Análise e Otimização de Fatores que Afetam a Precisão Dimensional de Usinagem de Centros de Usinagem
Resumo: Este artigo explora exaustivamente vários fatores que afetam a precisão dimensional de usinagem de centros de usinagem e os divide em duas categorias: fatores evitáveis e fatores irresistíveis. Para fatores evitáveis, como processos de usinagem, cálculos numéricos em programação manual e automática, elementos de corte e configuração de ferramentas, etc., elaborações detalhadas são feitas e medidas de otimização correspondentes são propostas. Para fatores irresistíveis, incluindo deformação por resfriamento da peça e a estabilidade da própria máquina-ferramenta, as causas e os mecanismos de influência são analisados. O objetivo é fornecer referências de conhecimento abrangentes para técnicos envolvidos na operação e gestão de centros de usinagem, a fim de melhorar o nível de controle da precisão dimensional de usinagem de centros de usinagem e aprimorar a qualidade do produto e a eficiência da produção.
I. Introdução
Como equipamento essencial na usinagem moderna, a precisão dimensional dos centros de usinagem está diretamente relacionada à qualidade e ao desempenho dos produtos. No processo de produção, diversos fatores afetam a precisão dimensional da usinagem. É de grande importância analisar profundamente esses fatores e buscar métodos de controle eficazes.
Como equipamento essencial na usinagem moderna, a precisão dimensional dos centros de usinagem está diretamente relacionada à qualidade e ao desempenho dos produtos. No processo de produção, diversos fatores afetam a precisão dimensional da usinagem. É de grande importância analisar profundamente esses fatores e buscar métodos de controle eficazes.
II. Fatores de influência evitáveis
(I) Processo de Usinagem
A racionalidade do processo de usinagem determina em grande parte a precisão dimensional da usinagem. Seguindo os princípios básicos do processo de usinagem, ao usinar materiais macios, como peças de alumínio, deve-se prestar atenção especial à influência da limalha de ferro. Por exemplo, durante o processo de fresamento de peças de alumínio, devido à textura macia do alumínio, a limalha de ferro gerada pelo corte pode arranhar a superfície usinada, introduzindo erros dimensionais. Para reduzir esses erros, medidas como a otimização do caminho de remoção de cavacos e o aumento da sucção do dispositivo de remoção de cavacos podem ser tomadas. Ao mesmo tempo, no arranjo do processo, a distribuição de sobremetal da usinagem de desbaste e da usinagem de acabamento deve ser razoavelmente planejada. Durante a usinagem de desbaste, uma profundidade de corte e uma taxa de avanço maiores são usadas para remover rapidamente uma grande quantidade de sobremetal, mas uma sobremetal de usinagem de acabamento adequada, geralmente de 0,3 a 0,5 mm, deve ser reservada para garantir que a usinagem de acabamento possa atingir uma maior precisão dimensional. Em termos de utilização de fixadores, além de seguir os princípios de redução do tempo de fixação e utilização de fixadores modulares, a precisão do posicionamento dos fixadores também precisa ser garantida. Por exemplo, utilizando pinos de localização e superfícies de localização de alta precisão para garantir a precisão posicional da peça durante o processo de fixação, evitando erros dimensionais causados pelo desvio da posição de fixação.
A racionalidade do processo de usinagem determina em grande parte a precisão dimensional da usinagem. Seguindo os princípios básicos do processo de usinagem, ao usinar materiais macios, como peças de alumínio, deve-se prestar atenção especial à influência da limalha de ferro. Por exemplo, durante o processo de fresamento de peças de alumínio, devido à textura macia do alumínio, a limalha de ferro gerada pelo corte pode arranhar a superfície usinada, introduzindo erros dimensionais. Para reduzir esses erros, medidas como a otimização do caminho de remoção de cavacos e o aumento da sucção do dispositivo de remoção de cavacos podem ser tomadas. Ao mesmo tempo, no arranjo do processo, a distribuição de sobremetal da usinagem de desbaste e da usinagem de acabamento deve ser razoavelmente planejada. Durante a usinagem de desbaste, uma profundidade de corte e uma taxa de avanço maiores são usadas para remover rapidamente uma grande quantidade de sobremetal, mas uma sobremetal de usinagem de acabamento adequada, geralmente de 0,3 a 0,5 mm, deve ser reservada para garantir que a usinagem de acabamento possa atingir uma maior precisão dimensional. Em termos de utilização de fixadores, além de seguir os princípios de redução do tempo de fixação e utilização de fixadores modulares, a precisão do posicionamento dos fixadores também precisa ser garantida. Por exemplo, utilizando pinos de localização e superfícies de localização de alta precisão para garantir a precisão posicional da peça durante o processo de fixação, evitando erros dimensionais causados pelo desvio da posição de fixação.
