Domine a arte do cálculo de corte: seu guia para precisão em usinagem CNC

Como é o caso de qualquer coisa mecânica, a precisão é a base da assinatura de uma máquina CNC moderna, e esse aspecto específico pode ser alcançado somente se uma compreensão completa dos cálculos de corte estiver disponível. Este artigo destacará etapas e métodos relevantes que constituem o processo preciso de determinação de parâmetros de corte. Dos conceitos básicos de velocidade de corte, profundidade de corte e taxa de avanço ao seu impacto no desempenho da máquina e na qualidade da peça resultante, tentaremos cobrir o máximo de insights acionáveis ​​possível. E para aqueles que visam maximizar a produtividade ou o nível de detalhes das peças produzidas, este guia ajudará no domínio da usinagem CNC.

Qual é o significado da velocidade de corte e como calculá-la?

A velocidade de corte se refere à taxa de movimento linear da aresta de corte e da superfície da peça de trabalho. Frequentemente, é calculada em SFM ou superfícies pés por minuto ou mesmo em metros por minuto m/min. Para derivar a velocidade de corte, usa-se a seguinte fórmula:

Velocidade de corte (V) = (π x D x N)/12 (em unidades imperiais)

V = velocidade espacial métrica em SFM

D = dimensões da peça de trabalho ou ferramenta (em polegadas)

N = velocidade do fuso (RPM)

No caso de uso de unidades métricas, em vez de 12, coloque 1000 e faça o cálculo como:

Velocidade de corte (V) =π x D x N/1000

Compreendendo a velocidade de corte na usinagem CNC

Existem várias especificidades que afetam a velocidade de corte de uma máquina CNC e elas incluem o material da peça de trabalho e o tipo de ferramenta de corte usada, bem como a operação que está sendo realizada. Materiais que constituem a peça de trabalho, como alumínio, aço e titânio, têm diferentes níveis de dureza e propriedades térmicas que exigem diferentes velocidades de corte. Da mesma forma, materiais de ferramentas de corte, como aço rápido (HSS) ou ferramentas de carboneto, bem como cerâmica, impactam o quão quente a ferramenta de usinagem pode ficar antes de perder sua afiação.

A velocidade de corte ideal também muda com as diferentes operações de usinagem, que incluem torneamento, fresamento e perfuração. Por exemplo, o fresamento também tem seu próprio conjunto de velocidades, dependendo do número de canais da ferramenta, bem como da taxa de avanço. A implementação de faixas de velocidade de corte recomendadas permite cortes precisos e as diretrizes de consultoria garantem eficiência em todas as operações.

As mudanças na velocidade podem ser calculadas usando as seguintes fórmulas

A velocidade de corte (Vc) é um dos parâmetros importantes que precisam ser calculados em vários processos de usinagem. Ela é definida usando a fórmula:

Vc = (π × D × N) / 1000

Vc = Velocidade de corte (metros por minuto, m/min)

D = Diâmetro da peça ou ferramenta (milímetros, mm)

N = Velocidade do fuso (rotações por minuto, RPM)

Alinhar as velocidades e diâmetros do fuso com as velocidades de corte desejadas garante um desempenho preciso e eficiente da ferramenta. Alguns ajustes utilizando as propriedades dos materiais, parâmetros da ferramenta de corte e condições de usinagem podem ser necessários. Referências sobre recomendações e padrões específicos de fabricantes de ferramentas ajudam muito a atingir resultados ótimos.

Fatores que afetam a velocidade de corte

Diferentes materiais possuem diferentes durezas e propriedades térmicas que afetam as velocidades de corte ideais. Por exemplo, metais mais macios, como alumínio, permitem velocidades de corte muito maiores em comparação a metais mais duros, como aço inoxidável.

Cada ferramenta feita de aço rápido (HSS) ou carboneto ou mesmo cerâmica possui capacidades de desempenho variadas, mas em geral pode-se observar que as ferramentas de carboneto tendem a suportar velocidades mais altas devido à sua maior durabilidade em suportar calor.

