O monitoramento da força de corte em tempo real melhora a precisão e a eficiência

Figura 1. As 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)
Alta produtividade, baixos custos de fabricação e alta qualidade das peças:esses são os principais fatores que proporcionam sustentabilidade, lucratividade e vantagem competitiva aos fabricantes industriais. O monitoramento confiável da máquina produz insights valiosos em tempo real sobre os processos em andamento; é a base para uma fabricação confiável, produtiva e reproduzível e ajuda os operadores de máquinas a tomar decisões bem fundamentadas sobre melhorias de curto e longo prazo. Essa tecnologia pode até capturar anomalias em processos de usinagem altamente dinâmicos, para que os usuários possam responder instantaneamente para garantir alta produtividade, diminuir as taxas de refugo e prolongar a vida útil das ferramentas. Graças a todas essas vantagens, o monitoramento contínuo de máquinas e processos com base em tecnologia de sensores adequada é um fator crítico de sucesso na indústria de manufatura atual.

Monitoramento de máquinas com sensores de deformação PE

As soluções de monitoramento de máquinas do Kistler Group, 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 a complexidade e o custo do sistema de monitoramento da máquina, embora a integração dos sensores nas estruturas mecânicas e elétricas da máquina ainda possa ser um desafio.

O tipo e a 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 próprio corte. O monitoramento das forças de corte desempenha um papel fundamental para garantir as operações de usinagem estáveis ​​necessárias para produzir componentes com tolerâncias restritas. Os usuários que optam por soluções de monitoramento de máquinas desse tipo também podem avançar para a usinagem autônoma e reduzir seus custos totais de usinagem ao fazê-lo.

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

Medição indireta da força de corte próximo à aresta de corte

Figura 2. Aríete da máquina onde são fixados os porta-ferramentas de corte. (Imagem:Grupo Kistler)
Este sistema de monitoramento da máquina tem como objetivo detectar alto desgaste e quebra da ferramenta e parar a máquina em caso de colisão. Além disso, uma vez estabelecido o controle de força 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 aríete 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 capturado por um sensor de deformação com boa precisão localizado muito próximo da aresta de corte.

O monitoramento da 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. Os sinais da máquina às vezes mostram desvios que não estão relacionados ao processo de corte e, portanto, não são suficientes para um sistema de controle da máquina visando o desgaste da ferramenta ou a qualidade do produto.

Minganti e Kistler decidiram instalar um segundo sensor para completar a solução de monitoramento da máquina. Isto proporciona uma 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 aríete. 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 a filtragem passa-baixa e passa-alta, facilitando o foco na parte altamente dinâmica do sinal.

Obtendo alta precisão de perfil de superfície – sem esforço extra

Figura 3. O diagrama mostra uma boa correlação entre o sinal de força (deformação) do sensor de deformação Kistler (gráfico superior) e a medição do perfil da superfície após o corte (gráfico inferior). (Imagem:Grupo Kistler)
O sistema estendido de monitoramento da máquina é usado para monitorar o desgaste da ferramenta, detectar quebras de ferramenta e detectar e controlar falhas na máquina. Ele aprende automaticamente os níveis regulares de sinal e monitora as alterações para detectar desvios. Isso permite que os operadores iniciem as ações necessárias, como trocas de ferramentas, paradas de máquinas e outras. As falhas da ferramenta (quebras, lascamento das arestas, etc.) podem ser causadas por vários motivos, incluindo dados de corte incorretos carregados no controle numérico, baixa qualidade da aresta de corte, pressão incorreta do líquido de refrigeração ou anéis muito ovais, levando a grandes alterações na profundidade de corte a cada rotação. Quando tais falhas ocorrem, o seu efeito é claramente visível tanto nos sinais de força como de vibração.

Um dos parâmetros de qualidade mais importantes para componentes de rolamentos é a precisão do perfil (“linearidade”) das superfícies. Este parâmetro afeta o atrito entre os corpos rolantes e os anéis de um rolamento. Manter tolerâncias restritas (3 - 6 μm) em um anel de tamanho grande (1 a 2 metros de diâmetro) é um aspecto desafiador do processo de torneamento duro, e é por isso que muitos fabricantes de rolamentos realizam retificação ou brunimento como uma etapa extra. O sistema de monitoramento de máquinas Kistler pode medir indiretamente a deformação (deflexão) da ferramenta, de modo que a precisão do perfil (desvio de forma) seja 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 as condições de corte com a ajuda do controle de malha fechada, para que as deflexões possam ser compensadas.

A importância do monitoramento preciso da máquina para uma usinagem precisa

Embora o monitoramento dos sinais da máquina possa fornecer informações sobre as condições operacionais, ele pode indicar problemas que não estão diretamente relacionados à precisão da usinagem real. Porém, conforme descrevemos neste artigo, Kistler possui métodos, como extensômetros e acelerômetros, que monitoram diretamente o processo de corte. O monitoramento das forças de corte desempenha um papel fundamental para garantir as operações de usinagem estáveis ​​necessárias para produzir componentes com tolerâncias restritas. A medição precisa das forças de corte é um passo importante para manter a precisão do perfil, disse Marcus Caldana, presidente da Minganti Global AB.

Este artigo foi escrito por Buelent Tasdelen, gerente de desenvolvimento de negócios da Kistler. Para mais informações, clique aqui  .