Os porta-ferramentas fornecem o elo vital para a produtividade da usinagem

Máquinas-ferramentas precisas e ferramentas de corte avançadas juntas proporcionam excelente produtividade no corte de metal. No entanto, a ligação entre a ferramenta de corte e o fuso da máquina – o porta-ferramentas – é crucial para alcançar plenamente essa produtividade. Os fabricantes de ferramentas oferecem uma ampla variedade de estilos de porta-ferramentas, cada um projetado para um desempenho ideal em determinadas aplicações de usinagem. Uma oficina de usinagem, portanto, deve basear sua escolha de porta-ferramentas em suas operações específicas, bem como nas peças que produz. No entanto, enquanto as oficinas procuram adquirir a mais avançada tecnologia de máquinas e materiais para ferramentas de corte, muitas vezes dão pouca importância à seleção, aplicação e manutenção dos porta-ferramentas que melhor se adaptam às suas necessidades específicas de produção.

Todos os titulares não são criados iguais

Nenhum método de fixação de ferramentas é apropriado para todas as aplicações possíveis. Um porta-ferramentas projetado para realizar operações de acabamento de alta velocidade normalmente não terá a rigidez e a resistência necessárias para ser eficaz, por exemplo, no desbaste profundo de fundidos brutos. Por outro lado, um suporte destinado à usinagem de desbaste geralmente não terá qualidades de balanceamento que permitiriam que ele funcionasse suavemente em altas velocidades nas operações de acabamento. Além disso, o design robusto e o volume de um suporte de desbaste podem limitar seu acesso a recursos de peças finas ou profundas. Materiais de peças resistentes exigem porta-ferramentas com maior resistência e rigidez. As habilidades de um porta-ferramentas para amortecer a vibração e fornecer refrigerante também são critérios de seleção importantes.

O uso de um porta-ferramentas inadequado pode resultar em erros dimensionais e peças sucateadas, juntamente com desgaste excessivo nos fusos das máquinas-ferramenta, menor vida útil da ferramenta e aumento da quebra da ferramenta. Em trabalhos não críticos, um porta-ferramentas com preço acessível pode produzir resultados satisfatórios. Mas em operações em que a precisão repetível é obrigatória – e especialmente quando o descarte de uma peça de trabalho cara diminuirá as margens de lucro da peça – o investimento em porta-ferramentas de alta qualidade e focados na aplicação oferece um seguro de baixo custo contra tais perdas imprevistas.

Para alguns gerentes de fábrica, versões longas de porta-ferramentas usadas em uma variedade de aplicações são uma estratégia válida de economia de custos. No entanto, sempre aplicar o suporte mais curto possível maximizará a rigidez, minimizará a vibração de degradação da superfície e preservará a vida útil da ferramenta.

Os porta-ferramentas representam menos de dois por cento dos custos totais de produção. Mesmo cortar esse custo pela metade produz economias insignificantes, enquanto uma peça de trabalho sucateada ou ferramenta quebrada tem um efeito financeiro mensurável. Ferramentas e suportes premium podem aumentar as taxas de produção de corte de metal para retorno imediato do investimento em ferramentas. Particularmente em indústrias como a fabricação de componentes aeroespaciais, onde a estabilidade do processo de usinagem é primordial, muitos fabricantes se concentram principalmente na aquisição de ferramentas premium para evitar a produção de peças defeituosas e perder tempo em atividades de solução de problemas e paradas de produção. Os fabricantes aeroespaciais normalmente levam mais tempo para validar os novos conceitos de suporte antes de certificá-los para produção.

Os fatores da peça influenciam a seleção do suporte

Os fatores que influenciam a seleção do porta-ferramentas incluem a usinabilidade do material da peça em cada trabalho, bem como a configuração da peça final, que pode determinar as dimensões do porta-ferramentas necessárias para atingir determinados contornos e/ou características. No entanto, os porta-ferramentas devem ser tão simples e fáceis de usar quanto possível para minimizar a possibilidade de erro do operador.

Independentemente de qual tecnologia de porta-ferramentas é aplicada, a rigidez de uma máquina-ferramenta, a potência do fuso e a capacidade de gerar tolerâncias apertadas ditarão quais operações são viáveis. Por exemplo, tentar produzir tolerâncias em escala micro em uma máquina desgastada é uma perda de tempo.

