A usinagem de precisão é um processo para remover material de uma peça, mantendo acabamentos com tolerâncias rigorosas. Existem diversos tipos de máquinas de precisão, incluindo fresadoras, torneadoras e máquinas de eletroerosão. Atualmente, uma máquina de precisão é geralmente controlada por um sistema de Controle Numérico Computadorizado (CNC).
Quase todos os produtos de metal utilizam usinagem de precisão, assim como muitos outros materiais, como plástico e madeira. Essas máquinas são operadas por operadores especializados e treinados. Para que a ferramenta de corte execute sua função, ela deve ser movida em direções específicas para realizar o corte correto. Esse movimento primário é chamado de "velocidade de corte". A peça de trabalho também pode ser movida, o que é conhecido como movimento secundário de "avanço". Juntos, esses movimentos e a afiação da ferramenta de corte permitem que a máquina de precisão funcione.
A usinagem de precisão de alta qualidade exige a capacidade de seguir desenhos extremamente específicos criados por programas CAD (projeto auxiliado por computador) ou CAM (manufatura auxiliada por computador), como AutoCAD e TurboCAD. O software pode ajudar a produzir os diagramas ou contornos tridimensionais complexos necessários para fabricar uma ferramenta, máquina ou objeto. Esses desenhos devem ser seguidos com grande rigor 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 costumam utilizar esboços à mão nas fases iniciais do projeto.
A usinagem de precisão é utilizada em diversos materiais, incluindo aço, bronze, grafite, vidro e plásticos, entre outros. Dependendo do tamanho do projeto e dos materiais a serem utilizados, várias ferramentas de usinagem de precisão serão empregadas. Pode-se utilizar uma combinação de tornos, fresadoras, furadeiras, serras e retificadoras, e até mesmo robôs de alta velocidade. A indústria aeroespacial pode utilizar usinagem de alta velocidade, enquanto a indústria de fabricação de ferramentas para madeira pode utilizar processos de corrosão fotoquímica e fresagem. A produção em série, ou de uma quantidade específica de um determinado item, pode chegar a milhares de unidades ou ser de apenas algumas. A usinagem de precisão geralmente requer a programação de dispositivos CNC, ou seja, dispositivos controlados numericamente por computador. O dispositivo CNC permite que as dimensões exatas sejam seguidas em toda a produção de um produto.
A fresagem é o processo de usinagem que utiliza ferramentas de corte rotativas para remover material de uma peça, avançando (ou alimentando) a ferramenta em direção à peça. A ferramenta também pode ser posicionada em um ângulo em relação ao seu eixo. A fresagem abrange uma ampla variedade de operações e máquinas, desde pequenas peças individuais até grandes operações de fresagem em série para trabalhos pesados. É um dos processos mais utilizados para usinar peças personalizadas com tolerâncias precisas.
A fresagem pode ser realizada com uma ampla gama de máquinas-ferramenta. A classe original de máquinas-ferramenta para fresagem era a fresadora (frequentemente chamada de fresadora). Após o advento do controle numérico computadorizado (CNC), as fresadoras evoluíram para centros de usinagem: fresadoras aprimoradas com trocadores automáticos de ferramentas, magazines ou carrosséis de ferramentas, capacidade CNC, sistemas de refrigeração e gabinetes de proteção. Os centros de fresagem são geralmente classificados como centros de usinagem vertical (VMCs) ou centros de usinagem horizontal (HMCs).
A integração da fresagem em ambientes de torneamento, e vice-versa, começou com ferramentas acionadas para tornos e o uso ocasional de fresadoras para operações de torneamento. Isso levou a uma nova classe de máquinas-ferramenta, as máquinas multitarefa (MTMs), que são projetadas especificamente para facilitar a fresagem e o torneamento dentro do mesmo espaço de trabalho.
Para engenheiros de projeto, equipes de P&D e fabricantes que dependem da terceirização 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 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, e frequentemente bastante 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
Utilizando instruções de programação codificadas, a usinagem CNC de precisão permite que uma peça seja cortada e moldada de acordo com as especificações sem intervenção manual de um operador de máquina.
