SISTEMA DE MONITORAMENTO DO DESGASTE DE FERRAMENTAS DE CORTE EM OPERAÇÕES DE USINAGEM

Prévia do material em texto

SISTEMA DE MONITORAMENTO DO DESGASTE DE FERRAMENTAS DE 
CORTE EM OPERAÇÕES DE USINAGEM 
 
 
 
B.T. Chaves. J.J. Casarin, F. Kieckow 
Rua Universidade das Missões, 464, CEP 98802-470, Santo Ângelo/RS 
bruhtolino@gmail.com 
URI – Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões 
 
 
 
 
RESUMO 
 
 
A identificação do fim de vida de uma ferramenta de corte é um problema presente 
nas operações de usinagem no meio industrial. O momento adequado para a troca 
da ferramenta é questão fundamental, pois o desgaste excessivo provoca a perda 
da qualidade do acabamento (devido ao aumento da rugosidade) e gera desperdício 
(de tempo e de material), ambos contribuindo para o aumento dos custos de 
fabricação. Este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um sistema de 
monitoramento do processo de usinagem utilizando sensores de efeito Hall. O 
propósito desse sistema é identificar o fim de vida da ferramenta de corte. A partir da 
análise das curvas de corrente elétrica e desgaste, é possível verificar que a 
velocidade de corte influencia diretamente o desgaste da ferramenta. Com base 
nessas informações estabelece-se o ponto exato de troca da ferramenta a fim de 
evitar sua ruptura. 
 
Palavras-chave: usinagem, monitoramento, desgaste, corrente. 
 
 
INTRODUÇÃO 
 
No processo de usinagem por torneamento, em função do contato ferramenta e 
material de trabalho, atuam elevadas forças de corte e temperaturas que influenciam 
de maneira significativa o desgaste da ferramenta. Esse desgaste é progressivo e 
depende dos parâmetros de corte usados no processo, dos materiais envolvidos e 
do tempo de usinagem. 
O desgaste é definido pela norma ISO 3685 (1) como mudança da forma 
original da ferramenta durante o corte, resultante da perda gradual de material. A 
norma também faz referência a parâmetros de fim de vida recomendados para 
testes. 
21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais
09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil
3117
O tempo de vida de uma ferramenta de corte pode ser estimado por meio de 
testes e modelos matemáticos que descrevam a curva de vida desta ferramenta. 
Entretanto, devido às variações aleatórias observadas na dureza e resistência 
mecânica da própria matéria-prima a ser usinada, esse tempo de vida pode 
apresentar grande variação. 
Uma constante preocupação nos sistemas de manufatura que trabalham com a 
usinagem dos metais é o momento de troca da ferramenta de corte, o que implica na 
adoção de critérios físicos que determinam o fim de sua vida(2). O tempo exato de 
troca da ferramenta é uma questão fundamental a ser respondida no chão de 
fábrica, uma vez que o desgaste excessivo da ferramenta, ou a sua utilização muito 
aquém do esperado, provoca aumento dos custos de fabricação. Embora os custos 
com ferramentas de corte representam apenas uma pequena fração do custo de 
fabricação, desgastes acelerados ou avarias frequentes levam a paradas da 
máquina para troca, que significa custos adicionais e perda de produtividade. 
Diversas técnicas de monitoramento do fim de vida da ferramenta estão 
disponíveis no mercado, destacando-se os métodos de emissão acústica e 
monitoramento da potência de usinagem(2). Entretanto, alguns destes métodos ainda 
são impraticáveis no âmbito industrial devido ao elevado custo e baixa flexibilidade 
perante os processos, ficando seu uso restrito a laboratórios e centros de pesquisas 
especializados. Uma alternativa barata e prática é monitorar a força de usinagem 
através da medição da corrente elétrica na entrada da máquina-ferramenta 
utilizando sensores de efeito Hall. O seu princípio de funcionamento baseia-se na 
passagem de uma corrente elétrica através de uma placa sob o efeito de um campo 
magnético perpendicular a sua superfície, gerando uma diferença de potencial 
proporcional a corrente medida entre suas extremidades(3). Um esquema deste 
princípio é mostrado na Fig.1. 
 
 
Figura 1– Esquema do Efeito Hall. 
Fonte:Secon 
21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais
09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil
3118
O objetivo final deste trabalho é realizar o monitoramento do desgaste de uma 
ferramenta de usinagem durante a operação de torneamento por meio do uso de um 
sensor de efeito Hall. Pretende-se estabelecer uma correlação entre a corrente 
consumida e o desgaste de flanco (VB) do gume principal, onde ocorre o contato 
entre o material de trabalho e a ferramenta. A Fig. 2 ilustra os desgastes de flanco e 
de cratera. 
 
