Guia para melhorar a eficiência da maquinagem de alta velocidade com microferramentas em máquinas CNC

Este guia descreve os benefícios da utilização de velocidades ultra-altas na usinagem de metais não ferrosos e plásticos com microferramentas. Os tópicos abordados incluem a definição de microferramentas para usinagem de alta velocidade, os desafios da usinagem com microferramentas, a tecnologia disponível e os avanços e velocidades maximizadas resultantes da utilização das novas tecnologias.

As microferramentas incluem fresas e brocas com um diâmetro de 0,250” ou menos. São necessárias para usinagem muito complexa ou detalhada e funcionam melhor com fusos projetados para alta velocidade.

A usinagem de alta velocidade não tem uma definição estabelecida nem parâmetros absolutos, mas uma definição viável é a usinagem com fuso a velocidades de 25.000 RPM ou mais.

Os desafios para melhorar a eficiência da usinagem de alta velocidade

Com uma tendência para a miniaturização na fabricação, os tamanhos das peças de trabalho estão diminuindo e as versões das peças estão aumentando. Portanto, o uso de microferramentas é cada vez mais frequente. No entanto, o uso eficiente e rentável dessas pequenas ferramentas requer tanto a previsão de utilizar equipamentos projetados especificamente para elas quanto a disposição de se desviar do padrão das práticas tradicionais de usinagem e adquirir novas tecnologias. Isso se deve principalmente ao fato de que os fusos dos equipamentos CNC convencionais não conseguem atingir as precisões nas velocidades de trabalho exigidas.

A tendência em produtividade da usinagem de precisão é trabalhar com velocidades RPM mais altas para ferramentas de diâmetro cada vez menor. Por exemplo, um centro de trabalho de usinagem CNC convencional que trabalhe com ferramentas com menos de ½» de diâmetro a 10.000 RPM ou menos resultará em taxas de avanço desfavoráveis e quebras dispendiosas da ferramenta.

Frequentemente, a quebra de ferramentas é atribuída a um erro do operador, a parâmetros de usinagem incorretos ou, pior ainda, simplesmente à natureza das peças pequenas. A realidade é que esses altos custos por quebra de ferramentas são devidos à força do eixo pesado de uma máquina convencional e à sua incapacidade de atingir as altas RPM necessárias para evacuar eficazmente as aparas do canal de corte.

Tecnologia disponível para otimizar a eficiência da usinagem de alta velocidade

A melhor abordagem para usinar com eficiência com ferramentas pequenas é um processo triplo. Os três elementos inter-relacionados são:

