Tecnologia de corte de alta velocidade: o poder transformador da usinagem CNC personalizada

Em 1931, o Dr. Carl Salom, da Alemanha, propôs pela primeira vez a teoria da usinagem por jato de alta velocidade e, desde então, a tecnologia de corte de alta velocidade passou por uma longa história de desenvolvimento. Da fase de pesquisa e exploração teórica, passando pela fase de pesquisa básica aplicada e, em seguida, pela fase de pesquisa aplicada, ela agora entrou na fase de desenvolvimento e aplicação.

No processo de desenvolvimento, tecnologias-chave são constantemente aprimoradas. Por exemplo, a tecnologia de fusos de alta velocidade, desde o surgimento das máquinas-ferramenta de corte de alta velocidade na 11ª Feira Internacional de Máquinas-Ferramenta do Japão em 1982, viu o número de máquinas-ferramenta de alta velocidade aumentar significativamente ano após ano. A velocidade do fuso evoluiu de mais de 10.000 rpm no início para 100.000 rpm ou até mais atualmente. As principais tecnologias de fusos de alta velocidade incluem a estrutura de mancais de cerâmica e a lubrificação por névoa de óleo. Atualmente, os sistemas de fusos de máquinas-ferramenta com valores de dn acima de 1,5 × 10⁶ utilizam quase que exclusivamente mancais de cerâmica.

O progresso em termos de alta velocidade e aceleração do sistema de alimentação também é notável. A aplicação de fusos de esferas de grandes dimensões e o surgimento do modo de acionamento direto do motor linear atendem às necessidades de desempenho do sistema de alimentação de máquinas-ferramenta com acionamento zero, proporcionando alta precisão de posicionamento, precisão de posicionamento repetitivo e velocidade de resposta dinâmica.

A tecnologia de corte de alta velocidade apresenta características de desenvolvimento distintas em diferentes estágios da usinagem CNC personalizada. Inicialmente, era predominantemente explorada teoricamente, mas com o avanço tecnológico, demonstrou gradualmente suas vantagens na aplicação prática. Atualmente, a tecnologia de corte de alta velocidade é amplamente utilizada nas indústrias aeroespacial, automotiva, de processamento de moldes e em outros setores, desempenhando também um papel cada vez mais importante na área de usinagem CNC personalizada.

O fuso de alta velocidade tem apresentado avanços tecnológicos contínuos, utilizando tecnologias avançadas como mancais de cerâmica e mancais hidrostáticos. Os mancais de cerâmica possuem características como alta dureza, alta resistência à compressão, boa condutividade térmica e resistência ao desgaste, o que pode melhorar significativamente a vida útil e a capacidade de carga do fuso de alta velocidade. Atualmente, os sistemas de fuso de máquinas-ferramenta com valor dn acima de 1,5×10⁶ utilizam quase que exclusivamente mancais de cerâmica. Além disso, o desenvolvimento de fusos aerostáticos e fusos com suporte de mancais de levitação magnética também trouxe novos avanços para os fusos de alta velocidade. Por exemplo, o centro de usinagem ASV-40, fabricado pela Toshiba Machinery Company do Japão, utiliza um fuso aerostático com velocidade de 80.000 rpm; o centro de usinagem de alta velocidade fabricado pela Mori Seiki, também do Japão, utiliza um fuso de alta velocidade com suporte de mancais de levitação magnética, cuja velocidade pode atingir 40.000 rpm. Essas tecnologias avançadas de fuso melhoram consideravelmente a velocidade e a precisão do fuso, proporcionando um suporte robusto para usinagem em alta velocidade.

