Este white paper apresenta um procedimento prático e sem custos, com base na teoria da vibração, para identificar a taxa máxima de remoção de material para a obtenção de condições seguras e estáveis de usinagem. Para obter os benefícios dos investimentos atuais em ferramentas de HSM (usinagem de alta velocidade), os programadores NC precisam entender os limites máximos de desempenho de seu sistema. Este artigo discute como identificar os
parâmetros ideais de corte de HSM para qualquer combinação de ferramenta, suporte, máquina e peça de trabalho. Em alguns casos, esta abordagem resultou em aumento de seis vezes na eficiência de corte.
w h i t e p a p e r
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Descubra o desempenho máximo em HSM
Uma abordagem prática para identificar configurações de alimentação e velocidade para o desempenho estável e máximo da usinagem de alta velocidadeDescubra o desempenho máximo em HSM
Sumário
Resumo 1
Um processo recém-proposto 2
Um dos maiores desafios que um programador NC enfrenta todos os dias é identificar parâmetros críticos de usinagem, como profundidade de corte, sobreposição, velocidade e taxa de alimentação de torneamento.Tradicionalmente, o ponto de partida para esses dados foi o guia de dados de usinagem ou a experiência dos operadores seniores na fábrica. Na maioria dos casos, esses dados são muito conservadores e/ou estão ultrapassados. Quando surgem problemas, o recurso usual é reduzir um ou mais parâmetros críticos de usinagem. Essa solução invariavelmente reduz a MMR (Metal Removal Rate). Embora isso possa ter sido aceitável no passado, o mercado atual de usinagem de moldes e matrizes altamente competitivo está forçando os usuários a ampliar os limites da produtividade. A ampla aplicação de máquinas de alta velocidade nos últimos anos obriga a analisar de novo os processos no chão de fábrica. Aumentar simplesmente a velocidade e a alimentação de torneamento e diminuir a carga do cavaco significativamente não constitui usinagem de alta velocidade.Para obter os benefícios de investimentos significativos em ferramentas e acessórios para máquinas de alta velocidade, os programadores NC precisam otimizar e alcançar os limites de segurança do sistema.
Este white paper aborda o relacionamento entre parâmetros críticos de usinagem e usinagem de alta velocidade. Ele apresenta um novo processo que enfatiza a importância da obtenção de dados de corte para aplicativos de fresagem de alta velocidade. Este método segue a teoria da vibração e aproveita diagramas de irradiação de estabilidade para sugerir uma implementação prática e sem custos.
A usinagem instável produz acabamentos de superfície ondulados e de má qualidade que muitas pessoas associam ao ruído estridente da vibração. Uma nova metodologia aproveita essas características simples para identificar velocidades de torneamento e cargas do cortador ideais para qualquer combinação de ferramenta, suporte, máquina e material de peça de trabalho. Essencialmente, este método elimina um número de passagens de nível Z, a velocidades variáveis de torneamento para identificar as condições de usinagem estáveis.
Uma série de passagens idênticas são feitas em uma face inclinada de um bloco de teste, como mostrado na Figura 2. Cada passagem é executada a uma velocidade e alimentação de torneamento crescente, mantendo a mesma carga do cavaco para todas as passagens. O som dos cortes e a inspeção do acabamento da superfície de cada passagem pode identificar condições de corte estáveis. Cada linha horizontal na Figura 3 mostra uma
série de passagens de nível Z a velocidades crescentes de torneamento. As linhas paralelas, em direção ascendente, indicam taxas crescentes de remoção de meta. As linhas verticais indicam como você podem encontrar os limites em cada velocidade de torneamento identificada.
As condições de teste e os resultados da passagem de corte são desenhados em um diagrama de irradiação de estabilidade (Figura 3). Com base no diagrama e em equações simples, a MMR de cada combinação de velocidade de torneamento e profundidade de corte pode ser calculada. A operação do sistema na MRR máxima e dentro de limites seguros e estáveis assegura a utilização ideal do equipamento de usinagem.
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Resumo
Diagrama de irradiação de estabilidade Pr ofundidade está v el (mm) 7.200 6.300 5.400 4.500 3.600 2.700 1.800 0.900 0 Velocidade de torneamento (rpm x 103) 5.00 8.00 11.00 14.00Figura 3: Condições de corte de teste mostradas em um diagrama de irradiação de estabilidade.
