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Corte no eixo Y em máquinas multitarefas e centros de torneamento O eixo Y se tornou um recurso padrão em máquinas avançadas para torneamento Corte no eixo Y oferece ganhos de produtividade signi- ficativos e melhorias na segurança do processo As soluções para operações de cortes no eixo Y se baseiam em engenharia avançada da análise FEM para garantir a máxima integridade estrutural da lâmina - 2 - Introdução ...........................................................................................................................................................................3 Máquinas-ferramentas atualizadas com ferramentas acionadas e eixo Y ....................................4 Desafios no corte ............................................................................................................................................................5 Corte no eixo Y .................................................................................................................................................................6 Benefícios de cortes no eixo Y ................................................................................................................................8 Aspectos específicos da máquina para corte no eixo Y ..........................................................................9 Como iniciar ......................................................................................................................................................................11 Condições de investimento e ROI .........................................................................................................................12 Sumário - 3 - Uma das mega tendências na manufatura das últimas décadas é simplificar e maximizar o número de set-ups de usinagem necessários para produzir uma peça específica. Os mercados demandam prazos de fabricação mais curtos e estoques reduzidos e isto cria um incentivo claro para OEMs e, talvez até mais, para os fornecedores buscarem maneiras de agilizar a produção da peça o máximo possível. Perfis complexos devem ser feitos com um número mínimo de set-ups e operações, preferencialmente em uma única máquina. A lucratividade de uma determinada peça pode ainda depender da capacidade de se combinar vários set-ups em uma única máquina. - 4 - Um aspecto da tendência de set-up simples é a inclusão de ‘ferramentas acionadas’, ou seja, ferramentas rotativas em centros de torneamento. Para realizar isso, as máquinas de tornofresamento com eixo Y foram lançadas no final dos anos 90. A ideia inicial foi simples- mente possibilitar o direcionamento de uma fresa, broca ou macho para roscar em uma ou mais posições da ferramenta na torre, para eliminar limitações de interpo- lação circular e as respectivas dificuldades de progra- mação. Entretanto, os primeiros tipos simples de ferramentas acionadas nos centros de torneamento tinham uma limitação significativa. Uma vez que as fresas rotativas eram, na maioria dos modelos de máquinas, simples- mente adicionados à torre, elas podiam apenas ser movimentadas nos mesmos dois eixos de movimento, como as ferramentas de torneamento, ou seja, nos eixos X e Z. Como resultado, qualquer recurso da peça que não fosse paralelo ou perpendicular à linha de centro do fuso ou que estivesse localizado ao longo da linha de centro da peça, não estava dentro do alcance direto da broca, da fresa ou do macho acionados pela torre. Para melhorar o alcance, foram adicionadas maneiras extras de mover a ferramenta acionada ao longo da face do fuso. Isto foi obtido montando as ferramentas acionadas nos lados do revólver ou em sua face, instalando o eixo Y em um barramento inclinado, ou usando uma cabeçote de fresamento independente. Os fabricantes de máquinas-ferramenta logo perce- beram os benefícios desta abordagem. Agora, cerca de duas décadas depois, o eixo Y se tornou um recurso padrão em praticamente todas as máquinas multitarefas e opcional em muitos centros de torneamento novos. A inclusão do eixo Y no centro de torneamento oferece angularidade de 90 graus entre os três eixos lineares, de forma muito semelhante ao centro de usinagem de 3 eixos. Isto porque normalmente o eixo Z é paralelo à linha de centro do fuso na maioria dos tornos. O eixo X proporciona movimento de avanço em mergulho no torneamento convencional. O movimento no eixo Y foi adicionado para que a ferra- menta