Uncover peak performance in HSM

Siemens PLM Software
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
velocidade
www.siemens.com/plm
white paper
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.
PLM Software
Respostas para a indústria.
Descubra o desempenho máximo em HSM
Sumário
Resumo
1
Um processo recém-proposto
2
Conclusão
6
Resumo
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.
Figura 1: Dois cortes mostram condições de
usinagem estável e com vibração.
7.200
Profundidade estável (mm)
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.
Diagrama de irradiação
de estabilidade
6.300
5.400
4.500
3.600
2.700
1.800
0.900
0
5.00
8.00
11.00
14.00
Velocidade de torneamento
(rpm x 103)
Figura 3: Condições de corte de teste mostradas em
um diagrama de irradiação de estabilidade.
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.
Figura 2: Tela do software NX™ que mostra cortes
de nível Z na peça de teste.
1
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
Velocidade de Corte
Material
Aço de baixa dureza
Aço normal
Ferramenta em aço <48 HRc
Aço temperado >48-56 HRc
Aço temperado >56-62 HRc
Aço temperado >62-65 HRc
Aço temperado >65 HRc
Aço inoxidável
Aço inoxidável de alta resistência
Ferro fundido de baixa dureza
Ferro fundido duro
Alumínio com <16% Si
Alumínio com >16% Si
Superligas
Superligas de alta resistência
Ligas com base em titânio
Grafite
Plástico macio
Plástico duro
Cobre
*
Nº
Grupo Seco
Usinagem
de canal
m/min
Acabamento
em rampa/hélice
m/min
Desbaste
lateral
m/min
Acabamento
lateral
m/min
Desbaste
de perfis
m/min
Acabamento
de perfis
m/min
1-2
3-4
5-6
7
7
7
7
8-9
10-11
12-13
14-15
16
17
20
21
22
90/225*
80/180*
50/160
125
80
50
35
95
60
175
150
MÁX
250
50
25
75
600
300
150
350
250
210
180
150
90
55
35
100
70
185
160
MÁX
280
60
30
80
600
400
175
450
375
310
280
250
150
80
55
155
120
250
200
MÁX
295
80
40
120
600
385
190
450
450
390
350
300
175
90
60
200
145
285
245
MÁX
325
120
50
145
400
450
250
550
325
280
240
200/170*
120/100*
100/80*
80/60*
125
80
250
200
MÁX
300
100
50
100
800
MÁX
200
MÁX
500
385
325
280
150
110
85
210
125
345
290
MÁX
345
150
75
170
500
MÁX
175
MÁX
Faz referência a ferramentas alternativas na tabela de seleção de ferramentas.
Alimentação/dente Fz Ø 8-10mm
Material
Aço de baixa dureza
Aço normal
Ferramenta em aço <48 HRc
Aço temperado >48-56 HRc
Aço temperado >56-62 HRc
Aço temperado >62-65 HRc
Aço temperado >65 HRc
Aço inoxidável
Aço inoxidável de alta resistência
Ferro fundido de baixa dureza
Ferro fundido duro
Alumínio com <16% Si
Alumínio com >16% Si
Superligas
Superligas de alta resistência
Ligas com base em titânio
Grafite
Plástico macio
Plástico duro
Cobre
Nº
Grupo Seco
Desbaste
de canais
mm/dente
Acabamento
rampa/hélice
mm/dente
Desbaste
lateral
mm/dente
Acabamento
lateral
mm/dente
Desbaste
de perfis
mm/dente
Acabamento
de perfis
mm/dente
1-2
3-4
5-6
7
7
7
7
8-9
10-11
12-13
14-15
16
17
20
21
22
0.090/0.045*
0.80/0.042*
0.070/0.041*
0.039
0.036
0.030
0.030
0.045
0.042
0.045
0.042
0.060
0.050
0.040
0.036
0.042
0.055
0.050
0.045
0.048
0.057
0.053
0.051
0.049
0.045
0.038
0.038
0.057
0.053
0.057
0.053
0.076
0.063
0.050
0.045
0.053
0.069
0.063
0.057
0.061
0.081
0.076
0.072
0.070
0.065
0.054
0.054
0.081
0.076
0.081
0.076
0.108
0.090
0.072
0.065
0.076
0.099
0.090
0.081
0.086
0.085
0.079
0.076
0.074
0.068
0.057
0.057
0.085
0.079
0.085
0.079
0.113
0.095
0.076
0.068
0.079
0.104
0.095
0.085
0.091
0.130
0.121
0.115
0.150/0.112*
0.120/0.104*
0.100/0.086*
0.090/0.086*
0.091
0.085
0.104
0.097
0.173
0.144
0.081
0.073
0.085
0.159
0.144
0.123
0.138
0.117
0.109
0.105
0.101
0.093
0.078
0.078
0.117
0.109
0.117
0.109
0.156
0.130
0.104
0.093
0.109
0.143
0.130
0.117
0.124
* Faz referência a ferramentas alternativas na tabela de seleção de ferramentas.