Figura 2: Tela do software NX™que mostra cortes
de nível Z na peça de teste. Figura 1: Dois cortes mostram condições de
Um processo recém-proposto
Uma alternativa proposta recentemente foi colocada em prática em uma Makino V33. Nessa ocasião, uma fresa de ponta esférica Jabro Tornado de 10mm de diâmetro foi analisada. O comprimento da ferramenta foi definido como 30mm em um suporte HSK. Um peça de trabalho P20 com 82mm de comprimento, 65mm de largura e 48mm de altura foi usada como peça de teste. Uma extremidade cônica de 30 graus foi cortada de um lado do bloco para acomodar o suporte e para exibir cada corte de modo claro.
Para este exemplo, presume-se uma profundidade de corte igual a aproximadamente 30% do diâmetro da ferramenta. Se existirem outras considerações que limitem a carga na ferramenta, siga a menor. Verifique se a ferramenta cria pontas claras para distinguir uma profundidade da outra. A altura do bloco deve acomodar pelo menos 12 profundidades de corte. O declive no lado de corte deve limpar o suporte da ferramenta. O comprimento do bloco deve ser suficiente para segurar o torno de bancada a fim de permitir pelo menos 10 passagens laterais. A largura deve ser suficiente para permitir a exibição dos cortes.
Obtendo dados relevantes do catálogo de ferramentas
Material Nº Usinagem Acabamento Desbaste Acabamento Desbaste Acabamento Grupo Seco de canal em rampa/hélice lateral lateral de perfis de perfis m/min m/min m/min m/min m/min m/min Aço de baixa dureza 1-2 90/225* 250 375 450 325 500 Aço normal 3-4 80/180* 210 310 390 280 385 Ferramenta em aço <48 HRc 5-6 50/160 180 280 350 240 325 Aço temperado >48-56 HRc 7 125 150 250 300 200/170* 280 Aço temperado >56-62 HRc 7 80 90 150 175 120/100* 150 Aço temperado >62-65 HRc 7 50 55 80 90 100/80* 110 Aço temperado >65 HRc 7 35 35 55 60 80/60* 85 Aço inoxidável 8-9 95 100 155 200 125 210 Aço inoxidável de alta resistência 10-11 60 70 120 145 80 125 Ferro fundido de baixa dureza 12-13 175 185 250 285 250 345 Ferro fundido duro 14-15 150 160 200 245 200 290 Alumínio com <16% Si 16 MÁX MÁX MÁX MÁX MÁX MÁX Alumínio com >16% Si 17 250 280 295 325 300 345 Superligas 20 50 60 80 120 100 150 Superligas de alta resistência 21 25 30 40 50 50 75 Ligas com base em titânio 22 75 80 120 145 100 170 Grafite 600 600 600 400 800 500 Plástico macio 300 400 385 450 MÁX MÁX
Plástico duro 150 175 190 250 200 175 Cobre 350 450 450 550 MÁX MÁX * Faz referência a ferramentas alternativas na tabela de seleção de ferramentas.
Velocidade de Corte
Material Nº Desbaste Acabamento Desbaste Acabamento Desbaste Acabamento Grupo Seco de canais rampa/hélice lateral lateral de perfis de perfis mm/dente mm/dente mm/dente mm/dente mm/dente mm/dente Aço de baixa dureza 1-2 0.090/0.045* 0.057 0.081 0.085 0.130 0.117 Aço normal 3-4 0.80/0.042* 0.053 0.076 0.079 0.121 0.109 Ferramenta em aço <48 HRc 5-6 0.070/0.041* 0.051 0.072 0.076 0.115 0.105 Aço temperado >48-56 HRc 7 0.039 0.049 0.070 0.074 0.150/0.112* 0.101 Aço temperado >56-62 HRc 7 0.036 0.045 0.065 0.068 0.120/0.104* 0.093 Aço temperado >62-65 HRc 7 0.030 0.038 0.054 0.057 0.100/0.086* 0.078 Aço temperado >65 HRc 7 0.030 0.038 0.054 0.057 0.090/0.086* 0.078 Aço inoxidável 8-9 0.045 0.057 0.081 0.085 0.091 0.117 Aço inoxidável de alta resistência 10-11 0.042 0.053 0.076 0.079 0.085 0.109 Ferro fundido de baixa dureza 12-13 0.045 0.057 0.081 0.085 0.104 0.117 Ferro fundido duro 14-15 0.042 0.053 0.076 0.079 0.097 0.109 Alumínio com <16% Si 16 0.060 0.076 0.108 0.113 0.173 0.156 Alumínio com >16% Si 17 0.050 0.063 0.090 0.095 0.144 0.130 Superligas 20 0.040 0.050 0.072 0.076 0.081 0.104 Superligas de alta resistência 21 0.036 0.045 0.065 0.068 0.073 0.093 Ligas com base em titânio 22 0.042 0.053 0.076 0.079 0.085 0.109 Grafite 0.055 0.069 0.099 0.104 0.159 0.143 Plástico macio 0.050 0.063 0.090 0.095 0.144 0.130
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O fabricante da ferramenta fornece duas informações muito importantes: a velocidade de corte máxima e a carga do cavaco. A velocidade de corte máxima depende do tipo de revestimento da ferramenta e da temperatura máxima que ela pode suportar com segurança. A carga do cavaco (alimentação/dente) se baseia no material e na geometria da ponta da ferramenta. De acordo com a tabela associada, a velocidade máxima de corte é 280 mm/min e a carga do cavaco é 0,072 mm/dente. Este exemplo adotou condições de fresagem lateral em bruto para o teste. Para não violar a velocidade de corte máxima, você precisa ficar abaixo de 9.000 rpm. (Observação: Isso pode ser aumentado para condições de acabamento.)
