Ferramentas e parâmetros ainda desempenham um papel fundamental no sucesso da usinagem

Introdução

Embora as peças, os materiais das peças e os processos de usinagem com os quais trabalham sejam muito diferentes, todos os fabricantes compartilham o objetivo de usinar um certo número de peças de uma qualidade desejada, em um determinado período de tempo e a um custo adequado.

Os fabricantes normalmente atingem seus objetivos seguindo um modelo de perspectiva estreita que começa com a seleção e aplicação de ferramentas e resolve os problemas de forma reativa. Reverter essa abordagem produzirá reduções de custos e maior eficiência. Em vez de esperar que os problemas surjam e depois fazer ajustes nas operações de usinagem individuais, os fabricantes devem se concentrar primeiro no pré-planejamento proativo destinado a eliminar as peças rejeitadas e o tempo de inatividade. Após estabelecer um processo estável e confiável, os conceitos de economia de produção podem ser aplicados para alcançar um equilíbrio entre a taxa de produção e os custos de fabricação. Então, por meio de uma cuidadosa seleção de ferramentas de corte e parâmetros de usinagem, os fabricantes podem otimizar totalmente suas operações e cumprir suas metas de produção.

Seleção de ferramentas e condições de corte

A seleção da ferramenta de corte de metal geralmente é orientada para a aplicação:uma oficina procura uma ferramenta para usinar um determinado material da peça, como aço ou alumínio, ou realizar uma operação específica, como desbaste ou acabamento. Uma abordagem mais benéfica para a seleção de ferramentas começa com a consideração de como a operação de usinagem se encaixa nos negócios de um fabricante em geral.

A primeira prioridade dessa abordagem é garantir a confiabilidade do processo e eliminar a ocorrência de peças rejeitadas e tempo de inatividade não planejado. A confiabilidade, descrita genericamente, é uma questão de respeito às regras. Se uma oficina não reconhecer e respeitar os efeitos das forças de corte, térmicas e químicas na ferramenta, a confiabilidade será substituída pela falha da ferramenta.

Depois de estabelecer um processo estável, as características das ferramentas e as condições de corte devem ser escolhidas para corresponder aos objetivos gerais do negócio metalúrgico. Por exemplo, maximizar a produção a custos mínimos pode ser a principal consideração na produção em massa de peças simples. Mas, por outro lado, na fabricação de alto mix e baixo volume de peças complexas valiosas, a confiabilidade e a precisão totais devem ser enfatizadas antes de abordar os custos de fabricação. A flexibilidade é um requisito dos sistemas de ferramentas aplicados em cenários de lotes pequenos.

Se a eficiência de custo é o objetivo principal, o ferramental deve ser selecionado com base em um baixo custo por aresta de corte, e a escolha das condições de corte deve estar em equilíbrio com essa seleção. Os parâmetros de usinagem devem enfatizar a longa vida útil da ferramenta, bem como a confiabilidade do processo. Se, por outro lado, a qualidade da peça for a principal prioridade, ferramentas de precisão de alto desempenho aplicadas em condições de corte apropriadas serão a abordagem correta. Qualquer que seja o objetivo, cada conjunto diferente de objetivos leva à seleção de diferentes condições de corte e ferramentas.

Selecionando e ajustando as condições de corte

No planejamento inicial da usinagem de uma nova peça, a seleção das ferramentas e das condições de corte deve começar com a consideração do método de usinagem, geometria da ferramenta e material da ferramenta. A peça que está sendo usinada determinará em grande parte esses requisitos. Por exemplo, um componente aeroespacial à base de níquel pode ditar a fresagem de perfil com uma fresa de topo de carboneto sólido de geometria positiva. A escolha é guiada pelos objetivos básicos da oficina em termos de taxa de produção, custo e qualidade das peças de trabalho, e depende da profundidade de corte, taxa de avanço e velocidade de corte que podem ser aplicadas para atingir esses objetivos.

Um processo de seleção diferente é apropriado para modificar as operações de fabricação de peças existentes para produzir melhores resultados em termos de produtividade, economia ou confiabilidade. Nestes casos, recomenda-se uma abordagem passo a passo, começando com mudanças nas condições de corte, depois geometrias, materiais de corte, conceitos de ferramentas e finalmente métodos de usinagem. Notavelmente, a maioria das oficinas trabalha na sequência oposta e primeiro considera a mudança de ferramentas ou métodos de usinagem ao tentar melhorar os resultados de usinagem.

Uma abordagem inicial muito mais fácil e geralmente eficaz começa com a alteração dos parâmetros de corte. As condições de corte têm uma ampla gama de influência, e alterar a velocidade de corte ou a taxa de avanço por um valor nominal pode resolver um problema ou aumentar a produtividade sem a despesa ou o tempo consumido na troca de ferramentas.

