Vida de Ferramentas e Condições Econômicas na Usinagem

Vida de ferramentas e condições econômicas Profª Ana Lúcia Nascimento Oliveira Descrição Formas de desgaste e avarias das ferramentas de corte fatores relacionados à vida das ferramentas de corte e condições econômicas de usinagem Propósito A falha da ferramenta de corte relacionada a avarias e desgastes pode influenciar importantes fatores como tempo de produção qualidade da peça usinada entre outros Conhecer os mecanismos de desgaste das ferramentas de corte e suas principais causas de avarias e desgastes pode impactar significativamente a produção bem como a análise das condições econômicas de usinagem Preparação Ao longo deste material você precisará consultar algumas constantes e coeficientes que podem ser obtidos nas tabelas de H OPITZ Objetivos Módulo 1 Mecanismos de desgaste e falha das ferramentas de corte Reconhecer os mecanismos que levam ao desgaste e à falha da ferramenta de corte Módulo 2 Vida das ferramentas de corte Identificar os fatores que influenciam na vida das ferramentas de corte Módulo 3 Condições econômicas de usinagem Analisar as condições econômicas de usinagem Introdução Para iniciar seus estudos assista ao vídeo a seguir e conheça os principais aspectos das avarias desgaste e vida das ferramentas de corte 1 Mecanismos de desgaste e falha das ferramentas de corte Ao nal deste módulo você será capaz de reconhecer os mecanismos que levam ao desgaste e à falha da ferramenta de corte Vamos começar Você reconhece os mecanismos de desgaste e falha das ferramentas empregadas no processo de fabricação por usinagem Assista ao vídeo a seguir e conheça os mecanismos de desgaste e falha das ferramentas empregadas no processo de fabricação por usinagem Avarias e mecanismos de desgaste na ferramenta de corte As ferramentas de corte estão sujeitas a danos durante o processo de usinagem que podem ser classificados como desgastes ou avarias O desgaste é definido como a perda microscópica de partículas do material da ferramenta de corte que ocorre de forma acumulativa durante o seu uso ao longo da vida da ferramenta Comentário É válido ressaltar a importância do conhecimento das causas das avarias e dos diferentes tipos de desgastes assim como seus mecanismos de desenvolvimento Dessa forma é possível tomar medidas preventivas que reduzam a velocidade com que esses danos afetam as ferramentas de corte e portanto aumentam sua vida útil A redução do número de trocas de ferramentas de corte impactará no processo não apenas com a redução de gastos com ferramentas mas também com a redução do tempo de máquina parada e consequente otimização do tempo de produção Observe alguns tipos de desgaste na imagem a seguir Tipos de desgaste As avarias nas ferramentas de corte podem ocorrer devido à perda de material ou a sua deformação plástica que ocasionam alterações na geometria da aresta cortante Dentre os fatores acima mencionados o desgaste e a avaria ocorrem pela perda de material da ferramenta de corte É importante diferenciálos Desgaste É decorrente da formação de trincas lascamento ou quebra da ferramenta de corte e ocorre subitamente A quebra da ferramenta é mais frequente em materiais que apresentam baixa tenacidade Trincas superficiais podem levar a lascamentos da aresta de corte enquanto trincas mais profundas podem levar à fratura da ferramenta Avaria É resultado das operações de corte quando ocorre a alteração de sua forma devido à perda gradativa de material Resulta em alterações na geometria da ferramenta e está relacionada à perda de massa Ocorre de forma contínua e gradual A deformação plástica da aresta de corte causa alterações em sua geometria Devido às elevadas tensões na aresta de corte haverá deslocamento do material por cisalhamento É mais frequente em ferramentas de corte com maior tenacidade e baixa resistência mecânica ao cisalhamento Portanto entre as principais causas para a substituição de ferramentas de corte nos processos de usinagem podese citar os desgastes e as avarias das ferramentas Mecanismos de desgaste O desgaste das ferramentas de corte pode ser causado por inúmeros fatores tais como Aresta postiça É formada pelo contato da ferramenta de corte com o cavaco havendo a aderância solda de uma parte do cavaco à superfície de saída da ferramenta de corte o que interfere em fatores como o desgaste da ferramenta e o acabamento superficial da peça Desgaste por abrasão É causado em geral pela presença de partículas de alta dureza na peça usinada associado à redução da dureza da ferramenta causada pela temperatura de corte Também pode ser causado pelo deslocamento de partículas duras de outras regiões da peça durante a usinagem levando ao desgaste de áreas adjacentes da ferramenta Aderência Está relacionada à formação da aresta postiça de corte Ocorre na interface entre a ferramenta de corte e a peça submetida a cargas moderadas baixa velocidade e baixa temperatura de corte Difusão Ocorre a transferência de átomos entre os metais da ferramenta do corte e do cavaco estando muito relacionada ao desgaste em cratera Tal fenômeno é diretamente proporcional à afinidade dos materiais à temperatura ao tempo de contato entre outros fatores Oxidação Ocorre devido à presença de água e ar nos fluídos de corte que não contêm antioxidantes em sua composição pois quando são expostos às altas temperaturas de usinagem levam à oxidação dos metais Além disso fluídos de corte podem se tornar ácidos quando não são conservados adequadamente causando oxidação da ferramenta de corte Desgastes na ferramenta de corte De acordo com a norma ISO 3685 1993 o desgaste na ferramenta de corte é a alteração de sua forma que ocorre durante as operações de corte devido à perda gradativa de material Tais perdas podem ocorrer a nível atômico O desenvolvimento do desgaste pode ser dividido em três estágios como visto na imagem a seguir Relação do desgaste da ferramenta de corte em função do tempo Veja a seguir a descrição das etapas Estágio I Acontece no início do corte com uma taxa de desgaste inicialmente alta que decresce com o tempo possivelmente pela acomodação da cunha de corte Estágio II Apresenta uma taxa de desgaste constante em função do tempo considerando que a ferramenta já se adequou no estágio I e agora está suscetível aos mecanismos de desgaste inerentes ao processo e aos materiais Estágio III