(II) Cálculos Numéricos na Programação Manual e Automática de Centros de Usinagem
Seja a programação manual ou automática, a precisão dos cálculos numéricos é de crucial importância. Durante o processo de programação, envolve o cálculo de trajetórias de ferramentas, a determinação de pontos de coordenadas, etc. Por exemplo, ao calcular a trajetória de uma interpolação circular, se as coordenadas do centro do círculo ou do raio forem calculadas incorretamente, isso inevitavelmente levará a desvios dimensionais de usinagem. Para programar peças com formas complexas, é necessário um software CAD/CAM avançado para realizar a modelagem precisa e o planejamento da trajetória da ferramenta. Durante o uso do software, as dimensões geométricas do modelo devem ser garantidas e as trajetórias de ferramentas geradas devem ser cuidadosamente verificadas e verificadas. Ao mesmo tempo, os programadores devem ter uma base matemática sólida e rica experiência em programação, e ser capazes de selecionar corretamente as instruções e os parâmetros de programação de acordo com os requisitos de usinagem das peças. Por exemplo, ao programar operações de furação, parâmetros como profundidade de furação e distância de retração devem ser definidos com precisão para evitar erros dimensionais causados por erros de programação.
Seja a programação manual ou automática, a precisão dos cálculos numéricos é de crucial importância. Durante o processo de programação, envolve o cálculo de trajetórias de ferramentas, a determinação de pontos de coordenadas, etc. Por exemplo, ao calcular a trajetória de uma interpolação circular, se as coordenadas do centro do círculo ou do raio forem calculadas incorretamente, isso inevitavelmente levará a desvios dimensionais de usinagem. Para programar peças com formas complexas, é necessário um software CAD/CAM avançado para realizar a modelagem precisa e o planejamento da trajetória da ferramenta. Durante o uso do software, as dimensões geométricas do modelo devem ser garantidas e as trajetórias de ferramentas geradas devem ser cuidadosamente verificadas e verificadas. Ao mesmo tempo, os programadores devem ter uma base matemática sólida e rica experiência em programação, e ser capazes de selecionar corretamente as instruções e os parâmetros de programação de acordo com os requisitos de usinagem das peças. Por exemplo, ao programar operações de furação, parâmetros como profundidade de furação e distância de retração devem ser definidos com precisão para evitar erros dimensionais causados por erros de programação.
(III) Elementos de Corte e Compensação de Ferramentas
A velocidade de corte vc, a taxa de avanço f e a profundidade de corte ap têm impactos significativos na precisão dimensional da usinagem. A velocidade de corte excessiva pode levar ao desgaste intensificado da ferramenta, afetando assim a precisão da usinagem; a taxa de avanço excessiva pode aumentar a força de corte, causando deformação da peça ou vibração da ferramenta e resultando em desvios dimensionais. Por exemplo, ao usinar aços-liga de alta dureza, se a velocidade de corte for escolhida muito alta, a aresta de corte da ferramenta estará propensa ao desgaste, tornando o tamanho usinado menor. Parâmetros de corte razoáveis devem ser determinados de forma abrangente, considerando vários fatores, como material da peça, material da ferramenta e desempenho da máquina-ferramenta. Geralmente, eles podem ser selecionados por meio de testes de corte ou consultando os manuais de corte relevantes. Enquanto isso, a compensação da ferramenta também é um meio importante para garantir a precisão da usinagem. Em centros de usinagem, a compensação do desgaste da ferramenta pode corrigir em tempo real as alterações dimensionais causadas pelo desgaste da ferramenta. Os operadores devem ajustar o valor de compensação da ferramenta em tempo hábil, de acordo com a situação real de desgaste da ferramenta. Por exemplo, durante a usinagem contínua de um lote de peças, as dimensões de usinagem são medidas regularmente. Quando se constata que as dimensões estão aumentando ou diminuindo gradualmente, o valor de compensação da ferramenta é modificado para garantir a precisão da usinagem das peças subsequentes.
