Um processo de cinco eixos, 10 elementos de automação

A automação é aparente até mesmo para olhos destreinados ao observar a nova máquina de cinco eixos da Phoenix Proto com pool de paletes de seis estações e sistema de carregamento de paletes (o mesmo vale para uma de suas máquinas de três eixos equipadas de forma semelhante). Dito isso, existem outros elementos de automação, talvez mais sutis, que compõem o processo de cinco eixos da oficina. Na verdade, são esses elementos que permitem que o processo atinja repetidamente as tolerâncias e acabamentos de superfície necessários para os componentes do molde de alumínio da oficina, enquanto, com mínima ou nenhuma intervenção humana, ajusta as variáveis ​​inerentes que podem afetar adversamente a precisão e o rendimento da usinagem.

Esse ponto sobre o rendimento é importante, porque o objetivo da oficina de Centreville, Michigan é fornecer moldes de alumínio montados aos clientes em três semanas, portanto, é imperativo um retorno rápido de componentes de ferramentas usinadas de qualidade.

Bob Lammon, presidente da empresa, diz que o alumínio continua a ser comumente usado para fabricar protótipos e ferramentas de “ponte” (moldes usados ​​temporariamente para permitir que uma empresa comece a moldar por injeção peças plásticas para novos produtos enquanto espera que as ferramentas de produção de aço sejam concluídas). No entanto, ele está vendo um interesse crescente em moldes de alumínio usados ​​para produção em vez de moldes de aço tradicionais.

“Dependendo da geometria e da resina da peça moldada por injeção, é possível obter 50.000 injeções de um molde de alumínio não revestido”, explica Lammon. “Em alguns casos, isso pode ser suficiente para atender às necessidades de produção. No entanto, endurecendo moldes de alumínio para 54 HRC por meio de tecnologia como o processo de revestimento de níquel duro Nibore que usamos, é possível obter 1 milhão ou mais de injeções para uma resina não abrasiva e talvez 250.000 para uma resina abrasiva com fibra de vidro .”

As aplicações para os moldes que a loja produz são amplas, incluindo peças para as indústrias de eletrodomésticos, automotiva, de consumo, médica e de armas de fogo. Isso leva a uma alta mistura de tamanhos de moldes, características e geometrias que a área de usinagem deve acomodar em pouco tempo. O Sr. Lammon diz que a solução natural parecia ser automatizar um processo de usinagem de cinco eixos de alta velocidade para marcar longos trechos de produção autônoma/sem luz para os componentes de molde mais complexos. Isso está percebendo, como aprendi durante uma recente visita à loja de Michigan.

Adições de automação

A Phoenix Proto possui três máquinas de alta velocidade e três máquinas CNC convencionais. O primeiro centro de usinagem automatizado que a oficina adicionou foi uma máquina de três eixos Roeders RXP500 adquirida em 2012. Esta máquina de motor linear de 42.000 rpm apresenta um sistema de troca de paletes RCE 1 com um pool de paletes de seis estações. Agora é usado principalmente para usinagem de componentes como bases de moldes e blocos de cavidades.

Hoje, quase toda a usinagem das cavidades e machos do molde é realizada no novo Roeders RXP601DSH de cinco eixos com sistema de troca de paletes RCE 2 maior. Esta, a primeira e (pelo menos por enquanto) única máquina de cinco eixos da oficina, foi instalada no início de 2016. Assim como a Roeder de três eixos de alta velocidade, ela também possui um fuso de 42.000 rpm e acionamentos de motor linear com resolução de 1 nanômetro. Os motores lineares são essenciais para o movimento rápido, permitindo taxas de deslocamento rápido de 2.362 ipm. Eles também oferecem menos atrito do que os fusos de esferas, o que leva a um menor consumo de energia.

A máquina de cinco eixos com envelope de usinagem de 21,3 por 25 por 15,7 polegadas e peso máximo da peça de trabalho de 440 libras apresenta um design estilo munhão com giro do eixo A variando de ± 115 graus. O outro movimento rotativo é fornecido pelo prato do eixo C no munhão. De acordo com Matt Byers, presidente da Roeders of America, o projeto do munhão em que o fuso não fornece movimento de eixo rotacional tende a ser mais rígido do que as plataformas de máquinas alternativas de cinco eixos para permitir cortes pesados. Além disso, o baixo centro de gravidade da peça de trabalho mantém as forças de inércia baixas para mitigar quaisquer efeitos de tombamento ou inclinação durante o movimento de alta velocidade.