Se a modificação dos parâmetros de corte não produzir o efeito desejado, podem ser feitas alterações na geometria da ferramenta de corte. No entanto, esta etapa é mais complicada do que simplesmente alterar parâmetros, exigirá a aplicação de novas ferramentas e aumentará os custos de tempo de ferramenta e máquina. Uma mudança nos materiais das ferramentas de corte é outra alternativa, mas também envolverá um maior investimento em tempo e dinheiro. A troca das próprias ferramentas de corte ou suportes pode ser necessária, mas isso aumenta a possibilidade de mudar para ferramentas personalizadas, o que pode aumentar ainda mais os custos de fabricação.

Se todas essas etapas não fornecerem o resultado desejado, pode ser necessária uma alteração no método de usinagem. A chave é explorar as mudanças de forma deliberada, passo a passo, que deixará claro quais fatores realmente produzem o resultado desejado.

Como parece ser uma abordagem rápida e fácil, muitas oficinas usam sistemas CAM para orientar suas seleções de ferramentas. Esse método é eficaz em muitos casos, mas pode não fornecer os melhores resultados. Um sistema CAM não leva em consideração toda a gama de características operacionais individuais. A aplicação de uma fresa, por exemplo, não é simplesmente um caso de inserção de velocidade, avanço e DOC. A aplicação ideal envolve fatores que vão desde o número de dentes na fresa, como os cavacos são evacuados e a resistência da ferramenta, até a estabilidade da fresadora. É necessário reconhecer todos esses fatores para atingir plenamente os objetivos de uma operação de fabricação, sejam eles taxa de remoção de metal, vida útil da ferramenta, rugosidade da superfície ou economia.

Velocidade, avanço e profundidade de corte

Muitos gerentes de fábrica acreditam que o simples aumento das velocidades de corte produzirá mais peças por período de tempo e, assim, reduzirá os custos de fabricação. No entanto, existem mais elementos de custos de fabricação do que apenas o volume de produção. Um exemplo é uma operação em que a troca de uma ferramenta no meio da operação teria um efeito prejudicial na qualidade da peça e no tempo de usinagem.

O aumento da velocidade de corte resultaria em uma produção mais rápida, mas a vida útil da ferramenta diminuiria. Os custos de usinagem aumentariam devido a substituições de ferramentas mais frequentes e maior tempo de inatividade da máquina durante as trocas.

Aumentar a velocidade de corte reduz a vida útil da ferramenta e pode tornar uma operação menos estável, enquanto a alteração da profundidade de corte ou da taxa de avanço tem um efeito mínimo na vida útil da ferramenta. Assim, os melhores resultados vêm de uma abordagem equilibrada que envolve velocidades de corte reduzidas combinadas com aumentos proporcionais na taxa de avanço e profundidade de corte. A utilização da maior profundidade de corte possível diminui o número de passes de corte necessários e, portanto, reduz o tempo de usinagem. A taxa de avanço também deve ser maximizada, embora a qualidade da peça e o acabamento da superfície possam ser afetados por taxas de alimentação excessivas.

Em um exemplo generalizado, aumentar a velocidade de corte de 180 m/min para 200 m/min aumentará a taxa de remoção de metal em apenas cerca de 10%, mas terá um efeito negativo na vida útil da ferramenta. Aumentar a taxa de avanço de 0,2 mm/rot para 0,3 mm/rot aumentará a taxa de remoção de metal em 50%, com efeito mínimo, se houver, na vida útil da ferramenta.

Na maioria dos casos, aumentos na taxa de avanço e na profundidade de corte com velocidades de corte iguais ou inferiores aumentarão a taxa de remoção de metal de uma operação para aquela alcançada apenas por velocidades de corte mais altas. Entre os benefícios de trabalhar com uma combinação de velocidades de corte mais baixas com maiores taxas de avanço e menor profundidade de corte está a redução do consumo de energia.

A etapa final na otimização das condições de corte é selecionar um critério apropriado em termos de custo mínimo ou produtividade máxima e usar a velocidade de corte para ajustar o alcance desse critério. Um modelo desenvolvido no início do século 20 pelo engenheiro mecânico americano F.W. Taylor pode orientar essa escolha.

O modelo demonstra que para uma dada combinação de profundidade de corte e avanço, existe uma certa janela para velocidades de corte onde a deterioração da ferramenta é segura, previsível e controlável. Ao trabalhar nessa janela, é possível qualificar e quantificar a relação entre velocidade de corte, desgaste da ferramenta e vida útil da ferramenta. O objetivo é uma velocidade de corte mais alta que reduz os custos de tempo de máquina, mas não aumenta excessivamente os custos da ferramenta de corte por meio do desgaste acelerado da ferramenta.

Substrato e geometria da ferramenta

Etapas adicionais na otimização da aplicação da ferramenta podem incluir o ajuste fino das características do substrato e da geometria da ferramenta. Assim como ajustar as condições de corte envolve lidar com compensações dependentes dos resultados desejados, maximizar a produtividade por meio de mudanças no substrato da ferramenta requer um equilíbrio de compensações entre as propriedades do substrato.