avance através da face do fuso, criando um plano vertical perpendicular aos eixos Z e X. Máquinas-ferramentas atualizadas com ferramentas acionadas e eixo Y Eixo Z Eixo Y Eixo X - 5 - O corte é um estágio crucial em qualquer processo de torneamento em que ele é necessário. A operação de corte demora um pequeno percentual do tempo de usinagem total, porém, é geralmente a última operação antes da conclusão da peça. Uma quebra da ferramenta de corte pode facilmente resultar em tempo de máquina parada e em problemas de qualidade e, em um pior cenário, pode ser necessário sucatear a peça e todo o valor agregado, durante os estágios de trabalho anteriores, será perdido. Por este motivo, os fabricantes relutam antes de compro- meter de alguma forma a segurança do processo de uma operação de corte. O custo do material é outro fator importante. Principal- mente quando for trabalhar com materiais caros, como superligas resistentes ao calor (HRSA), há um forte incentivo para usar pastilhas mais estreitas possíveis. Estes fatores resultam em dois requisitos diametralmente opostos para as ferramentas de corte: elas devem ser as mais estreitas e delgadas possíveis para minimizar a perda de material e para otimizar o alcance da ferramenta para diâmetros de trabalho máximos. Ainda assim, as ferra- mentas mais delgadas sofrem comumente de estabilidade insuficiente e, consequentemente, causam vibrações e ruídos. O acabamento superficial e as tolerâncias dimen- sionais arruinadas por trepidação são, geralmente, riscos inaceitáveis em operações de corte. Desafios no corte Ff Fc Ly X Y Ma A Rax Ray Lx = CDX F α ≈ 30° Ly X Y Ma A Rax Ray Lx = CDX FFc α ≈ 30° Ff Lx Fc Lx LxLy LyFf FcFc Ff Ff Ly>> << = · · ·· ·- - 1.75 - 6 - MAConvencional O eixo Y já tinha ampliado substancialmente as possi- bilidades de usar ferramentas rotativas em máquinas multitarefas e centros de torneamento. Agora, esta capacidade inspirou inovações significativas em uma das missões originais destes tipos de máquinas-fer- ramenta: cortes no eixo Y. Esta nova ferramenta e método de corte oferecem produtividade e melhorias de segurança do processo significativos em pratica- mente qualquer operação de corte. A inovação da Sandvik Coromant, cortes no eixo Y, tem como base um princípio incrivelmente simples. Enquanto as ferramentas convencionais de corte se alinham ao eixo X da máquina-ferramenta, a ferra- menta do eixo Y foi simplesmente rotacionada em 90° no sentido anti-horário para alinhamento com o eixo Y. Na configuração da ferramenta de corte convencional, a lâmina de corte relativamente longa e delgada e o suporte avançam com um ângulo de 90° em relação à peça rotativa, e a maior força de corte é gerada pela velocidade de corte, e o restante pelo movimento de avanço. O vetor de força resultante é direcionado diagonalmente para a ferramenta em um ângulo de aproximadamente 30°, ou seja, através de sua segunda seção mais fraca (somente a largura da lâmina é mais fraca). Geralmente, isto é compensado reduzindo o balanço da lâmina e aumentando sua altura. O ponto negativo destas correções é o potencial comprometi- mento da usabilidade da ferramenta. Corte no eixo Y MAcorte no eixo Y - 7 - Ao girar o tip seat em 90 graus e usar o eixo Y, a ferra- menta pode cortar na peça essencialmente com sua extremidade frontal, o que quase alinha o vetor da força de corte resultante com o eixo longitudinal da lâmina. As análises FEM realizadaspela equipe da Sandvik Coromant de R&D confirmaram que uma distribuição mais favorável das forças elimina tensões críticas típicas nas lâminas convencionais e aumenta a rigidez na profundidade de corte máxima (CDX) de 60 mm (2,36 pol.) em mais de seis vezes. Por outro lado, a suscetibilidade às deformações plásticas e à insta- bilidade é tão baixa quanto um sexto no desenho do eixo Y, comparado às deformações típicas das lâminas de corte convencionais. FEM é a abreviação para o método de elementos finitos, uma das metodolo- gias de solução numérica de problemas mais comumente usadas em engenha- ria, matemática e física. Em termos de engenharia estrutural, o ponto forte prin- cipal do FEM é a capacidade de formular problemas altamente complexos em um sistema de equações algébricas. Graças a isto, uma difícil tarefa de análise estru- tural se torna um conjunto discreto de itens desconhecidos para os quais os valores podem ser aproximados pela área relevante a ser analisada. Em ter- mos mais concretos, um problema gran- de