Supere os desafios contínuos da usinagem de longo alcance

Várias tendências de fabricação atuais estão aumentando a dificuldade em criar furos de precisão e executar operações de torneamento com ferramentas de comprimento estendido. 

A demanda por tolerâncias menores e repetibilidade infalível cresce continuamente. Novos materiais de alto desempenho são mais difíceis de usinar, aumentando a tensão 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 ferramentas de máquinas multitarefas.  

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, a fixação da ferramenta, a fixação da peça e a geometria da ferramenta de corte. Em geral, a fixação sólida, o ferramental rígido e a aplicação cuidadosa da ferramenta constituem a base de processos precisos e produtivos de mandrilamento e torneamento de longo alcance.

Produtores de petróleo e gás, geração de energia e componentes aeroespaciais são os principais candidatos a 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 rígidas 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 perfuração de longo alcance.

Deflexão e vibração

 O mandrilamento profundo distingue-se de outras operações de corte em que a aresta de corte opera no furo a uma distância estendida da conexão à máquina. Operações de torneamento interno de longo alcance apresentam condições similares, e ambas as operações de furação e torneamento podem envolver furos com cortes interrompidos, como com peças como carcaças de bombas ou compressores. 

A quantidade de balanço da ferramenta resultante é ditada pela profundidade do furo e pode resultar em deflexão da barra de mandrilar ou da ferramenta de tornear de comprimento estendido.A deflexão aumenta as forças de mudança em um processo de corte, e pode causar vibração e trepidações que degradam a qualidade da superfície da peça, desgastam ou quebram rapidamente as ferramentas de corte e danificam os componentes da ferramenta da máquina, como fusos, além de exigirem reparos caros e longos períodos de inatividade. As forças variáveis resultam de desequilíbrios do componente da máquina, falta de rigidez do sistema ou vibração favorável dos elementos do sistema de usinagem. 

As pressões de corte também mudam à medida que a ferramenta é periodicamente carregada e descarregada, ao passo que os cavacos se formam e se quebram. Os efeitos negativos das vibrações de usinagem incluem acabamento ruim da superfície, dimensões imprecisas do furo, desgaste rápido da ferramenta, taxas reduzidas de material, aumento do custo de produção e danos aos porta-ferramentas e às ferramentas da máquina.

Rigidez da máquina e fixação da peça 

 A abordagem básica para controlar a vibração em 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 que absorva vibrações. Os rolamentos e buchas da máquina devem estar firmes e sólidos.As peças devem estar precisamente localizadas e seguras dentro da máquina ferramenta. 

As fixações devem ser projetadas com simplicidade e rigidez como as principais preocupações, e os grampos devem estar localizados o mais próximo possível das operações de corte. Da perspectiva da peça, peças de paredes finas ou peças soldadas e aquelas com seções sem suporte estão propensas a vibrações quando usinadas. As peças podem ser reprojetadas para melhorar a rigidez, mas essas mudanças de projeto podem adicionar peso e comprometer o desempenho do produto usinado.

Porta-ferramentas

Para maximizar a rigidez, uma barra de mandrilar ou barra de tornear deve ser a mais curta possível, mas longa o suficiente para usinar todo o comprimento do furo ou componente. O diâmetro da barra de mandrilamento deve ser o maior possível e se encaixar no furo, além de permitir a eficiente evacuação de cavacos cortados.

À medida que os cavacos se formam e se quebram, as forças de corte sobem e descem. As variações de força tornam-se uma fonte adicional de vibração que pode interagir em sintonia com o modo natural de vibração do porta-ferramentas, ou da máquina e tornar-se autossustentável ou mesmo aumentar. 

Outras fontes de tais vibrações incluem ferramentas desgastadas ou aquelas que não fazem uma passagem profunda o suficiente. Isso causa instabilidade do processo ou ressonância que também se sincroniza com a frequência natural do fuso da máquina ou com a ferramenta para gerar vibrações indesejáveis.

