Guia Abrangente de Fresadoras CNC: Características, Aplicações e Melhores Práticas

INTRODUÇÃO

Uma fresadora CNC é um kit de máquina cujos caminhos de ferramenta podem ser controlados via controle numérico computadorizado. É uma máquina controlada por computador para cortar vários materiais duros, como madeira, compósitos, alumínio, aço, plásticos e espumas. É um dos muitos tipos de ferramentas que têm variantes CNC. Uma fresadora CNC é muito semelhante em conceito a uma máquina de fresamento CNC.

Fresadoras CNC vêm em muitas configurações, desde pequenas fresadoras CNC estilo "desktop" para uso doméstico até grandes fresadoras CNC "gantry" usadas em instalações de construção naval. Embora existam muitas configurações, a maioria das fresadoras CNC tem algumas partes específicas: um controlador CNC dedicado, um ou mais motores de fuso, inversores CA, e uma mesa.

Fresadoras CNC estão geralmente disponíveis em formatos CNC de 3 eixos e 5 eixos.

A fresadora CNC é executada por um computador. Coordenadas são carregadas no controlador da máquina a partir de um programa separado. Proprietários de fresadoras CNC frequentemente têm dois aplicativos de software — um programa para fazer designs (CAD) e outro para traduzir esses designs em um programa de instruções para a máquina (CAM). Como nas máquinas de fresamento CNC, fresadoras CNC podem ser controladas diretamente por programação manual, mas CAD/CAM abre possibilidades mais amplas para contorno, acelerando o processo de programação e em alguns casos criando programas cuja programação manual seria, se não verdadeiramente impossível, certamente comercialmente impraticável.

Fresadoras CNC podem ser muito úteis ao realizar trabalhos idênticos e repetitivos. Uma fresadora CNC normalmente produz trabalho consistente e de alta qualidade e melhora a produtividade da fábrica.

Uma fresadora CNC pode reduzir desperdício, frequência de erros, e o tempo que o produto final leva para chegar ao mercado.

Uma fresadora CNC dá mais flexibilidade ao processo de manufatura. Pode ser usada na produção de muitos itens diferentes, como entalhes de portas, decorações internas e externas, painéis de madeira, placas de sinalização, molduras de madeira, molduras, instrumentos musicais, móveis, e assim por diante. Além disso, a fresadora CNC facilita a termoformagem de plásticos automatizando o processo de acabamento. Fresadoras CNC ajudam a garantir repetibilidade de peças e saída suficiente da fábrica.

CONTROLE NUMÉRICO

A tecnologia de controle numérico como é conhecida hoje surgiu em meados do século XX. Pode ser rastreada até o ano de 1952, a Força Aérea dos EUA, e os nomes de John Parsons e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts em Cambridge, MA, EUA. Não foi aplicada na manufatura de produção até o início dos anos 1960. O verdadeiro boom veio na forma de CNC, por volta de 1972, e uma década depois com a introdução de microcomputadores acessíveis. A história e desenvolvimento desta tecnologia fascinante foram bem documentados em muitas publicações.

No campo da manufatura, e particularmente na área de usinagem de metais, a tecnologia de Controle Numérico causou algo de revolução. Mesmo nos dias antes dos computadores se tornarem fixos padrão em todas as empresas e em muitas casas, as máquinas-ferramenta equipadas com sistema de Controle Numérico encontraram seu lugar especial nas oficinas. A recente evolução da microeletrônica e o desenvolvimento contínuo de computadores, incluindo seu impacto no Controle Numérico, trouxeram mudanças significativas para o setor de manufatura em geral e indústria de metalurgia em particular.

DEFINIÇÃO DE CONTROLE NUMÉRICO

Em várias publicações e artigos, muitas descrições foram usadas ao longo dos anos para definir o que é Controle Numérico. Muitas dessas definições compartilham a mesma ideia, mesmo conceito básico, apenas usam palavras diferentes.

A maioria de todas as definições conhecidas pode ser resumida em uma declaração relativamente simples:

Controle numérico pode ser definido como uma operação de máquinas-ferramenta por meio de instruções especificamente codificadas para o sistema de controle da máquina.

As instruções são combinações de letras do alfabeto, dígitos e símbolos selecionados, por exemplo, ponto decimal, sinal de porcentagem ou símbolos de parênteses. Todas as instruções são escritas em ordem lógica e forma predeterminada. A coleção de todas as instruções necessárias para usinar uma peça é chamada de programa NC, programa CNC, ou programa de peça. Tal programa pode ser armazenado para uso futuro e usado repetidamente para atingir resultados de usinagem idênticos a qualquer momento.

Tecnologia NC e CNC

Em estrita aderência à terminologia, há diferença no significado das abreviações NC e CNC. NC significa a ordem e a tecnologia original de Controle Numérico, enquanto a abreviação CNC significa a mais nova tecnologia de Controle Numérico Computadorizado, um desdobramento moderno de seu parente mais velho. No entanto, na prática, CNC é a abreviação preferida. Para esclarecer o uso adequado de cada termo, veja as principais diferenças entre os sistemas NC e CNC.

Ambos os sistemas realizam as mesmas tarefas, ou seja, manipulação de dados para o propósito de usinar uma peça. Em ambos os casos, o design interno do sistema de controle contém as instruções lógicas que processam os dados. Neste ponto a semelhança termina.

O sistema NC (em oposição ao sistema CNC) usa funções lógicas fixas, aquelas que são embutidas e permanentemente conectadas dentro da unidade de controle. Essas funções não podem ser alteradas pelo programador ou operador da máquina. Devido à escrita fixa da lógica de controle, o sistema de controle NC pode interpretar um programa de peça, mas não permite que quaisquer alterações sejam feitas longe do controle, tipicamente em ambiente de escritório. Além disso, o sistema NC requer o uso obrigatório de fitas perfuradas para entrada de informações do programa.

