A curva em forma de rede aproxima o caminho para uma automação mais simples

O giro próximo ao formato da rede (NNS) é uma tendência que se arrastou para o mainstream da manufatura ao longo de duas décadas. A ideia é compreendida por quase todos na manufatura agora. Em sua raiz, torneamento NNS significa simplesmente tornear peças que foram formadas ou fundidas próximas às dimensões finais. As implicações desse método continuam a se desdobrar à medida que máquinas, ferramentas e processos incorporam novos desenvolvimentos e ideias.

A maioria dos torneamentos NNS envolve a usinagem de muito poucos recursos em uma peça; frequentemente um ou dois, raramente mais de três. O torneamento NNS muitas vezes produz dificuldades de mandril porque as peças típicas geralmente são de seção fina, ou são fundidas ou formadas sem fixações ou dados de medição. Como a operação típica de torneamento NNS é a operação de acabamento final, podemos acrescentar que geralmente se enquadra na categoria de torneamento, mandrilamento ou faceamento de alta precisão.

A implicação mais importante do giro NNS, no entanto, é a maneira como ele influenciou as tendências na automação. Quando o tempo de fabricação de cavacos se torna uma parte menor dos tempos totais de ciclo, o manuseio do trabalho e a troca de ferramentas surgem como os principais obstáculos para uma melhor eficiência. O torneamento NNS evoluiu para se dar muito bem com o manuseio de trabalho mais simples e a troca de ferramentas - uma tendência que se estendeu um pouco além do próprio torneamento NNS, desafiando a sabedoria convencional sobre quanta complexidade é boa para a eficiência de fabricação e custo-benefício geral.

Entrada e retirada de peças com rapidez

"Nosso trabalho é colocar e retirar peças da máquina o mais rápido e consistente possível", diz Dan Kruse, gerente de operações da Bearing Technologies, Inc., Div. da MB Mfg. (Benton Harbor, Michigan). Ele está se referindo às pistas para os rolamentos que sua empresa fabrica, usinados a partir de seções cortadas no comprimento de tubos de aço 4118. Embora o trabalho seja apenas marginalmente uma operação quase em forma de rede (porque até 0,080 polegada de estoque é removido em até três passagens da ferramenta de corte), ele emprega a tecnologia de automação e a abordagem geral do processo que o torneamento NNS promoveu.

A Bearing Technologies está usando duas máquinas com ferramentas de quatro eixos, ligadas entre si em uma célula por meio de um sistema de transferência linear tipo pórtico. As máquinas nesta célula refletem a influência que o torneamento NNS teve no projeto de máquinas de torneamento de produção. Pequenas, fortemente acopladas e com capacidade para apenas uma ou duas ferramentas em cada um dos dois blocos de ferramentas montados em deslizamento cruzado ("gang"), essas máquinas Wasino SS-8 são focadas no torneamento de peças menores que requerem usinagem de apenas alguns recursos.

Sem torres para indexar, a troca de ferramentas é rápida. O tempo de corte, da mesma forma, é minimizado com o corte simultâneo de quatro eixos e duas ferramentas. Mas apenas 15 por cento dos curtos tempos de ciclo de 30 a 40 segundos das peças envolvem manuseio de trabalho. Os tempos de carga e descarga foram reduzidos até onde o estado da arte permite.

A Bearing Technologies está usando o exemplo extremo de carregamento e descarregamento rápido e simples:um sistema de chute alimentado por gravidade alimenta as peças em uma linha reta e com um movimento de manuseio. É adequado apenas para peças em forma de anel ou disco, mas atinge o objetivo apresentado no manuseio de trabalho NNS. O sistema de chute usa o menor movimento mecânico possível e carrega no caminho prático mais curto.

A empresa anteriormente fazia o trabalho com tornos de dois eixos equipados com carregadeiras mais convencionais. Seu tempo de corte foi 25% maior do que o das novas máquinas de quatro eixos. Mas a maior diferença está no manuseio do trabalho. O tempo total do ciclo era aproximadamente três vezes maior antes de mudarem para as carregadeiras alimentadas por gravidade.

Tolerâncias do tipo moedor

Muitas aplicações NNS levam a precisão da máquina a extremos, muitas vezes substituindo as operações de retificação e realizando todo o torneamento em uma única etapa ou em uma única passagem por uma célula que gira ambas as extremidades de uma peça. As aplicações de torneamento duro geralmente se enquadram nesta categoria. Para engrenagens de metal em pó (PM), buchas e outras peças pequenas, o torneamento duro tornou-se um concorrente sério para retificação. Esta classe de trabalho pode ser pensada como uma subcategoria de torneamento NNS e faz as mesmas exigências na eficiência e precisão do manuseio do trabalho.