O sistema de avanço de alta velocidade, com sua estrutura de inovação contínua, utiliza fusos de esferas de alta velocidade, motores lineares e outras estruturas avançadas, melhorando significativamente a velocidade e a aceleração de avanço. A velocidade de avanço com fusos de esferas de alta velocidade chega a 60 m/min, sendo os valores mais comuns entre 20 e 30 m/min. A aplicação de motores lineares revolucionou o sistema de avanço de alta velocidade. O motor linear elimina a folga e a deformação elástica do sistema de transmissão mecânica, reduz o atrito na transmissão e praticamente não apresenta folga reversa. O motor linear possui características de alta aceleração e desaceleração, podendo atingir 2g de aceleração, o que representa de 10 a 20 vezes a velocidade de avanço de um dispositivo de acionamento tradicional, e a velocidade de avanço é de 4 a 5 vezes maior. Acionado por motor linear, o sistema apresenta vantagens evidentes, como grande força de empuxo por unidade de área, facilidade para produzir movimentos de alta velocidade e estrutura mecânica que dispensa manutenção. A aplicação dessas tecnologias atende aos requisitos de movimentação rápida e posicionamento preciso de máquinas-ferramenta, proporcionando uma garantia confiável para usinagem de alta velocidade.

As ferramentas de corte desempenham um papel vital no corte de alta velocidade. Com o aumento da velocidade de corte, o material, os parâmetros geométricos e a estrutura do corpo da ferramenta sofreram grandes alterações. Atualmente, os materiais mais comuns para ferramentas de corte de alta velocidade são diamante policristalino (PCD), nitreto cúbico de boro (CBN), cerâmica, cerâmica à base de Ti(C,N), ferramentas revestidas (CVD), carboneto de grão ultrafino, entre outros. Esses materiais apresentam alta resistência ao calor, resistência ao choque térmico, boas propriedades mecânicas em altas temperaturas e alta confiabilidade. Ao mesmo tempo, o sistema de ferramentas para corte de alta velocidade deve atender aos requisitos de boa precisão geométrica, alta precisão de posicionamento repetitivo da fixação, rigidez de fixação, bom estado de equilíbrio, segurança e confiabilidade durante a operação em alta velocidade. É necessário reduzir ao máximo a massa do corpo da ferramenta para diminuir a força centrífuga sofrida pela rotação em alta velocidade, atender aos requisitos de segurança do corte de alta velocidade e melhorar o modo de fixação da ferramenta.

A otimização dos parâmetros de processo no corte de alta velocidade é uma das principais tecnologias que limitam a aplicação dessa tecnologia. Por se tratar de um modo de corte relativamente novo, o corte de alta velocidade carece de exemplos de aplicação de referência e de um banco de dados com parâmetros práticos de corte e usinagem. Portanto, é necessário estudar e adotar um novo método de programação para adequar os dados de corte à curva característica de potência do fuso de alta velocidade, explorando ao máximo as vantagens do corte CNC de alta velocidade. O desenvolvimento e a aplicação da tecnologia de corte de alta velocidade dependem do desenvolvimento integrado de tecnologias-chave, como o fuso de alta velocidade, o sistema de avanço de alta velocidade e as ferramentas de corte de alta velocidade. Somente a coordenação dessas diversas tecnologias pode alcançar alta eficiência, alta precisão e alta confiabilidade no corte de alta velocidade.

A tecnologia de corte de alta velocidade apresenta muitas vantagens na usinagem CNC de alta velocidade de cavidades em ligas de alumínio. Primeiramente, ela melhora a eficiência do processo, permitindo o uso de uma taxa de avanço de 5 a 10 vezes maior que a do corte convencional, aumentando a taxa de remoção de material por unidade de tempo de 3 a 6 vezes. Isso é de grande importância para a usinagem CNC de peças com cavidades em ligas de alumínio e pode reduzir significativamente o tempo de processamento. Em segundo lugar, garante a qualidade do processo, pois, em comparação com o corte convencional, a força de corte pode ser reduzida em pelo menos 30% durante o corte de alta velocidade, diminuindo a deformação. O processo de corte de alta velocidade é rápido, com menos calor gerado (mais de 95%), evitando deformações ou expansões nas peças devido ao aumento da temperatura, sendo especialmente adequado para o processamento de peças suscetíveis à deformação térmica. Em termos de ferramenta de usinagem e velocidade de avanço, a velocidade de corte de uma fresa de topo de metal duro para o processamento de peças em liga de alumínio geralmente atinge 1000 m/min. Caso seja utilizada uma fresa de topo D8, a velocidade de rotação do fuso deve ser definida em 18.000 rpm, a velocidade de avanço de desbaste em 6.000 mm/min e a velocidade de avanço de acabamento entre 2.000 e 3.000 mm/min, considerando a rigidez da peça usinada e os requisitos de qualidade superficial. Se o desempenho da máquina-ferramenta for elevado, a velocidade de corte e a velocidade de avanço podem ser aumentadas conforme necessário.