O moderno sistema CNC, mas não o antigo sistema NC, usa um microprocessador interno (ou seja, um computador). Este computador contém registradores de memória armazenando uma variedade de rotinas capazes de manipular funções lógicas. Isso significa que o programador de peça ou o operador da máquina pode alterar o programa do próprio controle (na máquina), com resultados instantâneos. Esta flexibilidade é a maior vantagem dos sistemas CNC e provavelmente o elemento chave que contribuiu para tal amplo uso da tecnologia na manufatura moderna. Os programas CNC e as funções lógicas são armazenados em chips de computador especiais, como instruções de software. Em vez de serem usados por conexões de hardware, como fios, que controlam as funções lógicas. Em contraste com o sistema NC, o sistema CNC é sinônimo do termo "softwired" (com fio suave).

Ao descrever um assunto particular que se relaciona com a tecnologia de controle numérico, é costume usar o termo NC ou CNC. Lembre-se que NC também pode significar CNC na conversa cotidiana, mas CNC nunca pode se referir à tecnologia antiga, descrita aqui sob a abreviação NC. A letra 'C' significa computadorizado, e não é aplicável ao sistema com fio duro. Todos os sistemas de controle fabricados hoje são de design CNC. Abreviações como C&C ou C'n'C não são corretas e refletem mal em qualquer um que as use.

Terminologia

Zero absoluto

Refere-se à posição de todos os eixos quando estão localizados no ponto onde os sensores podem detectá-los fisicamente. Uma posição de zero absoluto é normalmente alcançada após um comando de home ser executado.

Eixo

Uma linha de referência fixa em torno da qual um objeto transla ou rota.

Fuso de esferas

Um fuso de esferas é um dispositivo mecânico para traduzir movimento rotacional em movimento linear. Consiste em uma porca de esferas recirculantes que corre em um fuso roscado de precisão.

CAD

Design assistido por computador (CAD) é o uso de uma ampla gama de ferramentas baseadas em computador que auxiliam engenheiros, arquitetos e outros profissionais de design em suas atividades de design.

CAM

Manufatura assistida por computador (CAM) é o uso de uma ampla gama de ferramentas de software baseadas em computador que auxiliam engenheiros e operadores CNC na manufatura ou prototipagem de componentes de produtos.

CNC

A abreviação CNC significa controle numérico computadorizado, e refere-se especificamente a um "controlador" computadorizado que lê instruções G-code e aciona a máquina-ferramenta.

Controlador

Um sistema de controle é um dispositivo ou conjunto de dispositivos que gerenciam, comandam, direcionam ou regulam o comportamento de outros dispositivos ou sistemas.

Daylight (Folga)

Esta é a distância entre a parte mais baixa da ferramenta e a superfície da mesa da máquina. Daylight máximo refere-se à distância da mesa ao ponto mais alto que uma ferramenta pode alcançar.

Bancos de brocas

Também conhecidos como multi-brocas, são conjuntos de brocas geralmente espaçados em incrementos de 32 mm.

Velocidade de avanço

Ou velocidade de corte é a diferença de velocidade entre a ferramenta de corte e a superfície da peça em que está operando.

Offset de fixação

Este é um valor que representa o zero de referência de uma determinada fixação. Corresponde à distância em todos os eixos entre o zero absoluto e o zero da fixação.

G-code

G-code é um nome comum para a linguagem de programação que controla máquinas-ferramenta NC e CNC.

Home (Origem)

Este é o ponto de referência programado também conhecido como 0,0,0 representado como zero absoluto da máquina ou zero de offset de fixação.

Interpolação linear e circular

É um método de construir novos pontos de dados a partir de um conjunto discreto de pontos de dados conhecidos. Em outras palavras, esta é a forma como o programa calculará o caminho de corte de um círculo completo sabendo apenas o ponto central e o raio.

Home da máquina

Esta é a posição padrão de todos os eixos na máquina. Ao executar um comando de homing, todos os acionamentos movem-se em direção às suas posições padrão até atingirem um interruptor ou sensor que lhes diz para parar.

Nesting (Encaixe)

Refere-se ao processo de fabricar peças eficientemente a partir de chapas. Usando algoritmos complexos, o software de nesting determina como dispor as peças de forma a maximizar o uso do estoque disponível.

Offset

Refere-se à distância da medição da linha central que vem do software CAM.

Ferramentas piggyback

Este é o termo usado para se referir a ferramentas ativadas a ar que são montadas ao lado do fuso principal.

Post-processador

Software que fornece algum processamento final aos dados, como formatação para exibição, impressão ou usinagem.

Zero do programa

Este é o ponto de referência 0,0 especificado no programa. Na maioria dos casos é diferente do zero da máquina.

Cremalheira e pinhão

Uma cremalheira e pinhão é um par de engrenagens que convertem movimento rotacional em movimento linear.

Fuso

Um fuso é um motor de alta frequência equipado com um aparato de fixação de ferramenta.

Spoilboard (Mesa de sacrifício)

Também conhecido como prancha de sacrifício, é o material usado como base para o material sendo cortado. Pode ser feito de muitos materiais diferentes, dos quais MDF e aglomerado são os mais comuns.

Carga da ferramenta

Refere-se à pressão exercida sobre uma ferramenta enquanto ela corta através do material.

Velocidade da ferramenta

Também chamada de velocidade do fuso, esta é a frequência rotacional do fuso da máquina, medida em rotações por minuto (RPM).

Ferramentas de Corte (Tooling)

Ferramentas, surpreendentemente, é frequentemente o aspecto menos compreendido do equipamento CNC. Dado que é o único elemento que mais afetará a qualidade do corte e a velocidade de corte, operadores devem gastar mais tempo explorando este assunto.

Ferramentas de corte geralmente vêm em três materiais diferentes: aço rápido, metal duro e diamante.

Aço rápido (HSS)

HSS é o mais afiado dos três materiais e o menos caro, no entanto, desgasta mais rápido e deve ser usado apenas em materiais não abrasivos. Requer trocas e afiações frequentes e por esse motivo é usado principalmente em casos onde o operador precisará cortar um perfil personalizado internamente para um trabalho especial.

Metal duro sólido

Ferramentas de metal duro vêm em diferentes formas: metal duro soldado, pastilhas de metal duro e ferramentas de metal duro sólido. Lembre-se que nem todo metal duro é o mesmo, pois a estrutura cristalina varia muito entre fabricantes. Como resultado, estas ferramentas reagem diferentemente a calor, vibração, impacto e cargas de corte. Geralmente, ferramentas de metal duro genéricas de baixo custo desgastam e lascam mais rapidamente que marcas de preço mais alto.

