Otimização da Trajetória em Operações de Faceamento: Impacto nos Custos, Energia e Emissões de CO₂
Otimização da Trajetória em Operações de Faceamento: Impacto nos Custos, Energia e Emissões de CO
O faceamento é uma operação de usinagem fundamental para gerar superfícies planas com alta precisão. Tradicionalmente, tem sido otimizado com base em parâmetros como velocidade de corte, taxa de avanço e profundidade de corte. No entanto, a trajetória seguida pela ferramenta também desempenha um papel crucial na eficiência geral do processo, tanto em termos de consumo de energia quanto em relação aos efeitos usuais sobre a vida útil da ferramenta, a produtividade e a qualidade da superfície.
Tipos de trajetórias no faceamento
Graças ao desenvolvimento dos sistemas CAM, temos agora uma ampla gama de opções para trajetórias de usinagem de superfícies de desbaste e acabamento. Dentre todas essas opções, há uma diferença principal: algumas operações mantêm a ferramenta sempre em contato com a peça, enquanto outras incluem movimentos ociosos (não cortantes).
Podemos classificá-las em quatro categorias básicas:
Unidirecional
: A operação mais básica e fácil de programar. A ferramenta trabalha com trajetórias lineares na mesma direção e retorna sem corte. Obtém-se acabamentos superficiais aceitáveis, mas se a entrada direta for usada, isso pode afetar a vida útil da ferramenta e aumentar o tempo total do ciclo.
Zig-zag (bidirecional):
movimentos lineares com a ferramenta se movendo em ambas as direções, reduzindo o tempo parado, mas com efeitos negativos sobre a qualidade da superfície resultante. Gerenciar as mudanças de direção pode afetar a vida útil da ferramenta.
Espiral:
tanto em direção ao interior quanto a partir dele, permite o corte contínuo com engajamento controlado, oferecendo bom acabamento superficial e bom controle da vida útil da ferramenta, ao mesmo tempo em que reduz o tempo de usinagem.
Adaptativo e trocoidal
: trajetórias que otimizam o contato ferramenta–material mantendo o engajamento radial controlado, melhorando a qualidade da superfície. Elas geralmente incluem pequenos movimentos ociosos em áreas de difícil acesso, mas visam manter a ferramenta em contato o máximo possível. São altamente recomendadas para materiais difíceis de usinar.
Cada uma dessas trajetórias tem implicações diferentes em termos de tempo de usinagem, carga de trabalho, consumo de energia e geração de calor.
Emissões de CO
Neste artigo, abordaremos principalmente o efeito energético das trajetórias, comparando aquelas que mantêm contato constante entre a ferramenta e a peça com aquelas que, devido à sua configuração e orientação diferente, envolvem movimentos ociosos (não cortantes). Para ilustrar esta comparação, utilizaremos uma trajetória unidirecional alternativa e uma trajetória espiral a partir do exterior, ambas sob as mesmas condições de corte, e compararemos o consumo de energia de ambas as opções. Posteriormente, compararemos ambas as trajetórias com melhores condições de corte.
Podemos calcular a potência consumida em diferentes materiais, selecionados a partir de um amplo banco de dados, usando uma combinação específica de ferramentas e geometrias de pastilhas, durante uma operação de fresamento usando o "ToolGuide", disponível neste link.
ToolGuide
Para uma operação de faceamento com a CM345 ref 345-050Q22-13H Z6, com pastilhas 345R-1305M-PM 1230, em uma peça de aço 32CrMoV12-28 P3.0.Z.AN com 230 Hb, partiremos dessas duas condições de corte, o que nos dará dois consumos diferentes de potência de corte.
Durante movimentos rápidos a velocidades de 5.000 a 10.000 mm/min (sem carga de corte) em uma máquina CNC convencional de 5 eixos com potência máxima de 40 kW, o consumo típico de energia varia entre 4 e 7 kW. Para o nosso exemplo, usaremos 5,5 kW como valor de cálculo.
Os componentes que compõem esse consumo básico de máquina são:
Software e equipamentos eletrônicos da máquina.
Movimento da máquina mais a rotação do próprio fuso de corte. Quanto maior a velocidade de avanço, maior a demanda de energia.