O Sr. Byers também acredita que a tecnologia de controle proprietária da máquina oferece vantagens para o tipo de fresamento de alta velocidade que o Phoenix Proto realiza. Dois parâmetros importantes para facilitar o fresamento eficaz em alta velocidade são a antecipação e a velocidade de processamento do bloco. O CNC RMS6 baseado em PC da máquina oferece antecipação de 10.000 blocos e velocidade de processamento de blocos de 0,1 milissegundos.

O alto rendimento possibilitado pelos tempos de ciclo rápidos da máquina usando técnicas de usinagem de alta velocidade é complementado por todos os elementos de automação que são incorporados a este processo. Aqui estão 10 elementos de automação que notei durante minha visita:

1. Sistema de carregamento e pool de paletes

O sistema de troca automática de paletes RCE 2 da máquina de cinco eixos possui um pool de paletes de seis estações, embora a oficina às vezes fixe mais de uma peça em um palete. Cada palete mede 23,6 por 15,7 polegadas.

A pedido da Phoenix Proto, a garra do sistema de carregamento foi modificada. Originalmente, não poderia haver nenhuma parte saliente nas bordas do palete. Ao modificar a pinça para que ela pegue na parte inferior do palete, o sistema agora pode carregar peças maiores. Agora, o tamanho da peça é limitado apenas pela capacidade da máquina, não pela carregadeira.

A loja usa o software de gerenciamento de trabalhos da Roeders para agendar e gerenciar trabalhos. Ele tenta programar os longos para funcionar durante a noite e fins de semana, atualmente executando um turno de 12 horas cinco dias por semana. Como alternativa, ele tenta certificar-se de que há trabalhos de execução mais curtos suficientes configurados para permitir que a máquina permaneça ocupada por conta própria.

2. Máquina

A usinagem de cinco eixos é em si uma forma de automação. Existem dois tipos de processos de cinco eixos:contorno e posicionamento (também conhecido como “3+2”). O Phoenix Proto realiza o posicionamento 3+2 nesta máquina 75% do tempo. Para isso, a máquina usa seus dois eixos rotativos adicionais apenas para inclinar angularmente a peça de trabalho e depois a trava nessa posição. Depois disso, ele executa o que equivale a uma operação de três eixos nessa orientação. Uma vantagem é que isso oferece à ferramenta acesso a cinco lados de uma peça em uma fixação. Isso minimiza o número de setups, o número de máquinas que uma peça poderia ter que percorrer e, portanto, o número de vezes que uma peça é “tocada” durante a produção (ou seja, é “automação”).

A capacidade de inclinação de peças via 3+2 também permite que as ferramentas alcancem as peças para criar recursos de molde complicados, como nervuras profundas. Em alguns casos, isso eliminou as operações de EDM de chumbada secundária e a necessidade associada de usinar eletrodos. Além disso, os porta-ferramentas termoencolhíveis usados ​​têm diâmetros menores do que os designs estilo pinça para fornecer folga adicional.

Com 3+2, a oficina também pode usar fresas mais curtas e rígidas. Cortes mais rápidos e agressivos podem ser feitos usando ferramentas mais curtas sem tanto risco de vibração ou trepidação que podem ocorrer se forem necessárias ferramentas mais longas. Vibração e vibração podem levar a acabamentos superficiais ruins, o que, no caso da Phoenix Proto, exigiria mais trabalho manual de bancada para componentes do molde ou até mesmo trabalho EDM secundário para obter acabamentos de qualidade, estendendo o tempo total de produção. A oficina também consegue melhorar a vida útil da ferramenta para fresas de topo esféricas, porque quando as peças são inclinadas em ângulos diferentes, mais raio da ferramenta pode ser usado, não apenas a ponta. A usinagem em outras áreas do raio e não na ponta (o ponto onde a velocidade de rotação é zero) também leva a melhores acabamentos superficiais.