Os elementos básicos de uma máquina-ferramenta desempenham um papel fundamental – uma máquina rápida com guias lineares aproveitará melhor os porta-ferramentas projetados para aplicações de alta velocidade, enquanto as máquinas com caixas fornecem suporte para usinagem pesada. Uma máquina multitarefa explorará totalmente as capacidades dos porta-ferramentas que podem realizar operações de torneamento e fresamento/furação.

A estratégia de usinagem em uso também orientará a seleção do porta-ferramentas. Por exemplo, as oficinas podem escolher ferramentas para maximizar a produtividade em operações de corte de alta velocidade (HSC) envolvendo profundidades de corte mais leves ou em situações de corte de alto desempenho (HPC) que se concentram na geração de altas taxas de remoção de metal em máquinas com potência adequada, mas capacidade de velocidade limitada .

A excentricidade baixa e repetível pode ajudar a garantir o engajamento constante da ferramenta e, assim, reduzir a vibração e maximizar a vida útil da ferramenta. O equilíbrio é crucial, e um porta-ferramentas de alta qualidade deve ser bem balanceado na qualidade G2,5-25000 RPM (1 g.mm). As oficinas de usinagem podem realizar suas próprias pesquisas e consultar seus fornecedores de ferramentas para determinar o sistema ou sistemas de porta-ferramentas que atenderão às suas necessidades de produção de maneira econômica.

Cada titular tem seu nicho

Seja Weldon simples, pinça, termorretrátil, tipo mecânico ou hidráulico, os porta-ferramentas também devem ser adaptados aos requisitos operacionais específicos. Os porta-fresas de topo simples para ferramentas de haste Weldon, por exemplo, são rígidos, fáceis de usar, podem transmitir alto torque e fornecer fixação segura e forte com uma forte ação anti-arranque. Eles são adequados para desbaste pesado, mas carecem de concentricidade precisa. Em geral, eles são inerentemente desequilibrados e não se aplicam de forma produtiva para aplicações que usam altas velocidades de rotação.

Mandris de pinça e pinças intercambiáveis ​​são a forma mais comum de tecnologia de fixação de ferramentas redondas. Os estilos ER econômicos estão disponíveis em uma ampla variedade de tamanhos e oferecem aderência suficiente para operações de fresamento e furação leves confiáveis. Os porta-pinças ER de alta precisão apresentam baixo batimento (<5μm na ponta da ferramenta) e um design simétrico que pode ser balanceado para operações de alta velocidade, e versões reforçadas estão disponíveis para usinagem pesada. Os suportes ER facilitam a troca rápida e podem acomodar uma variedade de diâmetros de ferramenta.

Os suportes termorretráteis oferecem forte força de fixação, concentricidade de 3 μm em 3xD e excelentes qualidades de equilíbrio. Suas configurações de ponta pequenas e simples fornecem bom acesso a recursos de peças apertadas.

Versões reforçadas podem realizar fresamento moderado a pesado, mas a força de preensão depende das tolerâncias de diâmetro interno da haste da ferramenta e do suporte. As ferramentas de ajuste retrátil exigem a compra de uma unidade de aquecimento especial e o processo de aquecimento/resfriamento consome mais tempo de configuração do que simplesmente trocar as pinças.

Mandris de fresagem mecânicos fornecem forte força de preensão e alta rigidez radial através de várias fileiras de rolamentos de agulhas. O design permite fresamento pesado e trocas rápidas de ferramentas, mas a excentricidade pode ser maior do que a dos sistemas de pinças. Os mandris mecânicos geralmente são maiores em tamanho do que outros estilos de porta-ferramentas, o que pode restringir o acesso da ferramenta a alguns recursos da peça.

Mandris hidráulicos que usam pressão de óleo para gerar força de fixação têm menos elementos internos do que mandris mecânicos e, como resultado, têm um perfil comparativamente mais fino. Os mandris hidráulicos apresentam baixa excentricidade e são eficazes para alargamento, furação e fresamento leve em altas velocidades do fuso, mas são sensíveis a cargas radiais pesadas.

Tão importante quanto como um suporte segura uma ferramenta de corte, também é como ele é montado em um fuso de máquina-ferramenta. O fuso ou a extremidade cônica de um porta-ferramentas determina a capacidade de transferência de torque e estabelece a precisão de centralização da ferramenta. Os cones de ferramentas tradicionais BT, DIN e CAT são eficazes em máquinas menores, mas podem ser limitados na capacidade de alta velocidade. Versões que proporcionam contato tanto no cone do suporte quanto na face proporcionam maior rigidez e precisão, especialmente em situações de longo balanço. Tamanhos de cone maiores são necessários para transmitir maior torque de forma confiável. Um suporte HSK-E32, por exemplo, não pode substituir um HSK-A125A em uma situação de usinagem pesada.

