A usinagem de precisão é um processo para remover material de uma peça de trabalho durante a manutenção de acabamentos com tolerância estreita. A máquina de precisão tem muitos tipos, incluindo fresamento, torneamento e usinagem de descarga elétrica. Uma máquina de precisão hoje é geralmente controlada por meio de Controles Numéricos por Computador (CNC).
Quase todos os produtos de metal usam usinagem de precisão, assim como muitos outros materiais, como plástico e madeira. Essas máquinas são operadas por maquinistas especializados e treinados. Para que a ferramenta de corte faça seu trabalho, ela deve ser movida nas direções especificadas para fazer o corte correto. Esse movimento primário é chamado de "velocidade de corte". A peça de trabalho também pode ser movida, conhecido como movimento secundário de "avanço". Juntos, esses movimentos e a nitidez da ferramenta de corte permitem que a máquina de precisão opere.
A usinagem de precisão de qualidade requer a capacidade de seguir projetos extremamente específicos feitos por programas CAD (design auxiliado por computador) ou CAM (fabricação auxiliada por computador), como AutoCAD e TurboCAD. O software pode ajudar a produzir diagramas tridimensionais complexos ou contornos necessários para fabricar uma ferramenta, máquina ou objeto. Esses projetos devem ser seguidos com grande detalhamento para garantir que um produto mantenha sua integridade. Embora a maioria das empresas de usinagem de precisão trabalhe com alguma forma de programas CAD / CAM, elas ainda trabalham frequentemente com esboços feitos à mão nas fases iniciais de um projeto.
A usinagem de precisão é usada em vários materiais, incluindo aço, bronze, grafite, vidro e plásticos, para citar alguns. Dependendo do tamanho do projeto e dos materiais a serem usados, várias ferramentas de usinagem de precisão serão utilizadas. Qualquer combinação de tornos, fresadoras, furadeiras, serras e retificadoras e até mesmo robótica de alta velocidade pode ser usada. A indústria aeroespacial pode usar usinagem de alta velocidade, enquanto uma indústria de fabricação de ferramentas de madeira pode usar processos de usinagem e gravação fotoquímica. A produção de uma corrida, ou uma quantidade específica de qualquer item particular, pode chegar a milhares ou ser apenas alguns. A usinagem de precisão geralmente requer a programação de dispositivos CNC, o que significa que eles são controlados por computador numericamente. O dispositivo CNC permite que as dimensões exatas sejam seguidas durante a execução de um produto.
Fresamento é o processo de usinagem que usa fresas rotativas para remover material de uma peça avançando (ou alimentando) a fresa na peça em uma determinada direção. O cortador também pode ser mantido em um ângulo em relação ao eixo da ferramenta. A fresagem cobre uma ampla variedade de diferentes operações e máquinas, em escalas de pequenas peças individuais a grandes operações de fresagem conjunta para serviços pesados. É um dos processos mais comumente usados para usinar peças personalizadas com tolerâncias precisas.
O fresamento pode ser feito com uma ampla gama de máquinas-ferramentas. A classe original de máquinas-ferramenta para fresamento era a fresadora (geralmente chamada de fresadora). Após o advento do controle numérico computadorizado (CNC), as fresadoras evoluíram para centros de usinagem: fresadoras aumentadas por trocadores automáticos de ferramentas, porta-ferramentas ou carrosséis, capacidade CNC, sistemas de refrigeração e gabinetes. Os centros de fresagem são geralmente classificados como centros de usinagem verticais (VMCs) ou centros de usinagem horizontais (HMCs).
A integração da fresagem aos ambientes de torneamento, e vice-versa, começou com o ferramental ao vivo para tornos e o uso ocasional de fresas para operações de torneamento. Isso levou a uma nova classe de máquinas-ferramenta, máquinas multitarefa (MTMs), que são projetadas para facilitar o fresamento e o torneamento dentro do mesmo envelope de trabalho.
Para engenheiros de projeto, equipes de P&D e fabricantes que dependem do fornecimento de peças, a usinagem CNC de precisão permite a criação de peças complexas sem processamento adicional. Na verdade, a usinagem CNC de precisão muitas vezes possibilita que as peças acabadas sejam feitas em uma única máquina.
O processo de usinagem remove material e usa uma ampla gama de ferramentas de corte para criar o projeto final, e muitas vezes altamente complexo, de uma peça. O nível de precisão é aprimorado com o uso do controle numérico computadorizado (CNC), que é utilizado para automatizar o controle das ferramentas de usinagem.
