Usinagem CNC Explicada: Manufatura de Precisão para Peças Metálicas e Plásticas

A usinagem CNC é a tecnologia de manufatura subtrativa mais comum hoje e uma maneira altamente flexível e robusta de produzir peças personalizadas em metal e plástico. Usando modelos CAD, máquinas CNC removem material precisamente 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 adequada para trabalhos únicos e produção de baixo a médio volume (até 1.000 peças), devido à sua alta repetibilidade. No entanto, ela vem com mais restrições de design que a impressão 3D, devido em parte à natureza subtrativa da tecnologia.

Neste guia introdutório, damos uma visão geral dos princípios básicos da tecnologia e como estes se relacionam com benefícios e limitações-chave. Também explicamos as diferenças principais entre as duas principais configurações de máquinas CNC: fresamento e torneamento.

Usinagem CNC: O guia de manufatura 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 torneamento. Devido às características de cada tipo de máquina, fresamento e torneamento são cada um idealmente únicos para fabricar diferentes geometrias.

Vamos analisar como as peças são fabricadas usando estas duas configurações de máquina distintas.

Como funciona o fresamento CNC?

O fresamento CNC é a arquitetura de máquina CNC mais popular. De fato, o termo fresamento CNC é frequentemente sinônimo de usinagem CNC. Máquinas de fresamento CNC usam ferramentas de corte rotativas para remover material de uma peça montada na mesa da máquina.

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

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

• O operador converte um modelo CAD em uma série de comandos a serem interpretados pela máquina CNC (G-code).

• Um bloco de material — chamado de bruto ou peça de trabalho — é cortado no tamanho e colocado na plataforma de construção, usando um torno ou montando-o diretamente na mesa.

• É importante posicionar e alinhar precisamente a peça de trabalho para fabricar peças precisas. Você pode usar ferramentas de metrologia especiais (sondas de toque) para ajudar no posicionamento e alinhamento.

• Ferramentas de corte especializadas, girando em velocidades muito altas (milhares de RPM), removem material do bloco. Primeiro, a máquina remove material rapidamente em uma precisão menor para alcançar uma geometria aproximada. Então, ela faz algumas passagens de maior precisão para produzir a peça final.

• Se o modelo tem características que não podem ser alcançadas pela ferramenta de corte em uma única configuração, o operador precisa virar a peça de trabalho e repetir estes passos.

Após a usinagem, você precisa rebarbar uma peça fresada. Rebarbação é o processo manual de remover pequenos defeitos de uma peça acabada. Esses defeitos, geralmente encontrados em arestas vivas, vêm da deformação do material durante a usinagem. Por exemplo, quando uma broca sai do lado oposto de um furo passante, deixará marcas que precisam de remoção.

Em seguida, você deseja inspecionar as dimensões críticas da peça se tolerâncias foram especificadas no desenho técnico. Após concluir esta etapa, sua peça está pronta para uso ou para pós-processamento. Há muito a explorar quando se trata de pós-processamento para peças usinadas CNC (fresadas e torneadas), então recomendamos atualizar e/ou aprimorar seu conhecimento.

Como funciona o torneamento CNC?

Máquinas de torneamento CNC usam ferramentas de corte estacionárias para remover 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. Peças torneadas são tipicamente produzidas mais rápido e a um custo menor que peças fresadas.

Tipicamente, sistemas de torneamento CNC — também conhecidos como tornos — são usados para criar peças cilíndricas. Centros de torneamento CNC multi-eixos modernos, equipados com ferramentas de fresamento 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 eixos de comando e impulsores de compressores radiais.

Aqui está uma visão geral de como uma máquina de torneamento CNC fabrica peças.

• O operador gera G-code a partir de um modelo CAD e carrega a máquina com um cilindro de material bruto (bruto).

• A peça começa a girar em alta velocidade e uma ferramenta de corte estacionária traça um perfil, removendo progressivamente material até que você tenha a geometria projetada.

• Ferramentas de corte internas e brocas centrais podem ser usadas para cortar furos ao longo do eixo central da peça de trabalho.