3. Sondagem por acionamento por toque

Depois que uma nova peça é carregada na máquina, uma rotina de apalpação automática com um apalpador de toque identifica a localização de vários pontos na peça ou dispositivo de fixação para estabelecer a localização exata da peça na máquina. O CNC da máquina ajusta automaticamente o sistema de coordenadas de trabalho nativo para combiná-lo. Isso elimina o calço manual, o deslocamento da peça e outras tarefas demoradas que, de outra forma, seriam necessárias para nivelar e alinhar a peça para corresponder perfeitamente ao sistema de coordenadas da máquina.

4. Ciclo de calibração automática

A máquina de cinco eixos possui vários canais de resfriamento em sua base, trilhos, carros e assim por diante, para que esses componentes não se expandam devido a fontes internas de calor. No entanto, para se adaptar às flutuações da temperatura ambiente dentro de uma loja (digamos, do início ao fim do dia), pode ser realizado um ciclo de calibração automática usando o apalpador de toque.

O ciclo de calibração da Roeders é realizado de forma diferente da maioria dos outros processos dos fabricantes de máquinas-ferramenta, explica o Sr. Byers. Ele diz que esses ciclos normalmente exigem que o palete atualmente carregado na máquina seja removido e substituído por outro palete com uma esfera de ferramentas. Esta esfera é então sondada para determinar quanto de uma mudança em sua localização ocorreu devido a mudanças na temperatura ambiente da oficina. Por outro lado, o ciclo Roeders não exige a remoção do palete existente com a peça de trabalho. A máquina possui prismas retificados com precisão em sua fundição do braço munhão e fundição do motor do eixo C que são apalpados para determinar quaisquer mudanças de posição e, se necessário, compensar automaticamente essas mudanças. O Phoenix Proto executa essa rotina de calibração uma vez por mês, a menos que um problema seja observado e, às vezes, a executa antes de uma passagem crítica de acabamento.

5. Compensação de crescimento do fuso

O Sr. Byers diz que alguns fabricantes de máquinas-ferramenta criam algoritmos para cada máquina antes de enviar para um cliente para aproximar o quanto seu fuso irá expandir em diferentes velocidades e tempos de execução. No entanto, ele observa que é essencialmente impossível explicar todas as várias maneiras pelas quais o cliente pode usar a máquina de um dia para o outro. A máquina de cinco eixos da Phoenix Proto possui um sistema opcional de compensação automática do fuso para se adaptar à expansão (ou contração) do fuso em tempo real. O sistema usa um sensor sem contato conectado a um braço em forma de L posicionado próximo à face do fuso (veja a foto na apresentação de slides acima). O sensor com resolução nanométrica detecta o quanto o fuso se expande ou contrai durante a operação e envia essa informação de volta ao CNC para ajustar o eixo Z para cima ou para baixo para compensar. Isso é especialmente importante para operações de cinco eixos, porque quando uma peça é inclinada, o crescimento do fuso pode afetar a localização da ponta de ferramenta em todos os três eixos lineares, não apenas em Z. A compensação automática ajuda a garantir acabamentos e combinações de superfície bons e consistentes.

6. Configuração da ferramenta a laser na máquina

Após cada troca de ferramenta, o comprimento e o diâmetro da nova ferramenta são medidos automaticamente usando o apalpador de ajuste de ferramenta a laser Blum na máquina. (O apalpador a laser, bem como a esfera da ferramenta de calibração do apalpador estão localizados fora da área de usinagem no trocador de ferramentas, para que sejam protegidos contra cavacos e refrigerante.) A oficina especifica uma faixa de tolerância para cada diâmetro da ferramenta. Se o apalpador detectar que o diâmetro de uma ferramenta está fora da tolerância, não permitirá que a usinagem seja realizada com essa ferramenta. Por exemplo, se uma fresa de topo esférica de 0,250 polegadas medir ±0,0002 muito grande ou muito pequena, ela não será usada. Isso também se aplica ao comprimento do cortador.