Caracterizado por um rápido aumento na taxa de desgaste Devido ao alto nível de desgaste promovido na ferramenta as tensões e as temperaturas desenvolvidas durante o processo podem provocar o colapso da ferramenta Principais tipos de desgaste na ferramenta de corte Confira a seguir os principais tipos de desgaste identificados É o tipo mais frequente de desgaste de ferramentas Acontece na superfície de folga da ferramenta devido ao seu contato com a peça Desgaste frontal desgaste de flanco Desgaste de entalhe Está associado à velocidade de corte e ao aumento da temperatura Ocasiona um desgaste na ponta da ferramenta de corte que levará a modificações na qualidade superficial da peça usinada Surge nas áreas correspondentes às laterais dos cavacos Existem várias hipóteses para a formação deste tipo de desgaste tais como a existência de uma camada abrasiva de óxidos na superfície material da peça a ser usinada com camada superficial encruada entre outras Pode não estar presente em alguns processos de usinagem tais como processos que adotam ferramentas de metal duro recobertas com Al2O3 ferramentas cerâmicas e na usinagem de peças de material frágil Formase na superfície de saída da ferramenta de corte decorrente do atrito entre o cavaco e a ferramenta Desgaste de cratera Deformação plástica da aresta de corte Acontece devido à tensão aplicada na aresta cortante associada às altas temperaturas que podem levar à deformação plástica do material da ferramenta e possível quebra Existem formas de evitála tais como a alteração dos parâmetros de usinagem reduzindo a tensão e a temperatura na área de corte alterações na geometria da peça ou ainda optandose por materiais com maior dureza a quente e maior resistência à deformação plástica Esse tipo de desgaste gera problemas no acabamento superficial da peça e controle de cavaco gerado Ocorre perda abrupta de partículas maiores da ferramenta de corte que pode ser causada por fatores como fragilidade do material da ferramenta altas tensões mecânicas relacionados à profundidade de corte alta velocidade de avanço formação de arestas postiças entre outros O lascamento prejudica o acabamento da peça e sua propagação pode levar à fratura da ferramenta Lascamento Trincas Podem ser provocadas tanto pela variação brusca da temperatura origem térmica quanto por esforços mecânicos Trincas de origem térmica são caracterizadas por trincas perpendiculares à aresta cortante enquanto as trincas de origem mecânica são paralelas à aresta cortante Estas trincas podem ser provocadas por fatores como interrupções no corte distribuição irregular do fluido de corte e em operações de fresamento devido à variação na espessura de corte São encontradas frequentemente em ferramentas de corte de metal duro e cermet Cermet é um metal duro com partículas duras à base de titânio O nome é formado pelas palavras cerâmica e metal CERâmicaMETal são exemplos o carbeto de tungstênio WC e o carbeto de titânio TiC Considerando que o crescimento das trincas pode levar à fratura da ferramenta de corte podese tomar medidas para minimizar a sua formação e propagação tais como Empregar uma ferramenta de corte com elevada tenacidade Reduzir o avanço por dente Evitar o uso de fluídos de corte nas operações de fresamento Geralmente as ferramentas de corte quebram devido à propagação dos desgastes que se formam durante o processo de usinagem Contudo em alguns casos a quebra ocorre de forma abrupta provocada por fatores como alta dureza do material da ferramenta de corte altos níveis de carga Quebra incidindo sobre a ferramenta de corte interrupção do corte obstrução dos canais de saída do cavaco entre outros Falta pouco para atingir seus objetivos Vamos praticar alguns conceitos Questão 1 Desgastes na ferramenta de corte podem causar alterações em sua geometria e comprometer o acabamento superficial da peça usinada Dentre os tipos de desgaste podemos citar Parabéns A alternativa A está correta A desgaste de entalhe e de cratera B lascamento e interrupção C aderência e oxidação D trincas e difusão atômica E aderência e desgaste de entalhe Dentre os tipos de desgaste podemos citar desgaste frontal desgaste de entalhe desgaste de cratera lascamento trincas quebra e deformação plástica Aderência oxidação difusão atômica são mecanismos de desgaste Quanto à interrupção ela está associada à formação de trincas em cortes interrompidos Portanto a única alternativa que contém dois tipos de desgaste é a alternativa A desgaste de entalhe e em cratera Questão 2 Sabese que o desgaste das ferramentas de corte está relacionado a diferentes mecanismos Quanto aos mecanismos de desgaste é correto afirmar que Parabéns A alternativa C está correta Dentre os mecanismos de desgaste podemos citar Aresta postiça formase pelo contato da ferramenta de corte com o cavaco que leva à solda de uma parte do cavaco à superfície de saída da ferramenta de corte A o desgaste por abrasão está associado à presença de partículas de baixa dureza na peça usinada relacionado ao aumento da dureza da ferramenta a altas temperaturas B a oxidação dos metais não ocorre nas operações de usinagem tendo em vista que todos os fluidos de corte têm antioxidantes em sua composição C a aderência ocorre em operações de usinagem realizadas com cargas moderadas baixa velocidade e baixa temperatura de corte e está relacionada à formação da aresta postiça de corte D a aresta postiça formase pela aderência solda de uma parte do cavaco à superfície de saída da ferramenta de corte não havendo nenhum prejuízo ao acabamento superficial da peça E a difusão se dá pela transferência de átomos entre os metais da ferramenta do corte e do cavaco e está relacionada ao desgaste em flanco Desgaste por abrasão causado pela presença de partículas de alta dureza na peça usinada associada à redução da dureza da ferramenta causada pela temperatura de corte Aderência ocorre na interface entre a ferramenta de corte e a peça quando submetidas a cargas moderadas baixa velocidade e baixa temperatura de corte Está associada à formação da aresta postiça de corte Difusão ocorre pela transferência de átomos entre os metais da ferramenta do corte e do cavaco estando muito relacionada ao desgaste em cratera Oxidação está relacionada à presença de água e ar nos fluídos de corte que não contêm antioxidantes em sua composição pois quando são expostos às altas