Supere os desafios contínuos da usinagem de longo alcance

Várias tendências atuais na fabricação estão aumentando a dificuldade de criar furos de precisão e realizar operações de torneamento com ferramentas de comprimento estendido. A demanda por tolerâncias mais apertadas e repetibilidade infalível cresce continuamente. Novos materiais de peças de alto desempenho são mais difíceis de usinar, aumentando o estresse dentro do sistema de usinagem. Para economizar tempo e dinheiro, os fabricantes estão consolidando várias peças em peças monolíticas únicas que exigem usinagem de furos profundos e torneamento de componentes complexos em máquinas-ferramenta multitarefa.

Os fabricantes que buscam superar esses desafios devem estudar todos os elementos de seus sistemas de usinagem e aplicar técnicas e ferramentas que garantam o sucesso. Entre os elementos-chave estão a estabilidade da máquina, fixação da ferramenta, fixação da peça e geometria da ferramenta de corte. Em geral, fixações sólidas, ferramentas rígidas e aplicação cuidadosa das ferramentas constituem a base básica para processos de torneamento de longo alcance e mandrilamento precisos e produtivos.

Os produtores de petróleo e gás, geração de energia e componentes aeroespaciais são os principais candidatos para ferramentas e técnicas atualizadas porque lidam regularmente com peças grandes e complexas com recursos que exigem o uso de ferramentas de comprimento estendido. Muitas das peças são feitas de ligas resistentes que são difíceis de usinar e, portanto, produzem altas forças de corte geradoras de vibração. Em geral, praticamente qualquer fabricante pode se beneficiar da melhoria da produtividade e da redução de custos em operações de mandrilamento de longo alcance.

DEFLEXÃO E VIBRAÇÃO

O mandrilamento profundo se distingue de outras operações de corte pelo fato de a aresta de corte operar no furo a uma distância estendida da conexão com a máquina. As operações de torneamento interno de longo alcance apresentam condições semelhantes, e ambas as operações de mandrilamento e torneamento podem envolver furos com cortes interrompidos, como é o caso de peças como carcaças de bombas ou compressores. A quantidade de saliência da ferramenta resultante é ditada pela profundidade do furo e pode resultar na deflexão da barra de mandrilar ou da ferramenta de torneamento de comprimento estendido.

A deflexão aumenta as forças de mudança em um processo de corte e pode causar vibração e trepidação que degradam a qualidade da superfície da peça, desgastam ou quebram rapidamente as ferramentas de corte e danificam os componentes da máquina-ferramenta, como fusos, e causam a necessidade de reparos caros e longos períodos de inatividade. As forças variáveis ​​resultam de desequilíbrios de componentes da máquina, falta de rigidez do sistema ou vibração simpática de elementos do sistema de usinagem. As pressões de corte também mudam à medida que a ferramenta é carregada e descarregada periodicamente enquanto os cavacos se formam e quebram. Os efeitos negativos das vibrações de usinagem incluem acabamento superficial ruim, dimensões imprecisas do furo, desgaste rápido da ferramenta, taxas de material reduzidas, aumento do custo de produção e danos aos porta-ferramentas e máquinas-ferramentas.

RIGIDEZ DA MÁQUINA E FIXAÇÃO DA PEÇA

A abordagem básica para controlar a vibração nas operações de usinagem envolve maximizar a rigidez dos elementos do sistema de usinagem. Para restringir o movimento indesejado, uma máquina-ferramenta deve ser construída com elementos estruturais rígidos e pesados ​​reforçados com concreto ou outro material absorvente de vibração. Os rolamentos e buchas da máquina devem ser firmes e sólidos.

As peças de trabalho devem ser localizadas com precisão e seguradas com segurança dentro da máquina-ferramenta. As luminárias devem ser projetadas com simplicidade e rigidez como principais preocupações, e os grampos devem estar localizados o mais próximo possível das operações de corte. Do ponto de vista da peça de trabalho, peças de paredes finas ou peças soldadas e aquelas com seções sem suporte são propensas a vibrações quando usinadas. As peças podem ser redesenhadas para melhorar a rigidez, mas essas mudanças de design podem aumentar o peso e comprometer o desempenho do produto usinado.

PORTA DE FERRAMENTAS

Para maximizar a rigidez, uma barra de mandrilar ou barra de torneamento deve ser o mais curta possível, mas permanecer longa o suficiente para usinar todo o comprimento do furo ou componente. O diâmetro da barra de mandrilar deve ser o maior possível que se ajuste ao furo e ainda permita a evacuação eficiente dos cavacos cortados.

À medida que os cavacos se formam e quebram, as forças de corte aumentam e diminuem. As variações de força tornam-se uma fonte adicional de vibração que pode interagir em simpatia com o modo natural de vibração do porta-ferramentas ou da máquina e se tornar autossustentável ou até aumentar. Outras fontes de tais vibrações incluem ferramentas desgastadas ou aquelas que não fazem uma passada profunda o suficiente. Isso causa instabilidade no processo ou ressonância que também sincroniza com a frequência natural do fuso de uma máquina ou da ferramenta para gerar vibrações indesejadas.

Uma longa barra de mandrilar ou balanço da barra de torneamento pode desencadear vibração em um sistema de usinagem. A abordagem básica para o controle de vibração inclui o uso de ferramentas curtas e rígidas. Quanto maior a razão entre o comprimento da barra e o diâmetro, maior a chance de ocorrer vibração.