O papel do "CNC" na usinagem de precisão
Usando instruções de programação codificadas, a usinagem CNC de precisão permite que uma peça de trabalho seja cortada e moldada de acordo com as especificações sem intervenção manual do operador da máquina.
Pegando um modelo de desenho auxiliado por computador (CAD) fornecido por um cliente, um maquinista especialista usa software de manufatura auxiliado por computador (CAM) para criar as instruções de usinagem da peça. Com base no modelo CAD, o software determina quais caminhos de ferramenta são necessários e gera o código de programação que informa à máquina:
■ Quais são os RPMs e taxas de alimentação corretos
■ Quando e para onde mover a ferramenta e / ou peça de trabalho
■ Quão profundo para cortar
■ Quando aplicar refrigerante
■ Quaisquer outros fatores relacionados à velocidade, taxa de alimentação e coordenação
Um controlador CNC então usa o código de programação para controlar, automatizar e monitorar os movimentos da máquina.
Hoje, o CNC é um recurso embutido em uma ampla gama de equipamentos, desde tornos, fresas e roteadores até EDM (usinagem de descarga elétrica), laser e máquinas de corte a plasma. Além de automatizar o processo de usinagem e aumentar a precisão, o CNC elimina as tarefas manuais e libera os maquinistas para supervisionar várias máquinas funcionando ao mesmo tempo.
Além disso, uma vez que o caminho da ferramenta foi projetado e uma máquina é programada, ela pode operar uma peça quantas vezes quiser. Isso fornece um alto nível de precisão e repetibilidade, o que, por sua vez, torna o processo altamente econômico e escalonável.
Materiais que são usinados
Alguns metais comumente usinados incluem alumínio, latão, bronze, cobre, aço, titânio e zinco. Além disso, madeira, espuma, fibra de vidro e plásticos como polipropileno também podem ser usinados.
Na verdade, praticamente qualquer material pode ser usado com usinagem CNC de precisão - claro, dependendo da aplicação e de seus requisitos.
Algumas vantagens da usinagem CNC de precisão
Para muitas das pequenas peças e componentes que são usados em uma ampla gama de produtos manufaturados, a usinagem CNC de precisão costuma ser o método de fabricação escolhido.
Como acontece com praticamente todos os métodos de corte e usinagem, diferentes materiais se comportam de maneira diferente, e o tamanho e a forma de um componente também têm um grande impacto no processo. No entanto, em geral, o processo de usinagem CNC de precisão oferece vantagens sobre outros métodos de usinagem.
Isso ocorre porque a usinagem CNC é capaz de fornecer:
■ Um alto grau de complexidade da peça
■ Tolerâncias estreitas, normalmente variando de ± 0,0002 "(± 0,00508 mm) a ± 0,0005" (± 0,0127 mm)
■ Acabamentos de superfície excepcionalmente lisos, incluindo acabamentos personalizados
■ Repetibilidade, mesmo em grandes volumes
Embora um maquinista qualificado possa usar um torno manual para fazer uma peça de qualidade em quantidades de 10 ou 100, o que acontece quando você precisa de 1.000 peças? 10.000 peças? 100.000 ou um milhão de peças?
Com a usinagem CNC de precisão, você pode obter a escalabilidade e a velocidade necessárias para esse tipo de produção de alto volume. Além disso, a alta repetibilidade da usinagem CNC de precisão oferece peças que são todas iguais do início ao fim, não importa quantas peças você esteja produzindo.
Existem alguns métodos muito especializados de usinagem CNC, incluindo fio EDM (usinagem por descarga elétrica), usinagem aditiva e impressão 3D a laser. Por exemplo, o fio EDM usa materiais condutores - normalmente metais - e descargas elétricas para corroer uma peça de trabalho em formas complexas.
No entanto, aqui vamos nos concentrar nos processos de fresamento e torneamento - dois métodos subtrativos amplamente disponíveis e frequentemente usados para usinagem CNC de precisão.
Fresagem vs. torneamento
Fresamento é um processo de usinagem que usa uma ferramenta de corte cilíndrica rotativa para remover material e criar formas. O equipamento de fresagem, conhecido como fresa ou centro de usinagem, realiza um universo de geometrias de peças complexas em alguns dos maiores objetos de metal usinado.
