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O porta-ferramentas, tal como o próprio nome indica, é um dispositivo mecânico que serve de interface entre o fuso da máquina ferramenta e a ferramenta de corte, assegurando a eficiência dos seus elementos. Existem vários tipos de porta-ferramentas nomeadamente: hidráulicos, térmicos, soft synchro, weldon e whistle notch. Neste artigo centrar-nos-emos sobre os porta-ferramentas hidráulicos e os térmicos.
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Por último, importa referir que um dos aspetos que mais pesam na escolha de um porta-ferramentas é o tempo de troca da ferramenta, que no caso dos porta-ferramentas hidráulicos é uma vantagem que pesa a seu favor. Na Figura 1 pode-se ver, em corte, o princípio de funcionamento de um porta-ferramentas hidráulico.
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Sistemas de Fixação de Ferramentas e Peças
Figura 1.
PORTAFERRAMENTAS HIDRÁULICOS Os porta-ferramentas são um elemento vital no processo de maquinação de alta velocidade, podendo ter um papel determinante na produtividade das empresas.
velocidade de corte e rotação. Da mesma forma, se a profundidade de introdução ou o diâmetro da haste não forem os corretos, poderá resultar em excentricidade com a consequente rotura da ferramenta.
O princípio de funcionamento do porta-ferramentas hidráulico é a utilização de fluido não compressível, acionado através de um parafuso, que obriga a expandir uma membrana elástica, de forma a fixar a ferramenta de corte. A tolerância de ajuste entre a ferramenta e a membrana poderá condicionar uma maior ou menor aderência.
O equilíbrio de massa ou balanceamento de um conjunto é um outro aspeto cuja qualidade poderá ter um impacto direto, em termos de tempo de vida útil das ferramentas, e em qualidade do estado de superfície das peças.
Ao ser acionada em todas as direções pelo fluido hidráulico, a membrana de expansão tende a centrar a ferramenta de corte. De forma a reduzir a excentricidade da ponta da ferramenta, é vital haver uma boa concentricidade entre esta e o porta-ferramentas. Este aspeto é tanto mais crítico quanto maior for a
Para uma classe específica de qualidade de equilíbrio, quando a velocidade de rotação aumenta, o desbalanceamento permissível diminui. Para se ter uma ideia do que falamos quando nos referimos ao balanceamento de ferramentas, para assegurar uma concentridade até 3 microns, normalmente os porta-ferramentas hidráulicos são equilibrados a 20.000 rpm e G2,5 (código da classe de equilíbrio mm/s).
PORTAFERRAMENTAS TÉRMICOS SHRINK FIT Shrink-fitting é uma técnica na qual partes de uma estrutura são aquecidas ou arrefecidas, utilizando o princípio da expansão térmica, para fazer um conjunto. O porta-ferramentas térmico ou shrink fit utiliza as propriedades de expansão e contração do metal, de forma a assegurar um aperto extremamente poderoso. Neste caso, o furo do porta-ferramentas é ligeiramente menor do que a haste da ferramenta e, quando aquecido, expande-se o suficiente para permitir que a ferramenta seja inserida. Depois de arrefecer, o metal contrai e segura a ferramenta de corte com uma força cerca de 45KN. Graças à rigidez do conjunto, consegue-se uma concentricidade e um balanceamento quase perfeitos, o que permite aumentar o tempo de vida útil da ferramenta. Por último, e graças à simplicidade de fabrico, este tipo de porta-ferramentas
Tabela comparativa entre os porta-ferramentas hidráulicos e térmicos Hidráulicos
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Térmicos (Shrink fit)
Balanceamento A geometria assimétrica cria desequilíbrio, porém os mandris são fabricados para que possam ser balanceados
É o melhor – Sem parafusos ou outras características assimétricas – o porta-ferramentas é, de forma inerente, bem balanceado
Vibração
O reservatório de fluido poderá oferecer alguma capacidade para amortecer as vibrações
Sem vantagens
Facilidade de uso
Melhor – a precisão é consistente, mas o mecanismo de fixação é facilmente danificado
Elevada – operadores com pouca habilidade podem utilizá-lo eficientemente
Custo
Mais caro
Os porta-ferramentas são baratos, mas a necessidade de um aquecedor implicam um elevado custo inicial
MONTAGENS DE APERTO HIDRÁULICO A redução do tempo de paragem é um fator com grande peso no aumento da produtividade e maximização da capacidade produtiva. Complementarmente, a precisão do posicionamento e da força de aperto, aliados à repetibilidade com que são realizados, constituem uma garantia importante na melhoria da qualidade.