Como a eficiência é maximizada pelo aumento do formato e da nitidez da ferramenta de corte, cortes suaves e seguros devem ser garantidos pela geometria ideal da ferramenta em velocidades mais altas.

Como você determina a profundidade de corte em um processo de usinagem?

Estabelecendo a profundidade do corte e sua importância

Em relevância para uma operação de usinagem, a profundidade de corte é a distância que uma ferramenta de corte entra na peça de trabalho durante o processo. É definida pela distância entre a superfície não cortada e a superfície usinada. Essa configuração geralmente é baseada no tipo de material da peça de trabalho, na capacidade da ferramenta de corte e na resistência da máquina em questão.

Para encontrar a profundidade de corte ideal:

Propriedades do material – Geralmente, há uma maior profundidade de corte permitida em materiais mais macios do que em materiais mais duros que exigem cortes mais rasos para proteger a ferramenta contra danos e superaquecimento.

Resistência da ferramenta – Refere-se à resistência e à afiação da ferramenta de corte específica. Ferramentas mais resistentes são capazes de tolerar cortes mais profundos.

Condições de Usinagem – Aspectos como potência da máquina, sua estabilidade e quão bem as vibrações são controladas são críticos. Com cortes mais profundos, a rigidez da máquina tende a ser maior, permitindo cortes mais profundos.

A escolha da profundidade de corte apropriada sempre garante eficiência melhorada na usinagem, melhor vida útil da ferramenta e minimiza as chances de cometer erros durante a usinagem. Sempre cumpra as diretrizes fornecidas pelos fabricantes em relação a materiais e ferramentas específicos.

Aplicação de uma calculadora para taxas de alimentação precisas

Para obter cálculos de avanço precisos, uma calculadora precisará da entrada do usuário de avanço por dente (Fz), velocidade do fuso (N) e número de canais (z). Usando esses parâmetros, você pode calcular facilmente a taxa de avanço (Vf) para seu processo de usinagem usando a fórmula Vf = Fz × N × z. Isso ajuda a atingir a eficiência desejada sem comprometer a qualidade e aumentar a vida útil da ferramenta. Preste muita atenção aos valores e unidades de entrada porque erros ocorrem e podem afetar os cálculos negativamente.

Erros comuns na determinação do avanço por dente

Assim como em outros cálculos, também há os erros mais comuns como má interpretação de unidades de medida. Neste caso, o avanço por dente (Fz) é dado em milímetros (mm) ou polegadas, e a mudança de unidade para conversões é feita incorretamente. Outro erro do tipo é não considerar o valor correto para canais (z), especialmente quando o calibre é uma ferramenta de dois canais. Calcular a taxa com um valor assumido de 4 canais aumenta as chances de sobrecarga das arestas de corte, o que eventualmente desgastará a ferramenta ou a quebrará.

Para que você possa entender melhor os dados, aqui estão dois casos de exemplo:

Avanço por dente (Fz): 0.1 mm/dente

Velocidade do fuso (N): 12,000 RPM

Número de flautas (z): 4

Fz × N × z = 0.1 × 12000 × 4 = 4800 mm/min

Após os cálculos, o valor correto da taxa de avanço (Vf) é 4800 mm/min.

Avanço por dente (Fz assumido): 0.2 mm/dente (alterado incorretamente do real 0.1 mm/dente)

Velocidade do fuso (N): 12,000 RPM

Número de flautas (z): 4

Vf = Fz × N × z = 0.2 × 12,000 × 4 = 9,600 mm/min

Essa suposição incorreta resulta em uma taxa de avanço de 9600 mm/min, que é o dobro da taxa necessária e provavelmente levará à vibração excessiva da máquina, reduzindo o acabamento da superfície da peça e danificando a ferramenta.

Qual é o papel da máquina-ferramenta na medição da força de corte?