A velocidade de corte vc, a taxa de avanço f e a profundidade de corte ap têm impactos significativos na precisão dimensional da usinagem. A velocidade de corte excessiva pode levar ao desgaste intensificado da ferramenta, afetando assim a precisão da usinagem; a taxa de avanço excessiva pode aumentar a força de corte, causando deformação da peça ou vibração da ferramenta e resultando em desvios dimensionais. Por exemplo, ao usinar aços-liga de alta dureza, se a velocidade de corte for escolhida muito alta, a aresta de corte da ferramenta estará propensa ao desgaste, tornando o tamanho usinado menor. Parâmetros de corte razoáveis devem ser determinados de forma abrangente, considerando vários fatores, como material da peça, material da ferramenta e desempenho da máquina-ferramenta. Geralmente, eles podem ser selecionados por meio de testes de corte ou consultando os manuais de corte relevantes. Enquanto isso, a compensação da ferramenta também é um meio importante para garantir a precisão da usinagem. Em centros de usinagem, a compensação do desgaste da ferramenta pode corrigir em tempo real as alterações dimensionais causadas pelo desgaste da ferramenta. Os operadores devem ajustar o valor de compensação da ferramenta em tempo hábil, de acordo com a situação real de desgaste da ferramenta. Por exemplo, durante a usinagem contínua de um lote de peças, as dimensões de usinagem são medidas regularmente. Quando se constata que as dimensões estão aumentando ou diminuindo gradualmente, o valor de compensação da ferramenta é modificado para garantir a precisão da usinagem das peças subsequentes.
(IV) Configuração de ferramentas
A precisão do ajuste da ferramenta está diretamente relacionada à precisão dimensional da usinagem. O processo de ajuste da ferramenta consiste em determinar a relação posicional relativa entre a ferramenta e a peça de trabalho. Se o ajuste da ferramenta for impreciso, erros dimensionais ocorrerão inevitavelmente nas peças usinadas. Selecionar um localizador de arestas de alta precisão é uma das medidas importantes para melhorar a precisão do ajuste da ferramenta. Por exemplo, usando um localizador óptico de arestas, a posição da ferramenta e a aresta da peça de trabalho podem ser detectadas com precisão, com uma precisão de ± 0,005 mm. Para centros de usinagem equipados com um ajustador automático de ferramentas, suas funções podem ser totalmente utilizadas para obter um ajuste rápido e preciso da ferramenta. Durante a operação de ajuste da ferramenta, também deve-se prestar atenção à limpeza do ambiente de ajuste da ferramenta para evitar a influência de detritos na precisão do ajuste da ferramenta. Enquanto isso, os operadores devem seguir rigorosamente os procedimentos operacionais de ajuste da ferramenta e realizar múltiplas medições e calcular o valor médio para reduzir o erro de ajuste da ferramenta.
A precisão do ajuste da ferramenta está diretamente relacionada à precisão dimensional da usinagem. O processo de ajuste da ferramenta consiste em determinar a relação posicional relativa entre a ferramenta e a peça de trabalho. Se o ajuste da ferramenta for impreciso, erros dimensionais ocorrerão inevitavelmente nas peças usinadas. Selecionar um localizador de arestas de alta precisão é uma das medidas importantes para melhorar a precisão do ajuste da ferramenta. Por exemplo, usando um localizador óptico de arestas, a posição da ferramenta e a aresta da peça de trabalho podem ser detectadas com precisão, com uma precisão de ± 0,005 mm. Para centros de usinagem equipados com um ajustador automático de ferramentas, suas funções podem ser totalmente utilizadas para obter um ajuste rápido e preciso da ferramenta. Durante a operação de ajuste da ferramenta, também deve-se prestar atenção à limpeza do ambiente de ajuste da ferramenta para evitar a influência de detritos na precisão do ajuste da ferramenta. Enquanto isso, os operadores devem seguir rigorosamente os procedimentos operacionais de ajuste da ferramenta e realizar múltiplas medições e calcular o valor médio para reduzir o erro de ajuste da ferramenta.
