Precisão de usinagem nas máquinas-ferramenta

A medição dos valores de posição nos acionamentos de avanço desenvolve um papel importante

Foto: Divulgação
Tradução: CIMM


Este artigo apresenta alguns dos fatores determinantes a ter em conta quando se realiza trabalhos de usinagem e discorro sobre as razões para se escolher um centro de usinagem.

Produtividade e precisão são dois aspectos determinantes da concorrência entre os vendedores de máquinas-ferramenta. No entanto, as condições de produção estão sujeitas a constantes mudanças. Assim, na fabricação de peças, por exemplo, é necessário produzir lotes cada vez menores, de forma barata e mais precisa. Na indústria aeroespacial é necessária uma capacidade máxima de remoção do material no desbaste, enquanto os processos de acabamento devem ser executados com muita precisão. No fresamento de moldes de alta qualidade são exigidos elevados níveis de remoção de material durante o desbaste a fim de obter uma excelente qualidade da superfície após o acabamento. Ao mesmo tempo, velocidades extremas de avanço são necessárias para que seja possível atingir as pequenas distâncias necessárias em um tempo aceitável de usinagem.

Dada a forte modificação das condições de produção, a precisão térmica das máquinas-ferramenta torna-se cada vez mais importante. As crescentes velocidades e acelerações são responsáveis pelo aquecimento dos eixos dos acionamentos de avanço.

Especialmente com pequenos lotes de produção, quando as tarefas de usinagem variam constantemente, não se pode chegar a uma condição térmica estável. Ao mesmo tempo, porém, a precisão da primeira peça ganha uma maior importância em termos de rentabilidade das ordens de fabricação.

Constantes mudanças entre as operações de perfuração, desbaste e acabamento aumentam as flutuações das condições térmicas de uma máquina-ferramenta. Durante o desbaste, o cabeçote atinge valores de potência de mais de 80%, enquanto que no acabamento os valores caem abaixo de 10%. As medições dos valores de posição nos acionamentos de avanço desenvolvem um papel importante na estabilização do comportamento térmico.

Estabilidade térmica da máquina-ferramenta
As soluções para evitar desvios induzidos termicamente tornaram-se mais cruciais do que nunca na fabricação de máquinas-ferramenta. Refrigeração ativa, cuidados com a estrutura das máquinas (para que seu desenho seja simétrico) e a medição de temperatura já são uma prática comum.

Uma grande fonte de dilatações térmicas são os eixos de avanço baseados em fusos de esferas recirculantes. A temperatura ao longo da distribuição do eixo pode variar rapidamente como resultado das velocidades e das forças de avanço. Em máquinas sem regras, as variações de comprimento resultantes (normalmente de 100 µm/m em 20 min) podem causar erros significativos na peça.

Medição da posição dos acionamentos de avanço
A posição de um eixo de avanço NF pode ser medida, basicamente, através do fuso de esferas em combinação com um encoder rotativo, ou com uma régua. Se a posição do carro é determinada utilizando um encoder rotativo, o fuso de esferas realiza duas funções: como um sistema de acionamento deve transmitir grandes forças, mas, ao mesmo tempo, como aparelho de medição, é esperada uma alta precisão e consistência do funcionamento do eixo. No entanto, o laço de controle de posição inclui apenas o encoder rotativo. Já que não é possível compensar as variações na mecânica do acionamento causadas pelo desgaste ou pela temperatura, neste caso tratamos do funcionamento em um ciclo semifechado. Erros de posicionamento dos acionamentos se tornam inevitáveis e podem ter uma influência considerável sobre a qualidade das peças.

Se estiver usando uma régua para medir a posição do carro, o circuito de controle inclui a mecânica completa do acionamento de avanço. Portanto, isso é chamado de circuito fechado de operação. A largura e as imprecisões dos elementos de transmissão da máquina não tem qualquer influência sobre a precisão da determinação da posição. Isto significa que a precisão da medição depende quase exclusivamente da exatidão e da situação de montagem da régua.

A consideração básica é aplicável tanto a eixos lineares como aos rotativos em que a posição pode ser medida com um mecanismo redutor conectado a um encoder rotativo no motor ou com um sistema angular de medida de alta precisão diretamente no centro da máquina. Através da medição angular alcançam-se graus de precisão de reprodutibilidade significativamente maiores.

Efeito da precisão do acionamento sobre a fabricação de peças

No setor de fabricação de máquinas, a procura por pequenas peças produzidas em pequenos lotes está aumentando consideravelmente. A precisão da primeira peça é, portanto, um importante fator econômico para empresas manufatureiras. Máquinas-ferramenta para a produção de pequenos lotes de alta precisão enfrentam um verdadeiro desafio. A constante alteração de processos, o alinhamento da peça, perfuração, desbaste e acabamento, provocam contínuas alterações nas condições térmicas da máquina.
 
Velocidades típicas de desbaste de uma peça variam entre 3 m/min e 4 m/min, enquanto as taxas de alimentação para acabamento normalmente variam de 0,5 m min e 1 m/min. Os movimentos rápidos para a troca de ferramentas aumentam ainda mais e de forma significativa, a velocidade média. Os avanços médios nos processos de perfuração e fresagem podem ser negligenciados na geração de calor no fuso de esferas recirculantes. Devido às fortes mudanças na velocidade de avanço, a distribuição de temperatura ao longo do fuso de esferas varia durante as diferentes etapas individuais do processo. O funcionamento em ciclos semifechados traz variações de carga sobre os fusos de esferas que podem afetar a precisão da peça, mesmo que as peças sejam usinadas de forma completa em um único processo. Por isso, para a fabricação precisa de peças pequenas, são absolutamente necessárias máquinas-ferramenta que funcionem em circuito fechado.
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