7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
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7 BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING
20 a 24 de maio de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - Brasil
May 20th to 24th, 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil
INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE AVANÇO NO ACABAMENTO DE
CERAS PARA MODELAGEM DE JOIAS VIA FRESAMENTO CNC
Mariana Pohlmann, [email protected]
Fábio Pinto da Silva, [email protected]
Lauren da Cunha Duarte, [email protected]
Wilson Kindlein Júnior, [email protected]
LdSM/UFRGS, Osvaldo Aranha 99, sala 604 – Porto Alegre, RS.
Resumo: O presente trabalho apresenta uma análise comparativa do acabamento obtido em função da velocidade de
avanço no processo de fresamento CNC em cinco tipos de ceras para fabricação de modelos utilizadas pela indústria
joalheira. Nos ensaios, foram utilizadas fresas cônicas com diâmetro de ponta 0,2 mm e ceras para modelagem cuja
dureza varia de 52 a 63 na escala Shore D. Com a análise dos resultados, foi possível verificar a influência da
velocidade de avanço no acabamento. As velocidades mais baixas resultaram menor rugosidade aparente e
permitiram a obtenção de seções mais estreitas. A partir dos ensaios, foram determinadas velocidades adequadas para
a relação produtividade versus acabamento. Foram ainda determinadas relações entre as propriedades mecânicas do
material e os parâmetros testados, comprovando-se que a cera com maior dureza apresenta as melhores condições de
acabamento. Este trabalho demonstra a viabilidade de otimização da fabricação de joias, já que avalia as condições
de usinagem em relação ao tempo de processo, bem como a possibilidade de redução das operações de acabamento
realizadas após obtenção dos modelos por usinagem.
Palavras-chave: fresamento CNC, ceras para modelagem, indústria joalheira
1. INTRODUÇÃO
Tendo em vista ganhos expressivos na inovação e na competitividade, o setor joalheiro nacional busca
constantemente incorporar novos recursos a fim de eliminar erros e agilizar a fabricação de modelos. Dentre as diversas
tecnologias passíveis de serem empregadas na produção de joias, a usinagem CNC, é amplamente utilizada por
empresas de todos os portes (Rebello, 2007; Benz, 2009).
Apesar de possuir algumas restrições geométricas, esse processo atende plenamente às necessidades do setor. Podese considerar como grande vantagem da usinagem CNC o custo operacional relativamente baixo e a versatilidade,
permitindo a produção de ferramentas, gabaritos e moldes (Rebello, 2007; Benz, 2009).
Além dos exemplos citados, a usinagem é essencialmente utilizada pela indústria joalheira na confecção de modelos
que serão submetidos à microfusão. A usinagem, associada à microfusão, otimiza o processo de produção de joias em
larga escala, pois reduz o índice de retrabalho, de perda de material e garante maior qualidade e produtividade
mantendo a expressividade formal da peça original (Rick, 2006; Rebello, 2007; Giuliano, 2008).
Para produção dos referidos modelos, são utilizadas ceras para modelagem, comercializadas em diferentes formatos
e propriedades (Salem, 2002). Esses materiais são comumente formulados a partir de cera de abelha, cera
microcristalina, parafina, breu e etil vinil acetato (EVA). São conhecidas ceras com mais de 47 diferentes composições.
A diferenciação varia de acordo com as propriedades desejadas e da técnica a ser empregada na produção do modelo em
cera (Giuliano, 2008).
Como ferramentas de apoio ao saber tradicional, softwares de modelagem tridimensional mais intuitivos estão
sendo difundidos entre os profissionais do setor joalheiro (Santos et al, 2003; Benz, 2009). Não obstante, melhorias
técnicas, tais como a criação de dispositivos menores e mais baratos, estão sendo feitas nos equipamentos de usinagem
a fim de tornar a tecnologia mais acessível aos pequenos empresários (Benz, 2009).