III. Fatores Irresistíveis
(I) Deformação por resfriamento de peças após usinagem
As peças geram calor durante o processo de usinagem e se deformam devido ao efeito de expansão e contração térmica durante o resfriamento após a usinagem. Esse fenômeno é comum na usinagem de metais e é difícil de evitar completamente. Por exemplo, para algumas peças estruturais de liga de alumínio de grande porte, o calor gerado durante a usinagem é relativamente alto e a contração dimensional é óbvia após o resfriamento. Para reduzir o impacto da deformação por resfriamento na precisão dimensional, o refrigerante pode ser usado de forma razoável durante o processo de usinagem. O refrigerante pode não apenas reduzir a temperatura de corte e o desgaste da ferramenta, mas também fazer com que a peça resfrie uniformemente e reduza o grau de deformação térmica. Ao selecionar o refrigerante, ele deve ser baseado no material da peça e nos requisitos do processo de usinagem. Por exemplo, para usinagem de peças de alumínio, um fluido de corte especial de liga de alumínio pode ser selecionado, que possui boas propriedades de resfriamento e lubrificação. Além disso, ao realizar medições in situ, a influência do tempo de resfriamento no tamanho da peça deve ser totalmente considerada. Geralmente, a medição deve ser realizada após a peça de trabalho esfriar até a temperatura ambiente, ou as alterações dimensionais durante o processo de resfriamento podem ser estimadas e os resultados da medição podem ser corrigidos de acordo com dados empíricos.
As peças geram calor durante o processo de usinagem e se deformam devido ao efeito de expansão e contração térmica durante o resfriamento após a usinagem. Esse fenômeno é comum na usinagem de metais e é difícil de evitar completamente. Por exemplo, para algumas peças estruturais de liga de alumínio de grande porte, o calor gerado durante a usinagem é relativamente alto e a contração dimensional é óbvia após o resfriamento. Para reduzir o impacto da deformação por resfriamento na precisão dimensional, o refrigerante pode ser usado de forma razoável durante o processo de usinagem. O refrigerante pode não apenas reduzir a temperatura de corte e o desgaste da ferramenta, mas também fazer com que a peça resfrie uniformemente e reduza o grau de deformação térmica. Ao selecionar o refrigerante, ele deve ser baseado no material da peça e nos requisitos do processo de usinagem. Por exemplo, para usinagem de peças de alumínio, um fluido de corte especial de liga de alumínio pode ser selecionado, que possui boas propriedades de resfriamento e lubrificação. Além disso, ao realizar medições in situ, a influência do tempo de resfriamento no tamanho da peça deve ser totalmente considerada. Geralmente, a medição deve ser realizada após a peça de trabalho esfriar até a temperatura ambiente, ou as alterações dimensionais durante o processo de resfriamento podem ser estimadas e os resultados da medição podem ser corrigidos de acordo com dados empíricos.
(II) Estabilidade do próprio centro de usinagem
Aspectos Mecânicos
Afrouxamento entre o servomotor e o parafuso: O afrouxamento da conexão entre o servomotor e o parafuso levará a uma diminuição na precisão da transmissão. Durante o processo de usinagem, quando o motor gira, a conexão afrouxada fará com que a rotação do parafuso fique atrasada ou irregular, fazendo com que a trajetória de movimento da ferramenta se desvie da posição ideal e resultando em erros dimensionais. Por exemplo, durante a usinagem de contornos de alta precisão, esse afrouxamento pode causar desvios na forma do contorno usinado, como a não conformidade com os requisitos em termos de retilinidade e circularidade. A verificação e o aperto regulares dos parafusos de conexão entre o servomotor e o parafuso são medidas essenciais para evitar tais problemas. Além disso, porcas antifrouxas ou agentes de fixação de rosca podem ser usados para aumentar a confiabilidade da conexão.
