É bem sabido que a principal tendência em centros de usinagem CNC usados em oficinas na última década tem sido mais rápidos, mais inteligentes e com fusos mais leves e que consomem menos energia. E os crescentes custos de energia estão acelerando esse processo. Essa tendência é completamente contrária ao uso de máquinas-ferramentas potentes que podem atingir cortes profundos em uma única passagem. A usinagem de alta velocidade (HSM) também significa necessariamente usinagem de baixa potência (LPH), que requer diferentes ferramentas de corte e uma compreensão diferente de ferramentas de usinagem.
Em resposta à tendência para usinagem de alta velocidade/baixa energia, muitos fornecedores líderes de ferramentas estão desenvolvendo linhas de ferramentas especiais para usinagem de alta velocidade. Ou adicionando marcações de velocidade nominal do fuso aos seus produtos de ferramentas. Alguns fornecedores de ferramentas são ainda mais avançados. A razão para isso é que, embora a situação atual de usinagem de alta velocidade ou velocidade nominal do fuso seja boa e necessária para a segurança de fusos de alta velocidade, ela não foi totalmente desenvolvida. A usinagem de alta velocidade ou velocidade nominal em si significa apenas que a broca ou ferramenta está bem balanceada quando realmente funciona a uma velocidade de 12.000 rpm ou 40.000 rpm, e o inserto está firmemente instalado na ferramenta. No entanto, isso não indica a eficiência de usinagem da ferramenta, que é o fator-chave para economizar energia e proteger a estrutura de máquinas-ferramentas leves.
Claro, usinagem de alta velocidade ou velocidade nominal precisa ser enfatizada, mas a visão também deve olhar mais além. Você descobrirá que há enormes diferenças na eficiência de usinagem e eficiência energética entre as várias fresas e brocas usadas atualmente para usinagem de alta velocidade. Essas diferenças são particularmente importantes para desbaste, fresamento de uma passagem e usinagem de furos de grande diâmetro.
Características e limitações dos centros de usinagem CNC de alta velocidade
Vamos primeiro dissecar um centro de usinagem CNC de alta velocidade típico para ver como ele difere das máquinas-ferramentas tradicionais. Claro, ele é rápido, com uma velocidade nominal do fuso de até 40.000 r/min e pode atingir taxas de avanço extremamente altas. Ele também é altamente inteligente, e seu sistema de controle geralmente pode atingir processamento de interpolação, otimização do caminho da ferramenta e processamento de ligação de 3-6 eixos.
No entanto, também tem desvantagens. Primeiro, a potência nominal do motor do fuso pode ser de apenas 20 cavalos de potência (25 kW) ou menos. Segundo, a estrutura da máquina-ferramenta é muito leve, por isso é mais propensa a deflexão e vibração (isso é frequentemente esquecido). Na verdade, geralmente é a rigidez estrutural, e não a potência do fuso, que limita a melhoria da taxa de remoção de material. Não apenas o motor do fuso, mas a máquina-ferramenta como um todo é projetada para carga leve, corte rápido de múltiplas passagens (em vez de corte profundo, corte de poucas passagens).
Novo pensamento sobre design de ferramentas para usinagem de alta velocidade
Da perspectiva das ferramentas de corte, a chave para uma usinagem eficiente e de baixo custo é aquecer instantaneamente a zona de corte para amolecer o metal que está sendo cortado e transferir o calor para os cavacos, de modo que o calor deixe a zona de corte junto com os cavacos. Obviamente, quanto mais macio o metal, menos energia é necessária para removê-lo. Esta é uma maneira completamente diferente de pensar em comparação ao passado, quando todos os métodos possíveis eram usados para reduzir a temperatura de usinagem, o que exige que adotemos uma abordagem diferente no estágio de design da ferramenta e o usuário no estágio de seleção da ferramenta.
Características críticas de substratos de ferramentas, revestimentos e geometria
O calor de corte ainda pode ser o inimigo das pastilhas, mas pode ser transformado em um fator positivo no ponto de corte na peça de trabalho e no cavaco. As fresas de alta velocidade de hoje são projetadas para ter melhor desempenho e, em conjunto com fusos de alta velocidade (e suas altas velocidades de corte de superfície), podem causar amolecimento plástico do metal no ponto de corte. Se tal ferramenta puder ser encontrada, ela pode usar o calor gerado pela deformação do cavaco para amolecer o metal que está sendo cortado. Colocá-la em um estado em que seja mais fácil de cortar pode obter um corte mais rápido e com maior eficiência energética, ao mesmo tempo em que estende a vida útil da ferramenta e da máquina.