Diferentes materiais de barra proporcionam diferentes comportamentos de vibração. As barras de aço geralmente são resistentes à vibração até uma relação comprimento/diâmetro da barra (L/D) de 4:1. Barras de metal pesado feitas de ligas de tungstênio são mais densas que o aço e podem lidar com relações L/D de barras na faixa de 6:1. As barras inteiriças de metal duro proporcionam maior rigidez e permitem relações L/D de barras de 8:1, juntamente com a possível desvantagem de custo mais alto, especialmente onde é necessária uma barra de grande diâmetro.

Uma maneira alternativa de amortecer as vibrações envolve uma barra ajustável. A barra possui um amortecedor de massa interno projetado para ressoar fora de fase com a vibração indesejada, absorver sua energia e minimizar o movimento vibratório. O Steadyline ^® sistema da Seco Tools (veja a barra lateral) , por exemplo, possui um amortecedor de vibração pré-ajustado que consiste em uma massa amortecedora feita de material de alta densidade suspensa dentro da barra porta-ferramentas por meio de elementos absorventes radiais. A massa amortecedora absorve a vibração imediatamente quando é transmitida pela ferramenta de corte ao corpo da barra.

O controle de vibração de ferramenta ativa mais complexo e caro pode assumir a forma de dispositivos ativados eletronicamente que detectam a existência de vibração e usam atuadores eletrônicos para produzir movimento secundário no porta-ferramenta para cancelar o movimento indesejado.

MATERIAL DA PEÇA

As características de corte do material da peça podem contribuir para a geração de vibração. A dureza do material, a tendência à aresta postiça ou encruamento, ou a presença de inclusões duras alteram ou interrompem as forças de corte e podem gerar vibrações. Até certo ponto, o ajuste dos parâmetros de corte pode minimizar as vibrações ao usinar certos materiais.

GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE

A própria ferramenta de corte está sujeita a deflexão tangencial e radial. A deflexão radial afeta a precisão do diâmetro do furo. Na deflexão tangencial, a pastilha é forçada para baixo, afastando-se da linha central da peça. Especialmente ao furar furos de pequeno diâmetro, o diâmetro interno curvo do furo reduz o ângulo de folga entre a pastilha e o furo.

A deflexão tangencial empurra a ferramenta para baixo e para longe da linha central do componente que está sendo usinado, reduzindo o ângulo de incidência. A deflexão radial reduz a profundidade de corte, afetando a precisão da usinagem e alterando a espessura do cavaco. As mudanças na profundidade de corte alteram as forças de corte e podem resultar em vibração.

Os recursos da geometria da pastilha, incluindo inclinação, ângulo de ataque e raio da ponta, podem ampliar ou amortecer a vibração. Pastilhas de inclinação positiva, por exemplo, criam menos força de corte tangencial. Mas a configuração do ângulo de inclinação positivo pode reduzir a folga, o que pode levar a atrito e vibração. Um grande ângulo de saída e um pequeno ângulo de corte produzem uma aresta de corte afiada, o que reduz as forças de corte. No entanto, a aresta viva pode estar sujeita a danos por impacto ou desgaste irregular, o que afetará o acabamento da superfície do furo.

Um pequeno ângulo de ataque da aresta de corte produz forças de corte axiais maiores, enquanto um grande ângulo de ataque produz força na direção radial. As forças axiais têm efeito limitado nas operações de mandrilamento, portanto, um pequeno ângulo de ataque pode ser desejável. Mas um ângulo de ataque pequeno também concentra as forças de corte em uma seção menor da aresta de corte do que um ângulo de ataque grande, com possível efeito negativo na vida útil da ferramenta. Além disso, o ângulo de ataque de uma ferramenta afeta a espessura do cavaco e a direção do fluxo do cavaco.

O raio da ponta da pastilha deve ser menor que a profundidade de corte para minimizar as forças radiais de corte.

CONTROLE DE CHIP

A remoção dos cavacos cortados do furo é uma questão chave nas operações de mandrilamento. A geometria da pastilha, as velocidades de corte e as características de corte do material da peça influenciam o controle de cavacos. Cavacos curtos são desejáveis ​​no mandrilamento porque são mais fáceis de evacuar do furo e minimizam as forças na aresta de corte. Mas as geometrias de pastilhas altamente contornadas projetadas para quebrar cavacos tendem a consumir mais energia e podem causar vibração.

As operações destinadas a criar um bom acabamento superficial podem exigir uma profundidade de corte leve que produzirá cavacos mais finos que ampliam o problema de controle de cavacos. O aumento da taxa de avanço pode quebrar os cavacos, mas pode aumentar as forças de corte e gerar trepidação, o que pode afetar negativamente o acabamento da superfície. Taxas de avanço mais altas também podem causar arestas postiças ao usinar aços com baixo teor de carbono, portanto, taxas de avanço de corte mais altas, juntamente com o fornecimento de refrigeração interna ideal, podem ser uma solução de controle de cavacos ao mandrilar essas ligas de aço mais maleáveis.

CONCLUSÃO

Mandrilamento e torneamento de furos profundos com ferramentas de comprimento estendido são operações de corte de metal comuns e essenciais. A realização desses processos com eficiência requer a avaliação do sistema de usinagem como um todo para garantir que os múltiplos fatores envolvidos na minimização da vibração e na garantia da qualidade do produto estejam trabalhando juntos para alcançar a máxima produtividade e lucratividade.

Apresentado anteriormente no site de notícias da SECO.