As oficinas que decidem expandir para novos mercados são frequentemente estimuladas a adicionar novos equipamentos de usinagem ou adotar novos processos de usinagem para dar suporte aos seus esforços. No caso da True Die, os passos que ela tomou para diversificar suas ofertas de produtos fabricando ferramentas redondas precisas para aplicações de conformação de chapas metálicas de estampagem profunda a levaram a desenvolver uma estratégia eficaz para torneamento duro. O objetivo era eliminar a necessidade de retificação de diâmetro interno (ID) e diâmetro externo (OD) de ferramentas redondas de metal em pó endurecido (principalmente) variando até 64 HRC, permitindo que ela atingisse maiores taxas de remoção de material enquanto correspondia ao que a retificação poderia atingir em termos de concentricidade, acabamento de superfície e precisão dimensional. Isso ela fez desde então, estabelecendo a capacidade de tornear diâmetros e raios com precisão de ±0,0002 polegadas.

Na verdade, duas das recentes adições de máquinas da loja de Zeeland, Michigan, são centros de torneamento que foram comprados principalmente para torneamento duro. Mitch Stahl é o especialista técnico da True Die que, junto com Chris McCleary, coordenador de torneamento, liderou uma equipe de maquinistas no estabelecimento da estratégia de torneamento duro da loja. Em resumo, ele diz que a abordagem da loja se resume a três conceitos interconectados: estabelecer a rigidez geral do processo, implementar os tipos certos de ferramentas de corte e aplicar os dados de corte apropriados.

A palavra-chave aqui é interconectado. O Sr. Stahl sustenta que implementar apenas um ou dois desses conceitos não funcionaria; todos devem ser abordados apropriadamente para um torneamento duro eficaz. “Também é igualmente importante cuidar dos pequenos detalhes ao colocar um processo como esse em prática”, ele observa.

Verdadeiro Morre, anteriormente Contour Tool and Engineering antes de adquirir essa empresa em 2015, tem experiência em projetar, usinar e montar moldes de injeção de plástico e conjuntos de matrizes progressivas. Ela tem uma gama diversificada de equipamentos de usinagem em suas instalações de 10.000 pés quadrados, incluindo fresadoras CNC, centros de torneamento, retificadoras e equipamentos de EDM de fio e platina.

Brian Brown, presidente da True Die, diz que a indústria de conformação de metais por estampagem profunda representou uma oportunidade para a loja se diversificar em um novo mercado que complementa os outros que atende. “Nossa expertise na aplicação de estampagem profunda nos posicionou de forma única como um fornecedor de ferramentas, permitindo-nos trazer soluções tangíveis e ferramentas de alto desempenho para o mercado”, diz o Sr. Brown. “Com mais de 100 anos de experiência combinada em design, desenvolvimento e produção de estampagens trefiladas, estávamos bem preparados com um profundo entendimento dos requisitos exclusivos dessa indústria.”

Na época da compra, a Contour fabricava exclusivamente moldes e matrizes. O desenvolvimento de uma parceria estratégica com uma empresa de estampagem profunda permitiu que dois clientes adicionais que forneceram diversificação e a oportunidade de rápido crescimento, a loja completasse bem suas ofertas ao estabelecer o que o Sr. Brown chama de seu "departamento de detalhes", que fornece componentes individuais para ferramentas de estampagem profunda novas e existentes e equipamentos de montagem automatizados. Na verdade, o trabalho de detalhes atualmente representa 50 por cento das vendas da loja, e a empresa cresceu quase 700 por cento nos dois anos desde que entrou no mercado de detalhes.

Esta ferramenta redonda é usada em matrizes complexas, progressivas e de estampagem profunda usadas para criar componentes (tipicamente cilíndricos) de chapas metálicas (comumente aço inoxidável), principalmente para aplicações automotivas, como componentes para sistemas de combustível, freios e airbag. “Originalmente, presumimos que precisaríamos comprar uma máquina de retificação cilíndrica mais capaz para atingir as tolerâncias e acabamentos que a ferramenta redonda exigia”, diz o Sr. Brown. “No entanto, dada sua experiência com torneamento duro, o Sr. Stahl sugeriu que um processo de torneamento duro alcançaria a precisão que as ferramentas exigiam e realizaria um rendimento mais rápido do que a retificação devido às maiores taxas de remoção de material. Além disso, também poderíamos tornear com eficiência perfis complexos em materiais endurecidos que seriam proibitivos em termos de custo para retificar e possivelmente exigiriam operações de retificação de forma.”

