Aplicação de Sistema de Monitoramento de Baixo Custo para Predição de Desgaste de Ferramentas em Usinagem

Resumo

A indústria moderna tem exigido soluções cada vez mais eficientes, precisas e inteligentes no controle dos processos de manufatura. Em operações de usinagem, o desgaste de ferramentas de corte é um fator crítico, uma vez que afeta diretamente a qualidade dimensional e superficial do produto, além de aumentar os custos relacionados à substituição prematura de ferramentas e à recorrência de manutenções corretivas (Chacón et al., 2021; Mohanraj et al., 2020). Com a consolidação dos conceitos da Indústria 4.0, a integração de sensores a um sistema de monitoramento da condição de ferramenta (TCM - Tool Condition Monitoring) se torna uma solução viável, por conseguir prever o fim da sua vida útil e permitir a sua substituição no momento adequado, resultando na minimização do tempo de inatividade e no aumento da eficiência operacional (Soori; Arezoo; Dastres, 2023). O monitoramento do estado de ferramentas pode ser realizado através de dois métodos: diretos e indiretos. Os métodos diretos permitem o acompanhamento imediato das alterações geométricas das ferramentas devido ao desgaste. Embora sejam considerados mais confiáveis, apresentam limitações em aplicações industriais, pois exigem a interrupção do processo para que as medições sejam realizadas, aumentando o tempo de inatividade e impactando negativamente a produtividade. Em contraste, os métodos indiretos são baseados na medição de parâmetros relacionados ao processo de usinagem que apresentam correlação com o desgaste de ferramenta, como medições de forças de corte (Cheng et al., 2022), emissões acústicas (Chacón et al., 2021), consumo de corrente elétrica (Muraro, 2020) e vibrações (Navarro-Devia et al. 2023). Apesar de serem úteis por permitirem o monitoramento da ferramenta em tempo real e de forma não intrusiva (Serin et al., 2020), criar uma relação fidedigna entre as medições de sinais e a condição efetiva de deterioração representa um dos principais obstáculos. Isso ocorre porque, além do próprio desgaste, diversos elementos externos também afetam o sinal captado, incluindo os parâmetros operacionais e o estado do equipamento utilizado. Contudo, a acurácia pode ser elevada significativamente com o emprego de sensores distintos, proporcionando dados mais consistentes ainda que intensifique as exigências relacionadas ao tratamento dos sinais obtidos (Cheng et al., 2020; Mohanraj et al., 2020; Navarro-Devia et al., 2023). Este trabalho teve como objetivo desenvolver e validar um sistema de monitoramento do desgaste de ferramentas em fresamento, empregando sensores de baixo custo integrados a um microcontrolador para aquisição de sinais mecânicos e elétricos. O sistema foi desenvolvido com base nos métodos propostos por Vianello et al. (2023), utilizando um acelerômetro triaxial MPU-9250 posicionado próximo à zona de corte para captura das vibrações geradas e um sensor de corrente SCT-013 instalado no motor principal da fresadora para monitoramento do esforço elétrico, ambos operando com taxa de amostragem de 2 kHz. Ensaios experimentais foram realizados em duas máquinas com características distintas: uma router CNC (Controle Numérico Computadorizado), de menor rigidez estrutural, localizada no Instituto de Inovação Tecnológica (IIT-UPE), e uma fresadora ferramenteira, localizada na Escola Politécnica de Pernambuco (POLI-UPE). As ferramentas de corte empregadas foram fresas de topo de aço rápido (High Speed Steel – HSS) de 10 mm, aplicadas na usinagem de corpos de prova em aço SAE 1045 (200×100×20 mm), com parâmetros de corte padronizados. O fim de vida da ferramenta foi definido segundo a ABNT NBR ISO 8688 - parte 2 (2020), considerando desgaste médio de flanco (VBB) de 0,3 mm ou máximo individual (VBBmax) de 0,5 mm, mensurado por microscopia. Os sinais coletados foram submetidos a pré-processamento, análise espectral através da Transformada Rápida de Fourier e avaliação estatística pelo coeficiente de correlação de Pearson, visando estabelecer a relação entre as grandezas dinâmicas e o avanço do desgaste. Os resultados demonstraram que, nos ensaios realizados na router CNC, todas as fresas atingiram rapidamente níveis de desgaste superiores aos limites normativos, inviabilizando análises mais detalhadas do comportamento da deterioração das ferramentas. Na fresadora, entretanto, observou-se a evolução progressiva do desgaste e variações significativas na vibração, com coeficientes de correlação elevados entre aceleração RMS (Root Mean Square) e o desgaste (r ≈ 0,7–0,96; p < 0,01), confirmando-a como principal variável preditiva. A corrente elétrica, por sua vez, apresentou baixa sensibilidade a desgastes sutis, mas evidenciou maior consumo e variabilidade na router CNC, refletindo sua menor rigidez estrutural e maior suscetibilidade a vibrações intermitentes. Em síntese, o estudo valida a viabilidade técnica de monitoramento de desgaste com sensores de baixo custo, destacando a vibração como o principal indicador e o sinal de corrente como variável complementar.