Neste sentido, o presente trabalho apresenta uma análise comparativa do acabamento obtido em função da
velocidade de avanço no processo de usinagem por fresamento CNC em ceras para fabricação de modelos utilizadas
pela indústria joalheira. Demonstra-se a viabilidade de otimização da fabricação de joias, já que são avaliadas as
condições de usinagem em relação ao tempo de processo, bem como a possibilidade de redução das operações de
acabamento realizadas após obtenção dos modelos por usinagem.
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2. MATERIAIS E MÉTODOS
Para a realização do presente estudo, foram usinadas amostras de cinco ceras para modelagem da linha Ferris®
File-a-wax® (Fig. 1). Por apresentar diferentes propriedades, cores específicas são atribuídas a esses materiais a fim de
facilitar sua identificação e comercialização. Dentre as características das amostras, destaca-se a dureza tendo em vista
sua relevância para as operações usinagem. De acordo com informações fornecidas pelo fabricante, a cera azul possui
dureza Shore D 52; a roxa e a verde, dureza 55, a gold, dureza 58; e a wizard, dureza 63. Demais especificações estão
disponíveis na Tab. 1. Cabe destacar que, atualmente, apenas as três primeiras são comercializadas por representantes
no Brasil; a gold (coloração amarelada) e a wizard (coloração alaranjada) foram adquiridas através de representantes
internacionais.
Figura 1. Ceras para modelagem utilizadas pela indústria joalheira:
(a) azul, (b) roxa, (c) verde, (d) gold e (e) wizard.
Tabela 1. Especificações das ceras para modelagem.
Referência
Azul
Roxa
Verde
Gold
Wizard
Dureza
(Shore D)
52
55
55
58
63
Viscosidade
a 150 ºC (cPs)
3650
3350
1560
2030
3550
Ponto de
Fusão (ºC)
108
108
109
121
121
Os ensaios foram executados no equipamento Digimill 3D, marca Tecnodrill®, composto por um cabeçote de
fresamento comandado por CNC. O sistema tem potência de 1,1 kW e rotação máxima de 24.000 rpm. Foi utilizada
uma fresa cônica com ângulo de 18°, duas arestas e ponta reta de 0,2 mm (Fig. 2) e as amostras foram afixadas à
plataforma com fitas dupla face de alto desempenho VHB™, marca 3M.
Figura 2. Ferramenta utilizada nos ensaios de usinagem: fresa cônica de 18º com ponta de 0,2 mm.
Nas cinco amostras, foi usinado um padrão geométrico com dimensões totais de 20 x 10 x 0,7 mm. Visando
aproximar as dimensões delgadas utilizadas em peças de joalheria, foram determinadas seções que variam de 0,1 a 1
mm de espessura, fixando-se uma distância de 0,5 mm entre elas (Fig. 3). Como parâmetros de corte, mantiveram-se
constantes a penetração de trabalho, em 2,5% do diâmetro da ponta (0,2 mm), a velocidade de rotação, em 6.000 rpm, e
a profundidade de corte, em 0,35 mm.
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Os resultados foram avaliados quanto ao acabamento: na superfície inferior (Fig. 3a) e nas superfícies laterais (Fig.
3b), em função das marcas deixadas pela ferramenta; e nas seções do padrão geométrico (Fig. 3c), em função de trincas
e quebras decorrentes do processo de usinagem (Pohlmann, 2012). Para análise dos resultados, imagens das amostras
ampliadas em 7 vezes foram adquiridas com o microscópio estereoscópico modelo SZX16, marca Olympus®.
Figura 3. Padrão geométrico usinado. Quanto ao acabamento das peças, analisou-se (a) a superfície inferior, (b)
as superfícies laterais e (c) as seções do padrão usinado.
Inicialmente, foram ensaiadas velocidades de avanço (vf) de 500, 1000, 1500 e 2000 mm/min. Observado um
melhor acabamento entre as velocidades de avanço de 500 e 1000, quatro velocidades intermediárias foram
acrescentadas: 600, 700, 800 e 900 mm/min (Tab 2).