Na produção real, a tecnologia de usinagem de alta velocidade tem uma ampla gama de aplicações. Em um exemplo típico de desbaste, utiliza-se inicialmente uma fresa de faceamento com inserto de TiAlIn de 5 polegadas, rotação do fuso de 450 a 500 rpm, avanço de 150 a 175 ipm e profundidade de corte de 0,050 polegadas, gerando grande quantidade de cavacos. Após o desbaste, a maior parte da peça é enviada para tratamento térmico externo. O semiacabamento começa assim que a peça retorna, geralmente com uma fresa de topo esférica de 2 polegadas a 2000 rpm e avanço de 125 a 150 ipm. Para cortes de perfil seguindo um padrão de fresamento alternativo, o espaçamento entre as linhas de corte é de até 0,125 polegadas. Para cortes em ziguezague, utilizam-se velocidades e avanços semelhantes, com profundidade de corte de 0,020 a 0,050 polegadas, e um cabeçote de 2,5 polegadas de diâmetro. Além disso, ferramentas menores também podem ser usadas para conectar o chanfro.

O corte em alta velocidade impõe requisitos especiais aos sistemas CNC. Devido ao aumento significativo da velocidade do fuso e da velocidade de avanço da ferramenta em máquinas-ferramenta de corte de alta velocidade, o sistema CNC precisa ter alta velocidade de processamento e capacidade de processamento de dados. O mecanismo servo de avanço deve ser capaz de realizar ajustes arbitrários em uma ampla faixa de velocidades, desde baixas até altas, e superar a contradição de grandes erros de seguimento do sistema quando a velocidade do servo de avanço é alta. O sistema CNC precisa ter um ciclo servo mais curto e maior resolução, além de possuir a função de monitoramento da trajetória a ser usinada e capacidade de interpolação de curvas.

Atualmente, existem alguns problemas nos sistemas CNC de corte de alta velocidade. Primeiro, a arquitetura é fechada, o que limita a escalabilidade e a compatibilidade do sistema. Segundo, há integração insuficiente com o CAM, resultando em programação e processamento menos fluidos e eficientes. Além disso, os interpoladores e controladores de avanço dos sistemas CNC apresentam limitações. A precisão da interpolação precisa ser aprimorada, e a função de feedforward e um grande número de segmentos de programa avançados devem ser utilizados. Adicionalmente, tecnologias de controle de contorno, como interpolação NURBS, aceleração de recuo, interpolação suave, aceleração e desaceleração em forma de sino, também podem ser empregadas. O controlador de avanço precisa lidar melhor com os requisitos de alta aceleração e resposta rápida do corte de alta velocidade.

As peças de aço inoxidável enfrentam a tendência de endurecimento por deformação durante o processo de corte em alta velocidade, o que acarreta diversos problemas de usinagem. Devido às diferentes propriedades mecânicas e composições químicas dos aços inoxidáveis, a dificuldade de corte CNC varia. Aços inoxidáveis ​​com alta resistência térmica e tenacidade não são facilmente removidos durante o corte CNC em alta velocidade, e o trabalho realizado durante a deformação por deformação é considerável. A profundidade da camada endurecida por deformação pode variar de dezenas a centenas de micrômetros, e o fenômeno de endurecimento gerado pelo corte anterior afeta negativamente o corte subsequente. Além disso, a alta dureza dessa camada torna a ferramenta particularmente suscetível ao desgaste.