Cristais de carbeto de silício são incorporados em um ligante de cobalto para formar a ferramenta. Quando a ferramenta é aquecida, o ligante de cobalto perde sua capacidade de segurar os cristais de carbeto e fica cega. Ao mesmo tempo, o espaço oco deixado pelo carbeto ausente enche-se com contaminantes do material sendo cortado, amplificando o processo de embotamento.

Ferramentas de diamante

Esta categoria de ferramentas baixou de preço nos últimos anos. Sua notável resistência à abrasão a torna ideal para cortar materiais como laminados de alta pressão ou MDF. Alguns afirmam que durará até 100 vezes mais que o metal duro. Ferramentas com ponta de diamante são propensas a lascar ou rachar se atingirem um prego embutido ou um nó duro. Alguns fabricantes usam ferramentas de diamante para corte bruto de materiais abrasivos e depois trocam para metal duro ou ferramentas de pastilha para trabalho de acabamento.

Geometria da ferramenta

Haste (Shank)

A haste é a parte da ferramenta que é segurada pelo porta-ferramenta. É a parte da ferramenta que não tem evidência de usinagem. A haste deve ser mantida livre de contaminação, oxidação e arranhões.

Diâmetro de corte

Este é o diâmetro ou a largura do corte que a ferramenta produzirá.

Comprimento de corte

Esta é a profundidade de corte efetiva da ferramenta ou quão profundo a ferramenta pode cortar no material.

Canais (Flutes)

Esta é a parte da ferramenta que remove o material cortado. O número de canais em uma fresa é importante na determinação da carga de cavaco.

Perfil da ferramenta

Existem muitos perfis de ferramentas nesta categoria. Os principais a considerar são espirais upcut e downcut, espirais de compressão, desbaste, acabamento, hélice baixa e ferramentas de corte reto. Todos estes vêm em combinação de um a quatro canais.

A espiral upcut fará os cavacos voarem para cima para fora do corte. Isto é bom ao fazer corte cego ou ao furar straight down. Esta geometria de ferramenta no entanto promove levantamento e tende a rasgar a borda superior do material sendo cortado.

Ferramentas de espiral downcut empurrarão os cavacos para baixo no corte, o que tende a melhorar a fixação da peça mas pode causar entupimento e superaquecimento em certas situações. Esta ferramenta também tenderá a rasgar a borda inferior do material sendo cortado.

Tanto as ferramentas de espiral upcut quanto downcut vêm com aresta de desbaste, quebra-cavacos ou aresta de acabamento.

Espirais de compressão são uma combinação de canais upcut e downcut.

Ferramentas de compressão empurram os cavacos para longe das bordas em direção ao centro do material e são usadas ao cortar laminados de dupla face ou quando o rasgo das bordas é um problema.

Bits de espiral de hélice baixa ou alta são usados ao cortar materiais mais macios como plástico e espuma, quando soldagem e evacuação de cavacos são críticos.

Carga de cavaco (Chip Load)

O fator mais importante para aumentar a vida da ferramenta é dissipar o calor absorvido pela ferramenta. A maneira mais rápida de fazer isso é cortando mais material em vez de ir mais devagar. Cavacos extraem mais calor da ferramenta do que poeira. Além disso, esfregar a ferramenta contra o material causará atrito que se traduz em calor.

Outro fator a considerar na busca de aumentar a vida da ferramenta é manter a ferramenta, o porta-pinça e o porta-ferramenta limpos, livres de depósitos ou corrosão, reduzindo assim vibrações causadas por ferramentas desbalanceadas.

A espessura do material sendo removido por cada dente da ferramenta é chamada de Carga de Cavaco (Chip Load).

A fórmula para calcular a carga de cavaco é a seguinte:

Carga de Cavaco = Taxa de Avanço / RPM / # Canais

Quando a carga de cavaco é aumentada, a vida da ferramenta aumenta, enquanto diminui o tempo de ciclo. Além disso, uma ampla gama de cargas de cavaco alcançará um bom acabamento de borda. É melhor consultar a tabela de carga de cavaco do fabricante da ferramenta para encontrar o melhor número a usar. Cargas de cavaco recomendadas geralmente variam entre 0,003" e 0,03" ou 0,07 mm a 0,7 mm.

Acessórios

Impressão de etiquetas

Esta é uma opção que está se tornando cada vez mais popular na indústria, especialmente desde que máquinas CNC estão se tornando mais integradas na fórmula de negócios completa. O controlador pode ser conectado ao software de vendas ou agendamento e etiquetas de peça são impressas uma vez que a peça é usinada. Alguns fornecedores usam etiquetas para identificar material sobrante para fácil recuperação no futuro.

Leitores ópticos

Também conhecidos como varinhas de código de barras, podem ser integrados ao controlador para que um programa possa ser chamado escaneando um código de barras na programação de trabalho. Esta opção economiza tempo valioso automatizando o processo de carregamento do programa.

Sondas (Probes)

Estes dispositivos de medição vêm em uma variedade de formas e realizam muitas funções diferentes. Algumas sondas apenas medem a altura da superfície para garantir alinhamento adequado em aplicações sensíveis à altura. Outras sondas podem escanear automaticamente a superfície de um objeto tridimensional para reprodução posterior.

Sensor de comprimento da ferramenta

Um sensor de comprimento da ferramenta age como uma sonda que mede o daylight ou a distância entre a ponta da fresa e a superfície da área de trabalho e insere este número nos parâmetros de ferramenta do controle. Esta pequena adição economizará o operador do longo processo necessário cada vez que ele troca uma ferramenta.

Projetores a laser

Estes dispositivos foram vistos pela primeira vez na indústria de móveis em cortadoras a laser de couro CNC. Um projetor a laser montado acima da mesa de trabalho CNC projeta uma imagem da peça a ser cortada. Isso simplifica muito o posicionamento do blank na mesa para evitar defeitos e outros problemas.