Tabela 2. Velocidades de avanço ensaiadas nas ceras, em destaque as velocidades intermediárias acrescentadas.
vf (%)
vf (mm/min)
25
500
30
600
35
700
40
800
45
900
50
1000
75
1500
100
2000
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A partir dos resultados dos ensaios realizados neste estudo, observou-se a influência da variação da velocidade de
avanço na qualidade do acabamento de peças geradas por fresamento CNC (Pohlmann, 2012). A seguir, é apresentada
uma análise dos resultados na qual são apontados os melhores e os piores acabamentos obtidos para cada tipo de cera.
Observou-se, durante os procedimentos, que a cera azul apresenta alta elasticidade: ao passar a ferramenta por
seções estreitas, estas, diversas vezes, deformaram e retornaram à posição original sem que houvesse quebra ou fissura
do material. Quanto ao acabamento, constatou-se que, quanto mais alta a velocidade de avanço, mais perceptíveis são as
marcas deixadas pela ferramenta na superfície inferior das amostras usinadas. Ainda assim, pode-se dizer que é ínfima a
diferença entre essas marcas. Em contraponto, nota-se que as superfícies laterais ficam mais irregulares à medida que se
diminui a velocidade de avanço. Portanto, dentre as ensaiadas, considera-se 700 mm/min a velocidade de avanço ideal
para usinagem deste material (Fig. 4).
Figura 4. Resultado dos ensaios de usinagem na cera azul. (a) Melhor resultado (vf = 700 mm/min). Em destaque,
as marcas deixadas pela ferramenta nas superfícies laterais da amostra. (b) Pior resultado (vf = 1000 mm/min).
Em toda a extensão da superfície inferior podem ser observadas as marcas da ferramenta.
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O acabamento resultante dos ensaios realizados na cera de coloração roxa (Fig. 5) foi o mais insatisfatório entre as
amostra em estudo. Tanto nas velocidades de avanço mais altas (1000 mm/min) quanto nas mais baixas (500 mm/min),
as marcas da ferramenta ficaram fortemente aparentes na superfície inferior. As peças finalizadas ficam, por isso, com
um aspecto "sujo" dando a impressão de que ainda há cavaco aderido à amostra. Dentre os resultados obtidos com este
material, considerou-se, portanto, como aceitável, aquele em que as superfícies laterais não ficaram tão marcadas pela
ferramenta: 1000 mm/min (Fig. 4).
Figura 5. Resultado dos ensaios de usinagem na cera roxa. (a) Melhor resultado (vf = 1000 mm/min). Apesar das
marcas da ferramenta na superfície inferior, as superfícies laterais não apresentam rebarbas. (b) Pior resultado
(vf = 500 mm/min). Em destaque, as marcas deixadas pela ferramenta nas superfícies laterais da amostra.
Nos ensaios realizados na cera verde (Fig. 6) com as velocidades de avanço de 800, 900 e 1000 mm/min, as seções
de 1 e 2 mm se desprenderam da superfície inferior. Ao avaliar o acabamento da superfície lateral e da superfície
inferior, o resultado dos procedimentos ajustados com velocidade de 500 e 700 mm/min mostra-se equivalente. Os
padrões obtidos com 600 mm/min geraram melhor acabamento superficial e as seções mais finas mantiveram-se
íntegras.
Figura 6. Resultado dos ensaios de usinagem na cera verde. (a) Melhor e (b) pior resultado. Obtidos com
velocidade de avanço de 600 e 800 mm/min, respectivamente. Em destaque, as seções de 1 e 2 mm
trincadas e desprendidas da superfície inferior da amostra.
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Com 1000 e 500 mm/min, as seções mais finas da cera gold (Fig. 7) trincaram e algumas até foram consumidas
durante as operações de usinagem. As velocidades de 600 a 900 mm/min resultaram em poucas marcas da ferramenta
na superfície inferior das amostras. Considerou-se como resultado mais satisfatório o ensaio executado com velocidade
de 600 mm/min uma vez que apresenta maior regularidade nas superfícies laterais.
Figura 7. Resultado dos ensaios de usinagem na cera gold. (a) Melhor resultado (vf = 600 mm/min). As marcas da
ferramenta nas superfícies laterais e na superfície inferior da amostra são pouco perceptíveis. (b) Pior resultado
(vf = 1000 mm/min). Em destaque, seções trincadas e consumidas.