A partir de um modelo de desenho assistido por computador (CAD) fornecido pelo cliente, um operador de máquinas experiente utiliza um software de manufatura assistida por computador (CAM) para criar as instruções de usinagem da peça. Com base no modelo CAD, o software determina quais trajetórias de ferramenta são necessárias e gera o código de programação que instrui a máquina:
■ Quais são as RPMs e taxas de avanço corretas?
■ Quando e onde mover a ferramenta e/ou a peça de trabalho
■ Qual a profundidade do corte
■ Quando aplicar o líquido de arrefecimento
■ Quaisquer outros fatores relacionados à velocidade, taxa de alimentação e coordenação
Um controlador CNC utiliza então o código de programação para controlar, automatizar e monitorar os movimentos da máquina.
Hoje em dia, o CNC é um recurso integrado em uma ampla gama de equipamentos, desde tornos, fresadoras e roteadores até máquinas de eletroerosão a fio (EDM), 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 em funcionamento simultaneamente.
Além disso, uma vez que o percurso da ferramenta tenha sido projetado e a máquina programada, ela pode usinar 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 o 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 peças e componentes pequenos utilizados em uma ampla gama de produtos manufaturados, a usinagem CNC de precisão costuma ser o método de fabricação preferido.
Como ocorre 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 porque a usinagem CNC é capaz de fornecer:
■ Alto grau de complexidade das peças
■ Tolerâncias rigorosas, 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 torneiro mecânico qualificado 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 grande volume. Além disso, a alta repetibilidade da usinagem CNC de precisão garante peças idênticas do início ao fim, independentemente da quantidade produzida.
Existem alguns métodos muito especializados de usinagem CNC, incluindo eletroerosão a fio (EDM), 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, transformando-a em formas complexas.
No entanto, aqui nos concentraremos nos processos de fresagem e torneamento — dois métodos subtrativos amplamente disponíveis e frequentemente usados para usinagem CNC de precisão.
Fresagem versus torneamento
A fresagem é um processo de usinagem que utiliza uma ferramenta de corte cilíndrica rotativa para remover material e criar formas. Os equipamentos de fresagem, conhecidos como fresadoras ou centros de usinagem, permitem a criação de uma infinidade de geometrias complexas em alguns dos maiores objetos de metal já usinados.
Uma característica importante da fresagem é que a peça permanece estacionária 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 em sua base.
Torneamento é o processo de corte ou modelagem de 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. (Existe um subconjunto de tornos em que as ferramentas giram em torno de um fio alimentado por bobina, porém, isso não será abordado aqui.)
Na torneagem, diferentemente da fresagem, a peça gira. O material gira no eixo do torno e a ferramenta de corte entra em contato com a peça.
Usinagem manual versus usinagem CNC
Embora tanto fresadoras quanto tornos estejam disponíveis em modelos manuais, as máquinas CNC são mais adequadas para a fabricação de peças pequenas, oferecendo escalabilidade e repetibilidade para aplicações que exigem produção em alto volume de peças com tolerâncias rigorosas.
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 em que a peça de trabalho também pode se mover. Isso difere de um torno, onde a peça de trabalho fica limitada à rotação 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 só facilita a produção de peças complexas, como também reduz ou elimina a possibilidade de erro do operador.
Além disso, o uso de fluido de corte de alta pressão em usinagem CNC de precisão garante que os cavacos não entrem na máquina, mesmo quando se utiliza um fuso com orientação vertical.
Fresadoras CNC
As diferentes fresadoras variam em tamanho, configuração dos eixos, taxa de avanço, velocidade de corte, direção de avanço da fresagem e outras características.
No entanto, em geral, as fresadoras CNC utilizam um eixo rotativo para remover material indesejado. 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 a fresagem de matrizes e moldes de precisão.
Embora a fresagem CNC possa proporcionar prazos de entrega rápidos, o acabamento da peça fresada resulta em marcas de ferramenta visíveis. Também pode produzir peças com arestas vivas e rebarbas, sendo necessários processos adicionais caso essas arestas e rebarbas sejam inaceitáveis para essas características.
Naturalmente, as ferramentas de rebarbação programadas na sequência irão remover as rebarbas, embora geralmente atinjam, no máximo, 90% do acabamento desejado, deixando alguns detalhes para o acabamento manual final.
Quanto ao acabamento da superfície, existem ferramentas que produzem não apenas um acabamento aceitável, mas também um acabamento espelhado em algumas partes da peça trabalhada.
