Monitoramento de Força de Corte em Tempo Real Melhora Precisão e Eficiência

Figura 1. Forças de corte na usinagem podem ser medidas indiretamente com alta precisão, aplicando sensores de deformação piezoelétricos como o 9232A da Kistler. (Imagem: Grupo Kistler)

Importância do Monitoramento de Máquinas

Alta produtividade, baixos custos de fabricação e alta qualidade da peça: estes são os fatores-chave que entregam sustentabilidade, rentabilidade e vantagem competitiva para fabricantes industriais. O monitoramento confiável de máquinas fornece insights valiosos em tempo real sobre processos em andamento; é a base para manufatura confiável, produtiva e reprodutível e ajuda operadores de máquinas a tomar decisões bem fundamentadas sobre melhorias de curto e longo prazo. Esta tecnologia pode até capturar anomalias em processos de usinagem altamente dinâmicos, para que usuários possam responder instantaneamente para garantir alta produtividade, reduzir taxas de sucata e prolongar a vida útil das ferramentas. Graças a todas estas vantagens, o monitoramento contínuo de máquinas e processos baseado em tecnologia de sensores adequada é um fator crítico de sucesso na indústria de manufatura atual.

Monitoramento de Máquinas com Sensores de Deformação PE

Soluções de monitoramento de máquinas do Grupo Kistler, Winterthur, Suíça, apresentam sensores que podem ser integrados ao ambiente mecânico e elétrico de uma máquina. No entanto, apenas os sensores realmente necessários serão instalados em posições definidas na máquina. Esta abordagem minimiza tanto a complexidade quanto o custo do sistema de monitoramento da máquina, embora a integração dos sensores nas estruturas mecânicas e elétricas da máquina ainda possa ser desafiadora.

Tipo e posição do sensor são fatores críticos de sucesso na captura de processos altamente dinâmicos com máxima precisão. O sensor deve ser colocado próximo ao ponto de corte de forma que não interfira no processo de usinagem, mas ao mesmo tempo não deve estar sujeito a outras influências além do corte real. O monitoramento de forças de corte desempenha um papel fundamental na garantia de operações de usinagem estáveis necessárias para produzir componentes com tolerâncias apertadas. Usuários que optam por soluções de monitoramento de máquinas deste tipo também podem avançar em direção à usinagem autônoma e reduzir seus custos totais de usinagem ao fazê-lo.

Uma maneira de capturar as forças de corte é medindo as forças de deformação atuando na estrutura da máquina-ferramenta. Isso pode ser alcançado com sensores de deformação de superfície piezoelétricos anexados ou integrados à estrutura da máquina. Em um projeto recente com a MINGANTI GLOBAL AB, Lidköping, Suécia, tornos verticais foram equipados com um sensor integrado de deformação de superfície PE Kistler 9232A, que oferece a alta sensibilidade necessária para medir deformações de tração e compressão em uma superfície graças a uma faixa de medição de ±600 microstrain (µε).

Medição Indireta de Força de Corte Próxima à Aresta de Corte

Figura 2. O ariete da máquina onde os porta-ferramentas de corte são fixados. (Imagem: Grupo Kistler)

Este sistema de monitoramento de máquina se destina a detectar alto desgaste e quebra de ferramenta e a parar a máquina em caso de colisões. Além disso, uma vez que o controle de força é estabelecido com base em dados de medição precisos, ele pode ser usado para monitorar e melhorar a precisão do perfil. As grandes forças radiais que ocorrem no torneamento duro causam deformação elástica do ariete que carrega os porta-ferramentas de corte. A deformação é muito pequena e pode ser parcialmente compensada pela unidade de controle da máquina. Mas mesmo assim, ainda é grande o suficiente para ser capturada por um sensor de deformação com boa precisão localizado muito próximo à aresta de corte.

O monitoramento de máquina também pode ser baseado em sinais da máquina, mas nesta aplicação, a qualidade depende tanto do tipo de máquina quanto do estado de desgaste. Sinais da máquina às vezes mostram desvios não relacionados ao processo de corte, então não são suficientes para um sistema de controle de máquina visando desgaste de ferramenta ou qualidade do produto.

Minganti e Kistler decidiram instalar um segundo sensor para completar a solução de monitoramento da máquina. Isso fornece certa redundância e também leva em conta o alto custo das peças. Para este propósito, um acelerômetro piezoelétrico de eixo único 8274A da Kistler foi adicionalmente integrado ao ariete. Ele complementa as medições de força (deformação) fornecendo medições de frequência mais alta para que mudanças repentinas no processo possam ser detectadas. Ambas as entradas do sensor são processadas com um amplificador de carga digital, que é conectado ao controle da máquina via PROFINET. Uma das principais vantagens deste amplificador de carga é que seus usuários podem realizar automaticamente filtragem passa-baixa e passa-alta, facilitando o foco na parte altamente dinâmica do sinal.

Alcançando Alta Precisão de Perfil de Superfície — Sem Esforço Extra

Figura 3. O diagrama mostra boa correlação entre o sinal de força (deformação) do sensor de deformação Kistler (gráfico superior) e a medição do perfil de superfície após o corte (gráfico inferior). (Imagem: Grupo Kistler)

O sistema estendido de monitoramento de máquina é usado para monitorar desgaste de ferramenta, detectar quebra de ferramenta e detectar e controlar colisões de máquina. Ele aprende automaticamente os níveis regulares de sinal e então monitora mudanças para detectar desvios. Isso permite que operadores iniciem ações necessárias como trocas de ferramenta, paradas de máquina e outras. Falhas de ferramenta (quebras, lascas na aresta de corte, etc.) podem ser causadas por várias razões, incluindo dados de corte incorretos carregados no controle numérico, baixa qualidade da aresta de corte, pressão de refrigerante errada, ou anéis muito ovais, levando a grandes mudanças na profundidade de corte a cada rotação. Quando tais falhas ocorrem, seu efeito é claramente visível tanto nos sinais de força quanto de vibração.

Um dos parâmetros de qualidade mais importantes para componentes de rolamentos é a precisão do perfil ('retidão') das superfícies. Este parâmetro afeta o atrito entre os elementos rolantes e os anéis em um rolamento. Manter tolerâncias apertadas (3 - 6 µm) em um anel de grande tamanho (1 a 2 metros de diâmetro) é um aspecto desafiador do processo de torneamento duro, razão pela qual muitos fabricantes de rolamentos realizam retífica ou brunimento como etapa extra. O sistema de monitoramento de máquina da Kistler pode medir indiretamente a deformação (deflexão) da ferramenta, então a precisão do perfil (desvio de forma) é claramente visível no sinal de deformação (força indireta). A entrada do sinal de força pode ser usada diretamente durante a operação de torneamento para alterar condições de corte com a ajuda de controle de malha fechada, para que deflexões possam ser compensadas.

A Importância do Monitoramento Preciso para Usinagem Precisa

Embora o monitoramento de sinais da máquina possa fornecer informações sobre condições operacionais, pode indicar problemas não diretamente relacionados à precisão da usinagem real. Como descrevemos neste artigo, no entanto, a Kistler tem métodos, como extensômetros e acelerômetros, que monitoram diretamente o processo de corte. O monitoramento de forças de corte desempenha um papel fundamental na garantia de operações de usinagem estáveis necessárias para produzir componentes com tolerâncias apertadas. A medição precisa de forças de corte é um passo importante na manutenção da precisão do perfil, disse Marcus Caldana, Presidente da Minganti Global AB.

Este artigo foi escrito por Buelent Tasdelen, Gerente de Desenvolvimento de Negócios na Kistler. Para mais informações, acesse aqui.