Como a True Die é uma job shop, seus tamanhos de lote para ferramentas redondas são baixos (frequentemente variando de uma a seis peças) e seu mix de produtos é alto. O comprimento da ferramenta pode variar de 20 polegadas e os diâmetros de 0,1 a 12 polegadas, e muitas versões têm altas relações comprimento-diâmetro (L:D).

A loja cria principalmente ferramentas redondas a partir de barras de ligas de metal em pó, que são feitas de partículas combinadas de vários metais e elementos de liga. A "receita" de metal em pó é comprimida em forma de barras que a loja primeiro usina em seu estado macio ou "verde" antes do tratamento térmico, que une as partículas individuais para criar o componente endurecido. Dependendo da liga de metal em pó específica, a dureza da ferramenta no estado verde é essencialmente insignificante e pode ser efetivamente usinada usando métodos de torneamento convencionais. No entanto, após o tratamento térmico, a dureza da ferramenta pode variar para 64 HRC. Os aços de metal em pó comuns que a loja usina incluem CPM 3V, 9V e 10V, bem como M2 e M4.

A True Die normalmente deixa aproximadamente 0,010 a 0,012 polegada de estoque extra após tornear ferramentas no estado pré-endurecido para permitir passes subsequentes de torneamento duro. Pode deixar mais estoque em peças que tendem a empenar muito após tratamento térmico, como aquelas com L:D alto. No caso de empenamento significativo, o desafio não é tanto atingir tolerâncias de tamanho, mas sim tolerâncias de concentricidade apertadas. "Às vezes é mais difícil deixar uma peça empenada reta do que colocá-la no tamanho certo", diz o Sr. Stahl.

Os dois centros de torneamento True Die adquiridos recentemente para torneamento duro são MazakModelos Quick Turn Nexus 250 II com torres de 12 estações (nenhuma delas com estações de ferramentas vivas). A primeira dessas máquinas foi comprada em abril de 2016 e a segunda mais tarde naquele ano, em agosto, e elas oferecem a rigidez que a oficina precisava para formar a base para seu processo de torneamento duro, diz o Sr. Stahl.

De acordo com Mike Utter, representante do distribuidor de máquinas-ferramentas Máquinas Addy(Grand Rapids, Michigan), que vendeu as máquinas para a True Die, seus sistemas de guia de rolos híbridos MX são um dos principais contribuintes para sua rigidez. “Os rolos fornecem mais contato de superfície do que rolamentos de esferas, mas com menos atrito do que corrediças”, ele explica. “O sistema também lida efetivamente com capacidades de carga pesada, porque há menos deformação elástica com rolos, e eles fornecem um alto grau de capacidade de amortecimento, o que estende a vida útil da ferramenta. Ele também apresenta um design tipo X que distribui eficientemente a carga em quatro direções — radial (sentido horário e anti-horário), radial reverso e lateral — e reduz erros de reversão ao realizar movimentos de curva.” Além disso, o motor de fuso integral usado por essas máquinas fornece melhor concentricidade durante o corte de carga pesada do que máquinas com fusos acionados por correia.

O Sr. Stahl diz que é igualmente importante considerar a rigidez da ferramenta de fixação e corte durante o torneamento duro. Para resolver o primeiro, a oficina usa pinças em vez de mandíbulas para fornecer mais contato de área de superfície com a barra. "Além disso, a fixação paralela é mais fácil de ser alcançada porque não há elevação da mandíbula usando pinças", diz o Sr. Stahl. "Todas as superfícies de contato também devem estar limpas, incluindo a peça de trabalho, a pinça e o nariz do fuso."