Insertos desenvolvidos para usinagem de baixa potência devem ter duas outras características importantes: Primeiro, o substrato e o revestimento devem ser capazes de suportar altas temperaturas e impactos. Segundo, a geometria da aresta de corte deve ser projetada para atingir totalmente o corte livre (corte de alta velocidade, sem suporte). O substrato e o revestimento precisam suportar o ambiente de alta temperatura associado às mudanças plásticas no material na zona de corte. Eles também precisam suportar os impactos frequentes de bater repetidamente na peça de trabalho em altas velocidades de superfície, e essas forças de impacto aumentam proporcionalmente com o aumento da velocidade do fuso.
Em relação à geometria da face de ataque das ferramentas de fresamento de baixa potência, as pastilhas devem ter pelo menos um ângulo de ataque duplo positivo, que é positivo nas direções radial e axial. Isso garante um corte suave em ambas as direções, o que gera menos força de corte e consome menos energia do que o efeito de raspagem produzido por uma ferramenta de ângulo de ataque de 0° mais cega. No entanto, nem todas as pastilhas têm um ângulo de ataque duplo positivo, então você precisa ter cuidado ao selecionar.
Vantagens e sugestões de seleção de ferramentas de corte em espiral
Procure também fresas de topo (das quais há poucas) com arestas de corte helicoidais que reduzem significativamente os requisitos de potência e as forças de impacto, e cujas arestas de corte curvas facilitam o corte da lâmina na peça de trabalho. Em um nível microscópico, é mais como usinagem de chapa metálica com uma lâmina angular cortando uma parte do material de cada vez, em vez de puncionar uma chapa inteira de metal de uma só vez. O uso de um ângulo de hélice de 20° a 45° para a fresa também pode reduzir o impacto da ferramenta ao cortar para dentro e suprimir a geração de rebarbas ao cortar para fora.
Comparação de fresas de ponta redonda e fresas de ponta esférica
No processamento de moldes, a fresagem com fresas de ponta esférica desperdiça muita energia porque apenas uma pequena parte da superfície de corte (a área ao redor da linha média) está envolvida no corte na velocidade e eficiência de superfície ideais. Uma escolha melhor é usar uma fresa de ponta redonda fresa final com dentes mais retos.
O raio de passo da ferramenta e a velocidade de corte da superfície relacionada são bastante consistentes em toda a superfície de corte. Em ambas as extremidades da superfície de corte, a velocidade da superfície não se aproxima de zero porque deve estar próxima do nariz da fresa de ponta esférica. Em segundo lugar, no corte em linha reta, um grande raio de raspagem pode ser usado para aproveitar o efeito de afinamento do cavaco para obter uma remoção mais rápida do material. O grande raio da ponta combinado com o cone reverso facilita a limpeza dos cantos e minimiza as forças de corte. Todas as superfícies de corte usam grandes ângulos de ataque positivos para reduzir as forças de corte e o consumo de energia.
Corte a seco de alta velocidade e otimização de parâmetros de ferramentas
Uma vez selecionada a fresa de topo correta, é importante fazer uso total dela. A regra para cortar a maioria dos aços é: corte rápido, corte a quente, corte a seco. Aumentar a velocidade do fuso e a taxa de avanço pode fazer com que o material plastifique e também melhorar a produtividade. Use os parâmetros de corte (avanço e velocidade de corte) recomendados pelo fabricante da ferramenta apenas como ponto de partida e melhore-os. O ponto mais importante é não usar refrigerante. Além de proteger a ferramenta de fresa de topo do choque térmico, a ferramenta de fresagem também deve gerar o calor necessário para amolecer o material da peça de trabalho. O fluido de corte pode não ser necessário durante a usinagem para lavar os cavacos, e a usinagem de alta velocidade com ferramentas de inclinação positiva pode evacuar bem os cavacos. Adicionar um jato com função de desumidificação ajudará.
Aqui estão algumas diretrizes, algumas das quais podem ser aplicadas a operações de fresamento bruto em geral, mas todas elas são importantes para fresamento de baixa potência.
- Use fresamento descendente sempre que possível, o que permite que a aresta de corte corte a peça de trabalho de forma mais suave, protege a estrutura mais leve da máquina-ferramenta e prolonga a vida útil da ferramenta.
- Estudar a cor dos cavacos pode revelar pistas sobre a eficiência do corte. Ao fresar aço, não se preocupe com cavacos azul-escuros, pois eles indicam boa fresagem e amolecimento do material, e que o calor do corte está sendo levado pelos cavacos da maneira correta. Ao fresar aço inoxidável, cavacos amarelo-palha claros também são um sinal de boa fresagem.