Tipos de fresadoras CNC
Os dois tipos básicos de fresadoras são conhecidos como centros de usinagem vertical e centros de usinagem horizontal, sendo a principal diferença a orientação do eixo da máquina.
Um centro de usinagem vertical é uma fresadora na qual o eixo do fuso está alinhado na direção do eixo Z. Essas máquinas verticais podem ser subdivididas em dois tipos:
■ Fresadoras de leito fixo, nas quais o fuso se move paralelamente ao seu próprio eixo enquanto a mesa se move perpendicularmente ao eixo do fuso.
■ Fresadoras revólver, nas quais o fuso é estacionário e a mesa se move de forma a estar 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 está alinhado na direção do eixo Y. A estrutura horizontal significa que essas fresadoras tendem a ocupar mais espaço na oficina mecânica; elas também costumam ser mais pesadas e mais potentes do que as máquinas verticais.
Uma fresadora horizontal é frequentemente usada quando se exige um melhor acabamento superficial; isso porque a orientação do eixo-árvore faz com que os cavacos se desprendam naturalmente e sejam removidos com facilidade. (Como benefício adicional, a remoção eficiente de 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 conseguem processar peças muito pequenas. Além disso, os centros verticais ocupam menos espaço do que os centros de usinagem horizontais.
Fresadoras CNC multieixos
Centros de usinagem 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 torno de um eixo vertical e horizontal e movimentar a peça de trabalho, permitindo uma usinagem mais contínua.
Uma fresadora de 5 eixos possui três eixos tradicionais e dois eixos rotativos adicionais, permitindo que a peça seja girada enquanto o cabeçote se move ao seu redor. Isso possibilita a usinagem de cinco lados de uma peça sem a necessidade de removê-la e reconfigurar 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 torno de seu eixo para realizar diversas operações de corte e conformação, aplicando uma ampla gama de ferramentas à peça.
Os tornos CNC, também chamados de tornos de ferramenta rotativa, são ideais para criar 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 larga escala.
Os tornos CNC também podem ser configurados para produção relativamente automatizada, o que os torna amplamente utilizados nas indústrias automotiva, eletrônica, aeroespacial, de robótica e de dispositivos médicos.
Como funciona um torno CNC
Em um torno CNC, uma barra de material bruto é carregada na placa de fixação do eixo do torno. Essa placa mantém a peça no lugar enquanto o eixo gira. Quando o eixo atinge a velocidade necessária, uma ferramenta de corte estacionária entra em contato com a peça para remover material e obter a geometria correta.
Um torno CNC pode executar diversas 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 preparação.
Após a conclusão de todas as operações de usinagem necessárias, a peça é cortada do material bruto para posterior processamento, se necessário. O torno CNC está então pronto para repetir a operação, geralmente com pouco ou nenhum tempo adicional de preparação entre as operações.
Os tornos CNC também podem acomodar uma variedade de alimentadores de barras automáticos, que reduzem a quantidade de manuseio manual de matéria-prima e oferecem 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
■ Minimizar os tempos de troca
■ Reduzir o desperdício de materiais
Tipos de tornos CNC
Existem diversos tipos de tornos, mas os mais comuns são os tornos CNC de 2 eixos e os tornos automáticos do tipo chinês.
A maioria dos tornos CNC chineses utiliza um ou dois fusos principais, além de um ou dois fusos auxiliares (ou secundários), sendo a transferência rotativa responsável pelos primeiros. O fuso principal realiza a operação primária de usinagem, com o auxílio de uma bucha guia.
Além disso, alguns tornos de estilo chinês vêm equipados com uma segunda cabeça de ferramenta que funciona como uma fresadora CNC.
Em um torno automático CNC estilo chinês, o material bruto é alimentado através de um cabeçote móvel até uma bucha guia. Isso permite que a ferramenta corte o material mais próximo do ponto de apoio, tornando a máquina chinesa especialmente vantajosa para peças torneadas longas e finas e para microusinagem.
Os centros de torneamento CNC multieixos e os tornos tipo chinês podem realizar diversas operações de usinagem em uma única máquina. Isso os torna uma opção economicamente viável para geometrias complexas que, de outra forma, exigiriam várias máquinas ou trocas de ferramentas com equipamentos como uma fresadora CNC tradicional.