Nos ensaios realizados com a cera wizard (Fig. 8), observa-se que há pouca diferença entre as marcas deixadas pela
ferramenta na superfície inferior das amostras. Nas operações realizadas com velocidade de avanço de 700 e de 800
mm/min, as seções de 1 e 2 mm se desprenderam da superfície inferior; e, com 900 mm/min, apenas aquelas de 1 mm.
Mesmo em velocidades mais baixas, as superfícies laterais apresentaram alta regularidade. Assim, a amostra usinada
com velocidade de 500 mm/min foi considerada a de melhor acabamento.
Figura 8. Resultado dos ensaios de usinagem na cera wizard. (a) Melhor resultado (vf = 500 mm/min).
Observam-se poucas marcas da ferramenta na superfície inferior, bem como superfícies laterais regulares.
(b) Pior resultado (vf = 800 mm/min). Em destaque, as seções trincadas e consumidas durante a usinagem.
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Ao serem submetidas às operações de usinagem, constata-se que as ceras azul, verde, gold e wizard apresentam um
comportamento similar. Esses materiais têm melhor acabamento com velocidades de avanço mais baixas, entre 500 e
700 mm/min. Com o aumento da velocidade, as seções mais estreitas das ceras com maior dureza trincam e até mesmo
se desprendem da superfície inferior das amostras. Observou-se que algumas seções de 1 e 2 mm das ceras verde e
wizard trincaram e/ou quebraram quando esses materiais foram usinados a velocidade superior ou igual a 800 mm/min.
Na gold esta ocorrência também pôde ser verificada, entretanto somente nas velocidades de 500 e 1000 mm/min.
A cera de coloração roxa mostra-se diferente em relação às demais: o acabamento melhora conforme a velocidade
aumenta. Pode-se afirmar, com os resultados avaliados, que este material necessita menor velocidade de rotação para
que se torne viável a obtenção de amostras cujo acabamento possa ser efetivamente comparado ao das outras ceras em
análise. O Quadro (1) apresenta de forma concisa os resultados obtidos neste estudo.
Quadro 1. Indicação dos melhores e piores acabamentos obtidos com a variação da velocidade de avanço na
usinagem de ceras para modelagem de joias.
Avanço (mm/min)
Melhor Acabamento
Pior Acabamento
500
Wizard
Roxa
600
Verde e Gold
-
700
Azul
-
800
Wizard e Verde
900
-
1000
Roxa
Azul e Gold
Além da avaliação geral da qualidade do acabamento obtido nas ceras, verificou-se a cera ideal em função das
velocidades de avanço ensaiadas (Quadro 2). As ceras de maior dureza, gold e wizard, compartilham equilibradamente
os melhores resultados. Esses materiais, portanto, são os mais adequados a serem submetidos às operações de usinagem.
Quadro 2. Indicação dos melhores acabamentos obtidos para cada velocidade de avanço ensaiada.
Como as ceras gold e wizard ainda não são comercializadas no Brasil, elaborou-se um quadro – similar ao
apresentado anteriormente – no qual estão dispostas apenas as ceras representadas nacionalmente (Quadro 3). Neste
caso, nota-se que a distribuição dos materiais é homogênea e equilibrada.
Quadro 3. Indicação dos melhores acabamentos obtidos na usinagem das ceras disponíveis no Brasil.
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4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O estudo do acabamento obtido por usinagem CNC em ceras para modelagem busca o aperfeiçoamento da
fabricação de joias e contribui significativamente com a otimização da produção das indústrias do setor. Com este
trabalho, foi possível avaliar o comportamento das amostras quando submetidas às operações de fresamento de topo. A
análise detalhada dos resultados mostrou a influência que as velocidades de avanço ensaiadas exercem no que tange o
acabamento e, assim, foi possível determinar o parâmetro adequado para cada cera em estudo.
