O que é usinagem CNC?

A usinagem CNC é a tecnologia de fabricação subtrativa mais comum atualmente e uma maneira extremamente flexível e robusta de produzir peças personalizadas de metal e plástico. Usando modelos CAD, as máquinas CNC removem com precisão o material de um bloco sólido com uma variedade de ferramentas de corte.

No geral, a usinagem CNC produz peças com tolerâncias apertadas e propriedades de material impressionantes. É adequado para trabalhos únicos e produção de baixo a médio volume (até 1.000 peças), devido à sua alta repetibilidade. No entanto, ele vem com mais restrições de design do que a impressão 3D , graças em parte à natureza subtrativa da tecnologia.

Neste guia introdutório, fornecemos uma visão geral dos princípios básicos da tecnologia e como eles se relacionam com os principais benefícios e limitações. Também explicamos as principais diferenças entre as duas principais configurações de máquinas CNC:fresamento e torneamento.
Usinagem CNC:O guia de fabricação e design
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Como funciona a usinagem CNC? Vamos falar sobre fresamento e torneamento

Os dois principais tipos de sistemas de usinagem CNC (controle numérico computadorizado) são fresamento e virando . Devido às características de cada tipo de máquina, fresamento e torneamento são ideais para a fabricação de diferentes geometrias.

Vamos detalhar como as peças são fabricadas usando essas duas configurações de máquina distintas.

Como funciona a fresagem CNC?

A fresagem CNC é a arquitetura de máquina CNC mais popular. Na verdade, o termo fresamento CNC é muitas vezes sinônimo de usinagem CNC. As fresadoras CNC usam ferramentas de corte rotacional para remover o material de uma peça montada na mesa da máquina.

A maioria dos sistemas de fresagem CNC tem 3 graus de liberdade lineares:os eixos X, Y e Z. Sistemas mais avançados possuem 5 graus de liberdade de usinagem através da rotação da mesa e/ou do cabeçote da ferramenta (eixos A e B). As máquinas de 5 eixos podem produzir peças com alta complexidade geométrica e podem eliminar a necessidade de várias etapas da máquina.

Aqui está uma visão geral de como uma fresadora CNC transforma um modelo CAD em uma peça personalizada.

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  O operador converte um modelo CAD em uma série de comandos a serem interpretados pela máquina CNC (código G).
  
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  Um bloco de material - isso é chamado de blank ou peça de trabalho - é cortado no tamanho e colocado na plataforma de construção, usando um torno ou um, montando-o diretamente na cama.
  
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  É importante posicionar e alinhar com precisão a peça de trabalho para fabricar peças precisas. Você pode usar ferramentas especiais de metrologia (sensores de toque) para ajudar no posicionamento e alinhamento.
  
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  Ferramentas de corte especializadas, girando em altíssimas velocidades (milhares de RPM), retiram material do bloco. Primeiro, a máquina remove o material rapidamente com menor precisão para obter uma geometria aproximada. Em seguida, são necessárias algumas passagens de maior precisão para produzir a peça final.
  
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  Se o modelo possui recursos que não podem ser alcançados pela ferramenta de corte em uma única configuração, o operador precisa virar a peça de trabalho e repetir essas etapas.
  

Após a usinagem, você precisa rebarbar uma peça fresada. A rebarbação é o processo manual de remoção de pequenos defeitos de uma peça acabada. Esses defeitos, geralmente encontrados em arestas vivas, são decorrentes da deformação do material durante a usinagem. Por exemplo, quando uma broca sai do outro lado de um furo passante, ela deixa manchas que precisam ser removidas.

Em seguida, você deseja inspecionar as dimensões críticas da peça se as tolerâncias foram especificadas no desenho técnico. Depois de concluir esta etapa, sua peça estará pronta para uso ou para pós-processamento . Há muito o que explorar quando se trata de pós-processamento de peças usinadas em CNC (fresadas e torneadas), por isso recomendamos atualizar e/ou nivelar seu conhecimento.

Como funciona o torneamento CNC?

Os tornos CNC usam ferramentas de corte estacionárias para remover o material de uma peça, que é montada em um mandril rotativo. Esta é uma maneira ideal de fabricar peças com simetria ao longo de seu eixo central. Normalmente, as peças torneadas são produzidas mais rapidamente e a um custo menor do que as peças fresadas.

Normalmente, os sistemas de torneamento CNC - também conhecidos como tornos - são usados ​​para criar peças cilíndricas. Os modernos centros de torneamento CNC multi-eixo, equipados com fresadoras CNC, podem fabricar peças não cilíndricas. Esses sistemas combinam a alta produtividade do torneamento CNC com as capacidades do fresamento CNC e podem fabricar uma gama muito grande de geometrias com simetria rotacional, como árvores de cames e rotores de compressores radiais.

