Usinagem a altíssimas velocidades
HSM – High Speed Machining Ou HSC – High Speed Cutting
1) O que significa HSM / HSC, Usinagem a altíssimas velocidades ?
Até o momento não existe uma única definição sobre o que vem a ser Usinagem a Altíssimas
Velocidades, portanto podemos definir como uma combinação de altas velocidades de rotação
com altas velocidades de avanço, dependendo do material que se está usinando, tendo por
finalidade aumentar a velocidade de corte e de avanço por dente em 10 vezes sobre os dados
convencionais, além de proporcionar melhor acabamento superficial juntamente com significativas
reduções de custos.
Como regra empírica, hoje eqüivale a um aumento de 5 a 10 vezes em velocidades de corte e
de avanço por dente, frente a usinagem convencional, dependendo do material a ser usinado.
2) E o que muda na usinagem a altíssimas velocidades?
Muitos aspectos mudam, pois não bastará somente adquirir uma máquina que tem alta
velocidade de rotação do eixo-árvore. Será necessário todo um treinamento e formação de
pessoal que esteja capacitado a operar tais equipamentos e dominar toda a nova tecnologia
envolvida, que vai desde o sistema CAD/CAM envolvido e respectivo programa / processo
CNC, com detalhes tais como, parâmetros de corte, sistemas de interpolação do trajeto da
ferramenta de corte, ferramentas de corte, bem como o sistema de porta-ferramentas que será
adotado, de forma que este permita dar resposta às variáveis envolvidas no ambiente de
usinagem, tais como, material e tratamento térmico da peça a ser usinada, geometria da peça,
sistema de fixação da peça junto a máquina e ferramentas de corte.
Na usinagem HSC / HSM, os requisitos de rigidez e balanceamento são preponderantes na
eliminação de vibrações durante a usinagem, que irão interferir na qualidade do acabamento
superficial e na vida útil das ferramentas de corte e principalmente, do fuso de alta freqüência
da máquina.
Entretanto, para que os conceitos acima possam ser aplicados, teremos que utilizar um portaferramenta que seja uma interface ideal, de forma a se evitarem influências negativas entre a
ferramenta de corte e a peça, são elas:
- A interface entre a ferramenta de corte e o fuso da máquina
- A fixação da ferramenta de corte no porta-ferramenta.
- O balanceamento do sistema de ferramentas.
Os dois primeiros aspectos, determinam as propriedades estáticas e dinâmicas do sistema de
ferramentas com as conseqüentes magnitudes de qualidade, tais como a concentricidade
estática, dinâmica e a forca de reação da ferramenta. Já os desbalanceamentos agem como
carga dinâmica sobre todos os elementos da maquina que se encontram dentro do fluxo de
forcas, especialmente sobre os mancais do fuso. Em conseqüência, as ferramentas e as pecas
da maquina podem ser estimuladas para uma vibração, o que pode influenciar negativamente
a usinagem e a vida útil dos componentes. Como a forca do desbalanceamento cresce de
forma exponencial com o aumento da freqüência de rotações, este problema pode
apresentar-se na usinagem HSC de forma muito prejudicial.
3) Interfaces Decisivas
O cone HSK tem respondido muito bem as requisitos de usinagem a altíssimas velocidades.
Os cones sólidos que chamaremos de SK, conforme o tamanho do cone e a norma de construção,
apresentam a desvantagem de durante a operação apresenta uma dilatação radial do cone interno
do eixo arvore, que causa um deslocamento axial do porta-ferramenta para dentro deste,
ocorrendo durante a usinagem uma inconsistência na concentricidade e deslocamento da
ferramenta de corte, e na brusca desaceleração para parada do fuso ou troca de ferramenta,
ocorre o travamento do cone do porta-ferramenta no eixo-árvore.