True Die usa o HardingeSistema de pinça de troca rápida FlexC em suas máquinas Nexus (assim como muitos outros centros de torneamento na loja), que oferece desvio total indicado (TIR) dentro de 0,0004 pol. O FlexC também acelera o tempo de configuração e troca quando comparado a mandris de mandíbula convencionais. Este sistema apresenta um conjunto de montagem de fuso, cabeçotes de pinça e uma chave manual com liberação de gatilho usada para instalar ou trocar manualmente os cabeçotes de pinça quando o mandril da máquina está na posição desbloqueada.

As cabeças de pinça consistem em segmentos de aço temperado que são unidos por um processo de vulcanização. Como não há haste de pinça, os segmentos de pinça permanecem paralelos ao estoque. Diz-se que a fixação paralela minimiza o "empurrão para trás" do estoque e requer menos força na barra de tração para atingir a mesma capacidade de preensão que as pinças convencionais. Este sistema pode acomodar diâmetros de barra que variam de 3,25 polegadas, e uma cabeça de pinça FlexC típica tem uma faixa de preensão de ± 0,020 polegada menor e maior que seu tamanho nominal para acomodar a variação do tamanho da barra sem ter que mudar para uma pinça de tamanho diferente. A oficina usa mandris padrão de três e seis mandíbulas para diâmetros de peça de trabalho maiores que 3,25 polegadas.

Para garantir a rigidez da ferramenta de corte, é importante primeiro posicionar os cortadores na altura central da ferramenta adequada, explica o Sr. McCleary. “Estar fora do centro em apenas 0,002 polegada pode causar trepidação e vibração”, ele diz. “Além disso, quanto menor o diâmetro da peça de trabalho, mais importante é a altura central da ferramenta.” Isso porque, dada a mesma distância da ferramenta do centro da peça de trabalho, a proporção de erro aumenta com diâmetros menores da peça de trabalho.

O deslocamento da ferramenta e a saliência do porta-ferramentas também devem ser minimizados. Normalmente, o fator determinante é a folga da ferramenta para torneamento OD ao usar um cabeçote móvel e a profundidade do furo ao furar IDs. “Se o deslocamento estiver resultando em vibração, o primeiro passo é modificar as velocidades e avanços”, explica o Sr. McCleary. “O próximo passo seria considerar um raio de ponta de inserto de ferramenta de corte diferente ou preparação de aresta.”

Em quase todos os casos, a True Die usa ferramentas de corte de nitreto de boro cúbico (CBN) para torneamento duro, principalmente de Sumitomo. A loja descobriu que o CBN dura mais do que a cerâmica para materiais muito duros, é mais repetível e pode ser operado com refrigerante. A desvantagem é que as fresas de CBN custam mais do que as de cerâmica. Normalmente, ela usa a classe Sumiboron BNC200 para cortes contínuos e a classe BNC300 para cortes interrompidos (aproximadamente 25 por cento das ferramentas redondas têm cortes interrompidos). Dizem que essas pastilhas oferecem um bom equilíbrio entre resistência à fratura e ao desgaste e apresentam um revestimento de nitreto de titânio e alumínio (TiAlN).

A True Die usa insertos em formato de diamante variando de 25 a 80 graus (comumente apresentando uma geometria negativa) e raios de ponta variando de 0,004 a 0,031 polegada. Um inserto de 55 graus é comumente usado para torneamento OD, com um raio de ponta de 0,030 polegada para operações de desbaste e um raio de ponta de 0,015 polegada para trabalho de acabamento. Um inserto de diamante de 80 graus mais forte é usado para cortes fortemente interrompidos. Para operações de mandrilamento, a oficina geralmente usa um inserto de 80 graus com geometria positiva.

O Sr. McCleary diz que há compensações ao escolher entre pastilhas com geometrias negativas ou positivas. “Descobrimos que pastilhas com geometria negativa são mais fortes do que pastilhas de geometria positiva e também podem ser viradas para fornecer quatro arestas utilizáveis”, ele explica. No entanto, essas pastilhas criam mais pressão de corte e oferecem menos folga. Uma pastilha de geometria positiva corta mais livremente e tem mais folga, mas é uma aresta de corte mais fraca.

