Dominando a Gestão de Desgaste de Ferramentas: Aumente Qualidade e Longevidade na Usinagem CNC

Na usinagem CNC, a realidade é que metal encontrando metal resulta em desgaste de ferramenta. Corte de metal, retificação, furação, mandrilamento e outras tarefas são todas parte da usinagem. E como essas atividades são todas "metal contra metal", em algum momento, algo deve ceder.

Esse "ceder" vem na forma de desgaste de ferramenta, onde a operação regular significa que as ferramentas perderão superfície, afiação e têmpera ao longo do tempo. Se equipamentos e processos são monitorados e otimizados, esse desgaste é gradual e previsível. Se não for, o desgaste da ferramenta pode resultar em problemas de qualidade de peças e ferramentas quebradas.

Definição de Desgaste de Ferramenta

Desgaste de ferramenta é a degradação gradual de ferramentas de máquina como resultado de operação de corte, eventualmente levando à falha da ferramenta.

Como ferramentas e peças de trabalho estão em contato constante com fricção e atrito severos, as ferramentas ficam estressadas ao longo do tempo. Esse estresse é resultado de contato metal-metal e alta tensão e pressão. Também está sujeito a temperaturas muito altas.

Falha de ferramentas devido a desgaste é típica, mas pode ser analisada e abordada com monitoramento de ferramentas. O desgaste geralmente ocorre ao longo do tempo e é uma falha gradual em um processo cumulativo que afeta a vida útil da ferramenta. O desgaste da ferramenta também varia dependendo da forma da ferramenta, profundidade, fluido de corte e velocidade de corte. Isso impacta a afiação e eficácia da ferramenta e significa que algumas ferramentas podem mudar sutilmente de forma.

Fonte

Tipos de Desgaste de Ferramenta

O desgaste de ferramenta depende de muitas variáveis. Tipo de equipamento, dureza da matéria-prima bruta, número de operações realizadas na peça, força aplicada para cada tarefa e outras variáveis contribuirão para o desgaste da ferramenta. Devido a essas variáveis, o desgaste da ferramenta assumirá muitas formas, incluindo:

Desgaste Abrasivo

Dependendo do uso final, a matéria-prima metálica em peças de trabalho usadas na usinagem CNC variará em pureza. Quando existem impurezas, elas podem resultar em acúmulo de fragmentos de aresta. Esses fragmentos podem abrasar a ferramenta, reduzindo sua afiação e eficácia ao longo do tempo. Abrasão é uma forma mecânica de desgaste que ocorre mais frequentemente em baixas velocidades de fuso.

Desgaste de Flanco

O desgaste de flanco ocorre paralelo à aresta de corte e pode resultar em falha da aresta de corte. À medida que peças de trabalho encontram desgaste abrasivo e adesivo, altas temperaturas se formam e impactam a ferramenta e as características de desempenho da peça de trabalho. À medida que o desgaste de flanco aumenta, a velocidade do corte também deve ser aumentada.

Fonte

Desgaste de Cratera

À medida que ferramentas impactam a face de trabalho em alta velocidade, cavacos se formam e danificam a face de avanço da ferramenta. Esse fluxo de cavacos pela face deixa uma depressão, ou cratera, como uma cicatriz. A formação de crateras é um tipo típico de desgaste de ferramenta que pode não impactar a qualidade da ferramenta, a menos que deforme diretamente a superfície de corte. O desgaste de cratera geralmente ocorre perto da aresta de corte.

Fonte

Desgaste por Adesão

Como o atrito entre ferramenta e peça de trabalho causa altas temperaturas, o desgaste por adesão pode ocorrer. Aqui, cavacos fluindo sobre a face da ferramenta podem se ligar à face da própria ferramenta, como um efeito de solda ponto. Isso também pode impactar a precisão dimensional da própria peça de trabalho. O desgaste por adesão pode ocorrer mais frequentemente se o fluido errado ou a quantidade errada de fluido for usada.