Porem para este problema apresentado pelos cones sólidos, a BIG-Daishowa do Japão, inovou
através da modificação da flange do cone, fazendo com que este tenha contato não somente
entres as superfícies cônicas do porta-ferramenta e do eixo-árvore, mas também nas faces da
flange do porta-ferramenta e do eixo-árvore, simultaneamente ao contato entre os cones. A BIG
tem apresentado uma serie de resultados surpreendentes com este tipo de cone, chamado de BIGPLUS. Ocorre que para que seja possível obter este contato simultâneo entre o cone e face do
porta-ferramenta e do eixo-árvore, as tolerâncias de fabricação do porta-ferramenta devem ser
extremamente precisas, alem de o fabricante da maquina também devera assegurar tais
tolerâncias muito precisas no eixo-árvore, ou seja, a maquina já devera ser fornecida para receber
os porta-ferramentas BIG-PLUS, ou então, deve-se conhecer com alta precisão as dimensões reais
do cone interno do eixo arvore e serem fabricados porta-ferramentas dedicados a esta maquina.
Porem segundo dados empíricos obtidos por usuários, existem aplicações em que o sistema BIGPLUS, superou os resultados obtidos pelo cone HSK.
Em suma acreditamos que ambos respondem muito bem as solicitações da usinagem HSC, porem
também acreditamos que o HSK vem ampliando em muito seu campo de aplicação e se tornando
o mais popular atualmente em uso. Porem cabe ao usuário antes de optar pela compra da
maquina para HSC, atentar muito bem para o conjunto da configuração da maquina, e que esta
contenha um tipo e tamanho adequado de cone HSK, que atenda as necessidades das usinagens
pretendidas. Não e raro nos depararmos com situações em que o tipo de cone HSK, não pode ser
encontrado nos estoques dos fabricantes, ou cones em tamanho muito pequeno para uma
ferramenta de usinagem necessária para completar a usinagem da peca.
Os cones HSK-A e HSK-C, possuem rasgos de arraste no cone, que asseguram uma ótima
transmissão de forcas sem perdas, sendo mais comum os tamanhos 63 para 100 para usinagens
mais pesadas com rotações ate 24.000 rpm.
Já os cone HSK-E e HSK-F, são absolutamente simétricos e indicados para faixas de rotações
próximas a 40.000 rpm, onde são normalmente aplicados em usinagens de acabamento em aço
endurecido ou materiais de liga leve, bem como na usinagem de madeira. Não são recomendados
para usinagens pesadas pois o porta-ferramentas apenas será arrastado pela forca de
interferência do contato cone / face deste com o eixo-árvore.
4) Fixação segura da haste cilíndrica das ferramentas de corte.
A fixação da haste cilíndrica das ferramentas de corte apresenta uma fonte inevitável de desvios
de concentricidade somente pelas tolerâncias de fabricação, e que deve ser contornada.
Para responder as exigências da usinagem HSC, atualmente os sistemas de mandris hidráulicos e
os sistemas de fixação por interferência, com montagem por aquecimento através do principio da
dilatação térmica, e os de interferência a temperatura ambiente, que trabalham através da
deformação mecânica dos alojamentos internos dentro do regime elástico dos materiais de
construção aplicados, tem sido os mais comuns e mais adequados.
Dos sistemas pelo principio da dilatação térmica, tem como mais adequados os que são aquecidos
por equipamentos de indução, desenvolvidos especificamente para tal finalidade, onde citamos o
Sistema Interfix, fabricado de distribuído pela Sanches Blanes, que trata-se do único equipamento
fabricado nacionalmente, sendo os demais modelos do mercado, importados.
Para os sistemas por interferência, pelo principio da deformação elástica do material do portaferramenta, existe o sistema Tribos da Schunk da Alemanha, que e distribuído no pais pela
Sanches Blanes, e que vem se destacando mundialmente pela capacidade de apresentar
excelentes resultados tanto em operações de desbaste, bem como em acabamento, pois tem na
sua construção detalhes que proporcionam grande rigidez bem como absorção das vibrações da
usinagem e apresentam excelentes acabamentos superficiais.
Existem também o sistema PowRgrip, fabricado pela Rego-Fix da Suíça e distribuído no Brasil pela
Sanches Blanes, onde a ferramenta de corte e montado no porta-ferramenta através da
prensagem de uma bucha redutora, colocada entre o porta-ferramenta e a ferramenta de corte.