é subdividido em partes menores e mais simples chamadas de elementos finitos. Desta forma, geometrias comple- xas podem ser representadas de forma precisa, materiais diferentes podem ser considerados e a solução total pode ser representada de forma relativamente mais fácil. Neste caso, um benefício par- ticularmente importante foi a habilidade de capturar com precisão os efeitos da deformação local. FEM - 8 - Um aumento superior a 500% na rigidez da lâmina permite faixas de avanço significativamente mais altas e balanços mais longos, sem perda da estabilidade, o que, conse- quentemente, melhora a produtividade da ferramenta na mesma proporção. Graças a isto, as peças podem ser cortadas mais próximas do subfuso para economizar matéria prima e melhorar a estabilidade da operação. Ao invés da rigidez da lâmina de corte e do porta-fer- ramentas, agora é a pastilha que representa o gargalo no aumento do desempenho das operações de corte. A recomendação geral para as barras de corte é minimizar o balanço (OH) ou, em um balanço longo, usar uma geometria de corte leve ou reduzir o avanço. Um valor limite comum para se reduzir o avanço é um balanço que excede 1,5 vezes a altura da lâmina. Com esta ferramenta de eixo Y, é possível obter balanços mais longos sem a necessidade de empregar taxas de avanço, geometrias ou dimensões da ferramenta que não sejam ideais. Como em todas as operações de torneamento, é impor- tante posicionar a aresta da ferramenta de corte o mais próxima possível da linha de centro da peça para evitar a formação de saliências ou a quebra da ferramenta. As ferramentas de corte devem ser ajustadas entre ±0,1 mm (±0,004 pol.) da linha de centro da peça. A recomendação convencional para longos balanços é ajustar a aresta de corte 0,1 mm (0,004 pol.) acima do centro para compensar a deflexão para baixo. Em virtude do aumento da rigidez e a consequente redução da deflexão, a ferramenta no eixo Y pode eliminar a necessidade de ajustes ao longo do centro e evitar as respectivas desvantagens como quebra prematura da pastilha ao avançar em direção ao centro e o rápido desgaste de flanco. A medição do comprimento da ferramenta pede um cuidado particular porque em se tratando de ferramentas no eixo Y, o comprimento também determina a altura de centro. Por outro lado, isto pode ser visto como um recurso de segurança contra erros de set-up: porque é sempre necessário medir o comprimento, além de servir como uma verificação dupla para o ajuste da altura de centro. Se for difícil ver a aresta de corte, há também um plano de medição na extremidade da ferramenta. A distância entre o plano de medição e a aresta de corte é marcada nas ferramentas no eixo Y. Outros benefícios incluem níveis de ruído mais baixos, melhor acabamento superficial e um processo mais confiável, sem mencionar a capacidade de corte de diâmetros maiores do que os atualmente possíveis. Benefícios dos cortes com eixo Y Peça Casos de clientes: Corte convencional vs. Corte no eixo Y Material Diâmetro, mm (pol.) Método de avanço atual, mm/rot (pol./rot) Corte no eixo Y com avanço, mm/rot (pol./rot) Produtividade mais alta Vida útil da ferramenta mais alta Válvula magnética Aço inoxidável HB365 65 (2,56) 0,15 (0,006) 0,3 (0,012) 100% 70% Parafuso Aço inoxidável 316L 60 (2,36) 0,15 (0,006) 0,3 (0,012) 100% 50% Rolamento Aço para rolamento 40 (1,57) 0,12 (0,005) 0,3 (0,012) 150% 40% Carcaça de bomba Aço inoxidável HB365 55 (2.17) 0,12 (0,005) 0,3 (0,012) 150% ±0% Blank aeroespacial Inconel 718 180 (7.1) Serra de fita (20 min) 0,15 (0,006) 550% Não avaliado - 9 - Aspectos específicos da para cortes no eixo Y Os centros de torneamento geralmente são usados para produção em massa com uso de alimentação por barras, geralmente 65 mm (2,56 pol.) de diâmetro e neste tipo de usinagem, os maiores benefícios do corte no eixo Y são a melhora da produtividade e do acabamento superficial. As oportunidades para a otimização da qualidade também podem ser interessantes, uma vez que o corte costuma ser o último estágio de uma peça. Uma oportunidade adicional de melhorar a economia de usinagem pela redução da largura de corte. Para máquinas multitarefas, as lâminas de cortes no eixo Y propor- cionam principalmente maior acessibilidade e capacidade para diâmetros maiores. Um pré-teste confirmou um aumento de 50% no balanço no corte convencional de uma barra de diâmetro de 120 mm na capacidade de avanço máximo da pastilha. Foi obtido um aumento de