 
Figura 2 – Desgaste de flanco e desgaste de cratera em uma ferramenta de 
usinagem. 
Fonte: Halliday,2001 
 
A corrente de usinagem é determinada por meio da medição do sensor Hall. Os 
objetivos específicos são a análise estatística do processo de desgaste da 
ferramenta em função da corrente, a caracterização do tempo de vida da ferramenta 
de corte, e a determinação do tempo de troca da ferramenta sem que ocorra a 
quebra do gume de corte devido ao desgaste excessivo. Assim, pretende-se obter 
um sistema de monitoramento que seja funcional, flexível e de baixo custo, para que 
seja possível sua inserção num ambiente industrial. 
 
MATERIAIS E MÉTODOS 
 
O sensor utilizado para os ensaios foi o Sensor Hall de Corrente, modelo 
100CC-15 e um transdutor de corrente modificado para correntes de 0 a 25 A. 
O sensor é instalado em um dos cabos de alimentação da máquina, e logo 
ligado ao transdutor de corrente, como mostra a Fig. 3. O sensor envia o sinal em 
milivolts (mV) para o transdutor que o converte em Volts (V). Uma placa de 
aquisição de dados da National Instruments é conectada ao transdutor de corrente, 
que via o software (LabView) registra os dados da medição. O esquema de 
instalação é ilustrado na Fig. 4. Como esses dados são obtidos em Volts, é feito um 
21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais
09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil
3119
tratamento do sinal e traçada uma curva de calibração para converter o sinal em 
Amperes (A). 
 
 
Figura 3 – Sensor Hall e transdutor de corrente 
 
 
 
Figura 4 – Instalação do sensor, transdutor e placa de aquisição de dados. 
 
O material de trabalho utilizado para os testes de usinagem foi um aço ABNT 
1045, com diâmetro nominal de 4 polegadas, como prescreve a Norma ISO 
3685/1993. O material foi caracterizado quimicamente e analisado quanto a sua 
microestrutura por meio de metalografia. Os resultados são mostrados na Fig. 5 e 6 
respectivamente. 
A ferramenta de corte utilizada foi o inserto TNMG 160408 PM GC-4225 – da 
SANDVIK. O critério de fim de vida da ferramenta foi o desgaste de flanco máximo 
(VBmáx), adotado em 0,6mm, conforme sugerido pela norma ISO 3685/1993. 
Para os testes de usinagem por torneamento foram utilizados os parâmetros de 
corte apresentados na Tab. 1. 
 
21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais
09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil
3120
Tabela 1 – Parâmetros de corte adotado para os testes de torneamento. 
 
Velocidade de corte (Vc) 150,200 e 250 m/min 
Avanço (f) 0,2 mm/rot 
Profundidade de corte (p) 1 mm 
 
As medições do desgaste de flanco foram realizadas por um sistema de 
captura de imagem composto por um Estereoscópio Pantec, uma câmera Moticam 
2300 e o software Motic Images Plus 2.0. As imagens capturadas eram mensuradas 
pelo software em escalas de medições previamente calibradas, como mostra a Fig. 
5. 
 
Figura 5 – Medições de desgaste de flanco da ferramenta de usinagem 
 
Os testes seguiram o seguinte procedimento: 
 Iniciar a movimentação da máquina-ferramenta sem que haja retiradade material 
da peça, registrar o valor da corrente consumida e adotá-la como referência; 
 Iniciar a usinagem da peça e monitorar a corrente durante o corte, bem como o 
desgaste de flanco da ferramenta, após 4, 8 e 12 minutos, para cada gume de 
corte; 
 Medir o desgaste de flanco de 4 em 4 minutos, nos seis gumes de corte da 
ferramenta; 
 Repetir o procedimento para outras duas amostras (insertos), totalizando 54 
medições. 
 
RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 
No decorrer dos testes verificou-se que a variação da corrente na máquina, em 
vazios (sem retirada de material), se estabilizou em um mínimo de 5 A. Nos testes, 
com retirada de material (cavaco), a corrente chegou a um valor máximo de 16,5 A. 
21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais
09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil
3121
Sabe-se que estes valores variam em função dos parâmetros de usinagem, 
aumentando conforme a velocidade de corte aumenta, por exemplo. 
A partir dos dados de corrente, em função do tempo e do aumento da 
velocidade e corte, foi possível verificar que quanto maior for a velocidade de corte 
maior será a corrente consumida na usinagem, e, consequentemente, maior o 
desgaste da ferramenta, como mostra os gráficos das Fig. 6 e 7. 
 
Figura 6 – Desgaste VBmáx em função do tempo de usinagem. 
 
 
Figura 7 – Corrente medida em função do tempo de usinagem (desgaste). 
 