Cortador de vinil

Um acessório de faca de vinil é frequentemente visto na indústria de sinalização. Este é um cortador que pode ser anexado ao fuso principal ou no lado com uma faca de giro livre cuja pressão pode ser ajustada por um botão. Este acessório permite ao usuário transformar sua fresadora CNC em um plotter para fazer máscaras de vinil para jateamento ou letras e logotipos de vinil para caminhões e sinais.

Dispensador de refrigerante

Pistolas de ar frio ou nebulizadores de fluido de corte são usados com uma fresadora de madeira para cortar alumínio ou outros metais não ferrosos. Estes acessórios disparam um jato de ar frio ou uma névoa de fluido de corte perto da ferramenta de corte para garantir que ela permaneça fria enquanto trabalha.

Gravador

Gravadores são montados no fuso principal e consistem em uma cabeça flutuante segurando uma pequena faca de gravação que gira entre 20.000 e 40.000 RPM. A cabeça flutuante garante que a profundidade de gravação será constante mesmo se a espessura do material mudar. Esta opção é mais frequentemente encontrada na indústria de sinalização, embora fabricantes de troféus, luthiers e oficinas de marcenaria a usem para marchetaria.

Eixo rotativo

Um conjunto de eixo rotativo ao longo do eixo x ou y pode transformar a fresadora em um torno CNC. Alguns destes eixos rotativos são simplesmente um fuso rotativo enquanto outros são indexáveis, o que significa que podem ser usados para entalhar peças complexas.

Cabeça de corte flutuante

Cabeças de corte flutuantes manterão a fresa a uma altura específica da superfície superior do material sendo cortado. Isto é importante ao cortar características na superfície superior de uma peça que pode não apresentar uma superfície uniforme. Um exemplo disto é cortar um sulco em V no topo de uma mesa de jantar.

Cortadora a plasma

Cortadoras a plasma são um complemento para algumas máquinas e permitem ao usuário cortar peças de chapa metálica de espessuras variadas.

Ferramentas agregadas (Aggregate tools)

Ferramentas agregadas podem ser usadas para muitas operações que uma fresa reta não pode realizar.

USINAGEM CONVENCIONAL E CNC

O que torna a usinagem CNC superior aos métodos convencionais? É superior de qualquer forma? Onde estão os principais benefícios? Se os processos de usinagem CNC e convencional são comparados, uma abordagem geral comum para usinar uma peça surgirá:

1. Obter e estudar o desenho
2. Selecionar o método de usinagem mais adequado
3. Decidir o método de configuração (fixação da peça)
4. Selecionar as ferramentas de corte
5. Estabelecer velocidades e avanços
6. Usinar a peça

A abordagem básica é a mesma para ambos os tipos de usinagem. A principal diferença está na forma como vários dados são inseridos. Uma taxa de avanço de 10 polegadas por minuto (10 in/min) é a mesma em aplicações manuais ou CNC, mas o método de aplicá-la não é. O mesmo pode ser dito sobre um refrigerante – pode ser ativado girando um botão, pressionando um interruptor ou programando um código especial. Todas estas ações resultarão em um refrigerante saindo de um bico. Em ambos os tipos de usinagem, uma certa quantidade de conhecimento por parte do usuário é necessária. Afinal, usinagem de metal, particularmente corte de metal, é principalmente uma habilidade, mas também é, em grande grau, uma arte e uma profissão de grande número de pessoas. Assim é a aplicação de Controle Numérico Computadorizado. Como qualquer habilidade, arte ou profissão, dominá-la até o último detalhe é necessário para ser bem-sucedido. Leva mais do que conhecimento técnico para ser um operador CNC ou programador CNC. Experiência de trabalho, intuição e o que às vezes é chamado de "sentimento visceral" é suplemento muito necessário a qualquer habilidade.

Na usinagem convencional, o operador da máquina configura a máquina e move cada ferramenta de corte, usando uma ou ambas as mãos, para produzir a peça necessária. O design de uma máquina-ferramenta manual oferece muitos recursos que ajudam o processo de usinagem de uma peça — alavancas, manoplas, engrenagens e mostradores, para citar apenas alguns. Os mesmos movimentos corporais são repetidos pelo operador para cada peça no lote. No entanto, a palavra "mesmo" neste contexto realmente significa "similar" em vez de "idêntico". Humanos não são capazes de repetir cada processo exatamente da mesma forma em todos os momentos — esse é o trabalho das máquinas. Pessoas não podem trabalhar no mesmo nível de desempenho o tempo todo, sem descanso. Todos nós temos alguns momentos bons e alguns ruins. Os resultados destes momentos, quando aplicados à usinagem de uma peça, são difíceis de prever. Haverá algumas diferenças e inconsistências dentro de cada lote de peças. As peças nem sempre serão exatamente iguais. Manter tolerâncias dimensionais e qualidade de acabamento superficial são os problemas mais típicos na usinagem convencional. Maquinistas individuais podem ter seus colegas. A combinação destes e outros fatores cria uma grande quantidade de inconsistência.

A usinagem sob controle numérico elimina a maioria das inconsistências. Não requer o mesmo envolvimento físico que a usinagem. Usinagem controlada numericamente não precisa de alavancas ou mostradores ou manoplas, pelo menos não no mesmo sentido que a usinagem convencional. Uma vez que o programa de peça tenha sido provado, pode ser usado quantas vezes for necessário, sempre retornando resultados consistentes. Isso não significa que não haja fatores limitantes. As ferramentas de corte se desgastam, o blank de material em um lote não é idêntico ao blank em outro lote, as configurações podem variar, etc. Esses fatores devem ser considerados e compensados, sempre que necessário.

O surgimento da tecnologia de controle numérico não significa uma demissão instantânea, ou mesmo de longo prazo, de todas as máquinas manuais. Há momentos em que um método de usinagem tradicional é preferível a um método computadorizado. Por exemplo, um trabalho simples de uma única vez pode ser feito mais eficientemente em uma máquina manual do que em uma máquina CNC. Certos tipos de trabalhos de usinagem se beneficiarão de usinagem manual ou semiautomática, em vez de usinagem controlada numericamente. As máquinas-ferramenta CNC não são feitas para substituir todas as máquinas manuais, apenas para complementá-las.