Fonte

Identificando Desgaste de Ferramenta

Detectar desgaste de ferramenta pode ser feito manualmente pela observação de mecânicos e operadores ou de forma automatizada, usando um sistema de monitoramento de ferramentas. Historicamente, o desgaste de ferramenta foi identificado apenas após seu impacto ter sido notado, como a percepção de que a ferramenta está produzindo peças de má qualidade. No entanto, com o desenvolvimento de soluções de software automatizadas, stakeholders estão mais aptos a identificar desgaste e falha de ferramenta assim que ocorrem, ou até mesmo prever e prevenir que aconteçam completamente. Algumas das abordagens para detectar desgaste de ferramenta incluem:

1. Lascamento

Lascamento ocorre na face de corte e cria uma aresta de corte rugosa ou danificada. Pode resultar de configuração inadequada da máquina ou porque o porta-ferramenta não está corretamente fixado. Isso também pode ocorrer em peças de trabalho maiores onde cavacos podem ser transportados até meia rotação antes de serem impactados pelo fluido.

Fonte

2. Trincas Térmicas

Peças usinadas CNC geram calor excessivo entre a ferramenta e a peça de trabalho. Gerenciar esse calor garante a velocidade correta, configuração adequada da ferramenta para porta-ferramentas e a quantidade correta de fluido. Se o calor gerado for muito alto ou muito baixo, ou se variações de temperatura oscilarem rapidamente de corte para corte, pode afetar as características de desempenho do metal da peça de trabalho. Isso pode causar a formação de trincas espaçadas uniformemente e perpendiculares à aresta de corte da ferramenta de torneamento.

3. Fratura

Às vezes, as forças de corte aumentadas entre a ferramenta e a peça de trabalho podem ser grandes demais para superar. Essa força causa a perda súbita e completa da ferramenta e danos à peça de trabalho e talvez à própria máquina. Causas para uma fratura podem estar em configurações de profundidade de corte, velocidade ou avanço de material. Pontos quentes ao longo da peça de trabalho também podem causar fratura ao embotar a ferramenta até que falhe. Prevenir quebra de ferramenta evita preocupações de segurança e evita eventos de inatividade.

4. Entalhe

Quando a ferramenta contacta o ombro da peça de trabalho, o atrito das duas peças pode criar uma reação química na ferramenta. O resultado cria tanto abrasão quanto adesão e pode levar a desgaste de flanco. Se o desgaste for excessivo, pode levar a falha completa da ferramenta.

5. Deformação Plástica

Deformação plástica é um problema térmico quando o material na ferramenta de corte é amolecido. Se o grau do material da peça de trabalho for mais alto que o da ferramenta, a ferramenta pode mudar de forma ou perder afiação. Esse dano pode ser evitado entendendo a dureza da ferramenta em relação à dureza do material e suas características de desempenho inerentes.

6. Falha

Falha ocorre quando a ferramenta quebra ou fratura completamente. Prevenir quebra de ferramenta e até falha catastrófica é possível garantindo configurações de velocidade adequadas, profundidade de corte e força. Também requer uso do fluido apropriado. Falha também pode ser detectada quando vibração ou ruído anormal está presente, indicando porta-ferramenta ou configuração fora de especificação.

7. Aresta Acumulada

Diferentes matérias-primas metálicas para peças de trabalho podem ter diferentes características de desempenho. Podem ser mais macias ou mais duras dependendo do metal. Quando o metal é mais macio, um efeito de recozimento pode ocorrer onde o metal macio, semi-derretido, adere à ferramenta de corte. Se a aresta se acumular demais, a ferramenta pode falhar. Velocidade e fluido adequados podem reduzir ou eliminar esse problema.

Exemplos de BUE (Aresta Acumulada) em faces de ferramenta. (Fonte)

Efeitos do Desgaste de Ferramenta

Quando ferramentas começam a chegar ao fim de seu ciclo de vida, ou quando um evento as impactou, o desgaste na ferramenta pode criar efeitos específicos de desgaste. Esses efeitos influenciam a qualidade das peças produzidas, a eficiência do equipamento ou o tempo de inatividade associado à intervenção do operador. A importância de entender os efeitos do desgaste de ferramenta é que eles podem ser usados para desenvolver limites e algoritmos para detectar e prevenir desgaste de ferramenta no futuro.