Afrouxamento entre o servomotor e o parafuso: O afrouxamento da conexão entre o servomotor e o parafuso levará a uma diminuição na precisão da transmissão. Durante o processo de usinagem, quando o motor gira, a conexão afrouxada fará com que a rotação do parafuso fique atrasada ou irregular, fazendo com que a trajetória de movimento da ferramenta se desvie da posição ideal e resultando em erros dimensionais. Por exemplo, durante a usinagem de contornos de alta precisão, esse afrouxamento pode causar desvios na forma do contorno usinado, como a não conformidade com os requisitos em termos de retilinidade e circularidade. A verificação e o aperto regulares dos parafusos de conexão entre o servomotor e o parafuso são medidas essenciais para evitar tais problemas. Além disso, porcas antifrouxas ou agentes de fixação de rosca podem ser usados para aumentar a confiabilidade da conexão.
Desgaste dos Rolamentos ou Porcas do Fuso de Esferas: O fuso de esferas é um componente importante para a realização de movimentos precisos no centro de usinagem, e o desgaste de seus rolamentos ou porcas afetará a precisão da transmissão do fuso. À medida que o desgaste se intensifica, a folga do fuso aumenta gradualmente, fazendo com que a ferramenta se mova erraticamente durante o processo de movimento. Por exemplo, durante o corte axial, o desgaste da porca do fuso tornará o posicionamento da ferramenta na direção axial impreciso, resultando em erros dimensionais no comprimento da peça usinada. Para reduzir esse desgaste, deve-se garantir uma boa lubrificação do fuso e a graxa lubrificante deve ser substituída regularmente. Ao mesmo tempo, a detecção de precisão regular do fuso de esferas deve ser realizada e, quando o desgaste exceder a faixa permitida, os rolamentos ou porcas devem ser substituídos em tempo hábil.
Lubrificação Insuficiente entre o Parafuso e a Porca: A lubrificação insuficiente aumentará o atrito entre o parafuso e a porca, não apenas acelerando o desgaste dos componentes, mas também causando resistência desigual ao movimento e afetando a precisão da usinagem. Durante o processo de usinagem, pode ocorrer um fenômeno de deslizamento, ou seja, a ferramenta apresentará pausas e saltos intermitentes ao se mover em baixa velocidade, piorando a qualidade da superfície usinada e dificultando a garantia da precisão dimensional. De acordo com o manual de operação da máquina-ferramenta, a graxa ou o óleo lubrificante devem ser verificados e complementados regularmente para garantir que o parafuso e a porca estejam em boas condições de lubrificação. Ao mesmo tempo, produtos lubrificantes de alto desempenho podem ser selecionados para melhorar o efeito de lubrificação e reduzir o atrito.
Aspectos Elétricos
Falha do servomotor: A falha do servomotor afetará diretamente o controle de movimento da ferramenta. Por exemplo, um curto-circuito ou circuito aberto no enrolamento do motor fará com que o motor não funcione normalmente ou tenha um torque de saída instável, impossibilitando a ferramenta de se mover de acordo com a trajetória predeterminada, resultando em erros dimensionais. Além disso, a falha do encoder do motor afetará a precisão do sinal de feedback de posição, impossibilitando o controle preciso da posição da ferramenta pelo sistema de controle da máquina-ferramenta. A manutenção regular do servomotor deve ser realizada, incluindo a verificação dos parâmetros elétricos do motor, a limpeza do ventilador de resfriamento do motor e a detecção do estado de funcionamento do encoder, etc., para detectar e eliminar potenciais riscos de falha em tempo hábil.
Falha do servomotor: A falha do servomotor afetará diretamente o controle de movimento da ferramenta. Por exemplo, um curto-circuito ou circuito aberto no enrolamento do motor fará com que o motor não funcione normalmente ou tenha um torque de saída instável, impossibilitando a ferramenta de se mover de acordo com a trajetória predeterminada, resultando em erros dimensionais. Além disso, a falha do encoder do motor afetará a precisão do sinal de feedback de posição, impossibilitando o controle preciso da posição da ferramenta pelo sistema de controle da máquina-ferramenta. A manutenção regular do servomotor deve ser realizada, incluindo a verificação dos parâmetros elétricos do motor, a limpeza do ventilador de resfriamento do motor e a detecção do estado de funcionamento do encoder, etc., para detectar e eliminar potenciais riscos de falha em tempo hábil.
