O Impacto do Desbalanceamento no Desempenho do Porta-Ferramentas e Produtividade

Ferramentas balanceadas aumentam a produtividade? O efeito do desbalanceamento é uma das teorias de física mais simples para qualquer um visualizar. Considere o que acontece quando você tem muitas toalhas molhadas de um lado da sua máquina de lavar enquanto ela gira. Ou como seria sua viagem se você não tivesse rodas balanceadas no seu carro.

Esses cenários são fáceis de imaginar, mas o efeito do desbalanceamento não é tão evidente quando se trata de porta-ferramentas para aplicações de fresamento devido a vários mal-entendidos que persistem há anos na indústria de fabricação de moldes. Além disso, os benefícios de balancear montagens de porta-ferramentas em todas as velocidades são frequentemente simplesmente ignorados.

Um Olhar Balanceado para o Passado

Foi a indústria de fabricação de moldes que primeiro identificou a importância de rodar montagens de porta-ferramentas verdadeiramente balanceadas. Uma montagem de porta-ferramentas é composta pelo porta-ferramentas, ferramenta de corte, pino de retenção se necessário, porca, pinça, etc. No início até meados dos anos 90, com centros de usinagem capazes de rodar a 15.000 rpm, houve uma onda de falhas de fusos. Os fusos menos massivos dessas máquinas de alta velocidade e o desbalanceamento extremo da maioria dos porta-ferramentas usados tornaram o desbalanceamento a questão a ser resolvida.

No início dos anos 90, não havia máquina conhecida no mercado projetada especificamente para balancear com precisão a montagem do porta-ferramentas. Consequentemente, empresas de ponta tentando ficar à frente da curva tecnológica compraram máquinas de balanceamento projetadas para balancear peças como rotores, rodas, virabrequins, turbinas, etc. — não porta-ferramentas. No entanto, essas máquinas de balanceamento na verdade desbalanceavam as montagens, então os clientes não viam diferença perceptível ao usinar com seus porta-ferramentas "balanceados".

No final dos anos 90, uma máquina de balanceamento que realmente balanceava montagens de porta-ferramentas finalmente chegou ao mercado. Além disso, outros avanços em balanceamento introduzidos nessa época incluíram porta-ferramentas "pré-balanceados" mais finos, bem como sistemas de porta-ferramentas que fornecem balanceamento mais consistente ao trocar ferramentas de corte (ou seja, porta-ferramentas de encaixe por contração). Esta combinação de desenvolvimentos permitiu que fabricantes de moldes acelerassem e otimizassem o uso das mais novas tecnologias de alta velocidade e produzissem moldes com acabamentos mais finos, resultando em polimento e/ou trabalho de eletroerosão grandemente reduzidos.

Mesmo que a indústria de moldes tenha identificado a necessidade de usar porta-ferramentas balanceados para suas aplicações de alta velocidade há duas décadas, a indústria ainda está um tanto confusa sobre a importância de rodar montagens verdadeiramente balanceadas.

Um equívoco sobre balanceamento de porta-ferramentas é a percepção de que apenas usar um porta-ferramentas pré-balanceado é suficiente. Embora usar esses porta-ferramentas pré-balanceados seja altamente recomendado, não garante a utilização total da máquina-ferramenta. Após trocar ferramentas de corte, medir o desbalanceamento de uma montagem de porta-ferramentas é essencial para realizar totalmente o potencial máximo de todas as máquinas-ferramentas em uma oficina. Mesmo máquinas de rpm mais lento (as que rodam a 8.000 rpm) podem ser usadas em seu potencial máximo se estiverem usando montagens de porta-ferramentas balanceadas. Montagens de porta-ferramentas finamente balanceadas oferecem muitas vantagens, incluindo produtividade aumentada, segurança e vida longa de ferramenta de corte e fuso. Apenas quando a montagem do porta-ferramentas demonstra concêntrica e balanceamento precisos as condições ideais de corte podem ser utilizadas. Neste caso, a regra prática é: Muito balanceamento é melhor do que não o suficiente.

O que acontece com os porta-ferramentas desbalanceados já na fábrica? Embora na prática seja impossível evitar misturar porta-ferramentas balanceados e desbalanceados, lembre-se que um único processo de usinagem com um porta-ferramentas desbalanceado em alta velocidade rotacional pode desfazer a precisão de usinagem requerida e danificar o fuso. Por esta razão, os porta-ferramentas devem ser balanceados, preferencialmente na própria fábrica. Se não, é aconselhável fazer o balanceamento de porta-ferramentas parte da recepção de mercadorias e controle de qualidade. Vamos encarar, como você sabe em que condição suas montagens de porta-ferramentas estão a menos que tenha uma máquina para verificá-las?