Efeitos do desgaste de ferramenta podem incluir:

Força de Corte Aumentada

À medida que o desgaste da ferramenta se acumula, força de corte aumentada pode ser necessária para compensar. Haverá aumentos de tolerância aceitáveis para tanto a ferramenta quanto a peça de trabalho. Mas se o desgaste for significativo, a força poderia exceder a tolerância aceitável e exigir troca.

Temperatura de Corte Aumentada

Fricção metal-metal de corte, furação e outras tarefas dentro da máquina CNC sempre criarão altas temperaturas. Se o fluido de corte for muito baixo ou não for o tipo correto, uma temperatura mais alta pode resultar. A temperatura também pode subir se a profundidade de corte for muito severa ou se o avanço for muito alto. Finalmente, velocidade mais alta também pode contribuir para ainda mais calor.

Precisão Reduzida das Peças Produzidas

À medida que o desgaste ocorre, a precisão da peça diminui. Haverá tolerâncias aceitáveis para qualquer peça de trabalho. Mas um único tipo de desgaste de ferramenta pode aumentar a ponto de a peça sair da especificação para aquela atividade de corte, causando perda da peça. Múltiplos tipos de desgaste podem coincidir, cascateando a deformação e, portanto, a precisão da peça. Isso pode criar um grande problema de qualidade, pois as peças precisarão ser sucateadas ou retrabalhadas. Gerenciar efetivamente o desgaste de ferramenta e entender quando a falha ocorrerá é uma parte importante de manter alta qualidade de maneira eficiente.

Vida Útil da Ferramenta Reduzida

Diferentes tipos de desgaste de ferramenta, a dureza diferencial entre ferramenta e peça de trabalho, e temperaturas repetidamente altas a baixas podem causar vida útil reduzida da ferramenta. Esses fatores podem ser gerenciados com base em experiência e treinamento e no conhecimento do operador sobre o material da peça de trabalho e da ferramenta. Mas também podem ser monitorados por software avançado de monitoramento de ferramentas da MachineMetrics. Vida útil reduzida da ferramenta é um problema controlável com o monitoramento automatizado correto em vigor.

Acabamento Superficial Ruim

Quanto mais crítico o desgaste da ferramenta, maior o impacto no acabamento superficial. Ferramentas embotadas podem causar faces de corte irregulares ou serrilhadas na peça de trabalho. E furação ou corte podem causar acúmulo superficial ou aumentos na terra de desgaste, contribuindo para lascamento e crateração, afetando o acabamento superficial. Especialmente em usinagem de alta precisão, isso pode desenvolver sérios problemas de qualidade, significando que peças precisarão ser retrabalhadas ou sucateadas.

Economia de Operações de Corte

Corte e usinagem são tecnologias de produção caras. O alto custo de equipamentos, treinamento de operadores, ferramentas de alta qualidade e seleção adequada de material de peça de trabalho podem ser impactados pelo desgaste de ferramenta. Cada redução de vida útil de uma ferramenta e cada peça de trabalho sucateada adiciona custo à execução e reduz a margem de lucro. E ferramentas desgastadas também são um perigo para o operador e a máquina, arriscando custos de reparo ainda maiores.

6 Métodos para Reduzir Desgaste de Ferramenta

1. Reconhecer Sinais de Alerta

Ferramentas desgastadas exibirão comportamento observável e previsível em muitas, mas não em todas as instâncias. Temperatura, força de corte aumentada e outros fatores de desgaste podem criar sinais que se manifestam como vibração ou ruído. Aprender esses sinais pode ajudar operadores a ajustar para reduzir desgaste.