Em muitas instâncias, a decisão se certa usinagem será feita em uma máquina CNC ou não é baseada no número de peças necessárias e nada mais. Embora o volume de peças usinadas como lote seja sempre um critério importante, nunca deve ser o único fator.

Consideração também deve ser dada à complexidade da peça, suas tolerâncias, a qualidade requerida de acabamento superficial, etc. frequentemente, uma única peça complexa se beneficiará da usinagem CNC, enquanto cinquenta peças relativamente simples não se beneficiarão.

Lembre-se que o controle numérico nunca usinou uma única peça por si só. Controle numérico é apenas um processo ou método que permite a uma máquina-ferramenta ser usada de forma produtiva, precisa e consistente.

VANTAGENS DO CONTROLE NUMÉRICO

Quais são as principais vantagens do controle numérico?

É importante saber quais áreas de usinagem se beneficiarão com isso e quais são melhor feitas da maneira convencional. É absurdo pensar que uma fresadora CNC de dois cavalos de potência vencerá trabalhos que atualmente são feitos em uma fresadora manual vinte vezes mais potente. Igualmente irracionais são expectativas de grandes melhorias nas velocidades de corte e avanços sobre uma máquina convencional. Se as condições de usinagem e ferramentas forem as mesmas, o tempo de corte será muito próximo em ambos os casos.

Algumas das principais áreas onde o usuário CNC pode e deve esperar melhoria:

1. Redução do tempo de configuração
2. Redução do lead time
3. Precisão e repetibilidade
4. Contorno de formas complexas
5. Ferramentas e fixação simplificadas
6. Tempo de corte consistente
7. Aumento geral da produtividade

Cada área oferece apenas uma melhoria potencial. Usuários individuais experimentarão diferentes níveis de melhoria real, dependendo do produto fabricado no local, a máquina CNC usada, os métodos de configuração, complexidade de fixação, qualidade das ferramentas de corte, filosofia de gestão e design de engenharia, nível de experiência da força de trabalho, atitudes individuais, etc.

Redução do Tempo de Configuração

Em muitos casos, o tempo de configuração para uma máquina CNC pode ser reduzido, às vezes de forma bastante dramática. É importante perceber que a configuração é operação manual, muito dependente do desempenho do operador CNC, o tipo de fixação e práticas gerais da oficina. Tempo de configuração é improdutivo, mas necessário — é parte dos custos indiretos de fazer negócios. Manter o tempo de configuração ao mínimo deve ser uma das considerações primárias de qualquer supervisor de oficina, programador e operador.

Devido ao design de máquinas CNC, o tempo de configuração não deve ser grande problema. Fixação modular, ferramentas padrão, localizadores fixos, troca automática de ferramentas, paletes e outros recursos avançados, tornam o tempo de configuração mais eficiente que configuração comparável de uma máquina convencional. Com bom conhecimento de manufatura moderna, a produtividade pode ser aumentada significativamente.

O número de peças usinadas sob uma configuração também é importante para avaliar o custo de configuração por peça. Se um grande número de peças é usinado em uma configuração, o custo de configuração por peça pode ser muito insignificante. Uma redução muito similar pode ser alcançada agrupando várias operações diferentes em uma única configuração. Mesmo se o tempo de configuração for maior, pode ser justificado quando comparado ao tempo necessário para configurar várias máquinas convencionais.

Redução do Lead Time

Uma vez que um programa de peça é escrito e provado, está pronto para ser usado novamente no futuro, mesmo com aviso curto. Embora o lead time para a primeira execução seja geralmente mais longo, é virtualmente nulo para qualquer execução subsequente. Mesmo se uma mudança de engenharia no design da peça exigir que o programa seja modificado, geralmente pode ser feito rapidamente, reduzindo o lead time.

Longos lead times, necessários para projetar e fabricar vários dispositivos especiais para máquinas convencionais, podem frequentemente ser reduzidos preparando um programa de peça e usando fixação simplificada.

Precisão e Repetibilidade

O alto grau de precisão e repetibilidade de máquinas CNC modernas tem sido o maior benefício para muitos usuários. Se o programa de peça é armazenado em disco ou na memória do computador, ou mesmo em fita (o método original), ele sempre permanece o mesmo. Qualquer programa pode ser alterado à vontade, mas uma vez provado, nenhuma alteração é geralmente necessária. Um determinado programa pode ser reutilizado quantas vezes for necessário, sem perder um único bit de dados que contém. Verdade, o programa tem que acompanhar fatores mutáveis como desgaste de ferramenta e temperaturas de operação, tem que ser armazenado com segurança, mas geralmente muito pouca interferência do programador ou operador CNC será necessária, a alta precisão das máquinas CNC e sua repetibilidade permitem que peças de alta qualidade sejam produzidas consistentemente vez após vez.

Contorno de Formas Complexas

Tornos CNC e centros de usinagem são capazes de contornar uma variedade de formas. Muitos usuários CNC adquiriram suas máquinas apenas para poder lidar com peças complexas. Bons exemplos são aplicações CNC nas indústrias aeroespacial e automotiva. O uso de alguma forma de programação computadorizada é virtualmente obrigatório para qualquer geração de caminho de ferramenta tridimensional.

Formas complexas, como moldes, podem ser fabricadas sem a despesa adicional de fazer um modelo para rastreamento. Peças espelhadas podem ser alcançadas literalmente com o toque de um botão, templates, modelos de madeira, e outras ferramentas de fabricação de padrões.

Ferramentas e Fixação Simplificadas

Ferramentas padrão e caseiras que desordenam bancadas e gavetas ao redor de uma máquina convencional podem ser eliminadas usando ferramentas padrão, especialmente projetadas para aplicações de controle numérico. Ferramentas de múltiplos passos como brocas piloto, brocas de passo, ferramentas combinadas, alargadores e outras são substituídas com várias ferramentas padrão individuais. Estas ferramentas são frequentemente mais baratas e mais fáceis de substituir que ferramentas especiais e não padrão. Medidas de corte de custos forçaram muitos fornecedores de ferramentas a manter um estoque baixo ou até inexistente. Ferramentas padrão, prontas para uso, geralmente podem ser obtidas mais rápido que ferramentas não padrão.