Causas e Consequências do Desbalanceamento

O desbalanceamento é causado por distribuição desigual de peso durante a rotação, o que cria forças centrífugas que aumentam ao quadrado com a velocidade rotacional. Isso significa que se o desbalanceamento é o mesmo, o fuso cria uma força centrífuga 25 vezes maior a uma velocidade rotacional de 10.000 rpm do que a 2.000 rpm. Como resultado, um desbalanceamento em montagens de porta-ferramentas tem um efeito negativo particularmente perceptível na usinagem de alta velocidade, ferramentas pesadas ou ferramentas de corte com geometrias complexas.

Uma consequência principal do desbalanceamento é esta força centrífuga que coloca tensão nos rolamentos do fuso, o que pode reduzir a vida do fuso pela metade. Como resultado, o uso de ferramentas balanceadas é sempre recomendado; caso contrário, as garantias do fuso são inexistentes ou limitadas.

Outra consequência é a vibração criada quando a direção efetiva da força centrífuga muda conforme o fuso gira. Essas vibrações são transferidas por toda a máquina e ferramenta de corte, reduzindo a vida da ferramenta de corte. Foi relatado que a vida da ferramenta de uma montagem de porta-ferramentas desbalanceada é diminuída em 10%, em média, o que resulta em aumentos nos custos de ferramentas de corte. Essas vibrações não são apenas prejudiciais ao fuso e ferramenta de corte; também prejudicam a confiabilidade de todo o processo e são transferidas para o resultado da usinagem. Vibrações criam marcas de chatter que precisam ser removidas por usinagem fina adicional ou trabalho manual.

Para atingir o nível correto de confiabilidade do processo e alcançar os resultados finais demandados, as vibrações devem ser reduzidas. Um método para isso requer reduzir a velocidade do fuso, avanço e profundidade de corte. Isso pode levar a um corte mais suave, mas também diminui as taxas de remoção de metal e a produtividade.

Inteligência de Investimento

O problema com taxas de remoção de metal diminuídas e produtividade fica claro após uma análise simples: Um centro de usinagem custa $100 por hora para operar (operação de um turno, 1.600 horas operacionais por ano). Com um aumento de 10% no tempo de remoção de metal, você economiza $10 por hora, o que equivale a $16.000 por ano.

Outro benefício de uma montagem de porta-ferramentas balanceada é a vida aumentada do fuso, que é chave para economia de custos e confiabilidade da máquina. Permite que a substituição do fuso seja planejada, eliminando tempo de máquina não planejado. Um sistema verdadeiramente balanceado pode realizar economias de mais de $20.000 por ano, por máquina. E isso nem inclui economias adicionais que podem ser realizadas com qualidade de superfície da peça melhorada, precisão dimensional aumentada e menos quebras ou paradas de máquina.

Esses números colocam a objeção sobre o custo de uma máquina de balanceamento em perspectiva. Poderia-se argumentar que um investimento é caro apenas quando não se paga sozinho ou não rápido o suficiente. Os cálculos mencionados mostram que uma máquina de balanceamento pode, de fato, pagar por si mesma muito rapidamente. Lembre-se que um único processo de usinagem com um porta-ferramentas desbalanceado em alta velocidade rotacional pode desfazer a precisão de usinagem requerida e danificar o fuso. Considere que uma substituição de fuso sozinha pode custar mais que uma máquina de balanceamento.

Testes de Medição

Medir o balanceamento de uma montagem de porta-ferramentas é necessário para garantir um processo de usinagem consistente. Tipicamente, ao usar uma montagem verdadeiramente balanceada, nenhum balanceamento fino adicional é necessário após adicionar uma ferramenta de corte, especialmente em mandris de contração (shrink-fit chucks).

Porta-ferramentas finamente balanceados são um passo na direção certa. No entanto, que efeitos as ferramentas de corte ou fresas de facear têm no desbalanceamento total da montagem? Para responder esta pergunta, vamos revisar este teste de medição simples:

Medições foram realizadas em uma máquina de balanceamento dinâmico Tool Dynamic com um mandril Weldon, um mandril de pinça e um mandril de contração, junto com uma fresa de facear. Todos são produtos finamente balanceados com diâmetro de haste de 20 mm na versão curta. Os requisitos de medição eram balanceamento G = 2.5 a velocidade de rotação operacional de 25.000 rpm/processo de medição um plano (estático). Inicialmente, o desbalanceamento em quatro tipos diferentes de porta-ferramentas foi medido (ou seja, sem ferramentas de corte). Como esperado, o desbalanceamento dos porta-ferramentas estava constantemente dentro dos limites de tolerância. Medições subsequentes com ferramentas de corte nestes porta-ferramentas finamente balanceados mostraram desbalanceamentos claros, especialmente para ferramentas com faces de fixação (clamping flats), que estão em uso generalizado hoje.

