Otimizando Seleção de Ferramentas e Parâmetros: A Pedra Angular da Excelência em Usinagem

Introdução

Embora as peças, materiais de peça e processos de usinagem com os quais trabalham difiram amplamente, todos os fabricantes compartilham o objetivo de usinar um certo número de peças de uma qualidade desejada, em uma quantidade de tempo especificada, a um custo apropriado.

Fabricantes tipicamente alcançam seus objetivos seguindo um modelo de perspectiva estreita que começa com seleção e aplicação de ferramentas e resolve problemas de forma reativa. Inverter essa abordagem produzirá reduções de custo e maior eficiência. Em vez de esperar problemas surgirem e então fazer ajustes em operações de usinagem individuais, fabricantes devem focar primeiro em planejamento proativo voltado a eliminar peças rejeitadas e tempo de inatividade. Após estabelecer um processo estável e confiável, os conceitos de economia de produção podem ser aplicados para alcançar um equilíbrio entre taxa de produção e custos de manufatura. Então, através de seleção cuidadosa de ferramentas de corte e parâmetros de usinagem, fabricantes podem otimizar totalmente suas operações e cumprir seus objetivos de produção.

Seleção de ferramentas e condições de corte

A seleção de ferramentas de corte de metal geralmente é orientada à aplicação: uma oficina procura uma ferramenta para usinar um certo material de peça como aço ou alumínio, ou realizar uma operação específica como desbaste ou acabamento. Uma abordagem mais benéfica para seleção de ferramentas começa com consideração de como a operação de usinagem se encaixa no negócio do fabricante como um todo.

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

Após estabelecer um processo estável, características da ferramenta e condições de corte devem ser escolhidas para corresponder aos objetivos gerais do negócio de metalurgia. Por exemplo, maximizar produção a custos mínimos pode ser a consideração primária em produção em massa de peças simples. Mas por outro lado, em manufatura de alto mix, baixo volume de peças complexas valiosas, confiabilidade total e precisão devem ser enfatizadas antes de abordar custos de manufatura. Flexibilidade é um requisito de sistemas de ferramentas aplicados em tais cenários de pequenos lotes.

Se eficiência de custo é um alvo primário, a ferramenta deve ser selecionada baseada em baixo custo por aresta de corte, e a escolha de condições de corte deve estar em equilíbrio com essa seleção. Parâmetros de usinagem devem enfatizar longa vida da ferramenta e confiabilidade do processo. Se, inversamente, qualidade da peça é a prioridade principal, ferramentas de precisão de alto desempenho aplicadas em condições de corte apropriadas serão a abordagem correta. Qualquer que seja o alvo, cada conjunto diferente de objetivos leva à seleção de diferentes condições de corte e ferramentas.

Selecionando e ajustando condições de corte

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

Um processo de seleção diferente é apropriado para modificar operações existentes de fabricação de peças para produzir melhores resultados em termos de produtividade, economia ou confiabilidade. Nestes casos, uma abordagem passo a passo é recomendada, 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 mudar ferramentas ou métodos de usinagem ao tentar melhorar resultados de usinagem.

Uma abordagem inicial muito mais fácil e geralmente eficaz começa com alteração de parâmetros de corte. Condições de corte têm uma ampla gama de influência, e mudar velocidade de corte ou taxa de avanço por uma quantidade nominal pode resolver um problema ou aumentar produtividade sem a despesa ou tempo consumido em mudar ferramentas.

Se modificar parâmetros de corte falha em produzir o efeito desejado, mudanças podem ser feitas na geometria da ferramenta de corte. No entanto, este passo é mais complicado do que simplesmente mudar parâmetros, requererá aplicação de novas ferramentas, e aumentará custos de ferramentas e tempo de máquina. Uma troca em materiais de ferramentas de corte é outra alternativa, mas também envolverá maior investimento em tempo e dinheiro. Mudar as próprias ferramentas ou porta-ferramentas pode ser necessário, mas isso levanta a possibilidade de entrar em ferramentas customizadas, todas as quais podem aumentar ainda mais os custos de manufatura.

Se todos estes passos não fornecerem o resultado desejado, então uma mudança no método de usinagem pode ser necessária. A chave é explorar as mudanças de forma deliberada, passo a passo, que tornará claro quais fatores realmente produzem o resultado desejado.

Porque parece ser uma abordagem rápida e fácil, muitas oficinas usam sistemas CAM para guiar suas seleções de ferramentas. Esse método é eficaz em muitos casos, mas pode não fornecer resultados ótimos. Um sistema CAM não leva em conta a gama completa de características operacionais individuais. Aplicar uma fresa de fresamento, por exemplo, não é simplesmente um caso de inserir velocidade, taxa de avanço e DOC. Aplicação ótima envolve fatores variando do número de dentes na fresa, a quão bem os cavacos são evacuados e a resistência da ferramenta, à estabilidade da máquina de fresamento. É necessário reconhecer todos esses fatores para atingir totalmente os objetivos de uma operação de manufatura, sejam eles taxa de remoção de metal, vida da ferramenta, rugosidade superficial ou economia.

Velocidade, avanço e profundidade de corte

Muitos gerentes de oficina acreditam que simplesmente aumentar velocidades de corte produzirá mais peças por período de tempo e assim reduzirá custos de manufatura. No entanto, há mais elementos de custos de manufatura que apenas volume de saída. Um exemplo é uma operação onde trocar uma ferramenta no meio da operação teria efeito prejudicial na qualidade da peça e tempo de usinagem.

Aumentar a velocidade de corte resultaria em produção mais rápida, mas a vida da ferramenta declinaria. Custos de usinagem subiriam devido a substituições de ferramentas mais frequentes e maior tempo de inatividade da máquina durante as trocas.