Fixação e fixação de peça para máquinas CNC têm apenas um propósito principal — manter a peça rigidamente e na mesma posição para todas as peças dentro de um lote. Dispositivos projetados para trabalho CNC normalmente não requerem buchas, furos piloto e outros auxílios de localização de furos.

Tempo de Corte e Aumento de Produtividade

O tempo de corte na máquina CNC é comumente conhecido como tempo de ciclo e é sempre consistente. Diferente da usinagem convencional, onde a habilidade do operador, experiência e fadiga pessoal estão sujeitas a mudanças, a usinagem CNC está sob o controle de um computador. A pequena quantidade de trabalho manual é restrita à configuração e carregamento e descarregamento da peça. Para grandes lotes, o alto custo do tempo improdutivo é espalhado entre muitas peças, tornando-o menos significativo. O principal benefício de um tempo de corte consistente é para trabalhos repetitivos, onde o agendamento de produção e alocação de trabalho para máquinas-ferramenta individuais pode ser feito muito precisamente.

A principal razão pela qual as empresas frequentemente compram máquinas CNC é estritamente econômica — é um investimento sério. Além disso, ter uma vantagem competitiva está sempre na mente de todo gerente de planta. A tecnologia de controle numérico oferece excelentes meios para alcançar uma melhoria significativa na produtividade de manufatura e aumentar a qualidade geral das peças fabricadas. Como qualquer meio, deve ser usado com sabedoria e conhecimento. Quando mais e mais empresas usam a tecnologia CNC, apenas ter uma máquina CNC não oferece mais a vantagem extra. As empresas que avançam são aquelas que sabem usar a tecnologia eficientemente e praticá-la para ser competitivas na economia global.

Para atingir o objetivo de grande aumento de produtividade, é essencial que os usuários entendam os princípios fundamentais nos quais a tecnologia CNC se baseia. Estes princípios assumem muitas formas, por exemplo, entender circuitos eletrônicos, diagramas de escada complexos, lógica de computador, metrologia, design de máquina, princípios e práticas de máquina e muitos outros. Cada um deve ser estudado e dominado pela pessoa responsável. Neste manual, a ênfase está nos tópicos que se relacionam diretamente com a programação CNC e entendimento das ferramentas de máquina CNC mais comuns, os centros de usinagem e os tornos (às vezes também chamados de centros de torneamento). A consideração de qualidade da peça deve ser muito importante para todo programador e operador de máquina-ferramenta e este objetivo também é refletido na abordagem do manual assim como em numerosos exemplos.

TIPOS DE MÁQUINAS-FERRAMENTA CNC

Diferentes tipos de máquinas CNC cobrem uma variedade extremamente grande. Seus números estão aumentando rapidamente, à medida que o desenvolvimento da tecnologia avança. É impossível identificar todas as aplicações; fariam uma longa lista. Aqui está uma breve lista de alguns dos grupos em que máquinas CNC podem fazer parte:

1. Fresadoras e centros de usinagem
2. Tornos e centros de torneamento
3. Máquinas de furação
4. Máquinas de mandrilamento e perfiladoras
5. Máquinas EDM
6. Prensas de punção e cisalhamento
7. Máquinas de corte a chama
8. Fresadoras (Routers)
9. Perfiladoras a jato de água e laser
10. Retificadoras cilíndricas
11. Máquinas de solda
12. Dobradeiras, máquinas de enrolamento e fiação, etc.

Centros de usinagem CNC e tornos dominam o número de instalações na indústria. Estes dois grupos compartilham o mercado praticamente igualmente. Algumas indústrias podem dar uma necessidade maior para um grupo de máquinas, dependendo de suas necessidades. Deve-se lembrar que existem muitos tipos diferentes de tornos e igualmente muitos tipos diferentes de centros de usinagem. No entanto, o processo de programação para uma máquina vertical é similar ao de uma máquina horizontal ou uma fresadora CNC simples. Mesmo entre diferentes grupos de máquinas, há uma grande quantidade de aplicações gerais e o processo de programação é geralmente o mesmo. Por exemplo, um contorno fresado com uma fresa de topo tem muito em comum com um contorno cortado com um fio.

Fresadoras e Centros de Usinagem

Número padrão de eixos em uma fresadora é três — os eixos X, Y e Z. A peça fixada em um sistema de fresamento é al — a ferramenta de corte gira, pode mover para cima e para baixo (ou para dentro e para fora), mas não segue fisicamente o caminho da ferramenta.

Fresadoras CNC às vezes chamadas de máquinas de fresamento CNC são geralmente pequenas, máquinas simples, sem trocador de ferramentas ou outros recursos automáticos. Sua potência é frequentemente bastante baixa. Na indústria, são usadas para trabalho de sala de ferramentas, propósitos de manutenção, ou produção de peças pequenas. Geralmente são projetadas para contorno, diferente de furadeiras CNC.

Centros de usinagem CNC são muito mais populares e eficientes que furadeiras e fresadoras, principalmente por sua flexibilidade. O principal benefício que o usuário obtém de um centro de usinagem CNC é a capacidade de agrupar várias operações diversas em uma única configuração. Por exemplo, furação, mandrilamento, alargamento, rosqueamento, faceamento e fresamento de contorno podem ser incorporados em um único programa CNC. Além disso, a flexibilidade é aprimorada por troca automática de ferramentas usando paletes para minimizar tempo ocioso, indexação para um lado diferente da peça, usando movimento rotativo de eixos adicionais, e uma série de outros recursos. Centros de usinagem CNC podem ser equipados com software especial que controla velocidades e avanços, vida da ferramenta de corte, medição automática em processo e ajuste de offset e outros dispositivos de aumento de produção e economia de tempo.

Existem dois designs básicos de um centro de usinagem CNC típico. Existem os centros de usinagem verticais e horizontais. A principal diferença entre os dois tipos é a natureza do trabalho que pode ser feito neles eficientemente. Para um centro de usinagem vertical CNC, o tipo de trabalho mais adequado são peças planas, montadas no dispositivo na mesa, ou seguras em um torno ou mandril. O trabalho que requer usinagem em duas ou mais faces em uma única configuração é mais desejável para ser feito em um centro de usinagem horizontal CNC. Um bom exemplo é carcaça de bomba e outras formas cúbicas. Alguma usinagem de múltiplas faces de peças pequenas também pode ser feita em um centro de usinagem vertical CNC equipado com mesa rotativa.