• Se você precisar virar ou mover a peça, então terá que repetir este processo. Caso contrário, uma vez que você termine de remover material, a peça deve estar pronta para uso ou posterior processamento.

Como a linha entre sistemas de fresamento e torneamento CNC tende a ser borrada, o resto deste guia focará principalmente no fresamento CNC, pois é o processo de manufatura mais comumente usado.

Um guia rápido para parâmetros de usinagem CNC

A maioria dos parâmetros de usinagem é determinada pelo operador da máquina quando eles geram G-code. Os principais parâmetros que gostaríamos de cobrir são o tamanho de construção e a precisão das máquinas CNC.

Máquinas CNC têm uma área de construção relativamente grande, especialmente em comparação com impressoras 3D. Sistemas de fresamento CNC podem usinar peças com dimensões de até 2.000 x 800 x 100 mm (78" x 32" x 40"), com sistemas de torneamento CNC podendo usinar peças com diâmetro de até Ø 500 mm (Ø 20'').

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

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

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

As ferramentas cabeça chata, cabeça de touro e cabeça esférica são usadas para usinar ranhuras, canais, cavidades e outras paredes verticais. Como cada uma tem diferentes capacidades geométricas, elas podem usinar muitos tipos diferentes de características. Ferramentas de cabeça esférica também são comumente usadas em usinagem CNC de 5 eixos para fabricar superfícies com curvatura e geometrias de forma livre.

Brocas são, claro, a ferramenta mais comumente usada para criar furos rápida e eficientemente. Você pode encontrar todos os tamanhos padrão de brocas aqui. Para criar furos com diâmetros não padrão, você pode usar uma ferramenta cabeça chata de mergulho (seguindo um caminho helicoidal).

O diâmetro do eixo dos cortadores de ranhura é menor que o diâmetro de sua aresta de corte, o que permite que estas ferramentas de fresamento cortem ranhuras em T e outros rebaixos removendo material dos lados de uma parede vertical.

Machos de rosqueamento são usados para fabricar furos roscados. Para criar uma rosca, controle preciso da velocidade rotacional e linear do macho é necessário. Oficinas de usinagem comumente ainda dependem de rosqueamento manual.

Cortadores de faceamento são usados para remover material de superfícies grandes e planas. Eles têm um diâmetro maior que ferramentas de fresamento de topo, então requerem menos passagens para usinar áreas consideráveis. Isso reduz o tempo total de usinagem para produzir peças com superfícies planas. Operadores frequentemente fazem uma etapa de faceamento durante o ciclo de usinagem para preparar as dimensões do bloco.

Você encontrará uma gama igualmente expansiva de ferramentas de corte usadas em torneamento CNC, que cobrem todas as suas necessidades de usinagem, como faceamento, rosqueamento e corte de ranhuras.

Usinagem CNC de peças com complexidade geométrica: quais são as restrições de design?

Embora a usinagem CNC ofereça impressionante liberdade de design, máquinas de torneamento e fresamento não podem fabricar toda geometria. Diferente da impressão 3D, quanto mais complexo o design, mais custará para usinar. 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 são cilíndricas e têm comprimento de corte limitado. Esses fatores tornam cantos internos agudos particularmente desafiadores.

Acesso à ferramenta é outra grande restrição com usinagem CNC. Por exemplo, sistemas de 3 eixos só podem alcançar um certo nível de complexidade de peça. Se você está projetando para uma máquina de 3 eixos, todas as características da peça só poderão ser acessadas diretamente de cima. Sistemas de 5 eixos oferecem flexibilidade superior, pois o ângulo entre a peça e a ferramenta pode ser ajustado para ganhar acesso a áreas mais desafiadoras da peça de trabalho.

Além disso, peças com paredes finas ou outras características finas são particularmente difíceis para máquinas CNC. Paredes finas são propensas a vibrações e podem quebrar devido à força do 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.

Entender quão complexo você pode projetar sua peça para diferentes tipos de máquinas, bem como quais restrições manter em mente, é crítico para garantir que suas peças saiam como projetadas e no padrão de qualidade que você procura. Para diretrizes adicionais sobre como o design pode economizar muito tempo e dinheiro na usinagem CNC, confira este artigo.