1. Tecnologia de usinagem de alta velocidade: Quanto menores forem as ferramentas, maior será a velocidade do fuso necessária para usinar peças com eficiência, com a qualidade exigida e evitando quebras de ferramentas. Fusos de alto desempenho operando a velocidades de 40.000 RPM e superiores são ideais para fresagem, perfuração, fresagem de roscas e gravação utilizando microferramentas.
   A tecnologia de usinagem de alta velocidade utiliza índices elevados de RPM, com um passo menor, mas com velocidades de avanço significativamente maiores. Suponha que você passe a mão pela chama de uma vela acesa. Se a mover muito lentamente, há tempo suficiente para que a chama cause danos. Mas se passar a mão rapidamente pela chama, não há tempo suficiente para que o fogo danifique a sua pele. O princípio aplica-se à usinagem de alta velocidade com microferramentas. Mova-se rapidamente e não haverá tempo suficiente para que o calor volte para a peça e cause problemas.
   Durante o processo de usinagem, a ferramenta extrai continuamente uma lasca da peça de trabalho. O calor gerado é desenvolvido aproximadamente em 40 % pelo atrito em cada lado da ferramenta e em 20 % pela deformação (flexão) da lasca. Portanto, cerca de 60 % do calor está dentro da lasca. A usinagem de alta velocidade tenta evacuar a maior parte do calor com a limalha, proporcionando um corte mais limpo. A melhor qualidade de usinagem baseia-se em ferramentas mais frias, forças de usinagem mais baixas e, portanto, menos vibração.
   A alta velocidade do fuso reduz a carga de aparas para menos de 0,005”. Uma carga tão baixa reduz significativamente as forças entre a ferramenta e o material. Desempenho de usinagem de alta velocidade/baixa força com menos calor, reduz o desvio da ferramenta e permite a usinagem de peças de trabalho com paredes mais finas. Tudo isso resulta em uma usinagem mais fria, qualidades superiores de superfície e borda, melhor precisão e, como subproduto (de baixa força), fixação mais fácil, pois mesas de vácuo modulares podem ser usadas para uma configuração rápida e troca de trabalho.
2. Design otimizado de microferramentas: Reduzir a geometria das ferramentas de maior diâmetro para um formato menor produz velocidades de avanço inaceitáveis e acabamentos insatisfatórios. Os requisitos de trabalho mudam quando o diâmetro da ferramenta é reduzido e a velocidade do fuso aumenta. As ferramentas convencionais não são adequadas para aplicações que requerem microferramentas. Isto deve-se principalmente às altas velocidades de RPM necessárias quando se trabalha com diâmetros menores.
   O aumento das taxas de RPM requer ferramentas devidamente equilibradas com um espaço significativamente maior para as aparas, garantindo uma remoção adequada das mesmas e evitando que se queimem. A usinagem eficiente com ferramentas pequenas requer que elas sejam otimizadas especificamente para o trabalho em altas velocidades em aplicações de usinagem. A geometria adequada das microferramentas, juntamente com fusos de alta velocidade e o refrigerante ideal, pode eliminar totalmente o rebarbamento e a desengorduramento como operações secundárias.
3. Refrigerante de baixa viscosidade: Embora a usinagem de alta velocidade reduza inerentemente o calor, a tarefa de arrefecer uma microferramenta que se move rapidamente muitas vezes requer um bom refrigerante. Os técnicos de usinagem que trabalham habitualmente com ferramentas pequenas compreendem que o refrigerante utilizado com equipamentos CNC convencionais não é o ideal, e este é um exemplo perfeito de onde é necessário pensar «fora da caixa» ao empreender aplicações que requerem usinagem de alta velocidade.
   Uma ferramenta pequena com geometria complexa que gira a RPM extremamente altas requer um sistema de refrigeração e um agente lubrificante com viscosidade mais baixa do que a água. É necessária uma viscosidade mais baixa porque o refrigerante precisa chegar ao fio da ferramenta, apesar das altas velocidades do fuso envolvidas. Os refrigerantes à base de emulsão têm uma viscosidade mais elevada do que a água e, por isso, não são eficazes como lubrificantes para a maquinação de alta velocidade com microferramentas.
   Alguns sistemas de pulverização de refrigerante de microvolume podem usar etanol, um tipo de álcool produzido naturalmente no processo de fermentação do açúcar e com viscosidade inferior à da água. O baixo ponto de evaporação do etanol torna-o um agente refrigerante e lubrificante extremamente eficiente para operações de usinagem de alta velocidade. Além disso, enquanto o refrigerante de inundação convencional é à base de petróleo e deve ser descartado corretamente, o etanol simplesmente evapora. Isso elimina os custos associados ao descarte. Além disso, o etanol como refrigerante não deixa resíduos nas peças usinadas, eliminando assim a dispendiosa operação secundária de desengraxamento das peças.

Dinâmica da máquina para aumentar a eficiência na usinagem

O uso de microferramentas pequenas não é tão fácil quanto encontrar um adaptador para prender uma ferramenta minúscula em um fuso cónico 40 em um CNC convencional. Isso porque esse fuso foi projetado para ferramentas grandes, como um cortador de 3 polegadas destinado a fazer cortes profundos em áreas densas. Como tal, tem tanto torque e força que apenas quebra ferramentas pequenas, o que é ineficiente e muito dispendioso em termos de tempo.. A única opção que um operador tem nesta situação é reduzir as RPM e as velocidades de avanço ao mínimo, e isso também não é eficiente porque resulta em tempos de ciclo de trabalho inaceitáveis.

