SISTEMA DE MONITORAMENTO DO DESGASTE DE FERRAMENTAS DE CORTE EM OPERAÇÕES DE USINAGEM

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1 SISTEMA DE MONITORAMENTO DO DESGASTE DE FERRAMENTAS DE CORTE EM OPERAÇÕES DE USINAGEM B.T. Chaves. J.J. Casarin, F. Kieckow Rua Universidade das Missões, 464, CEP , Santo Ângelo/RS URI Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões RESUMO A identificação do fim de vida de uma ferramenta de corte é um problema presente nas operações de usinagem no meio industrial. O momento adequado para a troca da ferramenta é questão fundamental, pois o desgaste excessivo provoca a perda da qualidade do acabamento (devido ao aumento da rugosidade) e gera desperdício (de tempo e de material), ambos contribuindo para o aumento dos custos de fabricação. Este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um sistema de monitoramento do processo de usinagem utilizando sensores de efeito Hall. O propósito desse sistema é identificar o fim de vida da ferramenta de corte. A partir da análise das curvas de corrente elétrica e desgaste, é possível verificar que a velocidade de corte influencia diretamente o desgaste da ferramenta. Com base nessas informações estabelece-se o ponto exato de troca da ferramenta a fim de evitar sua ruptura. Palavras-chave: usinagem, monitoramento, desgaste, corrente. INTRODUÇÃO No processo de usinagem por torneamento, em função do contato ferramenta e material de trabalho, atuam elevadas forças de corte e temperaturas que influenciam de maneira significativa o desgaste da ferramenta. Esse desgaste é progressivo e depende dos parâmetros de corte usados no processo, dos materiais envolvidos e do tempo de usinagem. O desgaste é definido pela norma ISO 3685 (1) como mudança da forma original da ferramenta durante o corte, resultante da perda gradual de material. A norma também faz referência a parâmetros de fim de vida recomendados para testes. 3117

2 O tempo de vida de uma ferramenta de corte pode ser estimado por meio de testes e modelos matemáticos que descrevam a curva de vida desta ferramenta. Entretanto, devido às variações aleatórias observadas na dureza e resistência mecânica da própria matéria-prima a ser usinada, esse tempo de vida pode apresentar grande variação. Uma constante preocupação nos sistemas de manufatura que trabalham com a usinagem dos metais é o momento de troca da ferramenta de corte, o que implica na adoção de critérios físicos que determinam o fim de sua vida (2). O tempo exato de troca da ferramenta é uma questão fundamental a ser respondida no chão de fábrica, uma vez que o desgaste excessivo da ferramenta, ou a sua utilização muito aquém do esperado, provoca aumento dos custos de fabricação. Embora os custos com ferramentas de corte representam apenas uma pequena fração do custo de fabricação, desgastes acelerados ou avarias frequentes levam a paradas da máquina para troca, que significa custos adicionais e perda de produtividade. Diversas técnicas de monitoramento do fim de vida da ferramenta estão disponíveis no mercado, destacando-se os métodos de emissão acústica e monitoramento da potência de usinagem (2). Entretanto, alguns destes métodos ainda são impraticáveis no âmbito industrial devido ao elevado custo e baixa flexibilidade perante os processos, ficando seu uso restrito a laboratórios e centros de pesquisas especializados. Uma alternativa barata e prática é monitorar a força de usinagem através da medição da corrente elétrica na entrada da máquina-ferramenta utilizando sensores de efeito Hall. O seu princípio de funcionamento baseia-se na passagem de uma corrente elétrica através de uma placa sob o efeito de um campo magnético perpendicular a sua superfície, gerando uma diferença de potencial proporcional a corrente medida entre suas extremidades (3). Um esquema deste princípio é mostrado na Fig.1. Figura 1 Esquema do Efeito Hall. Fonte:Secon 3118