A escolha do estilo de conicidade do suporte geralmente é determinada pelas preferências regionais. A HSK surgiu na Alemanha em meados da década de 1990, quando as máquinas de 5 eixos cresceram em popularidade. Os cones CAT são predominantemente nos Estados Unidos, enquanto na Ásia as hastes BT são populares, frequentemente em versões de contato de cone/face.

HSK é muito comum para usinagem de 5 eixos. As conexões PSC (sistema de fixação poligonal:Capto) e KM são usadas principalmente em máquinas multitarefa e agora são padrões ISO. Tanto o KM quanto o Capto também são sistemas modulares, permitindo a montagem de ferramentas específicas em diferentes comprimentos por empilhamento de extensões ou redutores. Estilos de porta-ferramentas que possibilitam tornear, fresar ou furar peças em uma única fixação estão crescendo em popularidade à medida que o uso de máquinas multitarefas aumenta.

Embora existam sistemas proprietários de porta-ferramentas que usam suportes e pinças exclusivos de maneiras inovadoras para obter resultados impressionantes, uma oficina deve calcular seus benefícios. Esses sistemas normalmente envolvem maior custo e escolha limitada de ferramentas sendo de um único fornecedor.

Custo e outras considerações

Embora o custo básico de um suporte do tipo hidráulico ou mecânico seja maior em comparação com o de uma pinça ou suporte de ajuste retrátil, outros fatores estão envolvidos, como o custo do sistema de aquecimento de ajuste retrátil e o tempo necessário para trocar as ferramentas. Também é necessário ter um suporte de ajuste por contração para ajustar cada diâmetro de ferramenta, em comparação com acomodar diferentes diâmetros simplesmente trocando pinças em um sistema de suporte de mandril de pinça.

Os operadores de máquinas e o pessoal de manutenção de ferramentas também desempenham um papel importante na aplicação bem-sucedida do porta-ferramentas. Tal como acontece com as máquinas-ferramentas e outros equipamentos de fabricação, os porta-ferramentas exigem uso e manutenção corretos para maximizar seus benefícios e usá-los em todo o seu potencial. Por exemplo, o operador deve inserir a haste da ferramenta no porta-ferramentas em todo o seu comprimento, pois o assentamento inadequado levará à precisão, destruindo a vibração ou até mesmo a ejeção da ferramenta. Seguir as especificações de montagem da ferramenta é fundamental. Os operadores não devem usar uma alça de extensão para aplicar torque excessivo ao apertar um mandril, o que torce a pinça e resulta em uma ferramenta desalinhada.

A manutenção da ferramenta também é importante, mas muitas vezes é ignorada. Os operadores devem sempre limpar os suportes antes de usar e inspecionar também o fuso da máquina-ferramenta. Os suportes devem ser armazenados limpos e secos, com tampas para proteger o cone da ferramenta. A pressão do fluido dos mandris hidráulicos deve ser verificada regularmente.

Conclusão

As oficinas mecânicas precisam reconhecer a importância dos porta-ferramentas no sistema de usinagem e aprender como combinar adequadamente o porta-ferramentas certo com suas máquinas-ferramenta, estratégias de usinagem e peças específicas pode aumentar a produtividade e reduzir custos. Ao mesmo tempo, os fabricantes de porta-ferramentas estão oferecendo seleções mais abrangentes de porta-ferramentas (veja a barra lateral) projetados para atender às necessidades operacionais individuais.

Melhorias futuras vão além do próprio hardware do suporte. O gerenciamento de ferramentas usando software e etiquetas RFID é um elemento da fabricação baseada em dados e está se tornando mais comum. Os avanços na tecnologia de porta-ferramentas incluem porta-ferramentas equipados com sensores que permitem o monitoramento das forças no porta-ferramentas em tempo real. Os dados coletados permitem o ajuste dos parâmetros de usinagem durante o processo pelo operador ou mesmo automaticamente por meio de inteligência artificial (AI) em conexão com a unidade de controle da máquina. Essas e outras novas tecnologias reforçarão ainda mais as contribuições produtivas que os porta-ferramentas proporcionam nas operações de usinagem.