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Caraterísticas
Os centros de maquinação flexíveis visam reduzir os tempos dos ciclos de produção. Desta forma, a colocação e fixação, bem como a remoção dos vários componentes de um dispositivo de aperto, constituem um “fator tempo” bastante significativo no processo. Para este ser produtivo e eficiente, é importante que os procedimentos de posicionamento, fixação e remoção sejam rápidos, simples e seguros. Este aspeto é tanto mais importante quanto maior for a peça e menor o tempo de ciclo de maquinação. A principal vantagem dos apertos hidráulicos é a poupança de tempo no aperto e desaperto de um componente. Quando se compara o tempo necessário para o aperto hidráulico com o tempo requerido para o aperto manual, o ganho ronda os 90 a 95%. Esta redução permite ganhos igualmente em termos de capacidade de produção e redução de custos. Tão importante como a vantagem do tempo, é a precisão de posicionamento nos sistemas de fixação hidráulica. As forças de aperto são constantes, resultando num posicionamento e aperto muito
precisos. Isso garante a repetibilidade e qualidade dos processos. De referir que as não conformidades devido à deformação por aperto são insignificantes. Uma terceira vantagem oferecida pelo aperto hidráulico consiste na otimização do espaço de aperto, graças à utilização de grampos que permitem o aperto em espaços inacessíveis manualmente. Esta característica permite aumentar o número de componentes que podem ser apertados e maquinados em simultâneo.
PRINCÍPIOS BÁSICOS NO DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE FIXAÇÃO O desenho básico de qualquer dispositivo de fixação com grampos manuais ou hidráulicos é a mesma. Assim, a estrutura do dispositivo de fixação deve ser suficientemente rígida e pesada para evitar deformações e vibrações resultantes dos movimentos da máquina e das forças de aperto. Por isso, o componente em bruto deve ser inicialmente posicionado, apoiado e fixo apenas em três pontos.
AS TRÊS FUNÇÕES BÁSICAS Qualquer dispositivo de fixação deve cumprir três funções básicas: a) Posicionar o componente com precisão; b) Apoiar o componente de forma adequada; c) Fixar o componente para a maquinação de forma segura. Durante o posicionamento, a peça de trabalho é pressionada através das garras contra os pontos de apoio. A peça deve permanecer fixa numa posição, de forma a que as forças de corte não possam deslocá-la durante a operação. Poderá, no entanto, haver necessidade de apoiar
a peça noutros pontos, de forma a evitar fenómenos de vibração, empeno, etc. Por isso, e para o correto posicionamento da peça, poder-se-á recorrer a molas de baixa pressão. O aperto hidráulico é normalmente realizado segundo uma sequência, sendo que numa primeira fase ocorre com baixa pressão e, na segunda fase, para conclusão do aperto, recorre-se a alta pressão. Esta sequência é conseguida graças a válvulas mecânicas ou por válvulas solenoide direcionais, montadas no sistema hidráulico. Já a pressão hidráulica pode ser fornecida por uma variedade de bombas, nomeadamente bombas manuais, bombas ar-óleo e bombas eletro-hidráulicas. Ao projetar um sistema hidráulico de aperto, torna-se fundamental escolher corretamente os componentes. Neste processo devem-se considerar os seguintes aspetos: Há espaço suficiente? É apropriado o aperto ao longo da borda ou deve ser realizado internamente? Estes aspetos requerem que cada projeto seja tratado caso a caso, havendo situações em que a solução passa por um sistema com componentes especiais. Nestes casos, poder-se-á questionar a necessidade de aperto hidráulico, pelo que, quando é tomada a decisão de desenvolver um sistema hidráulico, o respetivo desenho normalmente constitui a chave do sucesso. Para tal, o desenho deve incluir os seguintes elementos: 1. A força de aperto e o curso de aperto dos cilindros; 2. A fonte de energia; 3. O controlo do sistema de aperto (acessórios e válvulas); 4. A escolha das ferramentas de fixação, segundo a sequência de maquinação; o tamanho e forma da peça de trabalho.
CONCLUSÃO Quando comparados com os sistemas convencionais de aperto mecânico, são muitas as vantagens em utilizar sistemas de aperto hidráulico, mas a mais significativa reside no tempo de carga e descarga. Graças à repetibilidade da força exercida na peça e a precisão com que o fazem, os apertos hidráulicos garantem melhor qualidade.