Em termos de dados de corte, não há valores firmes para cada aplicação de torneamento duro na True Die, pois eles variam dependendo do tipo de material, dureza, L:D da peça, condições de corte e assim por diante. A oficina pode operar tão baixo quanto 150 sfm para cortes fortemente interrompidos em materiais muito duros até tão alto quanto 550 sfm em materiais mais suaves com uma classificação de dureza modesta.

O Sr. Stahl diz que a profundidade típica de corte (DOC) que a loja usa para operações de acabamento é de 0,003 a 0,004 polegadas, embora representantes de ferramentas de corte tenham sugerido que a DOC deve ser pelo menos a quantidade do raio do nariz da ferramenta. No entanto, a True Die descobriu que, em alguns casos, como quando a peça de trabalho L:D é maior que 20:1, a pressão de um corte mais profundo causaria muita deflexão da peça de trabalho e frequentemente impediria que ela mantivesse as tolerâncias. Essa pressão pode até mesmo transmitir estresse à peça, fazendo com que ela se deforme.

Deixando 0,010 a 0,012 polegada de estoque para ser removido após o tratamento térmico, três passes de torneamento duro podem ser realizados em ou em torno do mesmo DOC de 0,003 ou 0,004 polegada. Dessa forma, a pressão da ferramenta é a mesma para cada passe.

“Se a peça anterior for torneada conforme a especificação, o operador deve ser capaz de recuar a ferramenta na quantidade total de estoque que acabou de ser removida, de modo que a ferramenta mal esteja raspando a peça”, explica o Sr. Stahl. “Então, é uma questão de fazer a primeira passagem para apresentar uma boa superfície para medir a peça de trabalho, fazer a segunda passagem e medir para garantir que a operação esteja se repetindo e, então, fazer a passagem final para levar a peça de trabalho ao tamanho final.”

Usar esse método permite que a loja empurre uma ferramenta até que ela pare de se repetir. O desgaste é normal e esperado, e pode ser controlado desde que o inserto esteja se desgastando em uma quantidade repetível. No entanto, os insertos devem ser trocados ou indexados para uma nova aresta se a aresta atual não estiver se repetindo.

Exceto para cortes interrompidos, a loja funciona com refrigerante em quase todos os casos. Ela usa refrigerante não para lavar cavacos ou fornecer lubrificação, mas sim para manter a peça fria. "Às vezes, direcionamos o fluxo de refrigerante para longe da ponta inerte, mesmo no lado oposto da peça em alguns casos", diz o Sr. McCleary. "Os materiais de metal em pó de alta dureza geram muito calor durante o torneamento duro, a ponto de a expansão térmica do calor poder exceder nossas tolerâncias permitidas. Além disso, se o refrigerante não for usado, o operador teria que resfriar a peça de trabalho após o torneamento duro antes de medi-la. Usar refrigerante nos permite medir uma peça instantaneamente." A loja não usa refrigerante para cortes interrompidos devido à possibilidade de fratura térmica da aresta de corte.

Uma das duas máquinas Quickturn Nexus da True Die é reservada para trabalho de torneamento duro, enquanto a outra é usada às vezes quando a capacidade é necessária para torneamento convencional. Na verdade, o Sr. Stahl acredita que é importante dedicar um centro de torneamento para processos de torneamento duro, se possível. "Se você tem trabalho para preencher a programação de uma máquina com operações de acabamento de torneamento duro, então por que sobrecarregar essa máquina desbastando com ela também?", ele pergunta. "A longo prazo, é melhor manter uma máquina dedicada ao torneamento duro, pois acredito que isso estende o tempo que a máquina pode efetivamente executar essas operações precisas. Além disso, permite que você mantenha todas as ferramentas de torneamento, faceamento e mandrilamento apropriadas configuradas na máquina, o que acelera as configurações. Dito isso, nem sempre é prático comprometer uma máquina com torneamento duro, especialmente em uma oficina de trabalho de baixo volume e alta mistura."