temperaturas de usinagem levam à oxidação dos metais 2 Vida das ferramentas de corte Ao nal deste módulo você será capaz de identicar os fatores que inuenciam na vida das ferramentas de corte Vamos começar Fatores e consequências na vida da ferramenta Assista ao vídeo a seguir e conheça os principais aspectos dos fatores e consequências na vida da ferramenta Fatores de inuência Primeiramente é necessário definir o que é a vida de uma ferramenta de corte Seu significado está ligado ao tempo que a aresta de corte da ferramenta trabalhará sem necessitar de um processo de afiamento ou substituição por qualquer motivo Dessa forma é necessário estabelecer critérios que possam definir o fim da vida da ferramenta e podem manter toda a operação dentro das condições planejadas de tempo execução e econômica A definição desse critério é bastante discutida até hoje e o desgaste como um valor limite vem sendo bem aceito como tal Fatores e consequências Diversos fatores apresentam uma relação bastante significativa com a vida da ferramenta sendo um deles a temperatura A temperatura e a vida da ferramenta têm uma relação inversa ou seja o aumento da temperatura provoca uma sensível diminuição da vida da ferramenta e isto foi modelado por meio da seguinte relação θ T n C Rotacione a tela Onde temperatura de corte vida da ferramenta de corte constantes do binômio ferramentapeça Nesse modelo fica claro que para que o produto seja constante qualquer variação da temperatura causará uma variação inversa na vida da ferramenta O valor de empiricamente determinado ocupa geralmente o intervalo entre 005 e 01 Mais alguns fatores que influenciam a vida da ferramenta são descritos a seguir A redução do ângulo de posição acarreta redução na espessura de corte mantidos constante o avanço e a profundidade de corte Essa variação ainda proporciona aumento na largura de corte e todos esses fatores reunidos proporcionam ampliação na vida de corte da ferramenta já que irão levar a uma melhor distribuição da temperatura de corte num pedaço da ferramenta Quanto maior for seu valor menor será a deformação do cavaco Isso traz como consequência uma menor temperatura além de menor pressão específica de corte e com isso menor será o desgaste da ferramenta Este é o fator que mais se destaca tendo em vista ser o principal responsável pela temperatura no espaço da formação dos cavacos Isso se dá pois se relaciona diretamente com a potência de corte e a velocidade de cisalhamento Seu aumento produzirá também a velocidade na interface do binômio ferramentacavaco Todos esses fatores reunidos irão proporcionar uma significativa variação na temperatura de forma direta θ T n e C n Ângulo de posição Ângulo de saída Velocidade de corte Outros fatores semelhante à velocidade de corte podem produzir essa variação na vida da ferramenta tais como o aumento do avanço e da profundidade de corte porém eles acarretam variações em proporções menores do que a variação da velocidade de corte Diante desse cenário por meio de um processo de otimização de todos esses parâmetros de usinagem que interferem no desgaste da ferramenta e consequentemente em sua vida é possível proporcionar o máximo de rendimento na operação de usinagem Uma forma de garantir ou obter essa otimização é utilizar melhores e se possível mais modernas máquinasferramentas e ferramentas de corte no processo de usinagem Essa é sem dúvida a melhor maneira de garantir uma otimização de forma generalizada Uma vez que esses parâmetros foram obtidos por essa utilização podese melhorar tais fatores buscando otimizar as condições de corte Para essas condições citamse os parâmetros velocidade de corte avanço e profundidade de corte que são os principais fatores responsáveis pela variação da vida da ferramenta Nem sempre será possível alterar algum desses parâmetros visando otimizálos Haverá casos por exemplo em que a profundidade de corte é apenas o sobremetal que foi deixado visando a etapa posterior de acabamento Nessa situação não é viável modificar esse parâmetro O avanço é outro fator relevante Ele é diretamente responsável pelo acabamento superficial Logo em operações que envolvam somente acabamento não existe muita folga para alterar visando uma otimização Porém caso haja folga o avanço deve ser maximizado pois dessa forma o volume de cavaco a ser retirado será o máximo possível e no menor tempo deixando como limitante desse avanço a potência da máquina de corte e a resistência mecânica da aresta de corte Equação de Taylor para estimativa da vida da ferramenta O parâmetro responsável pela maior influência no desgaste de uma ferramenta e consequentemente na sua vida é a velocidade de corte Por isso comumente quando se pretende estabelecer qualquer curva que mostre a vida de uma ferramenta o parâmetro escolhido é a velocidade de corte Assim sendo o gráfico que mostra a relação do tempo de vida de uma ferramenta com a velocidade de corte é definido como curva de vida de uma ferramenta tendo sido Taylor o primeiro pesquisador a observar essa relação direta entre o tempo de vida de uma ferramenta e a velocidade de corte mantidos constantes o avanço e a profundidade de corte Modelo de vida de ferramenta de corte Por meio dos seus processos empíricos Taylor pode estabelecer um modelo dessa relação que envolve a velocidade de corte e a vida da ferramenta de corte O modelo chamase equação de Taylor vejao a seguir Rotacione a tela Onde vida da ferramenta de corte velocidade de corte e constantes que dependem do binômio peçaferramenta e das condições de corte tais como avanço profundidade de corte fluido de corte etc Dica As constantes e podem ser obtidas nas tabelas de H OPITZ que você baixou no item Preparação no início deste material Recomendase o uso de valores médios para e Algumas tabelas utilizam outras constantes a partir do modelo citado como as apresentadas a seguir Rotacione a tela Rotacione a tela Dessa forma temse T K vcx T vc x K x K x K y 1 x C K 1 x Rotacione a tela Taylor observou em seus ensaios que seria importante envolver dois outros parâmetros na relação com a vida da ferramenta o avanço e a profundidade de corte que influenciam de forma direta o desgaste da ferramenta e consequentemente a sua vida Dessa forma o modelo expandido da equação de Taylor levando em consideração os efeitos do avanço e a profundidade de corte seria Rotacione a tela Onde