Usinagem de Precisão é um processo que remove material de uma peça durante a execução de acabamentos com tolerâncias precisas. Existem diversos tipos de máquinas de precisão, incluindo fresamento, torneamento e usinagem por eletroerosão. Uma máquina de precisão hoje em dia é geralmente controlada por um Controle Numérico Computadorizado (CNC).
Quase todos os produtos metálicos utilizam 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 execute seu trabalho, ela deve ser movida nas direções especificadas para realizar o corte correto. Esse movimento primário é chamado de "velocidade de corte". A peça também pode ser movimentada, conhecido como movimento secundário de "avanço". Juntos, esses movimentos e a afiação da ferramenta de corte permitem que a máquina de precisão opere.
A usinagem de precisão de qualidade exige a capacidade de seguir projetos extremamente específicos elaborados por programas CAD (desenho auxiliado por computador) ou CAM (manufatura auxiliada por computador), como AutoCAD e TurboCAD. O software pode ajudar a produzir diagramas ou contornos tridimensionais complexos necessários para fabricar uma ferramenta, máquina ou objeto. Esses projetos devem ser seguidos com grande detalhe para garantir que o produto mantenha sua integridade. Embora a maioria das empresas de usinagem de precisão trabalhe com algum tipo de programa CAD/CAM, elas ainda trabalham frequentemente com esboços desenhados à mão nas fases iniciais de um projeto.
A usinagem de precisão é usada em diversos materiais, incluindo aço, bronze, grafite, vidro e plástico, para citar alguns. Dependendo do tamanho do projeto e dos materiais a serem utilizados, diversas ferramentas de usinagem de precisão serão utilizadas. Qualquer combinação de tornos, fresadoras, furadeiras de coluna, serras e retificadoras, e até mesmo robótica de alta velocidade, pode ser usada. A indústria aeroespacial pode usar usinagem de alta velocidade, enquanto a indústria de ferramentas para marcenaria pode usar processos de gravação e fresagem fotoquímica. A produção de uma tiragem, ou de uma quantidade específica de qualquer item específico, pode chegar a milhares ou ser apenas algumas. A usinagem de precisão geralmente requer a programação de dispositivos CNC, o que significa que eles são controlados numericamente por computador. O dispositivo CNC permite que as dimensões exatas sejam seguidas durante toda a tiragem de um produto.
Fresamento é o processo de usinagem que utiliza fresas rotativas para remover material de uma peça, avançando (ou alimentando) a fresa na peça em uma determinada direção. A fresa também pode ser posicionada em um ângulo em relação ao eixo da ferramenta. O fresamento abrange uma ampla variedade de operações e máquinas, desde pequenas peças individuais até grandes operações de fresamento em grupo para serviços pesados. É um dos processos mais comumente usados para usinar peças personalizadas com tolerâncias precisas.
O fresamento pode ser realizado com uma ampla gama de máquinas-ferramentas. A classe original de máquinas-ferramentas para fresamento era a fresadora (fresadora). Após o advento do controle numérico computadorizado (CNC), as fresadoras evoluíram para centros de usinagem: fresadoras equipadas com trocadores automáticos de ferramentas, magazines ou carrosséis de ferramentas, capacidade CNC, sistemas de refrigeração e gabinetes. Os centros de fresamento são geralmente classificados como centros de usinagem verticais (VMCs) ou centros de usinagem horizontais (HMCs).
A integração da fresagem em ambientes de torneamento, e vice-versa, começou com ferramentas motorizadas para tornos e o uso ocasional de fresas para operações de torneamento. Isso levou a uma nova classe de máquinas-ferramentas, as máquinas multitarefas (MTMs), que são projetadas especificamente para facilitar a fresagem e o torneamento dentro da mesma área 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. De fato, a usinagem CNC de precisão frequentemente possibilita a fabricação de peças acabadas em uma única máquina.
O processo de usinagem remove material e utiliza uma ampla gama de ferramentas de corte para criar o design final, muitas vezes altamente complexo, de uma peça. O nível de precisão é aprimorado pelo uso do controle numérico computadorizado (CNC), que automatiza 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.
A partir de um modelo de projeto auxiliado por computador (CAD) fornecido por um cliente, um maquinista especialista utiliza um software de manufatura auxiliada por computador (CAM) para criar as instruções de usinagem da peça. Com base no modelo CAD, o software determina quais trajetórias de ferramentas são necessárias e gera o código de programação que informa à máquina:
■ Quais são as RPMs e taxas de avanço corretas
■ Quando e onde mover a ferramenta e/ou peça de trabalho
■ Quão profundo cortar
■ Quando aplicar o refrigerante
■ Quaisquer outros fatores relacionados à velocidade, taxa de avanço e coordenação
Um controlador CNC usa então o código de programação para controlar, automatizar e monitorar os movimentos da máquina.