Uma característica importante do fresamento é que a peça permanece estacionária enquanto a ferramenta de corte gira. Em outras palavras, em uma fresa, a ferramenta de corte rotativa se move ao redor da peça, que permanece fixa em uma base.
Torneamento é o processo de cortar ou moldar uma peça em um equipamento chamado torno. Normalmente, o torno gira a peça em um eixo vertical ou horizontal, enquanto uma ferramenta de corte fixa (que pode ou não estar girando) se move ao longo do eixo programado.
A ferramenta não pode contornar fisicamente a peça. O material gira, permitindo que a ferramenta execute as operações programadas. (Há um subconjunto de tornos nos quais as ferramentas giram em torno de um fio alimentado por carretel, no entanto, que não é abordado aqui.)
No torneamento, ao contrário do fresamento, a peça gira. O estoque da peça liga o fuso do torno e a ferramenta de corte é colocada em contato com a peça de trabalho.
Usinagem manual vs. CNC
Enquanto fresas e tornos estão disponíveis em modelos manuais, as máquinas CNC são mais apropriadas para fins de fabricação de peças pequenas - oferecendo escalabilidade e repetibilidade para aplicações que requerem produção de alto volume de peças de tolerância restrita.
Além de oferecer máquinas simples de 2 eixos, nas quais a ferramenta se move nos eixos X e Z, os equipamentos CNC de precisão incluem modelos de vários eixos nos quais a peça também pode se mover. Isso contrasta com um torno em que a peça de trabalho é limitada à fiação e as ferramentas se movem para criar a geometria desejada.
Essas configurações multieixos permitem a produção de geometrias mais complexas em uma única operação, sem exigir trabalho adicional do operador da máquina. Isso não apenas facilita a produção de peças complexas, mas também reduz ou elimina a chance de erro do operador.
Além disso, o uso de refrigeração de alta pressão com usinagem CNC de precisão garante que os cavacos não entrem na obra, mesmo quando se utiliza uma máquina com fuso orientado verticalmente.
Moinhos CNC
Diferentes fresadoras variam em seus tamanhos, configurações de eixo, taxas de avanço, velocidade de corte, direção de avanço de fresagem e outras características.
No entanto, em geral, todas as fresadoras CNC utilizam um fuso giratório para cortar o material indesejado. Eles são usados para cortar metais duros como aço e titânio, mas também podem ser usados com materiais como plástico e alumínio.
Os moinhos CNC são construídos para repetibilidade e podem ser usados para tudo, desde a prototipagem até a produção de alto volume. Os moinhos CNC de alta precisão são freqüentemente usados para trabalhos de tolerância restrita, como fresamento de matrizes e moldes finos.
Enquanto o fresamento CNC pode fornecer resultados rápidos, o acabamento fresado cria peças com marcas de ferramenta visíveis. Ele também pode produzir peças com algumas arestas e rebarbas, portanto, processos adicionais podem ser necessários se as arestas e rebarbas forem inaceitáveis para esses recursos.
É claro que as ferramentas de rebarbação programadas na sequência farão a rebarba, embora geralmente atinjam 90% do requisito acabado, no máximo, deixando alguns recursos para o acabamento final à mão.
Quanto ao acabamento de superfície, existem ferramentas que irão produzir não apenas um acabamento de superfície aceitável, mas também um acabamento espelhado em partes do produto de trabalho.
Tipos de moinhos CNC
Os dois tipos básicos de fresadoras são conhecidos como centros de usinagem verticais e centros de usinagem horizontais, onde a principal diferença está na orientação do fuso da máquina.
Um centro de usinagem vertical é uma fresa na qual o eixo do fuso é alinhado na direção do eixo Z. Essas máquinas verticais podem ser divididas em dois tipos:
■ Moinhos de leito, nos quais o fuso se move paralelamente ao seu próprio eixo enquanto a mesa se move perpendicularmente ao eixo do fuso
■ Moinhos de torre, nos quais o fuso é estacionário e a mesa é movida de forma que esteja sempre perpendicular e paralela ao eixo do fuso durante a operação de corte
Em um centro de usinagem horizontal, o eixo do fuso da fresa é alinhado na direção do eixo Y. A estrutura horizontal significa que essas fábricas tendem a ocupar mais espaço no chão de fábrica; eles também são geralmente mais pesados e mais poderosos do que as máquinas verticais.
Uma fresa horizontal é freqüentemente usada quando um melhor acabamento de superfície é necessário; isso porque a orientação do fuso significa que os cavacos de corte caem naturalmente e são facilmente removidos. (Como um benefício adicional, a remoção eficiente de cavacos ajuda a aumentar a vida útil da ferramenta.)