Também valoriza a rigidez da máquina e a engenharia de ferramentas. Embora as cerâmicas sejam usadas em aplicações de torneamento duro com carga leve, foi a introdução de ferramentas de nitreto cúbico de boro policristalino (PCBN) que trouxe o torneamento duro para o mainstream da produção. Essas ferramentas duram longas tiragens e produzem grande consistência de desgaste - desde que seja dada atenção cuidadosa à preparação da aresta.

O torneamento NNS de precisão, duro ou macio, geralmente requer desenvolvimento de aplicação extra. As configurações das ferramentas e os materiais das ferramentas são essenciais para as peças mais macias, bem como para as mais duras, onde longas tiragens combinam com alta precisão e requisitos de acabamento de superfície fino. E muitas dessas peças apresentam exigências especiais de fixação ou mandril.

A usinagem de pequenos pistões para equipamentos de gramado é uma boa ilustração das características especiais do torneamento NNS. Precisão fundida em seções finas, sem pontos de referência prontamente acessíveis, essas peças são difíceis de mandril com precisão e tendem a distorcer facilmente. Mesmo assim, muitas vezes podemos girar as saias do pistão para ± 50 milionésimos (0,000050) de polegada.

O peso leve é ​​um objetivo fundamental para pistões pequenos, e eles têm sido uma aplicação natural para fundição de precisão. Mas o processo de fundição não produz recursos para a fixação na parte interna das peças. Eles precisam ser usinados ao longo de todo o seu diâmetro externo, e o único ponto de referência para orientação do eixo do fuso é o interior da cúpula do pistão, ou coroa.

O torneamento, portanto, é um trabalho de usinagem de ponta dupla, na qual um diâmetro externo usinado com acabamento na extremidade da coroa deve ser continuado na saia, sem perder a concentricidade. As paredes da saia finas e facilmente distorcidas tornam essa tarefa mais difícil.

A resposta é uma combinação de mandril de ar delicado e preciso e mandíbulas giradas no local - duras, para produção de alto volume. O uso de mandris de ar, operando a uma pressão máxima de linha de 60 a 70 psi, resolve muitos desses problemas de mandril NNS de seção fina. Eles tendem a lançar com precisão em uma ampla faixa de pressões de ar, variando talvez de 30 psi até o máximo de 70. Mesmo com mandíbulas lisas, eles obtêm uma aderência adequada na peça se as forças de giro forem baixas, como em pistões de alumínio.

Ainda assim, há mais para manter a precisão em peças de seção fina do que apenas jogá-las com precisão. Os pistões apresentam outro problema potencial devido às suas seções finas:os furos dos pinos de pulso, que alargamos em um centro de usinagem coordenado na mesma célula da máquina, estão localizados em ressaltos de paredes finas. Estes aquecem rapidamente na primeira etapa de giro e depois fecham à medida que esfriam, expandindo e contraindo o diâmetro externo do pistão em 0,00015 a 0,00020 polegada. Em algumas aplicações NNS, tais distorções térmicas são extremamente difíceis de lidar.

A flexibilidade e a sensibilidade térmica das peças NNS continuam a impulsionar o desenvolvimento de melhores soluções de mandril. O acabamento das garras do mandril na máquina tornou-se uma prática padrão. Também é comum afunilar essas garras para compensar qualquer flexão que elas possam sofrer em uso. A usinagem das raízes das mandíbulas endurecidas em um diâmetro maior que suas extremidades, de 0,0005 polegada a 0,001 polegada, é recomendada.

É necessário projetar garras para área de contato máxima quando uma pressão leve é ​​usada. Mesmo assim, as forças de corte podem exceder o poder de preensão das garras e permitir que as peças escorreguem. As serrilhas de pontas quadradas comuns não ajudam muito nesse sentido, mas um bom sucesso é relatado com mandíbulas serrilhadas afiadas, usinadas sob medida para cada aplicação. A maneira mais prática de fazer isso é como insertos aparafusados, torneados e serrilhados ao longo do eixo do fuso, como uma única peça cilíndrica e depois cortadas para separar os insertos para cada mandíbula individual.

As serrilhas realmente fazem marcas finas na peça, então elas não resolvem todos os problemas de chumbamento. Mas eles resolveram alguns muito difíceis. Em uma aplicação, girando uma bucha de alumínio fundido sob pressão, bucha de alumínio 390, mandril com garras lisas, obtivemos variações de 0,0001 a 0,0003 polegada de redondeza, devido principalmente às pressões da garra necessárias para evitar deslizamento e a uma linha de partição inconsistente na parte externa diâmetro das peças fundidas. Com mandíbulas serrilhadas, a pressão pode ser aumentada e ainda melhorar a circularidade, para dentro de 30 a 50 milionésimos (0,000030 a 0,000050) de uma polegada.

As peças endurecidas apresentam dificuldades de fixação ainda maiores. O deslizamento é um problema porque as forças de corte são um pouco maiores. E muitas dessas peças, especialmente engrenagens, não podem ser jogadas em nenhuma superfície geométrica simples.