3 O objetivo final deste trabalho é realizar o monitoramento do desgaste de uma ferramenta de usinagem durante a operação de torneamento por meio do uso de um sensor de efeito Hall. Pretende-se estabelecer uma correlação entre a corrente consumida e o desgaste de flanco (VB) do gume principal, onde ocorre o contato entre o material de trabalho e a ferramenta. A Fig. 2 ilustra os desgastes de flanco e de cratera. Figura 2 Desgaste de flanco e desgaste de cratera em uma ferramenta de usinagem. Fonte: Halliday,2001 A corrente de usinagem é determinada por meio da medição do sensor Hall. Os objetivos específicos são a análise estatística do processo de desgaste da ferramenta em função da corrente, a caracterização do tempo de vida da ferramenta de corte, e a determinação do tempo de troca da ferramenta sem que ocorra a quebra do gume de corte devido ao desgaste excessivo. Assim, pretende-se obter um sistema de monitoramento que seja funcional, flexível e de baixo custo, para que seja possível sua inserção num ambiente industrial. MATERIAIS E MÉTODOS O sensor utilizado para os ensaios foi o Sensor Hall de Corrente, modelo 100CC-15 e um transdutor de corrente modificado para correntes de 0 a 25 A. O sensor é instalado em um dos cabos de alimentação da máquina, e logo ligado ao transdutor de corrente, como mostra a Fig. 3. O sensor envia o sinal em milivolts (mv) para o transdutor que o converte em Volts (V). Uma placa de aquisição de dados da National Instruments é conectada ao transdutor de corrente, que via o software (LabView) registra os dados da medição. O esquema de instalação é ilustrado na Fig. 4. Como esses dados são obtidos em Volts, é feito um 3119

4 tratamento do sinal e traçada uma curva de calibração para converter o sinal em Amperes (A). Figura 3 Sensor Hall e transdutor de corrente Figura 4 Instalação do sensor, transdutor e placa de aquisição de dados. O material de trabalho utilizado para os testes de usinagem foi um aço ABNT 1045, com diâmetro nominal de 4 polegadas, como prescreve a Norma ISO 3685/1993. O material foi caracterizado quimicamente e analisado quanto a sua microestrutura por meio de metalografia. Os resultados são mostrados na Fig. 5 e 6 respectivamente. A ferramenta de corte utilizada foi o inserto TNMG PM GC-4225 da SANDVIK. O critério de fim de vida da ferramenta foi o desgaste de flanco máximo (VBmáx), adotado em 0,6mm, conforme sugerido pela norma ISO 3685/1993. Para os testes de usinagem por torneamento foram utilizados os parâmetros de corte apresentados na Tab

5 Tabela 1 Parâmetros de corte adotado para os testes de torneamento. Velocidade de corte (Vc) Avanço (f) Profundidade de corte (p) 150,200 e 250 m/min 0,2 mm/rot 1 mm As medições do desgaste de flanco foram realizadas por um sistema de captura de imagem composto por um Estereoscópio Pantec, uma câmera Moticam 2300 e o software Motic Images Plus 2.0. As imagens capturadas eram mensuradas pelo software em escalas de medições previamente calibradas, como mostra a Fig. 5. Figura 5 Medições de desgaste de flanco da ferramenta de usinagem Os testes seguiram o seguinte procedimento: Iniciar a movimentação da máquina-ferramenta sem que haja retirada de material da peça, registrar o valor da corrente consumida e adotá-la como referência; Iniciar a usinagem da peça e monitorar a corrente durante o corte, bem como o desgaste de flanco da ferramenta, após 4, 8 e 12 minutos, para cada gume de corte; Medir o desgaste de flanco de 4 em 4 minutos, nos seis gumes de corte da ferramenta; Repetir o procedimento para outras duas amostras (insertos), totalizando 54 medições. RESULTADOS E DISCUSSÕES No decorrer dos testes verificou-se que a variação da corrente na máquina, em vazios (sem retirada de material), se estabilizou em um mínimo de 5 A. Nos testes, com retirada de material (cavaco), a corrente chegou a um valor máximo de 16,5 A. 3121

6 Sabe-se que estes valores variam em função dos parâmetros de usinagem, aumentando conforme a velocidade de corte aumenta, por exemplo. A partir dos dados de corrente, em função do tempo e do aumento da velocidade e corte, foi possível verificar que quanto maior for a velocidade de corte maior será a corrente consumida na usinagem, e, consequentemente, maior o desgaste da ferramenta, como mostra os gráficos das Fig. 6 e 7. Figura 6 Desgaste VBmáx em função do tempo de usinagem. Figura 7 Corrente medida em função do tempo de usinagem (desgaste). Com o aumento do tempo de usinagem, há um crescimento no desgaste, fazendo com que a temperatura da aresta cortante ultrapasse a temperatura na qual a ferramenta perde o fio de corte (a aresta de corte se decompõe) (3). A progressão do desgaste é influenciada principalmente pela velocidade de corte, como mostrada 3122