e são constantes e dependem dos materiais utilizados A vida de uma ferramenta tem uma relação bastante significativa com os parâmetros do material que a compõem e a simples alteração do fornecedor da ferramenta já causa grandes variações Há também outros parâmetros tais como substratos coberturas geometria da aresta etc Os fatores de correção indicam a variação de dureza do material usado no ensaio e o material que está sendo usinado Também corrigem a velocidade de corte devido à diferença entre o ângulo de posição da ferramenta entre o material que está sendo usinado e os utilizados nos ensaios Esses fatores de correção são mostrados em tabelas Fatores de correção São aqueles que aproximam os valores teóricos calculados dos práticos obtidos nos ensaios para determinado tempo de vida Alterações dos parâmetros de corte Para que se entenda bem a importância da variação de alguns parâmetros outros devem permanecer constantes A potência de corte depende da pressão específica da velocidade de corte do avanço e da profundidade de corte Admitindose constantes a potência e a área da seção de corte aumentandose o avanço e diminuindose na mesma proporção a profundidade de corte verificase que a pressão específica de corte diminui e isso traz como consequência a vc T y C f ap f ap vc x f y ap z T Q x y z Q possibilidade de se trabalhar com uma velocidade de corte maior mantendose a potência de corte constante O aumento da velocidade de corte permitirá uma retirada maior da quantidade de cavaco por unidade de tempo Embora as variações ocorram na mesma proporção a influência do avanço no desgaste é maior que a profundidade de corte Com isso o aumento do avanço embora havendo também uma diminuição da profundidade acarreta aumento do cavaco bem como o aumento do desgaste da ferramenta Se essa operação for acompanhada de aumento da velocidade de corte maior ainda será o desgaste Atenção Desses três parâmetros velocidade avanço e profundidade a velocidade é a que tem maior influência no desgaste e consequentemente na vida da ferramenta Assim se a velocidade de corte for reduzida na mesma proporção que o avanço for aumentado haverá crescimento na vida da ferramenta Essa situação porém tem como limite mínimo que não deve ser ultrapassado o da velocidade crítica de corte É importante verificar que o aumento do avanço proporciona aumento na rugosidade da peça e devese atentar que se ele ultrapassar a metade do raio de ponta pode causar fratura na ferramenta Em operações cujos objetivos sejam somente remover material sem preocupação com o acabamento as chamadas operações de desbaste o avanço e a profundidade de corte devem ser os maiores possíveis e a velocidade de corte pequena Assim há grande remoção da quantidade de cavaco e uma otimização da vida da ferramenta Por fim em operações cujos objetivos sejam alcançar qualidade superficial e maiores precisões denominadas operações de acabamento o avanço e a profundidade de corte devem ser pequenos com velocidade de corte alta visando remover uma quantidade razoável de cavaco e otimizar a vida da ferramenta Exemplo de aplicação da equação de Taylor Uma peça de aço ABNT SAE 1035 deve ser usinada em um Torno Mecânico Sabese que os valores das constantes da equação de Taylor para o torneamento de peças em aço ABNT SAE 1035 com ferramenta de metal duro do grupo P10 avanço de 02 mmrot e profundidade de corte de 1 mm são 365 e 127 x 1010 Dica Essas constantes podem ser obtidas nas tabelas de H OPITZ que você baixou no item Preparação no início deste material x K Perguntase A Qual será a vida da ferramenta para uma velocidade de corte de 240 mmin B Qual será a vida da ferramenta para uma velocidade de corte de 190 mmin C Qual será a vida da ferramenta para uma velocidade de corte de 130 mmin D A qual conclusão podemos chegar em relação à inuência da velocidade de corte sobre a vida da ferramenta Solução A Determinação da vida da ferramenta para uma velocidade de corte de 240 Pela equação de Taylor substituindo valores temse Rotacione a tela B Determinação da vida da ferramenta T para uma velocidade de corte de 190 T vc mmin T K vcx T 1 27 1010 240365 26 minutos vc mmin Pela equação de Taylor substituindo valores temse Rotacione a tela C Determinação da vida da ferramenta T para uma velocidade de corte de 130 Pela equação de Taylor substituindo valores temse Rotacione a tela D Conclusões Observe a tabela a seguir Condições de torneamento Material da ferramenta Metal duro P10 Material da peça Aço ABNT SAE 1035 Avanço f 02 mmrot Profundidade de corte ap 1 mm Velocidade de corte vc Vida da ferramenta T min 240 mmin 26 min 190 mmin 61 min 130 mmin 244 min T K vcx T 1 27 1010 190365 61 minutos vc mmin T K vcx T 1 27 1010 130365 244 minutos Concluise que mantidas as mesmas condições de torneamento à medida que aumentamos a velocidade de corte objetivando o aumento da produtividade há considerável diminuição na vida da ferramenta Isto pode ser observado pela equação de Taylor onde a velocidade de corte encontrase no denominador da equação como indicado na equação a seguir Rotacione a tela Logo o aumento da velocidade acarreta diminuição na vida da ferramenta Continue seus estudos e abordaremos os critérios de análise das condições consideradas econômicas de usinagem Teremos a oportunidade de verificar que há um intervalo de máxima eficiência limitado pela velocidade de corte de máxima produção e velocidade de corte de mínimo custo de produção T T K vx c Falta pouco para atingir seus objetivos Vamos praticar alguns conceitos Questão 1 O significado da vida de uma ferramenta está associado ao tempo que a aresta de corte da ferramenta irá trabalhar sem de necessitar um processo de afiamento ou substituição Esse conceito traz algumas considerações I Somente a velocidade de corte altera a vida de uma ferramenta II Alguns fatores podem alterar a vida de uma ferramenta III O avanço não interfere na vida de uma ferramenta Está correto o que se afirma em Parabéns A alternativa B está correta A afirmação I está incorreta porque não é só a velocidade de corte que altera a vida da ferramenta Já a afirmação II está correta porque são vários os fatores que alteram a vida da ferramenta dentre eles destacamse velocidade de corte avanço da ferramenta e profundidade de corte A afirmação III está incorreta porque o avanço interfere na vida de uma ferramenta Questão 