O processo de programação é o mesmo para ambos os designs, mas um eixo adicional (geralmente eixo B) é adicionado ao design horizontal. Este eixo é ou um eixo de posicionamento simples (eixo de indexação) para a mesa, ou um eixo rotativo completo para contorno simultâneo.

Este manual concentra-se em aplicações de centros de usinagem verticais CNC, com uma seção especial lidando com configuração e usinagem horizontal. Os métodos de programação também são aplicáveis a pequenas fresadoras CNC ou máquinas de furação e/ou rosqueamento, mas o programador deve considerar suas restrições.

Tornos e Centros de Torneamento

Um torno CNC é geralmente uma máquina-ferramenta com dois eixos, o eixo vertical X e o eixo horizontal Z. A principal característica do torno que o distingue de uma fresadora é que a peça gira em torno da linha central da máquina. Além disso, a ferramenta de corte é normalmente estacionária, montada em uma torre deslizante. A ferramenta de corte segue o contorno do caminho de ferramenta programado. Para o torno CNC com acessório de fresamento, chamado live tooling, a ferramenta de fresamento tem seu próprio motor e gira enquanto o fuso está estacionário.

O design moderno de torno pode ser horizontal ou vertical. Tipo horizontal é muito mais comum que o tipo vertical, mas ambos os designs existem para qualquer grupo. Por exemplo, um torno CNC típico do grupo horizontal pode ser projetado com cama plana ou cama inclinada, tipo barra, tipo mandril ou tipo universal. Adicionados a estas combinações ou muitos acessórios que tornam um torno CNC uma máquina-ferramenta extremamente flexível. Tipicamente, acessórios como contraponto, apoios fixos ou móveis, coletores de peça, dedos de extração e até um terceiro eixo de acessório de fresamento são componentes populares do torno CNC. Um torno CNC pode ser muito versátil, tão versátil que é frequentemente chamado de centro de torneamento CNC. Todos os textos e exemplos de programa neste manual usam o termo mais tradicional torno CNC, ainda reconhecendo todas suas funções modernas.

PESSOAL PARA CNC

Computadores e máquinas-ferramenta não têm inteligência. Não podem pensar, não podem avaliar uma estação de forma racional. Apenas pessoas com certas habilidades e conhecimento podem fazer isso. No campo de controle numérico, as habilidades estão geralmente nas mãos de duas pessoas-chave — uma fazendo a programação, a outra fazendo a usinagem. Seus respectivos números e deveres tipicamente dependem da preferência da empresa, seu tamanho, bem como o produto fabricado lá. No entanto, cada posição é bastante distinta, embora muitas empresas combinem as duas funções em uma, frequentemente chamada de programador/operador CNC.

Programador CNC

O programador CNC é geralmente a pessoa que tem a maior responsabilidade na oficina de máquinas CNC. Esta pessoa é frequentemente responsável pelo sucesso da tecnologia de controle numérico na planta. Igualmente esta pessoa é responsabilizada por problemas relacionados às operações CNC.

Embora os deveres possam variar, o programador também é responsável por uma variedade de tarefas relacionadas ao uso eficaz das máquinas CNC. Na verdade, esta pessoa é frequentemente responsável pela produção e qualidade de todas as operações CNC.

Muitos programadores CNC são maquinistas experientes, que tiveram experiência prática como operadores de máquinas-ferramenta. Eles sabem ler desenhos técnicos e podem compreender a intenção de engenharia por trás do design. Esta experiência prática é a base para a capacidade de "usinar" uma peça em ambiente de escritório. Um bom programador CNC deve ser capaz de visualizar todos os movimentos da ferramenta e reconhecer todos os fatores restritivos que podem estar envolvidos. O programador deve ser capaz de coletar, analisar, processar e integrar logicamente todos os dados coletados em um único programa coeso. Em termos simples, o programador CNC deve ser capaz de decidir sobre a melhor metodologia de manufatura em todos os aspectos.

Além das habilidades de usinagem, o programador CNC tem que ter entendimento de princípios matemáticos, principalmente aplicação de equações, soluções de arcos e ângulos. Igualmente importante é o conhecimento de trigonometria. Mesmo com programação computadorizada, o conhecimento de métodos de programação manual é absolutamente essencial para o entendimento completo da saída do computador e controle desta saída.

A última qualidade importante de um programador CNC verdadeiramente profissional é sua capacidade de ouvir as outras pessoas — engenheiros, operadores CNC, gerentes. Boas habilidades de escuta são os primeiros pré-requisitos para se tornar flexível. Um bom programador CNC deve ser flexível para oferecer alta qualidade de programação.

Operador de Máquina CNC

O operador de máquina-ferramenta CNC é uma posição complementar ao programador CNC. O programador e o operador podem existir em uma única pessoa, como é o caso em muitas oficinas pequenas. Embora a maioria dos deveres realizados por operador de máquina convencional tenha sido transferida para o programa CNC, o operador CNC tem muitas responsabilidades únicas. Em casos típicos, o operador é responsável pela configuração da ferramenta e máquina, pela troca das peças, frequentemente até por alguma inspeção em processo. Muitas empresas esperam controle de qualidade na máquina — e o operador de qualquer máquina-ferramenta, manual ou computadorizada, também é responsável pela qualidade do trabalho feito naquela máquina. Uma das responsabilidades muito importantes do operador de máquina CNC é relatar descobertas sobre cada programa ao programador. Mesmo com o melhor conhecimento, habilidades, atitudes e intenções, o programa "final" pode sempre ser melhorado. O operador CNC sendo aquele que está mais próximo da usinagem real, sabe precisamente até que ponto tais melhorias podem ser feitas.

Justificando o Custo de CNC

O custo de uma máquina CNC pode deixar a maioria dos fabricantes nervosos, mas os benefícios de possuir uma fresadora CNC provavelmente justificarão o custo em muito pouco tempo.

O primeiro custo a considerar é o custo da máquina. Alguns fornecedores oferecem pacotes que incluem instalação, treinamento de software e taxas de envio. Mas na maioria dos casos, tudo é vendido separadamente para permitir personalização da fresadora CNC.