Uma barra de mandrilar longa ou uma saliência na barra de mandrilar podem desencadear a vibração em um sistema de usinagem. A abordagem básica do controle de vibração inclui o uso de ferramentas curtas e rígidas. Quanto maior a relação entre o comprimento da barra e o diâmetro, maior a chance de ocorrer vibração.Diferentes materiais de barra fornecem diferentes comportamentos de vibração. As barras de aço geralmente são resistentes à vibração até uma relação de 4:1 de comprimento para diâmetro de barra (C/D). 

Barras de metal pesado feitas de ligas de tungstênio são mais densas que o aço e podem lidar com C/D de barras na relação de 6:1. As barras sólidas de metal duro fornecem mais rigidez e permitem relações de C/D de barra de 8:1, com a possível desvantagem de maior custo, principalmente quando é necessária uma barra de grande diâmetro.Uma maneira alternativa de amortecer vibrações envolve uma barra sintonizável. A barra possui um amortecedor de massa interno projetado para ressoar fora da fase com a vibração indesejada, absorver sua energia e minimizar o movimento vibratório. 

O sistema Steadyline® da Seco Tools (veja a barra lateral), por exemplo, apresenta um amortecedor de vibrações pré-sintonizado composto por uma massa amortecedora feita de material de alta densidade suspenso dentro da barra do 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 ferramentas ativas mais complexo e caro pode assumir a forma de dispositivos eletronicamente ativados que detectam a existência de vibração e usam atuadores eletrônicos para produzir movimento secundário no porta-ferramentas para cancelar o movimento indesejado.

Material da peça

As características de corte do material podem contribuir para a geração de vibração. A dureza do material, a tendência à formação de arestas postiças ou ao endurecimento, 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 inserção é forçada para baixo, afastando-se da linha central da peça. Principalmente ao fazer furos de pequeno diâmetro, o diâmetro interno curvado do furo reduz o ângulo de folga entre a pastilha e o furo.
A deflexão tangencial empurrará a ferramenta para baixo, afastando-a da linha central do componente a ser usinado, reduzindo o ângulo de folga. 

A deflexão radial reduz a profundidade do corte, afetando a precisão da usinagem e alterando a espessura do cavaco. As mudanças na profundidade do corte alteram as forças de corte e podem resultar em vibração. 

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

Um pequeno ângulo de inclinação da aresta de corte produz maiores forças de corte axial, ao passo que um grande ângulo de inclinação produz força na direção radial. Forças axiais têm efeito limitado nas operações de perfuração, portanto um pequeno ângulo de inclinação pode ser desejável. Porém, um pequeno ângulo de inclinação também concentra as forças de corte em uma seção menor da aresta de corte do que um grande ângulo de inclinação, com possível efeito negativo na vida da ferramenta. 

Além disso, o ângulo de inclinação da ferramenta afeta a espessura do cavaco e a direção do fluxo de cavacos. O raio de ponta da pastilha deve ser menor que a profundidade de corte para minimizar as forças de corte radiais.

Controle de cavaco

Limpar as os cavacos cortados do furo é uma questão fundamental 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 cavaco. Cavacos curtos são desejáveis no mandrilamento porque são mais fáceis de evacuar do furo e minimizar as forças na aresta de corte. Porém, as geometrias da pastilha altamente contornadas projetadas para quebrar os cavacos tendem a consumir mais energia e podem causar vibração.

As operações destinadas a criar um bom acabamento da superfície podem exigir uma profundidade de corte leve que produzirá cavacos mais finos que aumentem o problema de controle de cavaco. O aumento da taxa de avanço pode quebrar os cavacos, mas aumentar as forças de corte e gerar vibrações, o que pode afetar negativamente os acabamentos da superfície. 

Altas taxas de avanço também podem causar arestas construídas ao usinar aços com baixo teor de carbono, portanto taxas mais altas de avanço de corte, com o fornecimento otimizado de líquido de refrigeração interno, podem ser uma solução de controle de cavaco ao perfurar 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 execução eficiente desses processos requer a avaliação do sistema de usinagem como um todo para garantir que os diversos fatores envolvidos na minimização da vibração e na garantia da qualidade do produto estejam trabalhando juntos para alcançar produtividade e lucratividade máximas.