Com o aumento do tempo de usinagem, há um crescimento no desgaste, 
fazendo com que a temperatura da aresta cortante ultrapasse a temperatura na qual 
a ferramenta perde o fio de corte (a aresta de corte se decompõe) (3). A progressão 
do desgaste é influenciada principalmente pela velocidade de corte, como mostrada 
21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais
09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil
3122
no gráfico acima, pois com o aumento da mesma, aumenta a energia (calor) que é 
imputada no processo, sem um aumento da área da ferramenta que recebe este 
calor. Esse aumento da velocidade de corte influencia de maneira significativa na 
força de corte, resultando no aumento da corrente de usinagem durante o 
torneamento, como mostra Figura 7. Na velocidade de 200 m/min, houve um 
desgaste maior comparada a 250 m/min, isso se dá porque o mecanismo de 
desgaste por abrasão aumenta de maneira significativa, entretanto a temperatura 
elevada na velocidade de 250 m/min reduz a resistência do material, facilitando o 
processo de formação e escoamento de cavaco, porém a ferramenta suporta sem 
problemas essa temperatura maior. 
 
CONCLUSÕES 
 
O fator velocidade de corte (Vc) exerce significativa influência no tempo de vida 
da ferramenta de corte, sendo que seu aumento contribui para o aumento da 
potência de usinagem e para a diminuição do tempo de vida da ferramenta. 
Também, pode-se observar que, conforme o aumento do tempo de usinagem, o 
desgaste da ferramenta também passa a sofrer um aumento. Isso se dá pelo fato da 
ferramenta de usinagem ter um maior tempo de contato com a peça durante o corte. 
Os instrumentos utilizados foram capazes de detectar o desenvolvimento do 
desgaste e, se aplicado em ambiente industrial, representa um sinal claro para o 
operador de quando a ferramenta se aproxima do fim de vida. Entretanto, quaisquer 
mudanças nos parâmetros de corte, principalmente na velocidade de corte, geram 
mudanças nos parâmetros elétricos, já que estes são um pouco instáveis mesmo 
utilizando-se a mesma velocidade. Não é possível fixar um valor de corrente para fim 
de vida da ferramenta que sirva para todas as velocidades, pois a relação entre 
corrente e fim de vida variam conforme as condições de usinagem. De acordo com 
os resultados, pode-se afirmar que a potência da máquina-ferramenta é um 
parâmetro que torna possível o acompanhamento do nível de desgaste da 
ferramenta de corte. 
 
 
REFERÊNCIAS 
 
1. ISO 3685. Tool life testing with single-point turning tools, 1993. 
 
21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais
09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil
3123
2. COSTA, C. E. Monitoramento do processo de torneamento de desbaste via 
corrente elétrica do motor principal da máquina e via vibração da ferramenta. 
Campinas, SP: [s.n], 1995. 
 
3. HALLIDAY, DAVID; RESNICK, ROBERT; WALKER, JEARL. Fundamentos de 
Física – Eletromagnetismo. 6ª ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC – Livros Técnicos e 
Científicos Editora S.A., 2001. 
 
4. FERRARESI, D. Fundamentos da Usinagem dos Metais. 10ª reimpressão. São 
Paulo, SP. Editora Edgard Blücher Ltda, 2000. 
 
5. JEMIELNIAK, K. Commercial Tool Condition Monitoring Systems. The 
International Journal of Advanced Manufacturing Technology, London, vol. 15. 
p. 711-721. Springer-Verlag London Limited, 1999. 
 
6. MACHADO, Álisson Rocha; ABRÃO, Alexandre Mendes; COELHO, Reginaldo 
Teixeira ; SILVA, Márcio Bacci. Teoria da Usinagem dos Metais, 2° edição,Editora 
Blucher,2011.SECON SENSORES E INSTRUMENTOS. 
 
7. SOUZA, André. Aplicação de multisensores no prognóstico da vida da 
ferramenta de corte em torneamento.Florianópolis/SC, Tese (Doutorado), 
POSMEC-UFSC, 2003, 211p. 
 
 
 
 
WEAR MONITORING SYSTEM FOR CUTTING TOOLS IN MACHINING 
OPERATIONS 
 
ABSTRACT 
 
The identification of the end of life of a cutting tool is present in machining 
operations in industry problem. The Right Time for tool change is crucial, as 
excessive wear causes loss of quality of finish (due to increased roughness) and 
wasteful (time and materials), both contributing to the increase in manufacturing 
costs . This paper aims at developing a system for monitoring the machining process 
using Hall effect sensors. The purpose of this system is to identify the end of life of 
the cutting tool. From the analysis of curves and wear electric current, it can be seen 
that the cutting speed directly influences the tool wear. Based on this information 
establishes the exact point of the tool change to avoid rupture. 
 
 
 
Keywords: machining, monitoring, wear chain. 
21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais
09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil
3124