2. Reconhecer Tipos de Desgaste de Ferramenta

Como discutido acima, existem muitos tipos de desgaste de ferramenta. Alguns são mecânicos; outros podem ser criados através de configurações de equipamento ou erro do operador. E alguns, como gerenciamento de temperatura, requerem uma dança habilidosa para criar o melhor ambiente para reduzir desgaste. É crítico que operadores conheçam os tipos de desgaste de ferramenta e que cada um pode ser causado por diferentes circunstâncias que ocorrem sozinhas ou em combinação.

3. Estar Atento aos Efeitos de Temperatura

Alta temperatura em um processo de usinagem metal-metal é inevitável. Mas o gerenciamento de temperatura é crítico. Se feito corretamente, a maior parte do calor é removida com a ejeção do cavaco.

4. Usar Refrigerante Adequado

Com tanto calor sendo transferido da ejeção do cavaco, o tipo e a quantidade adequados de fluido de corte devem ser usados para remover os cavacos e ajudar a direcionar o excesso de calor para longe. Entender o material da peça de trabalho e da ferramenta e as especificações, velocidade e taxa de avanço determinarão a taxa de aplicação de refrigerante durante o corte.

5. Considerar o Material da Peça de Trabalho

Metais têm características de desempenho muito diferentes. Metais endurecidos podem criar maior temperatura e exigir mais força, enquanto metais mais macios com pontos de fusão mais baixos podem ter maior aresta acumulada. Conhecer as características de desempenho da matéria-prima, a qualidade e características da ferramenta, e até a idade e capacidades da máquina pode ajudar você a escolher a ferramenta certa para o metal certo.

6. Combinar a Ferramenta com a Tarefa

Seleção de ferramenta é crítica e deve incluir considerações de afiação, geometria da ferramenta, revestimento e função. Essa seleção também requer entendimento de tipos e idade de equipamento e capacidades de fixação de ferramenta, dependendo da matéria-prima.

Como Aplicar Esses Métodos com Monitoramento de Ferramentas MachineMetrics

Tradicionalmente, o desgaste de ferramenta era experiencial. Em uma operação de usinagem, operadores tinham que passar anos de treinamento para aprender por "tato" e observação quando uma ferramenta estava experimentando desgaste excessivo. E muitas configurações e parâmetros eram determinados experimentalmente ou simplesmente aceitos com base em cronogramas fornecidos por OEMs de ferramentas de máquina. Mas, essa abordagem é altamente imprecisa, resultando em peças de má qualidade, vida útil de ferramenta não utilizada e tempo de inatividade excessivo.

Felizmente, reduzir e gerenciar desgaste de ferramenta pode ser automatizado de forma rápida e eficiente com o sistema de Monitoramento de Ferramentas da MachineMetrics. Configurações podem ser monitoradas em um grau não possível com intervenção humana, e variações são relatadas através de painéis intuitivos que exibem condições da máquina com precisão. A MachineMetrics pode até analisar a frequência de sinais dentro da máquina para prever falha de ferramenta.

Os insights e análises oferecidos pelo software podem fornecer benefícios imediatos para otimizar processos, abordar problemas não detectados e prescrever soluções para reduzir custo, aumentar qualidade e aumentar capacidade. Para descobrir como a MachineMetrics pode fornecer soluções para ajudar você a gerenciar e controlar desgaste de ferramenta e obter o melhor de suas ferramentas e equipamentos, agende uma demonstração hoje.

Prevenindo e Prevendo Falhas de Ferramentas: Um Estudo de Caso com BC Machining

BC Machining, um fabricante de peças metálicas fabricadas, estava produzindo tantas quantidades de sucata que foi forçado a rodar suas máquinas a 200% de capacidade apenas para atingir suas metas de produção. Sem insight sobre quando ferramentas estavam desgastadas ou prestes a quebrar, a BC Machining acumulou custos significativos com produção de sucata e substituição de ferramentas quebradas.

Para prevenir produção de sucata e maximizar vida útil da ferramenta, eles fizeram parceria com a MachineMetrics. Leia nosso estudo de caso para saber como a BC Machining praticamente erradicou sucata por desgaste de ferramenta, reduziu significativamente seus tempos de troca e economizou $72k por máquina anualmente. Leia o estudo de caso completo.