Investigação de funcionalidades de máquinas-ferramentas

A medição das forças de corte está intimamente ligada à eficiência das máquinas-ferramentas, pois elas fornecem a superfície da qual as forças durante o processo de usinagem são medidas e registradas. Na usinagem, as forças de corte são um dos parâmetros mais importantes que afetam o processo, a vida útil da ferramenta e a qualidade da peça. Os dispositivos de medição de força integrados ou externos necessários, como dinamômetros e células de carga, são instalados nas máquinas-ferramentas para medir essas forças. Esses sistemas oferecem medição de forças em tempo real nos eixos X, Y e Z, o que permite uma análise detalhada.

A medição da força de corte é constantemente aprimorada com novos tipos de sensores e sistemas de aquisição de dados com o objetivo de facilitar a medição e interromper o mínimo possível o processo de usinagem. Dinamômetros multicomponentes também são um exemplo. Eles podem medir forças de corte que são sensíveis e, portanto, são usados ​​com máquinas CNC para melhor controle. Além disso, a precisão com que as forças são medidas é afetada pela rigidez e estabilidade da máquina-ferramenta, o que requer que as condições de corte sejam adequadas à capacidade da máquina. Portanto, a integração desses sistemas de medição com as máquinas-ferramentas visa otimizar os parâmetros de corte, manter a estabilidade do processo e reduzir a possibilidade de desgaste da ferramenta ou deformação da peça de trabalho.

Usando máquinas-ferramentas para medir a força de corte

A medição da força de corte tem várias dependências que devem ser levadas em conta. A seguir, um resumo das mais importantes, juntamente com novas informações de pesquisas recentes:

As forças de corte são muito afetadas pela velocidade de corte e pela taxa de avanço. Um bom exemplo é a redução da força de corte com o aumento da velocidade de corte de 50 m/min para 200 m/min durante operações de torneamento devido ao amolecimento térmico, como foi mostrado em um estudo conduzido em ligas de aço. Por outro lado, aumentar as taxas de avanço de 0.1 mm/revolução para 0.3 mm/revolução aumenta as forças de corte em aproximadamente 60% devido à maior seção transversal do cavaco.

O ângulo de ataque da ferramenta de corte e sua composição de material também são muito importantes para as forças de corte. Por exemplo, ferramentas com ângulos positivos, como ângulo de ataque de +10°, produzem níveis de força mais baixos em comparação com ferramentas com ângulos de ataque neutros e negativos. Materiais mais resistentes, como carboneto cimentado ou diamante policristalino (PCD), têm maior resistência ao corte e, portanto, quanto mais duros esses materiais forem para cortar, mais usinagem ativa pode ser feita sem desgaste significativo da ferramenta.

Assim como a peça a ser usinada é dura e sua microestrutura refinada, também o é o grau em que o material é usinado. Por exemplo, usinar ligas de alumínio geralmente resulta em uma redução das forças de corte em 40%-50% quando comparado a aços carbono sob as mesmas condições de corte. Dados experimentais sugerem que materiais mais duros, como um aço cuja dureza é superior a 50 HRC, empregam forças maiores devido à resistência à remoção do material.

Fluidos de corte podem ser usados ​​para reduzir as forças de corte notavelmente, reduzindo o atrito nos limites ferramenta-cavaco e ferramenta-peça. Testes indicaram reduções nas forças de corte em 20%-30% ao utilizar fluidos de corte de alto desempenho ou sistemas MQL, quando comparados a processos de usinagem a seco.

O comportamento vibracional e a rigidez estática das máquinas-ferramentas também afetarão a medição. Máquinas com maior grau de rigidez dinâmica minimizam os erros na medição de forças devido à deformação ou trepidação do sistema, fornecendo assim melhores informações.