- Ombros estreitos são mais eficientes em termos de energia do que ombros largos, e a largura de contato de cada corte não deve exceder 75% da ferramenta. Pelo mesmo motivo, não use mais de duas pastilhas no corte ao mesmo tempo, caso contrário, isso só criará mais atrito e consumirá mais energia, o que não vale o esforço. Se ocorrer trepidação durante o processamento, você pode alterar os parâmetros de geometria da ferramenta (como ângulo de ataque, ângulo de ajuste ou ângulo de avanço), aumentar a carga de cavacos e/ou reduzir (não aumentar) o ângulo de ataque da pastilha.
Uma alternativa de baixo consumo de energia para furação: fresamento em espiral
A furação é frequentemente considerada o processo que mais consome energia por unidade de material removido. Mesmo com brocas helicoidais modernas, apenas uma pequena parte da superfície de corte está sendo cortada na velocidade de superfície ideal. Mesmo sob as melhores condições de usinagem, o atrito entre os cavacos e os bolsos de cavacos consome energia de corte. Além disso, a bomba que fornece o fluido de corte para a superfície de corte consome energia. Quanto maior e mais profundo o furo sendo usinado, maior o consumo de energia.
Para furos grandes com mais de 25,4 mm de diâmetro, uma alternativa melhor é a fresagem espiral. Claro, isso requer controle de interpolação na máquina-ferramenta. Este método de corte a seco e com economia de energia tem um bom efeito em vez de processos de usinagem tradicionais úmidos e que consomem energia. Furos de grande diâmetro produzidos com fresas de topo de dente único ou de vários dentes exigem menos potência da máquina e rigidez do sistema do que qualquer broca.
Usuários da tecnologia de fresamento em espiral relataram tempos de ciclo para furos de pinos de cavilha reduzidos em 3/4 e consumo de energia de fresamento de apenas 40%. A maioria das máquinas CNC modernas não seria capaz de fornecer a energia necessária para produzir furos de diâmetro tão grande com brocas planas. Por esse motivo, muitos fabricantes de moldes tiveram que mover as ferramentas para uma máquina de perfuração por gabarito ou furadeira de alta resistência apenas para usinar os furos de cavilha. Com o fresamento em espiral, eles podem usinar todos os furos de cavilha em uma fixação em uma fresadora de baixa potência usada para usinagem de cavidades. Acredite ou não, o fresamento em espiral permite que furos grandes sejam usinados diretamente em peças de trabalho sem pré-perfuração, sem desperdiçar muito tempo e energia no número crescente de operações de perfuração de furos grandes.
Ao usar fresamento espiral para usinar furos de várias profundidades ou furos cegos, preste atenção à remoção de cavacos. A geometria da fresa pode gerar cavacos finos, mas a remoção de cavacos não precisa necessariamente ser feita pela própria ferramenta. Em fresamento vertical e algumas operações de fresamento horizontal, pode ser necessário o sopro de cavacos de ar.
Aplicação de brocas de coroa substituíveis em usinagem de furos grandes
Brocas de coroa substituíveis também podem ser usadas para usinagem de furos grandes e requerem menos potência do que brocas caneladas. Devido à sua geometria única, as coroas são muito eficientes no corte e o diâmetro da haste de perfuração é menor do que o diâmetro da coroa, o que facilita a remoção de cavacos e reduz o atrito. Além disso, a haste de perfuração de liga de aço resistente pode suportar a vibração e a deformação da ferramenta comuns em máquinas-ferramentas leves, enquanto brocas de metal duro sólidas são facilmente danificadas pela vibração e deformação.
Brocas de coroa substituíveis são usadas principalmente em produção em larga escala para evitar reajustes de máquinas-ferramentas e grandes estoques de várias brocas de metal duro sólido. Devido à sua geometria de aresta de corte mais eficiente e haste de perfuração mais resistente, elas aumentam o valor agregado de operações de perfuração de baixa potência.
Para melhorar a eficiência da usinagem de alta velocidade/baixa potência, ao selecionar ferramentas de fresamento e furação, preste atenção não apenas à usinagem de alta velocidade (velocidade do fuso), mas também para tornar as ferramentas adequadas para o processamento real. Além da segurança da usinagem de alta velocidade, há mais ganhos. Ao fresar, escolha uma geometria de ferramenta com "corte livre completo" (fresa de ângulo de ataque positivo duplo com aresta de corte espiral) e use ferramentas com boa dureza térmica. Ao furar, considere o fresamento espiral para usinar furos grandes. Para furação geral, experimente uma broca de coroa substituível com uma haste de broca de liga de aço de alta tenacidade para evitar a quebra de brocas de carboneto sólido em condições de instalação instáveis. Brocas de coroa substituíveis podem aumentar as taxas de remoção de metal e proteger máquinas-ferramentas e ferramentas leves, economizando poder de processamento.