Aqui está uma visão geral de como um torno CNC fabrica peças.

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  O operador gera o código G a partir de um modelo CAD e carrega a máquina com um cilindro de material de estoque (em branco).
  
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  A peça começa a girar em alta velocidade e uma ferramenta de corte estacionária traça um perfil, removendo progressivamente o material até que se tenha a geometria projetada.
  
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  Ferramentas de corte interno e brocas de centro podem ser usadas para fazer furos ao longo do eixo central da peça de trabalho.
  
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  Se você precisar virar ou mover a peça, precisará repetir esse processo. Caso contrário, assim que você terminar de cortar o material, a peça deve estar pronta para uso ou posterior pós-processamento.
  

Como a linha entre os sistemas de fresamento CNC e torneamento tende a ser tênue, o restante deste guia se concentrará principalmente no fresamento CNC, pois é o processo de fabricação mais usado.

Um guia rápido para parâmetros de usinagem CNC

A maioria dos parâmetros de usinagem são determinados pelo operador da máquina quando geram o código G. Os principais parâmetros que gostaríamos de abordar são o tamanho da construção e a precisão das máquinas CNC.

As máquinas CNC têm uma área de construção relativamente grande, especialmente em comparação com as impressoras 3D. Os sistemas de fresamento CNC podem usinar peças com dimensões de até 2.000 x 800 x 100 mm (78” x 32” x 40”), sendo que os sistemas de torneamento CNC podem usinar peças com diâmetro de até Ø 500 mm (Ø 20' ').

Você pode fabricar peças com alta precisão e tolerâncias apertadas com usinagem CNC. As máquinas CNC podem até atingir tolerâncias de menos da metade do diâmetro de um fio de cabelo humano médio (± 0,025 mm ou 0,001''). Se nenhuma tolerância for especificada no desenho técnico, um operador normalmente usinará a peça com uma precisão de 0,125 mm (0,005'').

Quais são as ferramentas de corte mais comuns para usinagem CNC?

Para criar uma ampla gama de geometrias, as máquinas CNC usam muitas ferramentas de corte diferentes. Aqui estão algumas das ferramentas de usinagem mais usadas para fresamento.  

A cabeça chata , cabeça de touro e cabeça esférica ferramentas são usadas para usinar ranhuras, ranhuras, cavidades e outras paredes verticais. Como cada um tem capacidades geométricas diferentes, eles podem usinar muitos tipos diferentes de recursos. As ferramentas de cabeça esférica também são comumente usadas na usinagem CNC de 5 eixos para fabricar superfícies com geometrias de curvatura e forma livre.

Perfurações são, obviamente, a ferramenta mais utilizada para criar furos de forma rápida e eficiente. Você pode encontrar todos os tamanhos de broca padrão aqui . Para criar furos com diâmetros fora do padrão, você pode usar uma cabeça chata de mergulho ferramenta (seguindo um caminho helicoidal).

O diâmetro do eixo dos cortadores de fenda é menor que o diâmetro de sua aresta de corte, o que permite que essas fresadoras cortem ranhuras em T e outros rebaixos removendo material das laterais de uma parede vertical.

Toques de enfiar são usados ​​para fabricar furos roscados. Para criar uma rosca, é necessário um controle preciso da velocidade rotacional e linear do macho. As oficinas mecânicas geralmente ainda contam com rosqueamento manual.

Fresas de faceamento são usados ​​para remover materiais de superfícies grandes e planas. Eles têm um diâmetro maior do que as ferramentas de fresamento de topo, por isso requerem menos passes para usinar áreas dimensionáveis. Isso reduz o tempo total de usinagem para a produção de peças com superfícies planas. Os operadores geralmente realizam uma etapa de fresamento de face durante o ciclo de usinagem para preparar as dimensões do bloco

Você encontrará uma gama igualmente ampla de ferramentas de corte usadas no torneamento CNC, que cobrem todas as suas necessidades de usinagem, como corte de face, rosqueamento e corte de canal.

Peças de usinagem CNC com complexidade geométrica:quais são as restrições de projeto?

Enquanto a usinagem CNC oferece liberdade de design impressionante , tornos e fresadoras não podem fabricar todas as geometrias. Ao contrário da impressão 3D, quanto mais complexo o design, mais custará a máquina. Isso se deve às etapas adicionais necessárias para peças mais complexas.