2 O principal parâmetro responsável pela maior influência no desgaste de uma ferramenta e consequentemente na sua vida é a velocidade de corte Esse conceito traz algumas considerações Mantidas constantes a potência de corte identifique nas afirmações abaixo aquelas verdadeiras I O aumento do avanço da ferramenta e da profundidade de corte na mesma proporção aumenta a vida de uma ferramenta II A diminuição do avanço da ferramenta e da profundidade de corte na mesma proporção aumenta a vida de uma ferramenta III O aumento do avanço da ferramenta e a diminuição da profundidade de corte na mesma proporção aumentam a vida de uma ferramenta A I somente B II somente C III somente D I e II E II e III A Somente a I Parabéns A alternativa C está correta A afirmação I está incorreta porque o aumento do avanço e a diminuição da profundidade de corte é que proporcionarão o aumento da vida de uma ferramenta Assim como a afirmação II também está incorreta porque não seria a diminuição do avanço mas o seu aumento mantido constante à proporção da redução da profundidade de corte que traria aumento na vida da ferramenta Já a afirmação III está correta porque mantida constante a potência de corte essa variação traz aumento na vida da ferramenta 3 Condições econômicas de usinagem B Somente a II C Somente a III D I e II E II e III Ao nal deste módulo você será capaz de analisar as condições econômicas de usinagem Vamos começar Você sabe quais são os critérios de análise das condições econômicas de usinagem Assista ao vídeo a seguir e conheça os critérios de análise das condições econômicas de usinagem Taxa e custo de produção Atualmente o processo de usinagem ainda é um dos mais utilizados pela indústria devido a vários fatores dentre os quais destacamse a precisão na fabricação de peças mesmo com geometrias bastante complexas e sua elevada taxa de produtividade A velocidade de corte dentre os parâmetros de corte da usinagem permite obter a melhor relação custobenefício do processo ou seja a união da máxima produção com o menor custo Neste parâmetro podese obter a velocidade de corte que conduzirá à máxima produção denominada velocidade de corte de máxima produção e aquela que conduz ao menor custo denominada velocidade de corte de mínimo custo Com isso podese estabelecer um intervalo denominado intervalo de máxima eficiência IME Cabe ressaltar que velocidades de cortes muito baixas ou muito altas são igualmente indesejáveis haja vista que velocidades baixas resultam em baixa produção e velocidades muito altas resultam em muitas trocas de ferramentas ou seja ambas trazem condições econômicas de usinagem desfavoráveis Assim fazse necessário um estudo desses dois extremos que são parâmetros para se obter a melhor relação custobenefício no processo Taxa de produção peças produzidasmin A taxa de produção permite conhecer a quantidade de peças que se pode produzir por minuto Ela é obtida pelo inverso do tempo total de confecção de uma peça como demonstrado pela equação a seguir Rotacione a tela Para obtenção da taxa de máxima produção o tempo total de confecção de uma peça deve ser o menor possível Para tanto é necessário determinar a velocidade de corte de máxima produção Velocidade de corte de máxima produção Para se definir a velocidade de corte de máxima produção é preciso conhecer o tempo total de confecção de uma peça e que para este caso deverá ser mínimo no processo supondo que os outros parâmetros de corte como avanço e profundidade de corte permaneçam constantes Esse tempo total depende de vários tempos intermediários ao longo do processo relativos ao manuseio da peça aproximação e afastamento preparo da máquina trocas de ferramentas vida da ferramenta e tempo de Tp tt Tp 1 tt peças min Tp máx x tt min tt corte efetivo Portanto o tempo total é estabelecido como Rotacione a tela Onde tempo total de confecção de uma peça tempo de corte efetivo tempo de manuseio da peça tempo de aproximação e afastamento tempo de preparo da máquina tempo de substituição da ferramenta remoção e colocação da nova ferramenta número de peças fabricadas num lote tempo de vida da ferramenta O tempo de corte efetivo é aquele gasto pela ferramenta quando ela está removendo cavaco ou seja o tempo que efetivamente a ferramenta é gasta Ele é definido por Rotacione a tela Onde percurso de avanço em mm diâmetro da peça em mm avanço em mmvolta velocidade de corte em mmin Taylor estabeleceu um modelo em que o tempo de vida é uma função da velocidade de corte que depende de duas constantes e do material para determinadas condições de usinagem Assim tt tc ts ta tp Z 1 Z tft tc T tft tt tc ts ta tp tft Z T tc lf π d 1000 f vc lf d f vc x K Rotacione a tela Substituindose esses modelos na equação do tempo total podese obter o tempo total dividido em três parcelas Rotacione a tela Onde parcela correspondente ao tempo de corte efetivo tempo produtivo parcela corresponde ao tempo total não produtivo parcela correspondente ao tempo de troca de ferramenta Por meio dos gráficos a seguir podemos observar o comportamento de cada tempo em relação à variação da velocidade de corte Veja Gráco do tempo de corte em relação à variação da velocidade de corte T K vx c tt tt lf π d 1000 f vc tc ts ta tp Z tft Z t1 lf π d vx1 c 1000 f K tft t2 tc t1 t2 tc Vc Gráco do tempo total não produtivo em relação à variação da velocidade de corte Gráco do tempo de troca da ferramenta de corte em relação à variação da velocidade de corte Gráco do tempo total de confecção de uma peça em relação à variação da velocidade de corte A partir do último modelo podese estabelecer seja por derivação seja por método gráfico o ponto mínimo do tempo total de confecção de uma peça e conforme dito anteriormente admitindose avanço e profundidade de corte constantes o valor da velocidade de corte de máxima produção é determinado por t1 Vc t2 Vc tt Vc vcmxp Rotacione a tela Observe no gráfico a seguir Retornando esse modelo na equação de Taylor podese determinar o tempo de vida da ferramenta para a máxima produção Rotacione a tela Custo de produção por peça produzida Rpeça O custo de produção por peça produzida pode ser calculado pela seguinte equação Rotacione a tela Onde custo do homemhora custo da horamáquina tempo total de confecção de uma peça vcmxp x K x 1 tft Tmxp x 1 tft Kp Sh Sm 60 tt Kft ZT Sh Sm tt tt custo da ferramenta por vida de cada aresta