Aumentar a velocidade de corte encurta a vida da ferramenta e pode tornar uma operação menos estável, enquanto mudar profundidade de corte ou taxa de avanço tem efeito mínimo na vida da ferramenta. Consequentemente, os melhores resultados vêm de uma abordagem balanceada que envolve velocidades de corte reduzidas combinadas com aumentos proporcionais na taxa de avanço e profundidade de corte. Utilizar a maior profundidade de corte possível diminui o número de passadas de corte requeridas e assim reduz o tempo de usinagem. A taxa de avanço deve ser maximizada também, embora qualidade da peça e acabamento superficial possam ser afetados por taxas de avanço 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 efeito negativo na vida da ferramenta. Aumentar a taxa de avanço de 0,2 mm/rev para 0,3 mm/rev aumentará a taxa de remoção de metal em 50%, com efeito mínimo, se houver, na vida da ferramenta.

Na maioria dos casos, aumentos na taxa de avanço e profundidade de corte na mesma ou menor velocidade de corte elevarão a taxa de remoção de metal de uma operação àquela alcançada por velocidades de corte mais altas sozinhas. Entre os benefícios de trabalhar com uma combinação de velocidades de corte mais baixas com maiores taxas de avanço e menores profundidades de corte está o consumo reduzido de energia.

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

O modelo demonstra que para uma dada combinação de profundidade de corte e avanço, há 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 da ferramenta. O alvo é uma velocidade de corte mais alta que reduz custos de tempo de máquina mas não eleva excessivamente custos de ferramentas de corte via desgaste acelerado da ferramenta.

Substrato e geometria da ferramenta

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

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

Inversamente, aumentar a tenacidade de uma ferramenta incluindo uma porcentagem maior de ligante de cobalto, por exemplo, permitirá que uma ferramenta resista a impacto. Mas ao mesmo tempo, dureza reduzida torna uma ferramenta sujeita a desgaste rápido e/ou deformação em operações de maior velocidade ou ao usinar peças abrasivas. A chave é balancear propriedades da ferramenta à luz do material da peça sendo usinada.

Escolher geometrias de ferramentas também envolve tradeoffs. Uma geometria de corte positiva e uma aresta de corte afiada reduzem forças de corte e maximizam fluxo de cavaco. No entanto, uma aresta afiada não é tão forte quanto uma arredondada. Características geométricas como T-lands e chanfros podem ser manipuladas para fortalecer a aresta de corte.

Um T-land — uma área de reforço atrás da aresta de corte — definido em um ângulo positivo pode fornecer resistência suficiente para lidar com operações específicas e materiais de peça e minimizar forças de corte o máximo possível. Um chanfro quadrado a parte mais fraca de uma aresta de corte afiada, ao preço de forças de corte aumentadas. Geometrias de controle de cavaco "duras" guiam os cavacos através de um ângulo relativamente agudo para encurvá-los e quebrá-los imediatamente. Estas geometrias podem ser eficazes com materiais de cavaco longo mas colocam carga extra na aresta de corte. Geometrias de controle de cavaco "macias" colocam menos carga na aresta de corte, mas geram cavacos mais longos. Diferentes características geométricas — bem como tratamentos de aresta de ferramenta como honing — podem ser combinados para otimizar desempenho de corte em materiais de peça específicos.

Conclusão

Deve ser notado que enquanto pessoal de chão de fábrica e talvez engenheiros de produção estão bastante preocupados com condições de corte e a produtividade que representam, gerentes de nível superior não estão tão preocupados com esses números quanto com os objetivos de negócio das operações de manufatura como um todo. Aqueles que fazem as escolhas de condições de corte e ferramentas de corte devem pensar primeiro nos alvos mais amplos das operações de usinagem de sua empresa e usá-los para guiar 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 se movendo de produção em massa de alto volume para cenários de usinagem de alto mix, volume menor como resultado de maior utilização de estratégias de produção just-in-time e crescimento de terceirização. Subcontratados produzem cada vez mais tamanhos de lote menores em base intermitente mas repetitiva. Balancear considerações de produtividade e custo de ferramentas requer ferramentas que ofereçam versatilidade e flexibilidade sobre uma ampla janela de aplicação. Minimizar o número de ferramentas diferentes na oficina reduz tempo de manuseio de ferramentas e aumenta o tempo disponível para operações de usinagem.

A maneira tradicional de aumentar produtividade em uma operação individual envolvendo longas séries de peças idênticas é aplicar ferramentas especialmente projetadas para aquele processo específico. Projetar e implementar ferramentas especiais vale a pena quando a despesa pode ser amortizada sobre uma longa série de produção.

No entanto, balancear considerações de produtividade e custo de ferramentas em situações variáveis de lotes menores é melhor realizado com ferramentas "universais" versáteis que oferecem flexibilidade sobre uma ampla janela de aplicação. Estas ferramentas reduzem tempo de inatividade minimizando o tempo necessário para trocar uma nova ferramenta quando a peça muda. Elas também eliminam a necessidade de configurar e testar novas ferramentas.

Um exemplo de tal ferramenta é a linha de fresas de fresamento Seco Turbo. Estas ferramentas oferecem versatilidade em uma ampla gama de aplicações para fornecer uma combinação de custo-efetividade e alto desempenho. A geometria de corte positiva das fresas reduz consumo de energia, levando a maior vida da ferramenta e a possibilidade de maiores profundidades de corte e avanços.

Outra abordagem para ferramentas universais envolve montar um conjunto de ferramentas que se adeque a uma variedade de aplicações. 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 custo em cada aplicação. As ferramentas serão, no entanto, a melhor e mais econômica escolha quando flexibilidade máxima é desejada para usinar uma variedade rapidamente mutável de materiais de peça e componentes.

Publicado anteriormente em SecoTools.com.