Sujeira na Escala de Grade: A escala de grade é um sensor importante usado no centro de usinagem para medir a posição e o deslocamento da ferramenta. Se houver sujeira dentro da escala de grade, isso afetará a precisão das leituras da escala, fazendo com que o sistema de controle da máquina-ferramenta receba informações de posição incorretas, resultando em desvios dimensionais na usinagem. Por exemplo, ao usinar sistemas de furos de alta precisão, devido ao erro da escala de grade, a precisão da posição dos furos pode exceder a tolerância. A limpeza e a manutenção regulares da escala de grade devem ser realizadas, utilizando ferramentas de limpeza e limpadores especiais e seguindo os procedimentos operacionais corretos para evitar danos à escala de grade.
Falha do Servoamplificador: A função do servoamplificador é amplificar o sinal de comando emitido pelo sistema de controle e, em seguida, acionar o servomotor. Quando o servoamplificador falha, como quando o tubo de potência está danificado ou o fator de amplificação é anormal, isso fará com que o servomotor funcione de forma instável, afetando a precisão da usinagem. Por exemplo, pode causar flutuações na velocidade do motor, tornando a taxa de avanço da ferramenta irregular durante o processo de corte, aumentando a rugosidade da superfície da peça usinada e diminuindo a precisão dimensional. Um mecanismo perfeito de detecção e reparo de falhas elétricas na máquina-ferramenta deve ser estabelecido, e pessoal profissional de reparo elétrico deve estar equipado para diagnosticar e reparar falhas em componentes elétricos, como o servoamplificador, em tempo hábil.
IV. Conclusão
Existem inúmeros fatores que afetam a precisão dimensional de usinagem em centros de usinagem. Fatores evitáveis, como processos de usinagem, cálculos numéricos na programação, elementos de corte e configuração de ferramentas, podem ser controlados de forma eficaz pela otimização dos esquemas de processo, aprimoramento dos níveis de programação, seleção racional dos parâmetros de corte e configuração precisa das ferramentas. Fatores irresistíveis, como a deformação por resfriamento da peça e a estabilidade da própria máquina-ferramenta, embora difíceis de eliminar completamente, podem ter seu impacto reduzido na precisão de usinagem por meio de medidas de processo razoáveis, como o uso de refrigerante, manutenção regular e detecção e reparo de falhas da máquina-ferramenta. No processo de produção real, os operadores e gerentes técnicos de centros de usinagem devem compreender completamente esses fatores de influência e tomar medidas direcionadas de prevenção e controle para melhorar continuamente a precisão dimensional de usinagem dos centros de usinagem, garantir que a qualidade do produto atenda aos requisitos e aumentar a competitividade das empresas no mercado.
Existem inúmeros fatores que afetam a precisão dimensional de usinagem em centros de usinagem. Fatores evitáveis, como processos de usinagem, cálculos numéricos na programação, elementos de corte e configuração de ferramentas, podem ser controlados de forma eficaz pela otimização dos esquemas de processo, aprimoramento dos níveis de programação, seleção racional dos parâmetros de corte e configuração precisa das ferramentas. Fatores irresistíveis, como a deformação por resfriamento da peça e a estabilidade da própria máquina-ferramenta, embora difíceis de eliminar completamente, podem ter seu impacto reduzido na precisão de usinagem por meio de medidas de processo razoáveis, como o uso de refrigerante, manutenção regular e detecção e reparo de falhas da máquina-ferramenta. No processo de produção real, os operadores e gerentes técnicos de centros de usinagem devem compreender completamente esses fatores de influência e tomar medidas direcionadas de prevenção e controle para melhorar continuamente a precisão dimensional de usinagem dos centros de usinagem, garantir que a qualidade do produto atenda aos requisitos e aumentar a competitividade das empresas no mercado.