Armados com evidências empíricas quantificando esses fatores e seus efeitos, os fabricantes podem saber com antecedência como ajustar as condições de usinagem e a otimização do desempenho pode ser alcançada. Do ponto de vista da engenharia de precisão, a combinação de dinamômetros avançados e modelos analíticos permite a previsão precisa da força, o que aumenta a produtividade e a qualidade do produto.

Métodos eficientes de otimização da força de corte

Há uma ênfase crescente em telemetria em tempo real e aprendizado de máquina na otimização da força de corte. Sensores integrados em dinamômetros são capazes de registrar dados de força com maior precisão, mesmo em cenários de usinagem difíceis. Algoritmos avançados utilizam essas informações para prever a vida útil da ferramenta, diagnóstico de falhas e sugerir avanço, velocidades de corte e profundidade de corte.

O uso de novos materiais para ferramentas de corte, particularmente diamante policristalino (PCD) e compósitos cerâmicos, melhoraram muito a dinâmica de usinagem devido aos menores requisitos de força de corte e excelente qualidade de acabamento de superfície. Quando esses materiais são usados ​​em conjunto com usinagem criogênica ou sistemas avançados de resfriamento MQL, a vida útil da ferramenta e a produtividade são melhoradas. Em resumo, o emprego dessas técnicas resulta em fabricantes obtendo melhor desempenho e custo-benefício em indústrias economicamente agressivas.

Como você calcula o tempo de usinagem em fresamento CNC?

Os componentes do tempo relativos às operações de usinagem

O tempo de usinagem na fresagem CNC tem vários componentes principais, como o comprimento do corte, a taxa de avanço e a velocidade da ferramenta. Para uma usinagem eficiente, a precisão depende desses vários fatores e de sua correlação. O tempo básico de usinagem (T) pode ser calculado pela seguinte equação:

V = L / (F * N)

T = Tempo de usinagem em minutos

L = Comprimento total do corte em mm

F = Taxa de avanço em mm/revolução ou mm/minuto

N = Velocidade do fuso RPM

Dados de exemplo:

Material: liga de alumínio

Comprimento de corte (C): 150 mm

Taxa de avanço (F): 0.25 mm/rev

Velocidade do fuso (N): 1200 RPM

Aplicando a fórmula:

T = 150 / (0.25 * 1200)

T = 150/300 = 5 minutos ou 30 segundos.

Considerações para precisão:

Adapte a velocidade do fuso e a taxa de avanço de acordo com o material a ser usinado e as ferramentas utilizadas.

No planejamento detalhado, inclua tempos de configuração, tempos de troca de ferramentas e quaisquer outros tempos de espera operacional para aplicações industriais.

Para simulação, o software CAD/CAM pode dividir os tempos de usinagem em segmentos menores, aumentando assim a precisão e diminuindo a chance de erro, garantindo a otimização do ciclo.

Etapas para calcular o tempo de usinagem com a máxima precisão

Aqui está um esboço detalhado dos principais parâmetros e dados relevantes referentes ao cálculo do tempo de usinagem.

Tipo de material: liga de alumínio

Nível de dureza (se aplicável): Moderado

Condutividade térmica e características de desgaste (para consideração na seleção da ferramenta)

Comprimento de corte (C): 150 mm

Taxa de avanço (F): 0.25 mm/rev

Velocidade do fuso (N): 1200 rpm

Tipo de ferramenta: Fresa de inserto de carboneto

Diâmetro da ferramenta (se aplicável): personalizado dependendo do tipo de corte

Tipo de máquina: Torno CNC (e modo de operação)

Velocidade de superfície: é calculada e derivada com base na velocidade do fuso, caso isso não tenha sido feito anteriormente.

Carga de cavaco por dente: depende da ferramenta de corte e das hastes utilizadas.

Líquido de arrefecimento (se usado) – Deve ser aplicado para eficiência nos efeitos de resfriamento.