Produtividade por meio de ferramentas de amortecimento passivo

O ferramental Steadyline®  da Seco Tools pode permitir que operações típicas de longo alcance sejam executadas duas vezes mais rapidamente que com ferramentas não amortecidas, melhorando o acabamento da superfície da peça, aumentando a vida útil da ferramenta e reduzindo a tensão na ferramenta da máquina. 

A tecnologia de amortecimento de vibração passiva/dinâmica do sistema possibilita a realização de certas aplicações, como a utilização de ferramentas com relações C/D superiores a 6:1 que, de outra forma, não seriam possíveis, mesmo com parâmetros mínimos de usinagem. Operações de torneamento e mandrilamento para profundidades de até 10xD em furos pequenos e grandes podem ser confiáveis e produtivas.

O sistema de controle dinâmico/passivo de vibração Steadyline® funciona com base em uma interação de forças de vibração. Em operação, uma força de corte induz o movimento (vibração) no suporte. Para combater a vibração, o sistema Steadyline® emprega as propriedades de uma segunda massa interna projetada para possuir a mesma frequência natural que o envelope externo da barra. A massa é projetada para ressoar fora da fase com a vibração indesejada, absorver sua energia e minimizar o movimento indesejado.

No sistema Steadyline®, a massa que absorve as vibrações fica na parte frontal da barra, onde o potencial de deflexão é maior, e a massa pode amortecer a vibração imediatamente quando esta é transmitida da aresta de corte para o corpo da barra. O sistema Steadyline®  também inclui cabeças GL curtas e compactas para a ferramenta de corte que colocam a aresta de corte próximo à massa de amortecimento para maximizar o efeito de absorção das vibrações. 

O sistema é adaptável a uma ampla gama de aplicações e é mais útil em mandrilamento bruto e fino, bem como em contorno, abertura de bolsas e fresamento de rasgos.A Seco Tools expandiu suas soluções de torneamento e mandrilamento de longo alcance com adições a sua série de barras de torneamento/mandrilamento de amortecimento de vibrações e arestas de corte Steadyline®. 

As últimas adições incluem barras Steadyline®  de 25 mm (1 pol.) e 100 mm (4 pol.) de diâmetro, cabeçotes de torneamento GL25 e uma gama de cabeças de mandrilar BA para operações de desbaste e acabamento com diâmetros de até 115 mm.As cabeças de mandrilamento e torneamento podem ser trocadas rapidamente por meio da conexão GL, que fornece precisão de centralização e repetibilidade da capacidade de orientação de 5 mícrons e 180° da cabeça.As barras com 25 mm (1 pol.) de diâmetro com conexão do lado da peça GL25 incluem barras reforçadas com carbeto para os desafios mais profundos da ferramenta até 250 mm, com as interfaces Seco-Capto™, HSK-T/A e da haste cilíndrica do lado da máquina. As barras maiores com 100 mm (4 pol.) de diâmetro acomodam as cabeças de torneamento GL50 existentes e incorporam a tecnologia do líquido de refrigeração de alta pressão da Jetstream Tooling® por meio de adaptadores BA-para-GL50.Quando as opções de ferramentas convencionais falham, o Steadyline® fornece precisão e confiança em operações de longa projeção, reduzindo a tensão do fuso, aumentando as taxas de remoção de metal, criando acabamentos da superfície lisos e prolongando a vida da ferramenta.Por:
Equipe de Marketing de produtos e P&D de sistemas de ferramentas da Seco Tools  

Com sede em Fagersta, na Suécia, e presente em mais de 75 países, a Seco Tools é uma das principais fornecedoras globais de soluções para o corte dos metais em fresamento, ferramentas estacionárias, holemaking e sistemas de fixação. Há mais de 80 anos a empresa vem fornecendo tecnologias, processos e oferecendo suporte indispensável para que os fabricantes obtenham máxima produtividade e rentabilidade. Para mais informações sobre como os produtos inovadores e os serviços especializados da Seco ajudam no sucesso de fabricantes em todos os segmentos da indústria, visite www.secotools.com.


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