Em geral, os centros de usinagem verticais são mais prevalentes porque podem ser tão poderosos quanto os centros de usinagem horizontais e podem lidar com peças muito pequenas. Além disso, os centros verticais ocupam menos espaço do que os centros de usinagem horizontais.
Moinhos CNC multi-eixos
Centros de fresagem CNC de precisão estão disponíveis com vários eixos. Uma fresa de 3 eixos utiliza os eixos X, Y e Z para uma ampla variedade de trabalhos. Com uma fresa de 4 eixos, a máquina pode girar em um eixo vertical e horizontal e mover a peça para permitir uma usinagem mais contínua.
Uma fresa de 5 eixos tem três eixos tradicionais e dois eixos rotativos adicionais, permitindo que a peça de trabalho seja girada conforme a cabeça do fuso se move em torno dela. Isso permite que cinco lados de uma peça de trabalho sejam usinados sem remover a peça de trabalho e reinicializar a máquina.
Tornos CNC
Um torno - também chamado de centro de torneamento - possui um ou mais fusos e eixos X e Z. A máquina é usada para girar uma peça em seu eixo para realizar várias operações de corte e modelagem, aplicando uma ampla gama de ferramentas à peça.
Os tornos CNC, também chamados de tornos com ferramentas de ação ao vivo, são ideais para a criação de peças cilíndricas ou esféricas simétricas. Como os moinhos CNC, os tornos CNC podem lidar com operações menores, como prototipagem, mas também podem ser configurados para alta repetibilidade, suportando produção de alto volume.
Tornos CNC também podem ser configurados para produção relativamente sem mãos, o que os torna amplamente utilizados nas indústrias automotiva, eletrônica, aeroespacial, robótica e de dispositivos médicos.
Como funciona um torno CNC
Com um torno CNC, uma barra em branco de material de estoque é carregada no mandril do fuso do torno. Este mandril mantém a peça de trabalho no lugar enquanto o fuso gira. Quando o fuso atinge a velocidade necessária, uma ferramenta de corte estacionária é colocada em contato com a peça de trabalho para remover o material e obter a geometria correta.
Um torno CNC pode realizar várias operações, como furação, rosqueamento, mandrilamento, alargamento, faceamento e torneamento cônico. Diferentes operações exigem trocas de ferramentas e podem aumentar o custo e o tempo de configuração.
Quando todas as operações de usinagem necessárias são concluídas, a peça é cortada do estoque para processamento posterior, se necessário. O torno CNC está então pronto para repetir a operação, com pouco ou nenhum tempo de configuração adicional normalmente necessário entre os dois.
Os tornos CNC também podem acomodar uma variedade de alimentadores automáticos de barras, o que reduz a quantidade de manuseio manual de matéria-prima e oferece vantagens como as seguintes:
■ Reduzir o tempo e esforço exigidos do operador da máquina
■ Apoie a barra de apoio para reduzir as vibrações que podem afetar negativamente a precisão
■ Permitir que a máquina-ferramenta opere em velocidades ideais do fuso
■ Minimize os tempos de troca
■ Reduzir o desperdício de material
Tipos de tornos CNC
Existem vários tipos de tornos, mas os mais comuns são os tornos CNC de 2 eixos e os tornos automáticos de estilo chinês.
A maioria dos tornos CNC China utiliza um ou dois fusos principais mais um ou dois fusos traseiros (ou secundários), com transferência rotativa responsável pelos primeiros. O fuso principal realiza a usinagem primária, com o auxílio de uma bucha guia.
Além disso, alguns tornos de estilo chinês vêm equipados com um segundo cabeçote de ferramenta que opera como uma fresadora CNC.
Com um torno automático CNC estilo China, o material de estoque é alimentado através de um fuso de cabeça deslizante em uma bucha guia. Isso permite que a ferramenta corte o material mais próximo do ponto onde o material é suportado, tornando a máquina chinesa especialmente benéfica para peças torneadas longas e delgadas e para microusinagem.
Centros de torneamento CNC de múltiplos eixos e tornos no estilo chinês podem realizar várias operações de usinagem usando uma única máquina. Isso os torna uma opção econômica para geometrias complexas que, de outra forma, exigiriam várias máquinas ou trocas de ferramentas usando equipamentos como uma fresadora CNC tradicional.