Atrasos Operacionais / Ajustes (Ajuste de Troca de Ferramentas, alinhamento de ferramentas e peças externamente)

Tempo de usinagem (T): 30 segundos ou 0.5 minutos

Ajustes adicionais (ajuste de permanência, ajuste de reação) – conforme apropriado para os valores finais.

Técnicas para melhorar a produtividade por meio de reduções no tempo de usinagem

Existem vários métodos que podem ser aplicados para melhorias de produtividade e redução de tempo em processos de usinagem:

• Ajuste as condições da ferramenta: alterar a taxa de avanço, a velocidade do fuso e a profundidade de corte do material usinado pode resultar em maiores taxas de remoção de material sem diminuir a qualidade da superfície ou a vida útil da ferramenta.
• Selecione ferramentas superiores: o uso de ferramentas de corte de alto desempenho, como pastilhas de carboneto revestidas, proporciona melhor resistência ao desgaste, estabilidade térmica e eficiência durante usinagem de alta velocidade operações.
• Adote usinagem de alta velocidade (HSM): a HSM melhora o rendimento de materiais mais macios durante os estágios de acabamento, diminuindo significativamente os tempos de ciclo.
• Aplique a mais nova tecnologia CNC: máquinas CNC modernas com aceleração e desaceleração aprimoradas, bem como trocas rápidas de ferramentas, diminuem o tempo de inatividade e ajudam a melhorar a velocidade com que a usinagem é feita.
• Reduza o tempo sem valor agregado: melhor planejamento e automação para configuração de ferramentas, retração e tempo de permanência economizam tempo considerável durante processos repetitivos ou em lote.
• Aplicação de refrigerantes: sistemas de refrigeração de alta pressão ou direcionados aplicados corretamente podem reduzir o desgaste da ferramenta devido ao superaquecimento e permitir cortes mais rápidos, mantendo cortes de excelente qualidade.

Perguntas Frequentes (FAQs)

P: Por que o cálculo de corte é essencial na usinagem CNC?

R: No que se refere ao cálculo de corte, este aspecto é importante na usinagem CNC porque auxilia na definição dos parâmetros de usinagem ideais para eficiência e precisão. Isso significa que a lâmina pode operar em uma velocidade e taxa de avanço ideais, minimizando o desgaste e a oxidação. Tal ação prolongará a vida útil do equipamento, bem como melhorará a qualidade das peças torneadas.

P: Como você calcularia a velocidade de corte no torneamento CNC?

R: A velocidade de corte no torneamento CNC pode ser calculada usando a fórmula: Vc = (π × D × N) / 12. Neste caso, o operador deve lembrar que Vc é a velocidade de corte em polegadas por minuto, D é o diâmetro da peça de trabalho e N é a velocidade de rotação expressa em revoluções por minuto. Esta fórmula de usinagem auxilia os operadores a determinar qual velocidade produzirá os resultados desejados.

P: Quais são os elementos básicos que afetam o cálculo da espessura do cavaco?

R: O cálculo da espessura do cavaco é influenciado pela taxa de avanço por revolução, geometria da lâmina, velocidade de usinagem e propriedades do material da peça de trabalho. Conhecer esses fatores ajuda a garantir que os processos de usinagem mais otimizados sejam utilizados para produzir cortes precisos.

P: Como o acabamento superficial teórico é avaliado na usinagem CNC?

A: O acabamento teórico da superfície é avaliado com base no avanço por unidade de distância, raio do nariz da ferramenta e amplitude de rotação. Essa teoria prevê a rugosidade da superfície e ajuda o operador a determinar a qualidade de superfície necessária para modificar os parâmetros de usinagem adequadamente.

P: Qual é o papel da usinabilidade no cálculo de corte?

R: Como uma das definições de usinabilidade, também se refere à facilidade de cortar o material e isso tem um efeito no cálculo de corte. À medida que a usinabilidade melhora, os requisitos de potência para as operações de corte e a deterioração da superfície também melhoram. O conhecimento da usinabilidade auxilia a definir melhor os parâmetros de corte, como a velocidade do fuso e a velocidade de alimentação para resultados ideais.