Este sistema apresenta como vantagem a possibilidade de se efetuar o balanceamento dinâmico
do porta-ferramenta com a ferramenta de corte montada, o que garante índices de vibração
extremamente baixos, alem da versatilidade de com poucos porta-ferramentas, apenas
substituindo-se as buchas de redução, pode-se utilizar ampla gama de diâmetros de ferramentas.
5) Balanceamento das Ferramentas
O mercado ainda não esta adequadamente informado sobre a real necessidade de serem
utilizados mandris porta-ferramentas pre-balanceados e dos balanceáveis. Vemos tal fato como um
mal necessário, pois nas usinagens a altíssimas velocidades são sensíveis os impactos causados
nos acabamentos superficiais, na redução da vida útil das ferramentas de corte e principalmente
nos rolamentos dos eixos-arvore das maquinas. Embora concordamos que por vezes o mercado
exige uma classe de qualidade de balanceamento muito menor do que a real necessidade ou ate
mesmo da capacidade de reprodutibilidade da medição do desbalanceamento residual.
Devemos ter sempre em mente, que o melhor deve ser exatamente o suficiente. Por exemplo, o
mercado solicita uma classe de balanceamento G 2.5 conforme nora ISO 1940, para rotações do
fuso de 20.000 rpm, porem se analisarmos que isto significa que a excentricidade residual do
conjunto porta-ferramenta / ferramenta de corte, deve ser no máximo 1,2 m, o que corresponde a
um desbalanceamento residual máximo de 1,2 gm/Kg. Para tanto devemos saber que somente o
fuso da maquina já apresenta um erro de concentricidade de aprox. 2 – 5 m, o que
consequentemente supera a qualidade exigida no porta-ferramenta.
De fato o que se recomenda, e que se utilizem porta-ferramentas fabricados com alta qualidade,
por fabricantes que disponham de conhecimento e experiência no balanceamento de ferramentas,
pois e comum serem encontrados porta-ferramentas de qualidade duvidosa, e principalmente com
balanceamento feito de forma inadequada e imprecisa.
Defendemos ainda a tese de que o conjunto completo porta-ferramenta / ferramenta de corte, deva
ser balanceado, pois muitas vezes, se desperdiça o investimento no pre-balanceamento do portaferramenta ao se fixar uma ferramenta de corte que apresenta erros em sua simetria, fazendo com
que aquela classe de pre-balanceamento do porta-ferramenta, que originalmente encontrava-se
em G 2,5, caia para G 16 ou pior. Portanto para se trabalhar de forma segura continuamente,
somente com o balanceamento dinâmico do conjunto completo a cada troca de ferramenta de
corte. Para tanto, hoje em dia, a Sanches Blanes já pode oferecer ao mercado, porta-ferramentas
balanceáveis e equipamento de balanceamento de ferramentas de bancada, adequado aos
diversos sistemas de compensação dos desbalanceamentos residuais dos porta-ferramentas
disponíveis no mercado, ou seja, com compensação por remoção de massa através de furacão ou
fresamento, anéis de balanceamento, parafusos radiais ou axiais e acrescentando-se massa.
Deve-se sempre buscar o balanceamento racional, e os usuários devem ser esclarecidos por
diretrizes de balanceamento pelos fabricantes das maquinas, e sobre os cuidados e manutenção
preventiva para com os porta-ferramentas por parte do fabricantes de ferramentas.
6) Consequencias causadas na maquina devido o desbalanceamento residual.
Uma Ferramenta e um eixo-arvore bem balanceados, operam silenciosamente, se não estiverem
cortando. No entanto, se tiverem sido danificados pelo uso de ferramentas desbalanceadas,
podem parecer um helicoptero. São conhecidos casos de alguns usuarios que tentaram trabalhar
com ferramentas com significativo desbanceamento residual e que obtiveram apenas dois ou tres
meses de vida util do eixo-arvore, o que e um erro caro. Já empresas que operam com
consistentemente com ferramentas balanceadas chegam a trabalhar entre 7.000 a 8.000 horas de
vida do fuso, apos as quais e recomendado uma manutencao preventiva.