7 no gráfico acima, pois com o aumento da mesma, aumenta a energia (calor) que é imputada no processo, sem um aumento da área da ferramenta que recebe este calor. Esse aumento da velocidade de corte influencia de maneira significativa na força de corte, resultando no aumento da corrente de usinagem durante o torneamento, como mostra Figura 7. Na velocidade de 200 m/min, houve um desgaste maior comparada a 250 m/min, isso se dá porque o mecanismo de desgaste por abrasão aumenta de maneira significativa, entretanto a temperatura elevada na velocidade de 250 m/min reduz a resistência do material, facilitando o processo de formação e escoamento de cavaco, porém a ferramenta suporta sem problemas essa temperatura maior. CONCLUSÕES O fator velocidade de corte (Vc) exerce significativa influência no tempo de vida da ferramenta de corte, sendo que seu aumento contribui para o aumento da potência de usinagem e para a diminuição do tempo de vida da ferramenta. Também, pode-se observar que, conforme o aumento do tempo de usinagem, o desgaste da ferramenta também passa a sofrer um aumento. Isso se dá pelo fato da ferramenta de usinagem ter um maior tempo de contato com a peça durante o corte. Os instrumentos utilizados foram capazes de detectar o desenvolvimento do desgaste e, se aplicado em ambiente industrial, representa um sinal claro para o operador de quando a ferramenta se aproxima do fim de vida. Entretanto, quaisquer mudanças nos parâmetros de corte, principalmente na velocidade de corte, geram mudanças nos parâmetros elétricos, já que estes são um pouco instáveis mesmo utilizando-se a mesma velocidade. Não é possível fixar um valor de corrente para fim de vida da ferramenta que sirva para todas as velocidades, pois a relação entre corrente e fim de vida variam conforme as condições de usinagem. De acordo com os resultados, pode-se afirmar que a potência da máquina-ferramenta é um parâmetro que torna possível o acompanhamento do nível de desgaste da ferramenta de corte. REFERÊNCIAS 1. ISO Tool life testing with single-point turning tools,

8 2. COSTA, C. E. Monitoramento do processo de torneamento de desbaste via corrente elétrica do motor principal da máquina e via vibração da ferramenta. Campinas, SP: [s.n], HALLIDAY, DAVID; RESNICK, ROBERT; WALKER, JEARL. Fundamentos de Física Eletromagnetismo. 6ª ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., FERRARESI, D. Fundamentos da Usinagem dos Metais. 10ª reimpressão. São Paulo, SP. Editora Edgard Blücher Ltda, JEMIELNIAK, K. Commercial Tool Condition Monitoring Systems. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, London, vol. 15. p Springer-Verlag London Limited, MACHADO, Álisson Rocha; ABRÃO, Alexandre Mendes; COELHO, Reginaldo Teixeira ; SILVA, Márcio Bacci. Teoria da Usinagem dos Metais, 2 edição,editora Blucher,2011.SECON SENSORES E INSTRUMENTOS. 7. SOUZA, André. Aplicação de multisensores no prognóstico da vida da ferramenta de corte em torneamento.florianópolis/sc, Tese (Doutorado), POSMEC-UFSC, 2003, 211p. WEAR MONITORING SYSTEM FOR CUTTING TOOLS IN MACHINING OPERATIONS ABSTRACT The identification of the end of life of a cutting tool is present in machining operations in industry problem. The Right Time for tool change is crucial, as excessive wear causes loss of quality of finish (due to increased roughness) and wasteful (time and materials), both contributing to the increase in manufacturing costs. This paper aims at developing a system for monitoring the machining process using Hall effect sensors. The purpose of this system is to identify the end of life of the cutting tool. From the analysis of curves and wear electric current, it can be seen that the cutting speed directly influences the tool wear. Based on this information establishes the exact point of the tool change to avoid rupture. Keywords: machining, monitoring, wear chain. 3124