Como a aresta de corte de uma ferramenta deve ser mais dura que o material que ela corta, a dureza é uma característica chave da ferramenta. A alta dureza, especialmente em temperaturas elevadas geradas na usinagem de alta velocidade, prolongará a vida útil da ferramenta. Uma ferramenta mais dura, no entanto, também é mais frágil. Forças de corte desiguais encontradas no desbaste, especialmente em cortes interrompidos envolvendo escamas ou profundidades de corte variadas, podem causar a fratura de uma ferramenta de corte dura. A instabilidade na máquina-ferramenta, fixação ou peça de trabalho também pode precipitar falhas.

Por outro lado, aumentar a tenacidade de uma ferramenta incluindo uma porcentagem maior de aglutinante de cobalto, por exemplo, permitirá que uma ferramenta resista ao impacto. Mas, ao mesmo tempo, a dureza reduzida torna a ferramenta sujeita a desgaste rápido e/ou deformação em operações de alta velocidade ou na usinagem de peças abrasivas. A chave é equilibrar as propriedades da ferramenta à luz do material da peça que está sendo usinada.

A escolha das geometrias das ferramentas também envolve compensações. Uma geometria de corte positiva e uma aresta de corte afiada reduzem as forças de corte e maximizam o fluxo de cavacos. No entanto, uma borda afiada não é tão forte quanto uma arredondada. Recursos geométricos como T-lands e chanfros podem ser manipulados para fortalecer a aresta de corte.

Um T-land – uma área de reforço atrás da aresta de corte – ajustado em um ângulo positivo pode fornecer resistência suficiente para lidar com operações específicas e materiais da peça e minimizar as forças de corte o máximo possível. Um chanfro enquadra a parte mais fraca de uma aresta de corte afiada, ao preço de maiores forças de corte. Geometrias de controle de cavacos “duras” guiam os cavacos através de um ângulo relativamente agudo para enrolar e quebrá-los imediatamente. Essas geometrias podem ser eficazes com materiais de cavacos longos, mas colocam carga extra na aresta de corte. Geometrias de controle de cavacos “soft” colocam menos carga na aresta de corte, mas geram cavacos mais longos. Diferentes características geométricas – bem como tratamentos de arestas, como limas – podem ser combinados para otimizar o desempenho de corte em materiais específicos da peça.

Conclusão

Deve-se notar que, enquanto o pessoal do chão de fábrica e talvez os engenheiros de produção estejam bastante preocupados com as condições de corte e a produtividade que representam, os gerentes de nível superior não estão tão preocupados com esses números quanto com os objetivos de negócios das operações de fabricação como um todo. Aqueles que fazem as escolhas das condições de corte e ferramentas de corte devem pensar primeiro nos objetivos mais amplos das operações de usinagem de sua empresa e usá-los para orientar a seleção de condições de corte e ferramentas que forneçam desempenho que tornará possível atingir esses objetivos.

Versatilidade de ferramentas para cenários de produção modernos

A manufatura está migrando da produção em massa de alto volume para cenários de usinagem de alto volume e baixo volume como resultado do aumento da utilização de estratégias de produção just-in-time e do crescimento da terceirização. Os subcontratados produzem cada vez mais tamanhos de lotes menores de forma intermitente, mas repetitiva. Equilibrar as considerações de produtividade e custo da ferramenta requer ferramentas que ofereçam versatilidade e flexibilidade em uma ampla janela de aplicação. Minimizar o número de ferramentas diferentes na oficina reduz o tempo de manuseio da ferramenta e aumenta o tempo disponível para operações de usinagem.

A maneira tradicional de aumentar a produtividade em uma operação individual envolvendo longas tiragens de peças idênticas é aplicar ferramentas especialmente projetadas para esse processo específico. Projetar e implementar ferramentas especiais vale a pena quando a despesa pode ser amortizada em um longo ciclo de produção.

No entanto, equilibrar as considerações de produtividade e custo da ferramenta em situações variáveis ​​e de lotes menores é melhor realizado com ferramentas versáteis “universais” que oferecem flexibilidade em uma ampla janela de aplicação. Essas ferramentas reduzem o tempo de inatividade, minimizando o tempo necessário para trocar uma nova ferramenta quando a peça é trocada. Eles também eliminam a necessidade de configurar e testar novas ferramentas.

Um exemplo de tal ferramental é a linha de fresas Seco Turbo. Essas ferramentas oferecem versatilidade em uma ampla gama de aplicações para fornecer uma combinação de economia e alto desempenho. A geometria de corte positiva das fresas reduz o consumo de energia, levando a uma vida útil mais longa da ferramenta e à possibilidade de maiores profundidades de corte e avanços.

Outra abordagem para ferramentas universais envolve a montagem de um conjunto de ferramentas que se adapta a uma variedade de aplicações. As ferramentas Seco Selection são projetadas para fornecer flexibilidade. O grupo selecionado inclui um número limitado de ferramentas que podem não necessariamente fornecer produtividade máxima absoluta ou eficiência de custos em todas as aplicações. As ferramentas serão, no entanto, a melhor e mais econômica escolha quando se deseja a máxima flexibilidade para usinar uma variedade de materiais e componentes de peças que mudam rapidamente.

Anteriormente apresentado em SecoTools.com.