produtividade de 300% sem complicações na segurança do processo. Em um caso de teste do cliente, o corte no eixo Y substituiu a serra de fita para uma barra Inconel de 180 mm de diâmetro, resultando em melhorias significativas de produti- vidade devido aos tempos de usinagem dramaticamente menores. - 10 - Em uma máquina de barramento inclinado típica, o eixo X cria uma inclinação ascendente em direção à frente da máquina, com fusos em uma extremidade do barramento inclinado ou nas duas e o percurso do eixo X costuma ser significativamente mais longo do que o percurso do eixo Y. As limitações de espaço de trabalho resultantes devem ser avaliadas ao considerar a utilização de cortes no eixo Y para uma peça específica. Em uma máquina mutitarefas, que pode ser essen- cialmente caracterizada como um centro de usinagem com opção de torneamento, os conjuntos da ferramenta típicos, como Coromant Capto® C6 ou o adaptador de lâmina HSK63T, costumam ser relati- vamente longos para permitir o alcance suficiente entre o mandril principal e o submandril. Isto significa que o set-up total é fraco na direção X comparado à carga do eixo Y, onde a força de corte é direcionada para a montagem da ferramenta e para o fuso de máquina. Condições similares se aplicam a muitos centros de torneamento equipados com uma opção de ferra- menta acionada/fresamento no eixo Y. Os conjuntos da ferramenta no eixo Y, geralmente baseados em um adaptador VDI ou em um adaptador de lâmina com parafuso para a unidade de fixação da máquina adaptada (MACU), são longos e delgados para alcançar entre o mandril principal e o submandril e permite o corte mais próximo do mandril. Mais uma vez, o resultado é um set-up fraco na direção X comparado ao eixo Y, em que a força de corte é direcionada para a montagem da ferramenta e para a torre. O corte no eixo Y pode ajudar a eliminar estes dois problemas. - 11 - . . . . . . . . Um investimento em corte no eixo Y é a primeira e mais importante mudança na abordagem de operações de corte e nas respectivas formas de trabalho. Ele oferece uma maneira de utilizar mais comple- tamente as capacidades da máquina já equipadas com eixo Y. Como alternativa, ele é uma opção que pode aumentar significativamente a produtividadedas operações de cortes em uma nova máquina ou um processo de set-up modificado. O maior investimento concreto é na programação, com implicações óbvias em termos de recursos de pessoal e planejamento. O próprio movimento da ferramenta é facilmente programado, enquanto que máquinas e sistemas de controle diferentes têm configurações de parâmetro diferentes que devem ser alterados para obter uma velocidade de corte constante no eixo Y. Os ajustes de parâmetro necessários estão descritos no manual de controle CNC. O corte no eixo Y pode até mesmo oferecer uma oportunidade de reduzir o estoque de ferramentas porque há menos necessidade de lâminas específicas e porque as novas lâminas para eixo Y são compatíveis com os adaptadores standard e usam pastilhas CoroCut® QD standard. Como uma consideração prática, é necessário observar que a aresta é 7 mm (0,276 pol.) acima da posição Y = 0 quando instalada em um adaptador de lâmina standard. O operador deve assegurar que esta protrusão seja compensada no programa CNC. Como iniciar 7 mm (0,276 pol.) - 12 - • Praticamente qualquer máquina multi- tarefas ou um centro de torneamento equipado com um eixo Y e um alimentador de barra tem potencial para cortes no eixo Y • A solução de primeira escolha para corte em centros de torneamento e máquinas multitarefas com eixo Y • Principalmente para diâmetros de peças grandes de até 180 mm (7 pol.) e para longos balanços, para alcançar entre o mandril principal e o submandril • Alto potencial quando a peça for fixada nas duas extremidades – podemos economizar tempo genuinamente, pois nenhuma outra operação é possível durante o corte • Praticamente não há custos extras de ferramenta • O mesmo programa pode ser usado para todas as peças – as modificações necessárias implicam um custo único na faixa de 4 a 8 horas de programação • Potencial para ROI significativo devido ao investimento inicial muito baixo e potencial para melhoria significativa na produtividade com dados de corte mais altos diâmetro máximo da peça tempo de programação Condições de investimento e ROI 180 mm (7 pol.) 4−8 horas www.sandvik.coromant.com/corocutqd Mais sobre CoroCut® QD e cortes no eixo Y
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