Nenhum desbalanceamento apreciável foi encontrado em montagens segurando ferramentas com hastes cilíndricas e geometria de ferramenta simétrica em mandris de contração e pinça. Os valores medidos estavam em 0,8 ou 1,3 grama-milímetros (gmm). Ferramentas com hastes cilíndricas e arestas de corte simétricas carregam apenas um pequeno desbalanceamento. Os mandris de contração não têm partes móveis e fixam a ferramenta centralmente, e aqui também há quase nenhum desbalanceamento adicional. Com o porta-ferramentas de pinça, a porca de fixação poderia representar um problema porque é construída de forma assimétrica, mas por esta razão as próprias porcas são especialmente balanceadas.

Em contraste, ferramentas com faces de fixação não conseguiram atender aos requisitos de balanceamento. Mesmo com o porta-ferramentas Weldon, um desbalanceamento real de 5,5 gmm foi medido, correspondendo a uma classificação de balanceamento G8. Em uma base puramente matemática, isso permite apenas uma velocidade rotacional máxima de 7.600 rpm. Com mandris de pinça, uma classificação de balanceamento tão alta quanto G29 foi determinada para esta ferramenta de corte com face de fixação, e para mandris de contração foi G38. Isso corresponde a velocidades de rotação máximas de 2.700 rpm e 1.600 rpm, respectivamente.

Mesmo mandris de contração e pinça finamente balanceados ficam consideravelmente desbalanceados quando emparelhados com ferramentas assimétricas ou ferramentas com faces de fixação Weldon. Para trabalhar eficientemente e com precisão ao usinar, essas ferramentas devem ser re-balanceadas após cada troca de ferramenta.

Medições da fresa de facear produziram resultados similares. Com pastilhas em operação, um desbalanceamento de 20,3 gmm foi determinado, correspondendo a uma classificação de balanceamento G23. Isso porque fresas de facear com pastilhas têm partes que são fixadas e não estão necessariamente sempre no mesmo lugar. A cabeça de fresamento tem uma grande tolerância devido à composição de sua montagem (pinos com furos e folgas de ajuste), então a posição da ferramenta não é 100% definida.

Estes testes mostram que o balanceamento mútuo de ferramenta de corte e porta-ferramentas é essencial. Mesmo com ferramentas de alta qualidade, um balanceamento fino é importante para a montagem total da ferramenta.

Balanceamento Facilitado

Reservas ainda existem sobre balanceamento, mas com a máquina de balanceamento correta e software orientado à prática, deve ser rápido e fácil de alcançar. Em resumo, o operador coloca o porta-ferramentas na máquina e seleciona os requisitos apropriados do menu, e então a máquina guia o usuário pelos passos restantes.

Qualquer trabalhador familiarizado com porta-ferramentas deve ser capaz de operar uma máquina de balanceamento bem projetada sem treinamento extensivo. O conhecimento especialista deve residir na máquina, na qual os dados necessários sobre cada ferramenta já foram alimentados e armazenados, economizando tempo e evitando erros. Precauções de segurança adicionais podem ser fornecidas via administração de usuários. Por exemplo, você pode limitar direitos de compilar ou alterar dados de ferramentas a pessoal designado. Outros usuários só têm acesso a ferramentas armazenadas, e então podem prosseguir com balanceamento de acordo com os requisitos definidos.

O processo de balanceamento é amplamente automatizado no qual o porta-ferramentas é fixado no fuso de balanceamento e posto em rotação, então medições são tomadas. Sensores de força no fuso de balanceamento medem as forças centrífugas causadas por desbalanceamentos. O software então avalia as medições e mostra ao operador quanto material deve ser removido ou adicionado, ou onde deslocar peso para compensar o desbalanceamento.

Máquinas de balanceamento também oferecem várias outras opções que o usuário pode empregar para remover desbalanceamento. Por exemplo, como alternativa a furar para remover material, parafusos ou anéis de balanceamento podem adicionar peso. Com esta tática, dois anéis que pertencem juntos e têm um desbalanceamento definido são fixados em uma porção cilíndrica do porta-ferramentas para compensar desbalanceamentos. O software então fornece o ângulo exato ao qual os anéis devem ser girados. Um laser de linha disponível mostra a posição de rotação diretamente na máquina.

A medição leva no máximo um minuto, e se você trabalhar com anéis ou parafusos de balanceamento, todo o processo pode ser completado em dois minutos. Se você tiver que recorrer a uma furadeira no porta-ferramentas para igualar a massa, pode levar um pouco mais de tempo.

Uma Percepção Mais Clara

Avanços em tecnologias de balanceamento tornaram o balanceamento de uma montagem de porta-ferramentas rápido, simples e preciso, permitindo que você realmente obtenha o máximo de suas máquinas-ferramentas. Você só precisa lembrar a física básica concernente ao balanceamento, e então aplicar isso ao processo de balanceamento. Então todos os equívocos devem desaparecer.

Publicado anteriormente em Haimer-USA.com.

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