As principais restrições associadas à usinagem CNC têm a ver com a geometria de cada ferramenta de corte individual. A geometria da ferramenta determina os raios de uma peça, e a maioria das ferramentas de corte CNC tem formato cilíndrico e comprimento de corte limitado. Esses fatores tornam os cantos internos afiados particularmente desafiadores.

O acesso às ferramentas é outra grande restrição na usinagem CNC. Por exemplo, sistemas de 3 eixos só podem atingir um certo nível de complexidade da peça. Se você estiver projetando para uma máquina de 3 eixos, todos os recursos da peça só poderão ser acessados ​​diretamente de cima. Os sistemas de 5 eixos oferecem flexibilidade superior, pois o ângulo entre a peça e a ferramenta pode ser ajustado para obter acesso a áreas mais desafiadoras da peça de trabalho.

Além disso, peças com paredes finas ou outros recursos finos são particularmente difíceis para máquinas CNC. Paredes finas são propensas a vibrações e podem quebrar devido à força de torneamento ou fresamento. Recomendamos projetar peças metálicas com espessura mínima de parede de 0,8 mm e peças plásticas com espessura de parede de 1,5 mm.

Compreender o quão complexo você pode projetar sua peça para diferentes tipos de máquinas, bem como quais restrições ter em mente, é fundamental para garantir que suas peças saiam conforme projetadas e com o padrão de qualidade que você procura. Para obter orientações adicionais sobre como o design pode economizar muito tempo e dinheiro em usinagem CNC, confira este artigo .

Quais são as características da usinagem CNC?

Um ponto forte da usinagem CNC é sua capacidade de produzir consistentemente peças robustas a partir de uma ampla seleção de materiais. As máquinas CNC podem lidar com praticamente todos os materiais de engenharia .

Em contraste com a impressão 3D, as peças fabricadas via usinagem CNC têm propriedades físicas totalmente isotrópicas que são idênticas às propriedades do material a granel a partir do qual foram usinadas.

A usinagem CNC envolve predominantemente metais tanto para prototipagem quanto para produções maiores. Geralmente, é mais difícil usinar plásticos, pois eles têm menor rigidez e temperaturas de fusão, embora um caso de uso comum em que vemos o mérito seja a usinagem CNC de protótipos funcionais de plástico antes de embarcar em execuções de produção em maior escala com moldagem por injeção .

Quanto custam os materiais de usinagem CNC?

Há uma tonelada de materiais disponíveis para usinagem CNC, o que significa que o custo varia bastante entre os materiais. Cada material vem com um preço diferente, e as propriedades físicas de cada material influenciam o custo total da usinagem.

O alumínio 6061 é a opção mais econômica se você optar por produzir peças metálicas, com um custo aproximado de US$ 25 para um blank com dimensões de 150 x 150 x 25 mm. ABS é a opção mais barata, custando aproximadamente US$ 17 para um blank do mesmo tamanho. E em termos de como a facilidade de usinagem afeta o custo, o aço inoxidável é um bom exemplo. É muito mais duro que o alumínio e, portanto, mais difícil de usinar, aumentando o custo total.

Aqui está uma visão abrangente dos materiais mais populares que oferecemos na plataforma Hubs e suas características importantes.

Material	Características	Comparação de custos
Alumínio 6061	Boa relação resistência-peso, excelente usinabilidade, baixa dureza	$
Aço inoxidável 304	Excelentes propriedades mecânicas, resistentes à corrosão e ácidos, relativamente difíceis de usinar	$$$
Latão C360	Alta ductilidade, excelente usinabilidade, boa resistência à corrosão	$$
ABS	Excelente resistência ao impacto, boas propriedades mecânicas, suscetível a solventes	$$
Nylon (PA6 e PA66)	Excelentes propriedades mecânicas, alta tenacidade, baixa resistência à umidade	$$
POM (Delrin)	Alta rigidez, excelentes propriedades térmicas e elétricas, relativamente frágil	$$

Como posso saber mais sobre materiais para usinagem CNC?

Há muito o que aprender sobre todos os materiais que a Hubs oferece para usinagem CNC. Para se aprofundar em materiais individuais ou conjuntos de materiais, confira esses vídeos especializados, disponíveis em nosso canal do Youtube.

Pós-processamento e acabamentos de superfície para usinagem CNC

As peças usinadas em CNC que saem da máquina geralmente terão marcas de ferramentas visíveis, o que nem sempre é desejável, dependendo dos requisitos da peça. Existem muitos métodos de pós-processamento que podem ser usados ​​para melhorar a aparência da superfície de uma peça e aumentar sua resistência ao desgaste, corrosão e produtos químicos. Anodização, jateamento e revestimento em pó são métodos viáveis ​​para o acabamento de suas peças personalizadas.