número de peças usinadas por vida de cada aresta Comentário Considere que Para obtenção do custo mínimo de produção é necessário determinar a velocidade de corte de mínimo custo ou seja aquela velocidade que permitirá a obtenção de um tempo total de confecção de uma peça que possibilite a otimização dos custos de produção Velocidade de corte de mínimo custo Substituindose a equação para o cálculo do tempo total de confecção de uma peça na equação para o custo de produção por peça chegamos à seguinte equação Rotacione a tela Onde Rotacione a tela Onde é uma constante que independe da velocidade de corte Rpeça Kft ZT ZT T Vida da ferramenta por aresta tc tempo de corte Kp min vo tt tt Kp t1 60 1 Z Sh Sm C1 tc 60 Sh Sm C2 tc T Kft tft 60 Sh Sh C3 Kp C1 tc 60 C2 tc T C3 C1 é a soma das despesas com mão de obra e com máquina Rhora é a constante de custo relativo à ferramenta de corte No gráfico a seguir podemos observar o comportamento de cada custo em relação à variação da velocidade de corte Custo de produção versus velocidade de corte Usando a derivação ou o método gráfico para obtenção da velocidade de corte de mínimo custo temse Rotacione a tela Onde Rotacione a tela Rotacione a tela Substituindo a equação da velocidade de corte de custo mínimo na equação de Taylor podese determinar o tempo de vida da ferramenta para o custo mínimo de produção pela seguinte equação Rotacione a tela C2 C3 v vo x C2 K 60 x 1 C3 C2 Sh Sm C3 Kft tft 60 Sh Sm vo To To 60 x 1 C3 C2 60 x 1 Kft Sh Sm x 1 tft Para o cálculo das velocidades de máxima produção e de mínimo custo e dos respectivos tempos de vida da ferramenta para máxima produção e mínimo custo é necessário conhecer antes os coeficientes e da equação de Taylor os quais são definidos experimentalmente Dica Lembrese esses coeficientes podem ser obtidos nas tabelas de H OPITZ que você baixou no item Preparação no início do seu estudo Recomendase o uso de valores médios para e Eciência A eficiência em um processo de usinagem é descrita pelo intervalo de máxima eficiência IME que representa o intervalo compreendido entre a velocidade de corte de máxima produção e a velocidade de corte de mínimo custo É imperativo que a eficiência dos processos de usinagem esteja dentro desse intervalo Observe o gráfico a seguir Intervalo de máxima eficiência no processo de usinagem Em uma rápida análise do gráfico acima observase que velocidades inferiores à velocidade de mínimo custo proporcionam um aumento nos custos devido aos longos tempos de cortes trazendo um aumento significativo para os custos de operação das máquinas e com seus operadores No extremo oposto caso haja velocidades acima da de corte de máxima produção haverá também aumento dos custos da produção porque envolverá um custo de ferramentas das máquinas e seus operadores devido à elevada frequência das interrupções dos processos para as trocas de ferramentas Em ambos os casos haverá queda da produção Trabalhando dentro do intervalo de máxima eficiência IME elevandose a velocidade desde o mínimo custo até a máxima produção também haverá elevação dos custos porém ocorrerá ainda aumento de produção Essa prática deve ser usada sempre que deseje aumento da produção em número de peças No entanto deve se tomar o cuidado para não ultrapassar a velocidade de máxima produção pois a partir daí a produção iria reduzir com aumento de custos x K x K Análise do intervalo de máxima eciência A velocidade de corte é um parâmetro bastante decisivo no processo de usinagem e do seu valor dependerá a máxima eficiência da operação Haverá casos em que será necessária a aproximação da velocidade de máxima produção e casos em que ela deverá se aproximar do mínimo custo Exemplo Quando se requer uma elevada produção em que o prazo de entrega é um fator determinante a velocidade de corte deve se aproximar da velocidade de máxima produção Caso contrário em cenários de baixa produção ela deve se aproximar do mínimo custo É preciso contudo observar que ela deve sempre permanecer no intervalo de máxima eficiência Devemos considerar nessa análise casos de uma linha de produção em que está bem destacado um equipamento ou máquina que representa o maior fluxo do processo em detrimento dos demais Quando isso ocorre o correto é trabalhar nesse equipamento ou máquina somente na condição de máxima produção e nos demais na condição de mínimo custo Outro fator bastante importante na utilização do intervalo de máxima eficiência é o tempo de produção ou seja o tempo para que a fábrica entregue o produto ao mercado também conhecido como takt time porque devese conhecer o tempo ideal para que o produto seja entregue para a demanda Se o produto for gerado num tempo menor haverá estoque caso contrário produzse atraso na entrega ou seja o ideal é que a produção respeite o takt time Todas essas análises das condições de mínimo custo e de máxima produção foram feitas no tempo em que as máquinas eram utilizadas para desenvolver grandes lotes e com equipamentos mecanizados com tempo de preparação elevado Atualmente os processos de fabricação se alteraram profundamente trazendo os lotes para quantidades bem menores com tempo de preparação próximos a zero As máquinas permitiam tempo de troca da ferramenta muito pequeno ou nulo nos casos de centros de usinagem em que a troca era feita sem interrupção utilizando ferramenta alternativa enquanto ocorre a troca Diante desse cenário de alteração dos processos trazendo para o universo da automatização é imperativo analisar as novas condições econômicas do processo Para isso reflita sobre os três fatores a seguir O tempo de troca da ferramenta que é muito pequeno ou nulo A i l id d d á i d ã t it l d té i fi it Exemplo de aplicação das condições econômicas de usinagem Para fins de análise e conclusões vamos analisar um exemplo completo de aplicações das condições econômicas de usinagem Uma peça de aço ABNT SAE 1035 deve ser usinada em um Torno Mecânico Sabese que os valores das constantes da equação de Taylor para o torneamento de peças em aço ABNT SAE 1035 com ferramenta de Assim a velocidade de máxima produção se torna muito elevada ou até mesmo infinita e nessas condições a velocidade máxima de operação é aquela que o sistema pode suportar obedecendo os parâmetros de potência e rotação da máquina bem como a qualidade da peça a ser trabalhada Esse é um caso em que o intervalo de