RPM_Máximo = Ve lo c i dad e _C o r t e _ M á x _e m_ mm/ min p*Diâmetro_Ferramenta
RPM_Máximo = 280*10
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= 8912 ≈ 9000 p*10
Limitando a faixa de teste
Para esses testes, a velocidade do torneamento variou de 6.000 a 11.500, a intervalos de 500 rpm. O rpm máximo aumentou para manter os resultados aplicáveis às condições de acabamento também. A profundidade de corte para cada corte de nível Z foi de 4 mm. O programa foi manualmente editado para refletir a alteração da velocidade de torneamento em cada nível de corte.
Mantendo uma carga do cavaco constante
A alimentação foi ajustada de modo correspondente para manter a alimentação/dente constante em todo o teste.
Alimentação_mm/min = Alimentação_por_Dente * Número_de_Dente * RPM
Usinagem
Um corte inicial com uma sobreposição lateral de 0,5mm foi cortado no declive. A sobreposição lateral foi ajustada no registro de deslocamento X da máquina. Isso elimina a necessidade de um novo programa para cada ciclo.
O corte inicial com sobreposição de 0,5 mm foi repetido uma vez novamente para permitir condições iniciais semelhantes para cada ciclo. Esse corte produziu condições de corte estáveis ao longo de todo o declive. (Alguns dos cortes foram cegos na parte inferior da ponta por causa da diminuição da velocidade de corte.)
A sobreposição foi aumentada para 1 mm, e o ciclo foi repetido. Embora o diagrama de irradiação de estabilidade preveja condições de usinagem estáveis em todas as velocidades de torneamento, sinais de vibração muito baixos foram observados em ambos os extremos da velocidade de torneamento. Esse processo foi repetido com valores de sobreposição crescentes até que fortes sinais de vibração foram observados a 2 mm. Esse ciclo mostrou claramente um corte estável a 7.000 rpm e 9.500 rpm.
Os resultados
A peça na Figura 5 mostra condições de usinagem estável e não estável. Isso indica uma profundidade de 4mm de corte e uma sobreposição lateral de 3mm. Observe que o terceiro e o oitavo degrau indicam cortes limpos a 7.000 rpm e 9.500 rpm.
Observação: O diagrama de irradiação de estabilidade mostrado na Figura 6 foi calculado para a mesma configuração de ferramenta/suporte/máquina. Observe que o comportamento real segue o padrão geral previsto, mas os números reais estão desviados em cerca de 1.000 rpm.
6000 840 0.072 4 6500 910 0.072 4 7000 980 0.072 4 7500 1050 0.072 4 8000 1120 0.072 4 8500 1190 0.072 4 9000 1260 0.072 4 9500 1330 0.072 4 10000 1400 0.072 4 10500 1470 0.072 4 11000 1540 0.072 4 11500 1610 0.072 4 Estável Vibração leve Vibração forte 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Velocidade de Taxa de Carga do Profundidade Sobreposição lateral (mm) torneamento alimentação cavaco de corte
(rpm) (mm/min) (mm/dente) (mm)
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Conclusão
O diagrama de irradiação de estabilidade é uma ferramenta útil para identificar condições de corte estáveis a velocidades de torneamento e MRRs variáveis. O diagrama pode ser usado para localizar a MRR máxima permitida, um indicador-chave de desempenho de eficiência de usinagem para uma determinada velocidade de torneamento. É importante observar que a usinagem estável pode ser alcançada a qualquer RPM, mas às custas da MRR. Uma visão global do diagrama de irradiação de estabilidade, calculado com ferramentas de hardware de previsão de vibração ou com o método prescrito neste white paper, ajuda os usuários a alcançar altas MRRs em determinadas RPMs estáveis.
