Estratégias Chave para Prevenir Vibrações em Máquinas-Ferramenta na Manufatura

Imagine que está a realizar uma operação de metalomecânica de precisão para criar um componente perfeito. No meio do rugido da máquina, surge uma vibração perturbadora - a ferramenta dança sobre a peça, deixando para trás uma superfície rugosa e material arruinado. Este cenário frustrante representa o pesadelo da vibração, particularmente a vibração, nas operações de corte. Este artigo examina os fenómenos de vibração na maquinação e fornece estratégias práticas para minimizar o seu impacto na eficiência e na qualidade.

A vibração - uma oscilação mecânica em torno de uma posição de equilíbrio - é geralmente indesejável na maquinação devido aos seus efeitos prejudiciais:

• Desgaste acelerado da ferramenta: A vibração degrada rapidamente as arestas de corte, causando lascas e rachaduras que comprometem a vida útil e a confiabilidade da ferramenta.
• Deterioração da qualidade da superfície: Padrões e marcas irregulares aparecem nas peças, excedendo as tolerâncias de rugosidade.
• Aumento das taxas de sucata: A vibração severa leva a imprecisões dimensionais e defeitos de superfície, aumentando os custos de produção.
• Custos operacionais mais elevados: A substituição prematura da ferramenta, os componentes de sucata e o retrabalho inflacionam as despesas.
• Ineficiência energética: A vibração desperdiça energia, reduzindo a eficiência da maquinação.

A vibração manifesta-se em duas formas principais:

• Vibração livre: Ocorre quando um sistema oscila na sua frequência natural após uma perturbação inicial (por exemplo, uma placa de metal atingida a ressoar até que a energia se dissipasse).
• Vibração forçada: Resulta de excitação periódica ou aleatória externa (por exemplo, vibração da máquina de lavar durante ciclos de centrifugação desequilibrados).

A maquinação envolve principalmente vibração forçada causada por forças de corte, movimentos de componentes da máquina ou interferência ambiental.

A ressonância ocorre quando a frequência de excitação se aproxima da frequência natural de um sistema, aumentando drasticamente a amplitude. Na maquinação, a ressonância entre as variações da força de corte e as frequências naturais da ferramenta/peça de trabalho causa vibração severa, podendo levar a:

• Fratura da ferramenta
• Rejeição da peça
• Danos na máquina-ferramenta

A prevenção proativa da ressonância é, portanto, essencial.

A vibração - uma oscilação auto-sustentável - surge de interações dinâmicas entre as forças de corte e os sistemas de máquina-ferramenta-peça de trabalho. Caracterizada por um ruído agudo e vibração violenta, acelera o desgaste da ferramenta e degrada o acabamento da superfície. A sua geração complexa envolve:

• Dinâmica da força de corte
• Geometria da ferramenta
• Propriedades do material da peça
• Características estruturais da máquina

Os principais determinantes da vibração na maquinação incluem:

• Rigidez da máquina: As máquinas de baixa rigidez vibram excessivamente, especialmente durante operações de alta velocidade ou corte pesado.
• Rigidez da ferramenta: Ferramentas finas ou salientes são propensas a vibrações.
• Estabilidade da peça: Componentes de paredes finas ou em balanço vibram facilmente.
• Parâmetros de corte: A velocidade, o avanço e a profundidade de corte influenciam a magnitude/frequência da força.
• Geometria da ferramenta: O ângulo de ataque, o ângulo de folga, o ângulo de inclinação e o raio do nariz afetam a estabilidade do processo.
• Material da peça: Materiais dúcteis promovem a vibração.
• Aplicação de líquido de arrefecimento: A lubrificação adequada reduz o atrito e a temperatura.

• Selecione máquinas de alta rigidez para operações exigentes
• Otimize a colocação da máquina em fundações sólidas
• Mantenha os componentes críticos (fusos, guias, parafusos)

• Use ferramentas curtas e robustas, quando possível
• Minimize a saliência da ferramenta
• Empregue suportes de alta rigidez (tipos hidráulicos/térmicos)
• Selecione materiais de ferramentas de alto módulo (por exemplo, carboneto em vez de HSS)

• Adicione suportes (fixações, blocos de apoio)
• Otimize a fixação (múltiplos pontos, mandris a vácuo)
• Encha estruturas ocas (resina, areia)

• Reduza a velocidade de corte/taxa de avanço/profundidade de corte
• Implemente corte interrompido (ferramentas de quebra de aparas)

• Selecione ângulos de ataque/folga/inclinação apropriados
• Escolha o raio do nariz ideal

• Use líquido de arrefecimento para reduzir a temperatura/atrito
• Aplique lubrificantes para minimizar o atrito ferramenta-peça
• Selecione métodos de entrega adequados (por exemplo, arrefecimento a alta pressão)

• Altere a direção de corte
• Instale amortecedores
• Realize análise de vibração

• Use fresas de passo grosseiro para reduzir a área de contato
• Minimize a saliência da fresa
• Selecione pastilhas de ataque positivo
• Empregue classes de carboneto com revestimento fino
• Aumente o avanço por dente, reduzindo as RPM
• Diminua a profundidade de corte axial/radial
• Utilize fixação de ferramentas rígida (por exemplo, suportes de haste cónica)
• Centre as fresas usando fresagem ascendente

• Maximize a rigidez da ferramenta com saliência mínima
• Selecione pequenos raios de nariz (abaixo da profundidade de corte, quando possível)
• Use arestas de corte afiadas com controlo adequado de aparas
• Escolha classes de carboneto resistentes para geometrias delicadas
• Mantenha taxas de avanço superiores a 25% do raio do nariz
• Evite gamas de velocidade do fuso instáveis

• Avalie a relação de saliência; considere ferramentas maiores/cónicas/modulares
• Use fixação de ferramentas premium (por exemplo, Seco-Capto)
• Posicione as arestas de corte à altura do centro
• Selecione geometrias positivas com pequenos raios
• Siga as recomendações de torneamento para a seleção de pastilhas

A vibração da maquinação apresenta desafios complexos, mas a compreensão dos seus mecanismos e a implementação de soluções direcionadas permitem que os fabricantes obtenham resultados superiores. Ao abordar os fatores da máquina, da ferramenta e do processo, os operadores podem melhorar significativamente a produtividade e a qualidade das peças.