Uma analogia vívida, e talvez cômica, é a caminhonete pick-up com motor em comparação com o carro esportivo. A realidade é que não se pode comparar os dois veículos ou mesmo considerar que eles competem entre si. Por quê? Porque a caminhonete foi projetada com potência e força para transportar ou rebocar uma massa enorme, enquanto o carro esportivo foi projetado para velocidade e manobrabilidade.

Essencialmente, os fabricantes de máquinas CNC convencionais que promovem a capacidade de executar microferramentas são como um fabricante de automóveis que coloca um spoiler e faixas de corrida num veículo de corrida, afirmando que agora ele possui as mesmas qualidades de um Porsche. Bem, assim como não se pode colocar um spoiler e faixas de corrida em uma caminhonete e esperar que ela funcione como um carro esportivo, não se pode adaptar um eixo de alta velocidade em uma máquina convencional rudimentar e esperar que ela realize com eficiência a usinagem de alta velocidade com microferramentas.

Ao projetar uma máquina, pode seguir duas direções. Pode construir a sua máquina com um motor grande e uma massa pesada para fornecer a força e o binário necessários para acionar ferramentas grandes. Ou pode construir uma máquina mais leve com um fuso de alta velocidade e baixa força, projetado especificamente para microferramentas.

Certamente, ambos os tipos de máquinas podem ser multifuncionais e realizar uma variedade de funções, como fresagem, gravação, perfuração, rosqueamento. Mas é aí que termina a função multifuncional. No final das contas, se a eficiência e a qualidade são importantes para si e precisa produzir peças grandes e pequenas, acabará com os dois tipos de máquinas a funcionar lado a lado no mesmo piso da fábrica. Embora isso possa parecer uma duplicação em termos de despesas com equipamentos, os custos são rapidamente amortizados através do R.O.I, a eficiência e a versatilidade produzirão peças melhores, mais rapidamente e a um custo menor.

Considerando exclusivamente os centros de usinagem de alta velocidade, a melhor maneira de abordar as aplicações de microferramentas para melhorar a eficiência na usinagem é empregar equipamentos que apresentem os atributos-chave detalhados acima (tecnologia de usinagem de alta velocidade, microferramenta otimizada, design e refrigerante de baixa viscosidade), todos trabalhando juntos de forma sinérgica.

Quando aplicado em conjunto, este processo triplo pode proporcionar velocidades de fabrico impressionantes e uma melhor qualidade do produto. Mas os benefícios não param por aí. Além disso, este processo pode eliminar totalmente operações secundárias, como rebarbação e desengorduramento.

Tudo se resume a usar as ferramentas certas para o trabalho certo. As máquinas CNC convencionais com fusos de baixa velocidade e alta força não conseguem cumprir os critérios para uma usinagem eficiente com ferramentas pequenas. Somente uma máquina construída do zero, com o único propósito de usinar em alta velocidade com microferramentas, proporcionará a eficiência e a qualidade necessárias para fabricar as peças mais pequenas e complexas.

A usinagem de alta velocidade com microferramentas oferece menor força, menos quebra de ferramentas, sem aumento da temperatura, melhor acabamento superficial, eliminação de operações de rebarbação e desengraxamento e menor vibração da ferramenta. Velocidades do fuso entre 25.000 e 60.000 RPM resultam em eficiência com ferramentas pequenas, melhor qualidade das peças e tempos de ciclo de trabalho aprimorados.

Como tem interesse em melhorar a eficiência da usinagem de alta velocidade com microferramentas em máquinas CNC, convidamo-lo a acessar a guia vídeo sobre o âmbito das novas soluções de fixação para tornos, fresadoras e rectificadoras na indústria automóvele também para saber quais são os novas tecnologias de fixação para tornos com mandris de alta precisãoA nova gama de produtos, que pode proporcionar, às oficinas de maquinagem que fabricam todos os tipos de peças, uma mudança mais rápida, uma maior gama de aderência, uma elevada rigidez na remoção de aparas pesadas e uma manutenção reduzida.