Movimento da máquina mais a rotação do próprio fuso de corte. Quanto maior a velocidade de avanço, maior a demanda de energia.
Essa faixa é útil para estimar o consumo de energia durante fases de posicionamento rápido ou movimentos entre operações, especialmente em ciclos de usinagem intensivos.
Estudos de caso
Caso 1: Trajetórias unidirecionais vs. espirais.
Em uma operação de faceamento em chapa de aço 250 x 250 mm, duas trajetórias foram comparadas: unidirecional e espiral. A trajetória espiral tem um comprimento total de corte de 1.250 mm, o que equivale a 38,26 segundos de tempo de corte. Na trajetória unidirecional, existem 5 caminhos de 300 mm cada, e devemos adicionar 4 caminhos de retorno com um avanço de mesa de 7.500 mm/min. Isso permite que a usinagem total seja concluída em 45,918 9,6 55,51 segundos, um aumento devido ao tempo de retorno sem corte.
A potência de corte é de 16,7 kW e a potência consumida durante movimentos ociosos (sem corte) é de 5,5 kW. Portanto, o consumo total de energia durante o tempo de corte é de 0,2276 kWh para a trajetória unidirecional e 0,1774 kWh para a trajetória espiral. O gráfico fornece uma visão mais clara da economia de kWh.
Comparação entre trajetórias unidirecionais e espirais
Caso 2: Comparação entre as condições de corte original e superior Fz0,4.
Já vimos como os movimentos ociosos da máquina afetam o uso de energia. Agora, se tomarmos nosso segundo conjunto de condições de corte, com um avanço por dente de 0,4 mm, podemos observar o efeito do aumento dos parâmetros de corte em ambos os consumos de energia. A potência de trabalho aumentará para 18,1 kW, mas o tempo de corte para a trajetória espiral diminuirá para 33,48 segundos. Na operação unidirecional, o tempo de corte será de 40,17 9,6 50,07 segundos. Portanto, o novo consumo total de energia durante o tempo de corte é de 0,2166 kWh para a trajetória unidirecional e 0,1683 kWh para a trajetória espiral.
Este é um resultado contraintuitivo, pois com maior potência de corte, obtemos menor consumo energético total graças à redução do tempo de ciclo.
Efeito do aumento do avanço em trajetórias unidirecionais
Efeito do aumento do avanço em trajetórias unidirecionais
Análise de custos de máquinas CNC e energia por região
A tabela a seguir apresenta uma análise comparativa dos custos de energia, das taxas horárias das máquinas CNC e das emissões médias de CO por quilowatt-hora (kWh) em diferentes regiões. Esses dados são úteis para avaliar o impacto ambiental e econômico das operações CNC globalmente.
E aqui estão os dados de todos os casos estudados: kWh, emissões de CO e custos com base em dados médios para todas as regiões.
Conclusão
A escolha da trajetória em operações de faceamento não afeta apenas a qualidade e a produtividade, mas também tem um impacto direto na sustentabilidade do processo — custos de energia, custos diretos da máquina e emissões de CO na atmosfera. A adoção de trajetórias otimizadas por meio de software CAM avançado permite:
Melhorar a eficiência energética.
Reduzir o desgaste da ferramenta.
Diminuir as emissões de CO.
Reduzir o custo direto de usinagem e aumentar a capacidade produtiva.
Para o consumo de CO, a redução é de 26%
quando se compara a trajetória unidirecional com Fz0,35 à trajetória espiral com Fz0,4. Isso também resulta em uma
redução econômica de 40%
.
Em um ambiente industrial cada vez mais focado na sustentabilidade, essas decisões técnicas podem fazer uma diferença significativa. Selecionar ferramentas que nos permitam trabalhar nas mais altas condições de corte resultará em economia direta e reduções nas emissões de CO.
Alvaro Ruiz
Global product solution specialist Milling
Otimização da Trajetória em Operações de Faceamento: Impacto nos Custos, Energia e Emissões de CO
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Otimização de Faceamento
Discute trajetórias de faceamento e seus impactos em energia e emissões.
Explora como diferentes trajetórias de faceamento podem otimizar o consumo de energia, afetar custos e reduzir emissões de CO, comparando trajetórias unidirecionais e espirais em condições de corte variadas. chevron_right