P: Quais etapas você segue para encontrar a melhor velocidade de rotação para torneamento CNC?

R: Analisando o diâmetro da peça de trabalho, a velocidade de corte preferida e suas características de material, pode-se determinar a velocidade de rotação ideal. Neste caso, os operadores aplicam a fórmula N = (12 × Vc) / (π × D) para calcular o RPM (rotações por minuto) necessário de uma forma que garanta tanto a precisão quanto a eficiência do processo de usinagem.

P: Por que a tolerância da taxa de avanço precisa ser atendida na usinagem CNC?

R: A taxa de avanço correta facilita o desgaste mínimo da ferramenta, bom acabamento de superfície e dimensões precisas. A taxa de avanço, que geralmente é em polegadas por minuto (IPM), define o volume médio de material removido por rotação, impactando, portanto, a eficácia e a precisão da usinagem.

P: O que é feito para melhorar o desempenho de corte em operações CNC?

A: Materiais de ferramentas avançadas, trocadores automáticos de ferramentas, otimização de parâmetros de usinagem e sistemas de refrigeração são usados ​​para reduzir a temperatura e a oxidação, melhorando assim o desempenho de corte e agindo como uma solução para as máquinas CNC. Essas práticas são de benefício considerável quando se busca maior produtividade, precisão ou vida útil estendida das operações CNC.

P: Qual é o método para calcular o raio de curvatura da peça torneada?

R: Para uma peça torneada, o raio de curvatura é determinado de acordo com o raio da ponta da ferramenta e a taxa de avanço. Este é um aspecto crucial, pois esses valores ajudam a calcular o contorno final da peça de trabalho. O contorno também deve satisfazer os requisitos do projeto. A medição do raio é essencial durante o torneamento CNC.

Fontes de Referência

1. “Cálculo direto dos parâmetros constitutivos do material Johnson-Cook para operações de corte oblíquo”(Nguyen e Hosseini, 2023)

• Publicado em 2023
• Autores: Nam Nguyen, A. Hosseini
• Principais conclusões: Os autores desenvolveram um método de cálculo direto para determinar os parâmetros constitutivos do material Johnson-Cook para operações de corte oblíquo, que podem prever com precisão as forças de corte e as temperaturas.
• Metodologia: Os autores usaram um modelo analítico combinado com validação experimental para calcular diretamente os parâmetros do material Johnson-Cook sem a necessidade de otimização iterativa.

2. “Cálculo e análise da força de corte quase dinâmica e energia de corte específica na microfresagem de Ti6Al4V” (Zhang et al., 2022, págs. 6067–6078)

• Publicado em 2022
• Autores: Yabo Zhang, Q. Bai, Fengrui Zhang, Peng Wang
• Principais conclusões: Os autores propuseram um modelo de cálculo para prever a força de corte quase dinâmica e a energia de corte específica na microfresagem da liga Ti6Al4V, que apresentou boa concordância com os resultados experimentais.
• Metodologia: Os autores desenvolveram um modelo analítico baseado na espessura do cavaco não deformado e na geometria da aresta de corte para calcular a força de corte e a energia de corte específica, e validaram o modelo por meio de experimentos.

3. “Cálculo ótimo e estudo experimental da força de corte de engrenagem hipoide processada pelo método de geração”(Jiang e outros, 2021, pp.)

• Publicado em 2021
• Autores: Chuang Jiang, Jing Deng, Xiaozhong Deng
• Principais conclusões: Os autores propuseram um método de cálculo ideal para a força de corte de engrenagens hipoides processadas pelo método de geração e validaram o modelo por meio de estudos experimentais.
• Metodologia: Os autores desenvolveram um modelo analítico para calcular a força de corte com base na geometria da engrenagem e nos parâmetros de corte, e conduziram experimentos para verificar a precisão do modelo.

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