ARESTA DE CORTE

Desenvolvimento da nova geração de ferramentas com inserto rotativo

Os materiais de difícil usinabilidade, muito usados em peças aeroespaciais, reduzem drasticamente a vida útil das ferramentas. Para atender a demanda do mercado por métodos de usinagem inovadores, capazes de prolongar a vida útil da ferramenta na usinagem destes materiais, a Mitsubishi Materials concentrou-se no desenvolvimento de uma nova geração de ferramentas com inserto rotativo. Apresentamos aqui dois projetos com este conceito: 1) ferramenta com rotação ativa do inserto, para uso exclusivo em máquinas multitarefas; e 2) ferramenta com rotação passiva do inserto, para uso em centros de usinagem em geral.

PROJETO 1 : Ferramenta com rotação ativa do inserto

Desenvolvimento da ferramenta que explora engenhosamente as vantagens da máquina multitarefas

Há cerca de 20 anos, a Mitsubishi Materials desenvolveu pela primeira vez um suporte para torneamento com sistema de rotação do inserto durante a usinagem. Na época, foi desenvolvido um mecanismo inovador que aproveitava o esforço de corte para acionar o movimento de rotação do inserto.

Este mecanismo reduzia significativamente o desgaste periférico, uma das principais causas de deterioração da vida útil da ferramenta na usinagem de materiais de difícil usinabilidade. A primeira geração da ferramenta com rotação passiva do inserto tinha uma boa aceitação no mercado. No entanto, a rigidez da ferramenta era limitada devido ao seu mecanismo complexo. Além disso, o grande número de componentes acabava elevando o seu preço em relação às ferramentas convencionais. Com isso, a demanda caiu gradativamente ao longo dos anos. Alguns clientes ainda continuam a usá-la, mas atualmente é um produto fornecido somente como item especial.

No entanto, novas ferramentas com inserto rotativo têm sido desenvolvidas durante esse período. Estes novos desenvolvimentos foram alavancados pelo conhecimento acumulado na experiência com a primeira geração de ferramentas com inserto rotativo. Além disso, o surgimento das máquinas multitarefas inspirou uma grande ideia na concepção do novo mecanismo de rotação. Na primeira geração de suportes para torneamento com inserto rotativo, os insertos eram rotacionados com a resistência gerada pelo próprio processo de corte. Portanto, a força de rotação era irregular, dependendo das condições de corte, o que dificultava o desempenho estável. E se pudesse determinar a força de rotação e gerá-la de forma estável, independente das condições de corte, seria possível desenvolver um novo tipo de ferramenta com inserto rotativo mais promissor? Estas eram as ideias que surgiram há cerca de 10 anos.

Na mesma época, o professor Sasahara da Universidade de Agricultura e Tecnologia de Tóquio realizava estudos sobre ferramentas com rotação ativa do inserto.

Há três anos, foi iniciada uma pesquisa conjunta entre o professor Sasahara e a Mitsubishi Materials. Com o uso de máquinas multitarefas, foi possível controlar a rotação da ferramenta, abrindo caminho para o desenvolvimento da ferramenta com rotação ativa do inserto.

As máquinas multitarefas não apenas possibilitam o controle da rotação do inserto, como também permitem definir livremente o ângulo de inclinação da ferramenta. Então, surgia a possibilidade de selecionar a melhor combinação das condições de corte e do ângulo de inclinação da ferramenta.

O ângulo de inclinação da ferramenta (ângulo no qual a ferramenta entra em contato com a peça) é um parâmetro tão importante quanto a velocidade de rotação da ferramenta. A espessura do cavaco e a direção de fluxo dos cavacos, ambos têm grande influência sobre a vida útil da ferramenta e variam dependendo de condições de corte básicas como velocidade, avanço e profundidade de corte. Além destas considerações, o novo projeto incluía diferentes ângulos de inclinação, o que aumentava a dificuldade para encontrar as condições de corte ideais. Então, o professor Sasahara analisou os valores com base no ponto de vista teórico para identificar as melhores condições.

Quanto ao desenvolvimento da geometria ideal da ferramenta, o maior desafio era alcançar a máxima precisão de concentricidade para a fixação do inserto no corpo da ferramenta. Quando há um grande desvio de concentricidade, ocorre rotação excêntrica em relação ao eixo de rotação da ferramenta, o que causa variação da profundidade de corte e consequentes danos à peça usinada. A variação na profundidade de corte também provoca instabilidade no esforço de corte, causando trepidação e danos ao inserto.