Hoje, o CNC é um recurso integrado em uma ampla gama de equipamentos, desde tornos, fresadoras e roteadores até máquinas de eletroerosão a fio (usinagem por descarga elétrica), corte a laser e plasma. Além de automatizar o processo de usinagem e aumentar a precisão, o CNC elimina tarefas manuais e libera os operadores para supervisionar várias máquinas operando simultaneamente.
Além disso, uma vez projetado o caminho da ferramenta e programada a máquina, ela pode executar uma peça inúmeras vezes. Isso proporciona um alto nível de precisão e repetibilidade, o que, por sua vez, torna o processo altamente econômico e escalável.
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 usados em uma ampla gama de produtos manufaturados, a usinagem CNC de precisão geralmente é 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 em relação a outros métodos de usinagem.
Isso ocorre porque a usinagem CNC é capaz de fornecer:
■ Um alto grau de complexidade de peças
■ Tolerâncias estreitas, geralmente variando de ±0,0002" (±0,00508 mm) a ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Acabamentos de superfície excepcionalmente lisos, incluindo acabamentos personalizados
■ Repetibilidade, mesmo em altos volumes
Embora um maquinista habilidoso possa usar um torno manual para fabricar 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 obtém a escalabilidade e a velocidade necessárias para esse tipo de produção em alto volume. Além disso, a alta repetibilidade da usinagem CNC de precisão proporciona peças que são todas iguais do início ao fim, independentemente de quantas peças você esteja produzindo.
Existem alguns métodos muito especializados de usinagem CNC, incluindo eletroerosão a fio (usinagem por descarga elétrica), usinagem aditiva e impressão a laser 3D. Por exemplo, a eletroerosão a fio utiliza materiais condutores — geralmente metais — e descargas elétricas para erodir 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.
Fresamento vs. torneamento
Fresamento é um processo de usinagem que utiliza uma ferramenta de corte cilíndrica rotativa para remover material e criar formas. Equipamentos de fresamento, conhecidos como fresadoras ou centros de usinagem, realizam uma variedade de geometrias complexas de peças em alguns dos maiores objetos metálicos usinados.
Uma característica importante da fresagem é que a peça permanece parada enquanto a ferramenta de corte gira. Em outras palavras, em uma fresadora, a ferramenta de corte rotativa se move ao redor da peça, que permanece fixa sobre uma mesa.
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 fisicamente girar em torno da peça. O material gira, permitindo que a ferramenta execute as operações programadas. (Há um subconjunto de tornos em que as ferramentas giram em torno de um fio alimentado por carretel, porém, isso não é abordado aqui.)
No torneamento, diferentemente do fresamento, a peça gira. A peça gira no fuso do torno e a ferramenta de corte entra em contato com a peça.
Usinagem manual vs. CNC
Embora fresadoras e tornos estejam disponíveis em modelos manuais, as máquinas CNC são mais apropriadas para fins de fabricação de peças pequenas, oferecendo escalabilidade e repetibilidade para aplicações que exigem produção em alto volume de peças com tolerâncias apertadas.
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 multieixos, nos quais a peça também pode se mover. Isso contrasta com um torno, onde a peça se limita a girar e as ferramentas se movem para criar a geometria desejada.
Essas configurações multieixo permitem a produção de geometrias mais complexas em uma única operação, sem exigir trabalho adicional do operador da máquina. Isso não só facilita a produção de peças complexas, como também reduz ou elimina a chance de erro do operador.
Além disso, o uso de refrigerante de alta pressão com usinagem CNC de precisão garante que os cavacos não entrem na máquina, mesmo ao utilizar uma máquina com eixo orientado verticalmente.
Fresadoras CNC
Diferentes fresadoras variam em tamanho, 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 rotativo para cortar materiais indesejados. Elas são usadas para cortar metais duros, como aço e titânio, mas também podem ser usadas com materiais como plástico e alumínio.
As fresadoras CNC são projetadas para repetibilidade e podem ser usadas para tudo, desde prototipagem até produção em larga escala. Fresadoras CNC de alta precisão são frequentemente usadas para trabalhos com tolerâncias rigorosas, como fresamento de matrizes e moldes finos.
Embora a fresagem CNC possa proporcionar um retorno rápido, o acabamento fresado cria peças com marcas de ferramentas visíveis. Também pode produzir peças com arestas e rebarbas afiadas, portanto, processos adicionais podem ser necessários se arestas e rebarbas forem inaceitáveis para essas características.