Como este é um guia mais geral, não nos aprofundaremos no pós-processamento e nos acabamentos de superfície. Você pode explorar as técnicas e acabamentos mais comuns para usinagem CNC neste explicativo prático .

Quais são as vantagens e desvantagens da usinagem CNC?

Embora a usinagem CNC seja um processo de fabricação viável e até mesmo ideal para muitas aplicações, desde a prototipagem até a produção em escala média de peças de uso final, ela tem suas falhas. Nesta seção, abordamos os benefícios e limitações desse processo de usinagem subtrativa.

A usinagem CNC oferece excelente precisão e repetibilidade. Tanto o fresamento quanto o torneamento podem produzir peças com tolerâncias muito apertadas, o que torna o CNC ideal para aplicações de ponta, como nas indústrias aeroespacial, aeronáutica e automotiva. A maioria dos materiais usados ​​na usinagem CNC possui propriedades físicas excelentes e totalmente isotrópicas e são adequadas para a maioria das aplicações de engenharia.

Em geral, a usinagem CNC é o processo de fabricação mais econômico para a produção de peças de metal em número baixo a médio. Isso significa que você pode usar o CNC para protótipos individuais ou para produzir até 1.000 unidades.

Embora esses benefícios tornem a usinagem CNC uma opção atraente para engenheiros, a natureza subtrativa da tecnologia torna certas geometrias mais complexas muito caras ou até impossíveis de fabricar.

Falando de uma perspectiva financeira, o custo inicial da usinagem CNC é muito maior do que para a impressão 3D. Se você deseja produzir protótipos de plástico de baixo custo, a impressão 3D pode ser uma opção melhor no que diz respeito à configuração.

Os prazos de entrega para usinagem CNC tendem a ser mais longos do que para impressão 3D, já que o tempo médio de entrega para CNC é de 10 dias em comparação com os 2-5 dias muito menores para impressão 3D. As máquinas CNC não são tão amplamente disponíveis quanto as impressoras 3D, pois exigem mais conhecimento especializado para operar com eficiência.

Quais são as regras básicas dos Hubs para usinagem CNC?

Vamos detalhar os principais parâmetros a serem considerados para usinagem CNC de peças personalizadas de metal e plástico.

Parâmetro principal do CNC	O que o Hubs diz
Precisão dimensional	Típico:± 0,125 mm (0,005'') Máximo:± 0,02 mm (0,0008'')
Espessura mínima da parede	Metais:0,75 mm (0,030") Plásticos:1,5 mm (0,060")
Tamanho máximo de compilação	Fresamento:2000 x 800 x 100 mm (78'' x 32'' x 40'') Torneamento:Ø 500 mm (Ø 20'')

Perguntas frequentes

Qual é a melhor aplicação da usinagem CNC?

A usinagem CNC é ideal para trabalhos de fabricação pontuais e para produção de baixo a médio volume de várias centenas a 1.000 peças. Recomendamos o uso de usinagem CNC para produzir seus protótipos de metal, pois é a opção mais competitiva em termos de preço. Além disso, você deve optar pela usinagem CNC quando suas peças precisam ter tolerâncias muito apertadas.

Quais são as ferramentas de corte de usinagem CNC mais comuns?

As máquinas CNC usam uma variedade de ferramentas de corte para obter uma gama mais ampla de geometrias de peças. Essas ferramentas incluem brocas, cortadores de ranhura, machos de rosqueamento, fresas de faceamento e ferramentas de cabeça chata, cabeça de touro e cabeça esférica.

Quais indústrias usam mais usinagem CNC?

A usinagem CNC é um processo de fabricação subtrativo amplamente utilizado. Um grande número de indústrias depende do CNC, incluindo aeroespacial, automotivo, aviação, transporte e outros setores integrais. Peças de avião, por exemplo, precisam ser fabricadas com imensa precisão para garantir que toda a máquina funcione perfeitamente conforme projetado.

A usinagem CNC é totalmente automatizada?

A usinagem CNC é, na maioria das vezes, automatizada e dependente de software pré-programado. O software CAD define as dimensões de uma peça, que as máquinas CNC usam para produzir peças físicas. Em geral, é necessária muito pouca intervenção humana, embora alguns processos complexos possam precisar de um conjunto extra de mãos manuais se o projeto da peça for exclusivamente complexo. No geral, a automação quase completa torna a usinagem CNC um processo de fabricação confiável e repetível.