Através do processo de melhoria contínua, foi possível reduzir o desvio de concentricidade entre o inserto e o corpo da ferramenta, chegando a valores inferiores a 0,01 mm.

Outra característica importante da nova ferramenta de corte é a refrigeração interna. A ferramenta foi projetada para fornecer fluido refrigerante pela região entre o furo do inserto e o parafuso de fixação. Embora este mecanismo tenha a tendência de reduzir a força de fixação do inserto, o projeto exclusivo desta ferramenta tem a capacidade de manter uma força de fixação suficiente. A rotação ativa do inserto ocorre consistentemente, dispersando o calor de corte uniformemente por toda a aresta de corte em torno do inserto redondo. Além disso, a refrigeração interna proporciona resfriamento eficiente em todo o inserto e facilita a expulsão de cavacos.

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Vida útil aproximadamente dez vezes maior que o suporte para torneamento convencional

A nova ferramenta com rotação ativa do inserto tem as seguintes propriedades:

1. O uso de toda a circunferência do inserto permite distribuir o desgaste uniformemente por toda a aresta, aumentando a vida útil da ferramenta.

2. A rotação estável da ferramenta dispersa efetivamente o calor de corte; e a refrigeração interna reduz significativamente o desgaste do inserto.

3. O exclusivo mecanismo de fixação de alta precisão e alta rigidez permite realizar usinagem estável e de alto desempenho.

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Estas propriedades aumentaram significativamenta a vida útil da ferramenta na usinagem de Inconel718 em comparação às ferramentas de corte convencionais. Além disso, a ferramenta com rotação ativa do inserto é adequada não apenas para usinagem de materiais de difícil usinabilidade como ligas resistentes ao calor, mas também para a usinagem de materiais compósitos com metais como alumínio e ferro. Esta ferramenta é ideal para a redução significativa dos custos totais da operação, pois além de prolongar a vida útil da ferramenta, também reduz a frequência de troca de insertos, sendo adequada para usinagem "sem operador" ou nos processos com múltiplas máquinas operadas por um número reduzido de operadores.
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Foram esclarecidas as questões que surgiram durante o desenvolvimento das primeiras ferramentas com inserto rotativo?

O desgaste frontal é um dos grandes desafios na usinagem de materiais de difícil usinabilidade. Na época em que se desenvolvia a primeria geração de ferramentas com inserto rotativo, para reduzir o desgaste frontal, estimava-se que a velocidade de rotação ideal do inserto era próxima à velocidade de expulsão do cavaco. Considerando a taxa de compressão geral (CR) dos cavacos, isto equivale a aproximadamente um terço da velocidade de corte. Porém, a rotação do inserto era acionada pelo próprio esforço de corte, o que impedia o controle da velocidade de rotação. Portanto, esta hipótese sobre a velocidade de rotação ideal do inserto não foi analisada profundamente naquela época.

Já as novas ferramentas de corte com inserto rotativo possuem vários parâmetros, o que dificulta a identificação precisa das condições de corte ideais. Através dos diversos testes de aplicação, foram identificadas as condições recomendadas para uso geral. Com base nestes dados, descobriu-se que a velocidade de rotação recomendada do inserto equivale a um terço da velocidade de corte da peça, ou seja, o valor estimado nas primeiras ferramentas com inserto rotativo. Não é interessante? As ferramentas com rotação ativa do inserto estão atualmente em desenvolvimento, com previsão de lançamento no mercado em 2017.

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(Esquerda): Yuji Takada, Tsukuba Aero Group, Departamento Aeroespacial, participou do desenvolvimento da ferramenta de corte com rotação passiva do inserto
(Direita): Wataru Takahashi, Grupo Avançado de P&D, Centro de Tecnologia de Usinagem, Divisão de Pesquisa e Desenvolvimento, participou do desenvolvimento da ferramenta de corte com rotação ativa do inserto.

PROJETO 2 : Fresa com rotação passiva do inserto durante a usinagem

Cálculo da força de rotação teórica do inserto

A nova fresa com rotação passiva do inserto foi desenvolvida com base no know-how acumulado pela experiência com a primeira geração de ferramentas com inserto rotativo.