De forma geral, pode-se dizer que velocidades de avanço mais baixas geraram menor rugosidade na superfície
inferior das amostras e seções mais estreitas. Entretanto, as superfícies laterais apresentaram-se menos regulares.
Verificou-se, ainda, que, dentre as amostras estudadas, as ceras wizard e gold apresentaram os melhores resultados,
evidenciando o fato de que aquelas com maior dureza apresentam as melhores condições de acabamento.
Ao empregar esses materiais para obtenção de peças por usinagem CNC, recomenda-se utilizar seções de, no
mínimo, 3 mm de espessura a fim de evitar fissuras e quebras. Além disso, sugere-se como parâmetro para as ceras
azul, verde, gold e wizard a velocidade de avanço máxima de 700 mm/min. No caso específico da cera roxa, são
necessários novos ensaios – em equipamentos que permitam o ajuste da velocidade de rotação abaixo da utilizada neste
estudo (6.000 rpm) – para que os parâmetros adequados a este material possam ser determinados.
Este trabalho torna possível a redução das operações de acabamento efetuadas após a obtenção das peças por
usinagem uma vez que indica o melhor resultado para cada tipo de cera para modelagem de joias. E, ainda, possibilita a
redução do tempo de produção ao apontar o material adequado a ser utilizado a uma velocidade de avanço mais alta.
5. AGRADECIMENTOS
Este trabalho contou com o apoio da CAPES e do CNPq.
6. REFERÊNCIAS
Rebello, L.H.B. A Produção de Jóias e o Design. In: II Congresso Científico da UniverCidade, Rio de Janeiro, 2007.
Giuliano, J.A.S. Os processos de fundição, como ferramenta na obtenção de esculturas em metal. Dissertação de
Mestrado. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais, UFRGS, 2008.
Benz, I.E. Inovação no processo de design de jóias através da modelagem 3D e da prototipagem rápida. Dissertação de
Mestrado. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2009.
Pohlmann, M. Contribuição ao estudo de materiais, processos e modelos utilizados na fabricação de joias em larga
escala. Dissertação de Mestrado. Programa de Pós-Graduação em Design, UFRGS, 2012.
Rick, C.F. Estudo da liga à base de Zn-Al-Cu-Mg aplicada na fabricação de jóias folhadas. Dissertação de Mestrado.
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2006.
Salem, C. Jóias: Modelagem em cera e múltiplos. São Paulo: 2000 Joias, 2002.
Santos, J.R.L. dos; Zamberlan, M.C.P.L.; Santos, I.A. dos. Novas tecnologias de modelagem tridimensional física e
virtual no design de jóias. In: II Congresso Internacional de Pesquisa em Design, Rio de Janeiro, 2003, pp. 6-12.
7. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.
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May 20th to 24th, 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil
INFLUENCE OF FEED RATE ON FINISHING OF CARVING WAX
FOR JEWELRY VIA CNC MILLLING
Mariana Pohlmann, [email protected]
Fábio Pinto da Silva, [email protected]
Lauren da Cunha Duarte, [email protected]
Wilson Kindlein Júnior, [email protected]
LdSM/UFRGS, Osvaldo Aranha 99, sala 604 – Porto Alegre, RS.
Abstract. This paper presents a comparative analysis of the finish obtained based on feed rate of CNC milling in five
types of carving waxes used in manufacture of models for the jewelry industry. On CNC machining tests were used
conical cutters with a tip diameter of 0.2 mm and waxes with a hardness ranging from 52 to 63 on Shore D scale. With
the analysis of results it was possible to verify the influence of feed rate in the finish. Lower speeds resulted on lower
apparent roughness and allowed to obtain further narrow sections. From tests, suitable speeds for productivity versus
finishing were determined. In addition, were determined relations between mechanical properties of material and
tested parameters, confirming that the hardest wax presents better finishing conditions. This study demonstrates the
feasibility of optimizing the manufacture of jewelry, once evaluates the machining conditions in relation to process
time, as well as the possibility of reduce some finishing operations performed after obtaining models by CNC
machining.
Keywords: CNC machining, carving waxes, jewelry industry
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