Leve (Light duty)

Máquinas de baixo custo custam de $2.000 a $10.000. Geralmente são kits de montagem própria feitos de chapa metálica dobrada e usam motores de passo. Vêm com vídeo de treinamento e manual de instruções. Estas máquinas são destinadas para uso faça-você-mesmo, para a indústria de sinalização e outras operações de serviço muito leve. Geralmente vêm com adaptador para fresa convencional. Acessórios como fuso e fixação a vácuo são opções. Estas máquinas podem ser integradas com muito sucesso em um ambiente de alta produção como processo dedicado ou como parte de uma célula de manufatura. Por exemplo, uma destas CNCs pode ser programada para furar furos de ferragens em frentes de gavetas antes da montagem.

Média (Medium duty)

Máquinas CNC de faixa média custarão entre $10.000 e $100.000. Estas máquinas são construídas de aço de bitola mais pesada ou alumínio. Podem usar motores de passo e às vezes servos; e usam acionamentos de cremalheira e pinhão ou correia. Terão um controlador separado e oferecerão uma boa gama de opções como trocadores automáticos de ferramentas e mesas de vácuo plenum. Estas máquinas são destinadas para uso mais pesado na indústria de sinalização e para aplicações de processamento de painéis leves.

Estas são uma boa opção para startups com recursos ou mão de obra limitados. Podem realizar a maioria das operações necessárias na fabricação de armários, embora não com o mesmo grau de sofisticação ou com a mesma eficiência.

Força Industrial (Industrial strength)

Fresadoras de alta gama custam acima de $100.000. Isso inclui uma gama completa de máquinas com 3 a 5 eixos adequadas para uma ampla gama de aplicações. Estas máquinas serão construídas de aço soldado de bitola pesada e virão totalmente carregadas com trocador automático de ferramentas, mesa a vácuo e outros acessórios dependendo da aplicação. Estas máquinas são geralmente instaladas pelo fabricante e o treinamento é frequentemente incluído.

Envio (Shipping)

Transportar uma fresadora CNC tem um custo considerável. Com fresadoras pesando de algumas centenas de libras a várias toneladas, custos de frete podem variar de $200 a $5.000 ou mais, dependendo da localização. Lembre-se que a menos que a máquina tenha sido construída por perto, o custo oculto de movê-la da Europa ou Ásia para o showroom do revendedor provavelmente está incluído. Custos adicionais também podem ser incorridos apenas para colocar a máquina dentro uma vez entregue, pois é sempre uma boa ideia usar riggers profissionais para lidar com este tipo de operação.

Instalação e treinamento

Fornecedores CNC tipicamente cobram de $300 a $1.000 por dia para custos de instalação. Pode levar de meio dia a uma semana completa para instalar e testar a fresadora. Este custo pode estar incluído no preço de compra da máquina. Alguns fornecedores fornecerão treinamento gratuito sobre como usar o hardware e software, geralmente no local, enquanto outros cobrarão $300 a $1.000 por dia por este serviço.

SEGURANÇA RELACIONADA AO TRABALHO CNC

Na parede de muitas empresas há um pôster de segurança com uma mensagem simples, mas poderosa:

A primeira regra de segurança é seguir todas as regras de segurança.

O título desta seção não indica se a segurança está orientada no nível de programação ou usinagem. A razão é que a segurança é totalmente independente. Ela está por conta própria e governa o comportamento de todos em uma oficina e fora dela. À primeira vista, pode parecer que segurança é algo relacionado à usinagem e operação da máquina, talvez à configuração também. Isso é definitivamente verdade, mas dificilmente apresenta uma imagem completa.

Segurança é o elemento mais importante em programação, configuração, usinagem, ferramentas, fixação, inspeção, cavacos, e — você nomeia — operação dentro de um trabalho diário típico de oficina. Segurança nunca pode ser superestimada. Empresas falam sobre segurança, conduzem reuniões de segurança, exibem pôsteres, fazem discursos, chamam especialistas. Esta massa de informação e instruções é apresentada a todos nós por razões muito boas. Alguns são passados por ocorrências trágicas passadas — muitas leis, regras e regulamentos foram escritos como resultado de inquéritos e investigações sobre acidentes graves.

À primeira vista, pode parecer que no trabalho CNC, a segurança é uma questão secundária. Há muita automação; um programa de peça que roda repetidamente, ferramentas que foram usadas no passado, uma configuração simples, etc. Tudo isso pode levar a complacência e falsa suposição de que a segurança está cuidada. Esta é uma visão que pode ter consequências sérias.

Segurança é um assunto grande, mas alguns pontos que se relacionam ao trabalho CNC são importantes. Todo maquinista deve conhecer os perigos de dispositivos mecânicos e elétricos. O primeiro passo para um local de trabalho seguro é com uma área de trabalho limpa, onde nenhum cavaco, derramamento de óleo e outros detritos são permitidos se acumularem no chão. Cuidar da segurança pessoal é igualmente importante. Roupas soltas, joias, gravatas, lenços, cabelo longo desprotegido, uso inadequado de luvas e infrações similares, são perigosos em ambiente de usinagem. Proteção de olhos, ouvidos, mãos e pés é fortemente recomendada.

Enquanto uma máquina está operando, dispositivos de proteção devem estar no lugar e nenhuma peça móvel deve ser exposta. Cuidado especial deve ser tomado ao redor de fusos rotativos e trocadores automáticos de ferramentas. Outros dispositivos que poderiam representar perigo são trocadores de paletes, transportadores de cavacos, áreas de alta tensão, guindastes, etc. desconectar quaisquer intertravamentos ou outros recursos de segurança é perigoso — e também ilegal, sem habilidades e autorização apropriadas.

Na programação, a observância de regras de segurança também é importante. Um movimento de ferramenta pode ser programado de muitas maneiras. Velocidades e avanços têm que ser realistas, não apenas "corretos" matematicamente. Profundidade de corte, largura de corte, características da ferramenta, todos têm efeito profundo na segurança geral.

Todas estas ideias são apenas um resumo muito curto e um lembrete de que a segurança deve sempre ser levada a sério.