Depois de lançar a primeira ferramenta com inserto rotativo, a Mitsubishi Materials já considerava a aplicação deste mecanismo nas fresas de topo e fresas de face. Porém, o tamanho deste mecanismo dificultava a instalação nas ferramentas de fresamento e, por fim, concluiu-se que era um projeto impossível de ser executado na época.

Desde então, os materiais de difícil usinabilidade têm expandido sua presença em diversas indústrias, tornando crescente a demanda por maiores eficiências de usinagem e aumento da vida útil da ferramenta nas operações de fresamento.

Há cerca de 10 anos, percebendo o potencial do mecanismo de rotação dos insertos no fresamento, a Mitsubishi Materials iniciou o desenvolvimento de fresas com insertos rotativos, em parceria com a Universidade de Nagoya e a Mitsubishi Heavy Industries.

Neste projeto, a rotação do inserto ocorre passivamente, ou seja, o inserto sofre resistência ao corte, gerando a força que o faz rotacionar. O primeiro desafio foi identificar o ângulo de posição ideal do inserto, para assim gerar uma força de rotação adequada do inserto usando a resistência ao corte. Se a resistência ao corte for muito baixa, a força não seria suficiente para rotacionar o inserto. Por outro lado, se a resistência ao corte for muito alta, ocorre trepidação durante a usinagem e causa danos à ferramenta. Portanto, era necessário identificar o ângulo de posição ideal do inserto para gerar resistência de corte suficiente para a rotação do inserto de maneira estável em diversas condições de corte.

Este grande desafio foi solucionado pela Universidade de Nagoya. Através da aplicação de fórmulas complexas e análise de dados, foi possível identificar o ângulo de posição adequado do inserto para rotacioná-lo com eficiêcia. Este método teórico reduziu significativamente o tempo de desenvolvimento das novas ferramentas em comparação à primeira geração de ferramentas com inserto rotativo, desenvolvidas a partir de métodos convencionais e teste prático.

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Vida útil 8 a 10 vezes maior que ferramentas convencionais

O próximo grande desafio era introduzir o inserto em um espaço extremamente estreito. Era necessário projetar um mecanismo de rotação que permitisse a instalação em um espaço bem estreito. Isso exigiu a otimização da folga do furo do inserto e do parafuso de fixação para facilitar a rotação do inserto durante a usinagem. Se a folga fosse muito pequena, acabaria limitando o movimento do inserto; e se fosse muito grande, causaria trepidação. Além disso, do ponto de vista da rigidez, o tamanho do parafuso de fixação deveria ser adequado ao tamanho do inserto. Foram realizados contínuos estudos, análises, vários protótipos e muitos testes. Por fim, foi instalada uma mola logo abaixo da cabeça do parafuso de fixação, o que possibilitou o desenvolvimento de um mecanismo de rotação que oferecia a folga ideal e a resistência necessária.

Depois de desenvolver este mecanismo de rotação mais simples e mais compacto, a fresa com inserto rotativo parecia estar próxima de se tornar uma realidade, mas surgiu um novo desafio. A base do inserto, em contato com o calço de metal duro fixado ao corpo da ferramenta, sofria um desgaste irregular durante a rotação. A rotação do inserto permite manter um desgaste uniforme na aresta de corte. Mas a carga irregular sobre o calço de metal duro, que absorve o esforço de corte, acabava se concentrando em um único ponto, principalmente na região logo abaixo da aresta de corte. Como o inserto e o calço, ambos são de metal duro, o contato e a rotação contínua sob uma carga localizada acabava gerando um desgaste irregular. Para resolver este problema, foi instalado um calço metálico móvel entre o inserto e o calço de metal duro, servindo como um amortecedor.

Um a um, os desafios foram superados até a fresa com inserto rotativo tornar-se real.

A grande vantagem deste tipo de ferramenta seria a usinagem automatizada (sem operador) por longos períodos, dispensando a troca de arestas. Além disso, esta fresa também conseguiu prolongar a vida útil em oito a dez vezes mais do que as fresas convencionais na usinagem de ligas resistentes ao calor, como mostra o gráfico abaixo.

O lançamento desta nova fresa está previsto para 2017. Além das fresas de topo e de face, também há planos de implantação deste mecanismo nas ferramentas para torneamento. Ainda no fresamento, com a expansão dos tamanhos de insertos, está prevista a ampliação para outras aplicações, como usinagem de rampas.

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