máxima eficiência é bastante grande já que as condições de máxima produção se afastam muito das condições de mínimo custo e com isso o custo de se operar na máxima produção é bem elevado O tempo de preparação da máquina para operação de um lote é muito pequeno Como as duas condições extremas dependem desse fator as duas velocidades praticamente não se modificam fazendo com que o intervalo de máxima eficiência permaneça inalterado O tamanho reduzido dos lotes que proporcionaria uma vida da ferramenta muito maior do que o tamanho do lote A forma de atenuar isso é constituir um conjunto de peças que têm as mesmas características ou seja mesmo material formas e tamanhos semelhantes e considerálas como sendo um único lote Isso faria com que esse lote tivesse um número de peças suficientemente grande para aplicação de todo o processo de operação definido para esse tipo de situação metal duro do grupo P10 avanço de 02 rot e profundidade de corte de são Dica Essas constantes podem ser obtidas nas tabelas de H OPITZ que você baixou no item Preparação no início deste material Sabese ainda que o diâmetro da peça é de o comprimento a ser torneado é de percurso de avanço total da ferramenta o tempo total não produtivo é de 15 minutos Calcule a A velocidade de corte máxima de produção considerando que o tempo para substituição da ferramenta de corte é de 1 minuto b O tempo de vida da ferramenta para a máxima produção c A velocidade de corte de mínimo custo considerando que o tempo para troca da ferramenta de corte é de 1 minuto o custo do homemhora é de R1500hora o custo da horamáquina é de R 2500hora e o custo da ferramenta por vida de cada aresta é de R1000aresta d O tempo de vida da ferramenta para o custo mínimo de produção e O custo de produção para uma taxa de máxima produção f A taxa de produção para um custo mínimo de produção Solução a Cálculo da velocidade de corte máxima de produção considerando um tempo para troca da ferramenta de corte de 1 minuto A equação para o cálculo da velocidade de corte máxima de produção é a seguinte Rotacione a tela Substituindo dados temse mm 1mm x 3 65 e K 1 27 1010 85mm 200mm t1 vcmxp tft Tmxp vo tft Sh Sm Kft To vcmxp tft vcmxp vcmxp x K x 1 tft Rotacione a tela b Cálculo do tempo de vida da ferramenta para a máxima produção A equação para o cálculo do tempo de vida da ferramenta para a máxima produção é a seguinte Rotacione a tela Substituindo dados temse Rotacione a tela c Cálculo da velocidade de corte de mínimo custo Considere as seguintes variáveis Tempo de substituição da ferramenta 1 minuto Custo do homemhora R 1500hora Custo da horamáquina R 2500hora Custo da ferramenta por vida de cada aresta R 1000aresta A equação para o cálculo da velocidade de corte de mínimo custo é a seguinte vcmxp x K x 1 tft 365 1 27 1010 3 65 1 1 449mmin Tmxp Tmxp Tmxp x 1 tft Tmxp 3 65 1 1 2 65 minutos v0 tft Sh Sm Kft vo vo x C2 K 60 x 1 C3 Rotacione a tela Onde hora aresta Substituindo dados temse Rotacione a tela d Cálculo do tempo de vida da ferramenta para o custo mínimo de produção T A equação para o cálculo do tempo de vida da ferramenta para o custo mínimo de produção To é a seguinte Rotacione a tela Substituindo dados temse Rotacione a tela e Cálculo do custo de produção para uma taxa máxima de produção Sabemos que a taxa de produção é obtida pela seguinte equação C2 Sh Sm R15 00 R25 00 R40 C3 Kft tft 60 Sh Sh 10 1 60 40 R10 67 vo x C2 K 60 x 1 C3 365 40 1 27 1010 60 3 65 1 10 67 210mmin To 60 x 1 C3 C2 60 x 1 Kft Sh Sm x 1 tft T0 60 x 1 Kft Sh Sm x 1 tft 60 3 65 1 10 40 3 65 1 1 42 4min Rotacione a tela Vimos que para se obter a taxa de máxima produção máx é necessário que o tempo total de confecção de uma peça seja o menor possível Para tanto precisamos utilizar a velocidade de corte de máxima produção obtida na letra a deste exemplo como sendo Rotacione a tela Vimos que o tempo total de produção pode ser calculado pela seguinte equação Rotacione a tela Logo o será Rotacione a tela Vamos primeiramente calcular o valor de cada parcela da equação ou seja Rotacione a tela Onde percurso de avanço 205 mm diâmetro da peça 85mm Tp 1 tt peças min Tp tt min vcmxp vcmxp 499mmin Tp máx 1 tt min peças min tt lf π d 1000 f vc tc ts ta tp Z tft Z t1 lf π d vx1 c 1000 f K tft t2 tt min tt min lf π d 1000 f vcmxp tc min ts ta tp Z tft Z t1 lf π d vcmxpx1 1000 K tft t2 min tc min t1et2 tc min lf π d 1000 f vcmxp 205 π 85 1000 0 2 449 0 61min lf d avanço da ferramenta 02 mmrot velocidade de corte para máx produção 449 mmin Considere que Rotacione a tela Onde tempo de manuseio da peça tempo de aproximação e afastamento da ferramenta tempo de preparo da máquina tempo de troca da ferramenta número de peças fabricadas num lote Além disso Rotacione a tela Rotacione a tela Agora podemos calcular o Rotacione a tela Assim a taxa de produção máxima será f vcmxp t1 ts ta tp z tft z 3 5 minutos Tempo total não produtivo ts ta tp tft Z t2 lf π d vcmxpx1 1000 f K tft 205 π 85 44993651 1000 0 2 1 27 1010 1 t2 0 23min tt min tt min tc min t1 t2 0 61 1 5 0 23 2 34min Tp máx 1 tt min 1 2 34 0 43 peças min Rotacione a tela Onde custo do homemhora R 1500hora custo da horamáquina R 2500hora tempo mínimo total para uma taxa de máxima produção 244 min custo da ferramenta por vida de cada aresta R 1000 aresta número de peças usinadas por vida de cada aresta onde Rotacione a tela Onde Rotacione a tela Rotacione a tela Com essas informações podemos responder à pergunta calculando o custo de produção para uma taxa de produção máxima Rotacione a tela f Cálculo da taxa de produção para um custo mínimo de produção Sabemos que a taxa de produção é obtida pela seguinte equação Sh Sm tt min Kft ZT ZT T Vida da ferramenta por aresta tc tempo de corte ZTTmxp Tmxp Vida da ferramenta para máxima produção tc min 2 65 calculada na letra b 0 61 ZTT mxp 4 34 peçasaresta KpTp máx Sh Sm 60 tt min Kft ZTTmxp 15 25 60 0 61 10 4 34 R2 71peça Rotacione a tela Para obtermos a taxa de produção para um custo mínimo de produção será necessário inicialmente calcular o tempo total de produção para uma velocidade de corte de mínimo custo de produção obtida na letra c deste exemplo como sendo Rotacione a tela Onde Rotacione a tela Vamos primeiramente calcular o valor de cada parcela da equação ou seja Rotacione a tela Onde percurso de avanço 205 mm diâmetro da peça 85mm avanço da ferramenta 02 mmrot