês não foi observado, e as usinabilidades do
VP50IM e do N2711 são próximas. O volume de material removido de ambos os materiais se equivalem e é bem menor
se comparado ao volume retirado nas condições menos severas;
- O aumento de todas as variáveis de corte estudadas (Vc, ap, fz) colabora com a diminuição da vida útil da
ferramenta. Esse efeito é observado nos dois aços usinados;
- Os parâmetros de corte que mais influenciam no volume de material usinado são a velocidade de corte e o avanço
por dente, nesta ordem.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer a CAPES, CNPq e FAPEMIG, pelo apoio financeiro, à Villares Metals S.A.
pelo fornecimento dos materiais para esta pesquisa e à Kennametal pelo fornecimento de todas as ferramentas utilizadas
nos testes de fresamento.
6. REFERÊNCIAS
Bauco, S. A. et al. 2004, High-speed Machining: How the concepts of HSM/HSC can revolutionize the metalmechanics industry. São Paulo, Erica.
Boujelbene, M. Moisan, A.; Tounsi, N.; Brenier, B. 2004, “Productivity enhancement in dies and molds manufacturing
by the use of C1 continuous tool path”. International Journal of Machine Tool & Manufacture, Amsterdam, v.44,
n.1, p.101-107, Jan.
Box, G. E., Hunter, J. S., 1978, Statistics for Experiments, USA.
Carvalho, M. V. de., Freitas, D. F., 2005, “Fim de vida das ferramentas no processo de furação do aço VP50IM – 32 e
40 HRC em relação ao aço DIN 1.2711”. XII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica –
CREEM, Ilha Solteira – SP, 22 a 26 de agosto. Anais.
Evangelista Luiz, N., 2007, “Usinabilidade do Aço de Corte Fácil Baixo Carbono ao Chumbo ABNT 12L14 com
Diferentes Níveis de Elementos Químicos Residuais (Cromo, Níquel e Cobre)”, Tese de doutorado, Programa de
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Evangelista Luiz, N.; Machado, A.R., “Development Trends and Review of Free-machining Steels”, Proceedings of
IMechE, Part B: J. Engineering Manufacture, vol . 222, No 2, London – UK, 2008, pp 347 – 360, ISSN 0954-4054,
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Hioki, D. 2006, “Influência dos parâmetros de corte no fresamento HSM sobre o desempenho tribológico do aço H13
endurecido”. Tese de Doutorado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo.
ISO 8688-2, 1989. Tool life testing in milling – Part 2: End Milling. International Organization for Standardization.
Mesquita, R. A., Barbosa, C. A. 2005, “40 HRC Plastic Mould Steels: Manufacturing Properties Considerations”.
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11th November.
Rech, J; Le Calvez, C; Dessoly, M., 2004, “A new approach for the characterization of machinability – application to
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Souza , A. F. de., Bonetti, I. 2007, “Estudo do Contato Ferramenta - Peça no Fresamento de Formas Geométricas
Complexas para a Fabricação de Moldes e Matrizes”. 8º Congreso Iberoamericano de Ingenieria Mecanica, Cusco,
23 al 25 de octubre. Anais.
Villares Metals. Catálogo de Aços para Moldes. Disponível em:
<http://www.villaresmetals.com.br/portuguese/files/Cat_Acos_Moldes.pdf>. Acessado em: 10/10/2010.
7. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído neste trabalho.
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COMPARATIVE STUDY OF THE MACHINABILITY OF VP50 IM AND
N2711 MOLD STEELS IN END MILLING PROCESS
Flávia Cristina Sousa e Silva, [email protected]
Mauro Araújo Medeiros, Medeiros_mauro6²yahoo.com.br1
Frederico Mariano Aguiar, [email protected]
Álisson Rocha Machado, [email protected]
Márcio Bacci da Silva, [email protected]
Celso Antônio Barbosa, [email protected]
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Universidade Federal de Uberlândia, Av. João Naves de Ávila, 2121, Bloco 1O, Uberlândia, MG - Brasil
Villares Metals S.A., Rua Alfredo Dumont Villares, 155, Sumaré, SP - Brasil
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Abstract. Steels used in molds manufacturing must have many properties in order to perform efficiently in service. In
the case of steels for plastic injection molds such properties are wear resistance and hot hardness. Unfortunately, these
properties are not associated with a good machinability. The N2711 steel has been used in the plastic injection mold
manufacturing and presents all sorts of difficulties during machining inherent to the hardened steels such as the
VP50IM steel which is also applied in this sector. The aim of this study is to compare the machinability of these two
steels using the volume of material removed during end milling process. The wear rate was also measured. Both of
them show quiet the same machinability in high cutting conditions.
Keywords: N2711 steel, VP50IM steel, Machinability, Plastic injection mold steels
RESPONSIBILITY NOTICE
The authors are the only responsible for the printed material included in this paper.
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