Mandrilar na linha de passo das engrenagens é o ideal teórico, porque, se for um furo de localização ou bucha que está sendo usinado (e geralmente é), você quer que a engrenagem acabada funcione em sua linha de passo para uma operação silenciosa e suave. Em uma engrenagem cônica, ou mesmo em uma engrenagem de face plana, a linha de passo dificilmente é uma superfície de mandril óbvia. Na verdade, você nem consegue ver. É um círculo teórico localizado em algum lugar nos dentes da engrenagem.

Resolvemos esse problema de coçar a cabeça usando dispositivos de fixação de linha de passo. Estas são faces de "engrenagem" endurecidas com EDM que são montadas no mandril e que se encaixam na peça de trabalho, garantindo que a peça funcione concentricamente com sua linha de passo. Quando o trabalho é colocado em contato com o acessório, as duas formas de engrenagem se acoplam naturalmente em um círculo de menor interferência, que, felizmente, é a própria linha de passo.

Uma aplicação de engrenagens cônicas de alto volume na fábrica da Black &Decker em Easton, Maryland, vem executando essa configuração em produção de alto volume há vários anos. As peças de MP endurecidas e infiltradas em cobre são revestidas e furadas em uma máquina de torneamento com ferramentas de grupo, usando ferramentas PCBN. A fixação da linha de passo requer a indexação da peça, à medida que é carregada, para evitar a colisão da peça e da fixação, ponta a ponta do dente, o que levanta o próximo grande problema com o torneamento NNS automatizado:sistemas de manuseio de trabalho.

Manuseio de trabalho para torneamento NNS

O manuseio do trabalho para torneamento NNS deve ser rápido, pois os tempos de ciclo dependem disso. O aplicativo de carregamento de engrenagem sugere que ele também deve ser versátil para acomodar algo tão complicado quanto orientar os dentes da engrenagem para encaixar em um acessório. Um dos desenvolvimentos mais notáveis ​​do torneamento NNS foram esses sistemas de carga/descarga rápidos e versáteis, que também têm as virtudes de serem simples, contidos na máquina-ferramenta e fáceis de controlar com CNC padrão - idealmente o mesmo CNC que opera a máquina de tornear.

Isso é "automação independente" e requer uma definição. Aqui está a configuração de uma típica máquina de torneamento NNS contemporânea:Ela é usinada em grupo, porque apenas alguns recursos estão sendo usinados. O conjunto de ferramentas resulta em acoplamento mecânico apertado entre a ferramenta de corte e a base da máquina. Isso o torna rígido e inerentemente mais fácil de construir com precisão, sem buchas de torre ou engrenagens de indexação.

O carregador tipo pórtico é construído em cima da máquina, fixado diretamente na base da máquina. O trajeto das garras de trabalho é estritamente em linhas retas, a partir de um carrossel de preparação de trabalho integrado à própria máquina-ferramenta. A cabeça da garra se move ao longo do comprimento da base da máquina e para cima e para baixo nas extremidades, pegando e colocando as peças no carrossel e no mandril.

As carregadeiras de pórtico atuais usam acionamentos programáveis ​​e garras tipo mandril, com garras macias. As trocas de peças, portanto, são rápidas. Como os movimentos de carga e descarga são poucos e os deslocamentos envolvem apenas um eixo por vez, seus programas são curtos. Eles podem ser armazenados e controlados a partir do CNC da máquina-ferramenta.

Este é um pacote inerentemente preciso e muito compacto, e é modular que se presta à fácil montagem de células de várias máquinas. Os carregadores de pórtico podem alimentar um sistema de transferência intermediário, construído ao longo das mesmas linhas simples e lineares, para trocar peças entre máquinas.

De volta à aplicação da engrenagem:requer orientação da peça, mas as garras são semelhantes a mandris e indiscriminadas sobre como pegam as peças do carrossel. Como os orienta? Fazendo uma pausa em uma estação intermediária, onde ele deixa a peça cair em um acessório giratório que usa um feixe de luz para dizer onde estão os dentes e, em seguida, gira a engrenagem conforme necessário para evitar uma colisão. A garra então pega a peça novamente e continua seu caminho para o mandril.

Assim, o sistema de pórtico que descrevemos é simples, mas não simplista; pode ser elaborado, graças à sua programabilidade, para fazer algo extra com a peça. Orientar é uma dessas tarefas. A medição é outra para aplicações SPC online.

O torneamento próximo ao formato da rede valoriza a precisão e a rapidez, e permite o manuseio simples da ferramenta e do trabalho, devido à natureza das peças típicas de NNS. Os centros de torneamento automatizados que evoluíram para atender a essa demanda de mercado são simples sem ser simplórios:são programáveis ​​para tarefas especiais, incluindo medição e orientação de peças.

Com efeito, esses centros de torneamento automatizados são automação pré-embalada. Rápidos de configurar, capazes de produzir precisão extrema e versáteis, eles apontam o caminho para uma melhor automação para muitas outras aplicações de usinagem, além do torneamento de formas próximas à rede.