É claro que as ferramentas de rebarbação programadas na sequência rebarbarão, embora geralmente atinjam no máximo 90% do requisito final, deixando algumas características para o acabamento manual final.
Quanto ao acabamento da superfície, existem ferramentas que produzirão não apenas um acabamento de superfície aceitável, mas também um acabamento espelhado em partes do produto de trabalho.
Tipos de fresadoras 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 eixo da máquina.
Um centro de usinagem vertical é uma fresadora 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 modo 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 fresadora é alinhado na direção do eixo Y. A estrutura horizontal significa que essas fresadoras tendem a ocupar mais espaço na oficina mecânica; elas também são geralmente mais pesadas e mais potentes do que as máquinas verticais.
Uma fresa horizontal é frequentemente utilizada quando se necessita de um melhor acabamento superficial; isso porque a orientação do eixo faz com que os cavacos de corte caiam naturalmente e sejam facilmente removidos. (Como benefício adicional, a remoção eficiente dos cavacos ajuda a aumentar a vida útil da ferramenta.)
Em geral, os centros de usinagem verticais são mais comuns porque podem ser tão potentes quanto os centros de usinagem horizontais e podem processar peças muito pequenas. Além disso, os centros verticais ocupam menos espaço do que os centros de usinagem horizontais.
Fresadoras CNC multieixos
Centros de fresagem CNC de precisão estão disponíveis com múltiplos eixos. Uma fresadora de 3 eixos utiliza os eixos X, Y e Z para uma ampla variedade de trabalhos. Com uma fresadora de 4 eixos, a máquina pode girar em eixos verticais e horizontais e mover a peça de trabalho para permitir uma usinagem mais contínua.
Uma fresadora de 5 eixos possui três eixos tradicionais e dois eixos rotativos adicionais, permitindo que a peça seja girada conforme o cabeçote do fuso se move ao redor dela. Isso permite que cinco lados de uma peça sejam usinados sem remover a peça e reiniciar 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 de trabalho em seu eixo para executar diversas operações de corte e conformação, aplicando uma ampla gama de ferramentas à peça.
Tornos CNC, também chamados de tornos de ferramentas de ação real, são ideais para a criação de peças cilíndricas ou esféricas simétricas. Assim como as fresadoras CNC, os tornos CNC podem lidar com operações menores, como prototipagem, mas também podem ser configurados para alta repetibilidade, suportando produção em alto volume.
Os tornos CNC também podem ser configurados para produção sem necessidade de intervenção manual, o que os torna amplamente utilizados nas indústrias automotiva, eletrônica, aeroespacial, robótica e de dispositivos médicos.
Como funciona um torno CNC
Em um torno CNC, uma barra bruta de material de estoque é carregada no mandril do fuso do torno. Este mandril mantém a peça 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 para remover o material e obter a geometria correta.
Um torno CNC pode realizar diversas operações, como furação, rosqueamento, mandrilamento, alargamento, faceamento e torneamento cônico. Operações diferentes exigem trocas de ferramentas e podem aumentar o custo e o tempo de preparação.
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 adicional de configuração, geralmente necessário entre cada etapa.
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 o esforço exigidos do operador da máquina
■ Apoie a barra para reduzir as vibrações que podem afetar negativamente a precisão
■ Permitir que a máquina-ferramenta opere em velocidades de fuso ideais
■ Minimize os tempos de troca
■ Reduzir o desperdício de materiais
Tipos de tornos CNC
Existem vários tipos diferentes 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 chineses utiliza um ou dois fusos principais e um ou dois fusos traseiros (ou secundários), sendo a transferência rotativa responsável pelo primeiro. O fuso principal realiza a operação de usinagem primária, com a ajuda de uma bucha-guia.
Além disso, alguns tornos de estilo chinês vêm equipados com uma segunda cabeça de ferramenta que opera como uma fresadora CNC.
Com um torno automático CNC estilo China, o material em estoque é alimentado através de um fuso com cabeçote deslizante até uma bucha-guia. Isso permite que a ferramenta corte o material mais próximo do ponto de apoio, tornando a máquina China especialmente benéfica para peças torneadas longas e delgadas e para microusinagem.
Centros de torneamento CNC multieixos e tornos de estilo chinês podem realizar múltiplas operações de usinagem usando uma única máquina. Isso os torna uma opção econômica para geometrias complexas que, de outra forma, exigiriam múltiplas máquinas ou trocas de ferramentas usando equipamentos como uma fresadora CNC tradicional.