velocidade de corte para mínimo custo 210 mmin O tempo independe da velocidade de corte e portanto permanece constante Tp 1 tt peças min vo vo 210mmin TpKp min 1 ttKp min peças min ttKp min lf π d 1000 f vo tc ts ta tp Z tft Z t1 lf π d vx1 o 1000 f tft t2 tc min t1et2 tc min lf π d 1000 f vo 205 π 85 1000 0 2 210 1 30min lf d f vo t1 Rotacione a tela Onde tempo de manuseio da peça tempo de aproximação e afastamento da ferramenta tempo de preparo da máquina tempo de troca da ferramenta número de peças fabricadas num lote Além disso Rotacione a tela Rotacione a tela Agora podemos calcular o Rotacione a tela Assim a taxa de produção máxima será Rotacione a tela Para fins de análise comparativa podemos calcular o custo mínimo de produção para uma taxa de produção de 035 peçasmin t1 ts ta tp z tft z 3 5 minutos Tempo total não produtivo ts ta tp tft Z t2 lf π d Vox1 1000 f K tft 205 π 85 2103651 1000 0 2 1 27 1010 1 t2 0 03min ttmin ttKp min tc t1 t2 1 30 1 5 0 03 2 83min TpKp min 1 tt min 1 2 83 0 35 peças min Kp min Rotacione a tela Onde custo do homemhora R 1500hora custo da horamáquina R 2500hora tempo mínimo total para uma taxa de máxima produção 283 min custo da ferramenta por vida de cada aresta R 1000 aresta número de peças usinadas por vida de cada aresta onde Rotacione a tela Rotacione a tela Rotacione a tela Com essas informações podemos calcular o custo mínimo de produção Rotacione a tela Desao Kp min sh Sm 60 tt Kft zT Sh Sm ttKp min Kft ZT ZT T Vida da ferramenta por aresta tc tempo de corte ZTp min T0 Vida da ferramenta para custo mínimo tc 42 4 calculada na letra d 1 30 ZT 32 6 peçasaresta Kp min sh sm 60 ttKp min Kft zTKp min 15 25 60 1 30 10 32 6 R1 17peça Com base no conteúdo do tópico eficiência deste módulo faça uma análise dos resultados obtidos no exemplo de aplicação das condições econômicas de usinagem que acabamos de avaliar respondendo às seguintes perguntas A Quais conclusões podemos tirar com base no intervalo de máxima eciência obtido B Qual seria o melhor critério se a produção estiver atrasada Justique C Qual seria o melhor critério se não houver restrição de tempo para entrega da produção Justique Observe a tabela a seguir Parâmetros de análise para tomada de decisão CRITÉRIOS DE ANÁLISE DAS CONDIÇÕES ECONÔMICAS DE USINAGEM Taxa de máxima produção Custo mínimo de produção Velocidade de corte v Vida de ferramenta T Tempo total de produção vcmxp 449 mmin vo 210 mmin Tmxp 2 65 min To 42 4 min tt tt min 0 61 min ttKp min 1 30 min Parâmetros de análise para tomada de decisão CRITÉRIOS DE ANÁLISE DAS CONDIÇÕES ECONÔMICAS DE USINAGEM Taxa de máxima produção Custo mínimo de produção Taxa de produção Custo produção Tabela Análise do intervalo de máxima eficiência Ana Lúcia Nascimento Oliveira Agora observe o gráfico Intervalo de máxima eficiência obtido tp Tp máx 0 43 peças min TpKp min 0 35 peças min Kp KpTpmiz R2 71 peça produzida Kp min R1 17 peça produzida Falta pouco para atingir seus objetivos Vamos praticar alguns conceitos Questão 1 A velocidade de corte dentre os parâmetros de corte da usinagem permite obter a melhor relação custo benefício do processo ou seja a usinagem em um intervalo entre um custo mínimo de produção e uma taxa de máxima produção Nesse sentido analise as afirmações I Velocidades de cortes baixas resultam em alta produção II Velocidades de cortes muito altas resultam em muitas trocas de ferramenta III Velocidades de cortes muito baixas ou muito altas são igualmente indesejáveis Está correto o que se afirma em Parabéns A alternativa E está correta A afirmação I está incorreta porque velocidades de corte baixas resultam em baixa produção Por outro lado a afirmação II está correta porque a velocidade de corte muito alta causa maior desgaste na ferramenta e consequentemente maior troca dela Já a afirmação III está correta porque ambas trazem condições desfavoráveis quanto às condições econômicas de usinagem Questão 2 A I somente B II somente C III somente D I e II E II e III Eficiência num processo de usinagem representa o intervalo compreendido entre a velocidade de corte de máxima produção e a velocidade de corte de mínimo custo Esse conceito traz algumas considerações identifique nas afirmações abaixo aquelas verdadeiras I Velocidades inferiores às velocidades de mínimo custo proporcionam um aumento nos custos devido aos longos tempos de cortes II Velocidades acima da velocidade de corte de máxima produção levarão a redução dos custos da produção porque envolvem um custo de ferramentas III Velocidades inferiores às velocidades de mínimo custo proporcionam uma redução nos custos devido aos longos tempos de cortes Parabéns A alternativa A está correta A afirmação I está correta porque velocidades abaixo das velocidades de mínimo custo proporcionarão tempos de cortes muito longos e com isso aumento nos custos Já a afirmação II está incorreta porque a velocidade acima da de corte trará aumento dos custos de produção porque envolverá custo de ferramentas Por outro lado a afirmação III está incorreta porque velocidades inferiores às de mínimo custo proporcionam um aumento nos custos devido aos longos tempos de cortes A Somente a I B Somente a II C Somente a III D I e II E II e III Considerações nais Neste material estudamos os tipos de desgaste presentes nas ferramentas de corte seus mecanismos de formação e sua relação com a qualidade da peça usinada e problemas gerais observados no processo de usinagem Vimos ainda quais são os principais fatores que influenciam diretamente na vida das ferramentas de corte bem como as consequências dessas influências Analisamos também as consequências da alteração de um ou mais desses parâmetros na vida da ferramenta de corte Por fim verificamos os fatores que otimizam as condições econômicas de usinagem evidenciando os extremos da velocidade de corte mínimo custo e máxima produção e as condições de trabalho no intervalo de máxima eficiência Podcast Para encerrar ouça o podcast e saiba ainda mais sobre avarias e desgastes além dos parâmetros que influenciam a vida de uma ferramenta de corte e o intervalo de máxima eficiência Explore Pesquise os artigos abaixo para obter mais informações sobre os temas tratados aqui Análise do desgaste de ferramentas de corte de aços rápidos submetidos a diferentes temperaturas de tratamento de E P 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