Reduzir a velocidade talvez não seja a solução mais eficiente para a vibração
Em muitos casos, quando é encontrada vibração, os operadores tendem a reduzir a velocidade de torneamento para eliminar essa vibração. Embora essa técnica resulte em uma condição de corte estável, talvez ela não seja a mais eficiente. Em vez disso, geralmente é possível aumentar a velocidade de torneamento, o que eliminará a vibração, aumentando também a eficiência do corte. No diagrama abaixo, uma leve vibração é observada no Ponto A (8.000 rpm com sobreposição lateral de 2,0mm). Fora reprogramar a peça com uma sobreposição menor, há duas opções fáceis para remediar a vibração, aumentar ou diminuir a velocidade de torneamento. Como o diagrama de irradiação ilustra claramente que uma condição de corte estável pode ser obtida com o aumento da velocidade de torneamento, essa é a melhor opção, por ser a mais eficiente.6000 840 0.072 4 6500 910 0.072 4 7000 980 0.072 4 7500 1050 0.072 4 8000 1120 0.072 4 8500 1190 0.072 4 9000 1260 0.072 4 9500 1330 0.072 4 10000 1400 0.072 4 10500 1470 0.072 4 11000 1540 0.072 4 11500 1610 0.072 4 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Velocidade de Taxa de Carga do Profundidade Sobreposição lateral (mm) torneamento alimentação cavaco de corte
(rpm) (mm/min) (mm/dente) (mm)
Opção 1:
Reduzir a velocidade de torneamento para 7.500 rpm. A vibração é eliminada, mas a eficiência da usinagem diminui.
Opção 2:
Aumentar a velocidade de torneamento para 9.000 rpm. A vibração é eliminada, mas a eficiência da usinagem melhora. A
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Usinagem a velocidades maiores talvez não seja a solução mais eficiente
Com frequência, ao usar máquinas de alta velocidade, a tendência é executar a máquina na velocidade máxima permitida. Embora possam ser atingidas condições sem vibração a velocidades extremas, a eficiência da usinagem medida pela MRR pode ser muito baixa.Taxa_Remoção_Material = Taxa_alimentação_mm/min * Profundidade_de_Corte_mm * Sobreposição_Lateral_mm
No diagrama abaixo, o corte estável é atingido a 11.500 rpm com sobreposição lateral de 0,5 mm (Ponto A). Como o torneamento está ocorrendo a uma rpm alta, é muito comum assumir que o sistema está funcionando de modo eficiente. No entanto, conforme ilustrado no diagrama de irradiação, este não é o caso. O Ponto B, com uma rpm muito mais lenta e uma profundidade de corte maior, resulta em quase seis vezes mais eficiência de usinagem.
Observações de uso
• Siga condições práticas e repetitivas (por exemplo, aperte o suporte da pinça com o mesmo torque sempre). Isso precisa ser repetido para cada combinação de ferramenta/suporte/máquina. Embora pareça excessivo, pode valer a pena.
• Os pontos ideais podem ser transferidos para outros materiais de peça de trabalho diretamente. A profundidade máxima correspondente de corte e os valores de sobreposição lateral variam.
• Você pode substituir a ferramenta por uma ferramenta de reposição semelhante do mesmo fabricante. Os resultados ainda são válidos. Isso vale para suportes também. • Redefina o comprimento da ferramenta com o valor mais próximo possível das condições
de teste. 6000 840 0.072 4 6500 910 0.072 4 7000 980 0.072 4 7500 1050 0.072 4 8000 1120 0.072 4 8500 1190 0.072 4 9000 1260 0.072 4 9500 1330 0.072 4 10000 1400 0.072 4 10500 1470 0.072 4 11000 1540 0.072 4 11500 1610 0.072 4 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Velocidade de Taxa de Carga do Profundidade Sobreposição lateral (mm) torneamento alimentação cavaco de corte
(rpm) (mm/min) (mm/dente) (mm)
Usinagem livre de vibração a 9.500 rpm, com sobreposição lateral de 3,5mm
MRR = 18,620 mm^3/min
Usinagem livre de vibração a 11.500 rpm, com sobreposição lateral de 0,5mm
MRR = 3,220 mm^3/min A
B
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