Antes disso, o laser determina se a ferramenta que está sendo trocada está quebrada. Se a ferramenta estiver quebrada, mas estiver programada para ser usada em trabalhos subsequentes enfileirados no pool de paletes, ela não interromperá a produção desses trabalhos. “Por exemplo, se a ferramenta na posição cinco do ATC estiver quebrada, a máquina removerá a peça na qual essa ferramenta quebrou, carregará o próximo trabalho agendado e executará esse trabalho até atingir o estágio em que a ferramenta na estação cinco seria usado”, explica Scott, filho de Lammon, diretor de operações da empresa e um dos dois que programam e montam a máquina de cinco eixos. “Então, a máquina removeria essa peça e passaria para o próximo trabalho da fila. Esse processo continuaria para cada trabalho carregado.”

7. Ajuste do bico de refrigerante

Em vez de usar apenas bicos de refrigeração flexíveis convencionais que devem ser posicionados manualmente, a máquina de cinco eixos possui um sistema de distribuição de refrigeração que ajusta automaticamente a direção do fluxo de refrigeração até o ponto de corte, independentemente do comprimento da ferramenta. A direção dos bicos é ajustada através de um código M baseado no comprimento conhecido da próxima ferramenta instalada no fuso.

8. Função de programação de inclinação automática

Chris Claar é o gerente de engenharia da Phoenix Proto que também programa e configura a máquina de cinco eixos. Ele diz que em 2010, a oficina realizou um estudo de tempo comparando seu software CAD/CAM anterior com o software Cimatron. “Mudamos para o Cimatron depois que nosso estudo mostrou uma economia de 30% no tempo de programação em comparação com o outro software”, explica o Sr. Claar. “Um recurso de economia de tempo que apreciamos é a função de inclinação automática de cinco eixos. Como temos todos os componentes da máquina, bem como a peça de trabalho, acessórios e ferramentas modelados em 3D no software, a função de inclinação automática é capaz de determinar a que profundidade o cortador ou porta-ferramenta atingiria a peça e, em seguida, inclinar automaticamente a peça para evitar travar e permitir que a operação continue.” O software também usa esses modelos 3D para permitir que os programadores realizem simulação offline de operações de usinagem para detectar possíveis falhas.

9. Verificação de sintaxe

Além dos programadores que executam simulações offline no Cimatron para cada programa, eles também usam uma função de verificação de sintaxe no controle Roeders que revisa automaticamente o programa e o pós-processador para identificar quaisquer erros antes que o trabalho seja agendado.

10. Reinício do programa

Se houver necessidade de parar a máquina no meio de um programa, não é necessário que o programador entre manualmente no programa postado, procure o número da linha em que a máquina foi parada e apague todo o código acima. então ele reinicia na posição correta em que parou. Com o controle Roeders, um operador simplesmente insere o número da linha no arquivo de comando e ele automaticamente lerá o programa e reiniciará a partir daí.

Tranquilidade em automação

Embora muita reflexão tenha sido feita na estratégia de usinagem autônoma do Phoenix Proto, ele percebe que o inesperado pode ocorrer. É por isso que as máquinas Roeders de três e cinco eixos são configuradas para enviar alertas de texto ou e-mail com mensagens de erro. Também é possível efetuar login remotamente nos controles das máquinas através do software online “Team Viewer”, assim como os técnicos de serviço da Roeders podem realizar diagnósticos remotos da máquina para ter uma ideia se um componente precisa ser substituído, se um inversor precisa ser sintonizado e assim por diante. (Na verdade, o ajuste do drive pode ser realizado remotamente usando este software, diz Byers.)

Dito isto, a loja tem outra opção. Ele pendurou uma câmera no teto entre as duas máquinas Roeders que seus programadores podem acessar por meio de seus telefones para ver o que está acontecendo (veja a foto na apresentação de slides no topo desta página). Eles podem deslocar a câmera e ampliar uma máquina ou sua tela CNC para ver (e ouvir) o status dos trabalhos em execução no momento. “Por mais ocupados que estejamos agora, vou checar no meu telefone algumas vezes durante a noite, porque uma máquina parada pode realmente atrapalhar nossa agenda”, diz Claar. “É como se eu estivesse em pé na máquina.”