Para solucionar o problema do endurecimento por trabalho, é possível escolher a ferramenta adequada, como um formato de aresta de corte com ênfase na afiação. Uma boa afiação reduz o calor gerado pelo atrito com a peça, prevenindo assim o endurecimento por trabalho. Ao mesmo tempo, é necessário definir as melhores condições de usinagem e as configurações ideais do fluido de corte.

A aplicação da tecnologia de corte de alta velocidade também enfrenta desafios como a forte adesão de cavacos e a baixa condutividade térmica. No processo de corte CNC, os resíduos de corte aderem ou derretem facilmente na ponta da ferramenta e na lâmina, formando um aglomerado de cavacos, o que deteriora a rugosidade da superfície da peça usinada, aumenta a vibração durante o processo de corte e acelera o desgaste da ferramenta. Além disso, uma grande quantidade de calor gerado pelo corte não consegue ser dissipada a tempo, e mesmo o calor gerado pelo corte não consegue ser conduzido por todo o cavaco, resultando em um calor total na ferramenta superior ao do aço carbono comum, o que faz com que a aresta de corte perca o desempenho de corte em altas temperaturas.

Além disso, o corte de alta velocidade, como um novo modo de corte, carece de exemplos de aplicação de referência e de um banco de dados com parâmetros práticos de corte e usinagem. Isso torna necessário o constante teste e exploração em aplicações práticas, aumentando o custo e o tempo de processamento.

A tecnologia de corte de alta velocidade possui grande potencial para melhorar a eficiência da produção devido à sua alta velocidade, alta precisão e alta qualidade superficial. Primeiramente, o corte de alta velocidade pode reduzir significativamente o ciclo de produção. Por exemplo, na indústria automobilística, a tecnologia de corte de alta velocidade permite o processamento rápido de componentes-chave, como blocos de motor e carcaças de transmissão, reduzindo consideravelmente o tempo de processamento e aumentando a eficiência da produção. De acordo com estatísticas relevantes, após a adoção da tecnologia de corte de alta velocidade, o tempo de processamento de autopeças pode ser reduzido em 30% a 50%. Em segundo lugar, a tecnologia de corte de alta velocidade pode reduzir os custos de processamento. Como o corte de alta velocidade permite a usinagem de desbaste, semiacabamento e acabamento, o uso de processos e ferramentas é reduzido, diminuindo assim os custos de produção. Tomando como exemplo a fabricação de moldes, a tecnologia de corte de alta velocidade pode reduzir o uso de eletroerosão (EDM), reduzir os custos de processamento e melhorar a precisão e a qualidade superficial do molde. Além disso, a tecnologia de corte de alta velocidade também pode melhorar a qualidade do produto. Ao cortar em alta velocidade, a força de corte e a vibração são pequenas, permitindo processar peças de alta precisão e reduzindo a rugosidade da superfície em 1 a 2 níveis, o que atende às necessidades da indústria de manufatura moderna por produtos de alta precisão.