Figura 4: As tabelas mostram dados de corte recomendados do fabricante.
2
Bar headline
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 =
RPM_Máximo =
Ve l o c i d a d e _ C o r t e _ M á x _ e m _ m m / min
p*Diâmetro_Ferramenta
280*10 3
p*10
= 8912 ≈ 9000
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.
A sobreposição foi progressivamente aumentada até 3 mm. Os cortes a 7.000 e 9.500 rpm
permaneceram estáveis.
3
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.
Figura 5: A prova final.
Velocidade de Taxa de Carga do Profundidade
torneamento alimentação
cavaco de corte
(rpm)
(mm/min) (mm/dente) (mm) 0.5
Sobreposição lateral (mm)
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
6000
6500
7000
840
910
980
0.072
0.072
0.072
4
4
4
Estável
7500
8000
8500
9000
9500
10000
10500
11000
11500
1050
1120
1190
1260
1330
1400
1470
1540
1610
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
4
4
4
4
4
4
4
4
4
Vibração forte
Figura 6: Diagrama de irradiação de estabilidade.
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.
4
Vibração leve
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.
Velocidade de Taxa de
Carga do Profundidade
torneamento alimentação
cavaco de corte
(rpm)
(mm/min) (mm/dente) (mm) 0.5
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
10500
840
910
980
1050
1120
1190
1260
1330
1400
1470
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
11000
11500
1540
1610
0.072
0.072
4
4
Sobreposição lateral (mm)
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
Opção 1:
Reduzir a velocidade de
torneamento para 7.500 rpm.
A vibração é eliminada, mas
a eficiência da usinagem diminui.
A
Opção 2:
Aumentar a velocidade de
torneamento para 9.000 rpm.
A vibração é eliminada, mas
a eficiência da usinagem melhora.
Figura 7: Um aumento na velocidade de torneamento resulta em uma condição de corte estável e numa
eficiência de usinagem maior.
5
Bar headline
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.
Velocidade de Taxa de
Carga do Profundidade
torneamento alimentação
cavaco
de corte
(rpm)
(mm/min) (mm/dente) (mm) 0.5
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
10500
11000
11500
840
910
980
1050
1120
1190
1260
1330
1400
1470
1540
1610
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
0.072
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
Sobreposição lateral (mm)
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
Usinagem livre de vibração
a 9.500 rpm, com sobreposição
lateral de 3,5mm
MRR = 18,620 mm^3/min
B
Usinagem livre de vibração
a 11.500 rpm, com sobreposição
lateral de 0,5mm
MRR = 3,220 mm^3/min
A
Figura 8: A usinagem estável a uma rpm menor e com uma profundidade de corte maior é muito mais
eficiente do que uma usinagem com uma rpm muito maior e uma profundidade de corte menor.
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.
• Você pode aumentar a profundidade de corte enquanto diminui a sobreposição de modo
correspondente e vice-versa.
• Não use estes dados em peças de revestimento fino já que a frequência natural da peça
que está sendo usada muda durante o processo de usinagem.
6
Siemens PLM Software
A Siemens PLM Software, uma unidade de negócios da Siemens
Industry Automation Division, é líder em fornecimento global de
software e serviços de PLM (gerenciamento do ciclo de vida do
produto), com 6,7 milhões de usuários licenciados e mais de
63.000 clientes no mundo todo. Com sede em Plano, no Texas,
a Siemens PLM Software trabalha de forma colaborativa com
empresas para fornecer soluções abertas que as ajudam a
transformar mais ideias em produtos bem-sucedidos. Para obter
mais informações sobre os produtos e serviços da Siemens PLM
Software, visite www.siemens.com/plm.
Siemens PLM Software
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972 987 3000
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Américas
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5800 Granite Parkway
Suite 600
Plano, TX 75024
EUA
800 498 5351
Fax 972 987 3398
Europa
3 Knoll Road
Camberley
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Reino Unido
44 (0) 1276 702000
Fax 44 (0) 1276 702130
Ásia-Pacífico
Suites 6804-8, 68/F
Central Plaza
18 Harbour Road
WanChai
Hong Kong
852 2230 3333
Fax 852 2230 3210
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