O desenvolvimento da tecnologia de corte de alta velocidade impulsionará o desenvolvimento da indústria de fabricação de máquinas rumo à alta eficiência, alta precisão, alta flexibilidade e sustentabilidade. Por um lado, a aplicação da tecnologia de corte de alta velocidade promoverá o progresso tecnológico da indústria de fabricação de máquinas. A tecnologia de corte de alta velocidade requer o suporte de diversas tecnologias avançadas, como máquinas-ferramenta de corte de alta velocidade, ferramentas de corte de alta velocidade e sistemas de controle numérico de alto desempenho, e o desenvolvimento dessas tecnologias elevará o nível técnico de toda a indústria de fabricação de máquinas. Por exemplo, a pesquisa e o desenvolvimento de máquinas-ferramenta de corte de alta velocidade exigem tecnologia avançada de fusos, tecnologia de sistemas de alimentação e tecnologia de projeto estrutural, e os avanços nessas tecnologias fornecerão equipamentos de processamento mais avançados para a indústria de fabricação de máquinas. Por outro lado, a promoção da tecnologia de corte de alta velocidade aumentará a competitividade da indústria de fabricação de máquinas. Em um contexto de concorrência cada vez mais acirrada na indústria global de manufatura, a tecnologia de corte de alta velocidade pode melhorar a qualidade do produto, reduzir os custos de produção, encurtar o ciclo de produção e conquistar vantagens competitivas no mercado para as empresas. Tomando como exemplo a indústria de fabricação aeroespacial, a tecnologia de corte de alta velocidade pode processar materiais leves, como ligas de alumínio e titânio, melhorar o desempenho e a segurança das aeronaves e aumentar a competitividade das empresas no mercado internacional.

No futuro, a pesquisa tecnológica em usinagem de alta velocidade se desenvolverá na direção de maior velocidade, maior precisão e maior inteligência. Em termos de máquinas-ferramenta de corte de alta velocidade, a velocidade do fuso e a velocidade de avanço serão ainda mais aprimoradas, e sistemas de fuso e de avanço mais avançados serão desenvolvidos para melhorar a rigidez e a estabilidade da máquina-ferramenta. Por exemplo, o sistema de fuso que utiliza tecnologia de levitação magnética e tecnologia de pressão aerostática pode atingir mais de 100.000 RPM; o sistema de avanço que utiliza motor linear e tecnologia de feedback por escala de grade pode acelerar até 5g e a precisão de posicionamento pode atingir o nível micrométrico. Em termos de ferramentas de corte de alta velocidade, materiais e tecnologias de revestimento mais avançados serão desenvolvidos para melhorar a dureza, a resistência ao desgaste e a resistência ao calor das ferramentas. Por exemplo, a dureza da ferramenta que utiliza nanotecnologia de revestimento pode ser aumentada de 2 a 3 vezes, e a resistência ao desgaste pode ser aumentada de 5 a 10 vezes. Em termos de sistemas de controle numérico, tecnologias de programação e algoritmos de controle mais avançados serão desenvolvidos para melhorar a velocidade de computação e a capacidade de processamento de dados dos sistemas de controle numérico. Por exemplo, sistemas de controle numérico que utilizam tecnologia de inteligência artificial e tecnologia de análise de big data podem otimizar automaticamente os parâmetros de corte de acordo com as características dos materiais e ferramentas de usinagem, melhorando a eficiência e a qualidade do processo.

Em termos de aplicação, a tecnologia de corte de alta velocidade continuará a expandir seu campo de atuação e a alcançar uma gama mais ampla de aplicações. Por um lado, a tecnologia de corte de alta velocidade será mais amplamente utilizada na indústria manufatureira tradicional. Por exemplo, nos setores de fabricação de máquinas, automóveis e aeroespacial, a tecnologia de corte de alta velocidade substituirá gradualmente as tecnologias de corte tradicionais, tornando-se o principal método de processamento. Por outro lado, a tecnologia de corte de alta velocidade será aplicada em setores de manufatura emergentes. Por exemplo, em áreas como impressão 3D, micro e nanofabricação, fabricação biomédica, entre outras, a tecnologia de corte de alta velocidade pode ser combinada com outras tecnologias de manufatura avançadas para alcançar a usinagem de alta precisão de peças com formatos complexos. Além disso, a tecnologia de corte de alta velocidade se desenvolverá na direção da manufatura sustentável. Por exemplo, o uso de tecnologias de corte a seco e microlubrificação pode reduzir o uso de fluido de corte, diminuir a poluição ambiental e alcançar a manufatura sustentável.