Quais são as características da usinagem CNC?

Uma força-chave da usinagem CNC é sua capacidade de produzir consistentemente peças robustas de uma seleção muito ampla de materiais. Máquinas CNC podem lidar com praticamente todo material de engenharia.

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

A usinagem CNC envolve predominantemente metais para prototipagem e grandes séries de produção. Geralmente é mais difícil usinar plásticos, pois eles têm menor rigidez e temperaturas de fusão, embora um caso de uso comum que vemos mérito seja usinar protótipos funcionais de plástico antes de embarcar em grandes séries de produção com injeção de plástico.

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 materiais. Cada material vem com uma etiqueta de preço diferente, e as propriedades físicas de cada material influenciam o custo geral de usinagem.

Alumínio 6061 é a opção mais econômica se você optar por produzir peças metálicas, com custo a granel aproximado de $25 para um bruto com dimensões de 150 x 150 x 25 mm. ABS é a opção mais barata, custando aproximadamente $17 para um bruto 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 geral abrangente dos materiais mais populares que oferecemos na plataforma Hubs e suas características importantes.

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

Como posso aprender mais sobre materiais para usinagem CNC?

Há muito a aprender sobre todos os materiais que a Hubs oferece para usinagem CNC. Para mergulhar fundo em materiais individuais ou conjuntos de materiais, confira estes vídeos especializados, disponíveis no nosso canal do YouTube.

Pós-processamento e acabamentos superficiais para usinagem CNC

Peças usinadas CNC que saem direto da máquina geralmente terão marcas de ferramenta visíveis, o que nem sempre é desejável dependendo dos requisitos da sua 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 química. Anodização, jateamento de esferas e revestimento em pó são todos métodos viáveis para acabamento de suas peças personalizadas.

Como este é um guia mais geral, não entraremos em detalhes sobre pós-processamento e acabamentos superficiais. Você pode explorar as técnicas e acabamentos mais comuns para usinagem CNC neste explicador útil.

Quais são as vantagens e desvantagens da usinagem CNC?

Embora a usinagem CNC seja um processo de manufatura viável e até ideal para muitas aplicações que vão da prototipagem à produção em média escala de peças de uso final, não é isenta de falhas. Nesta seção, cobrimos os benefícios e limitações deste processo de usinagem subtrativa.

A usinagem CNC oferece excelente precisão e repetibilidade. Tanto fresamento quanto torneamento podem produzir peças com tolerâncias muito apertadas, o que torna o CNC ideal para aplicações de alto nível, como nas indústrias aeroespacial, de aviação e automotiva. A maioria dos materiais usados em usinagem CNC têm excelentes propriedades físicas totalmente isotrópicas e são adequados para a maioria das aplicações de engenharia.

Em geral, a usinagem CNC é o processo de manufatura mais econômico para produzir números baixos a médios de peças metálicas. Isso significa que você pode usar CNC para protótipos únicos 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 custosas ou até impossíveis de fabricar.

Do ponto de vista financeiro, o custo inicial da usinagem CNC é muito maior que o da impressão 3D. Se você procura produzir protótipos de plástico de baixo custo, a impressão 3D pode ser uma melhor opção onde a configuração é preocupante.

Prazos de entrega para usinagem CNC tendem a ser mais longos que para impressão 3D também, pois o prazo médio para CNC é de 10 dias comparado aos muito menores 2-5 dias para impressão 3D. Máquinas CNC não estão tão amplamente disponíveis quanto impressoras 3D, pois requerem conhecimento especializado para operar efetivamente.

Quais são as regras práticas da Hubs para usinagem CNC?

Vamos detalhar os parâmetros-chave a considerar para usinagem CNC de peças personalizadas em metal e plástico.

Parâmetro CNC Principal	O que a Hubs diz
Precisão dimensional	Típica: ± 0,125 mm (.005'') Máxima: ± 0,02 mm (.0008'')
Espessura mínima de parede	Metais: 0,75 mm (0,030") Plásticos: 1,5 mm (0,060")
Tamanho máximo de construção	Fresamento: 2000 x 800 x 100 mm (78'' x 32'' x 40'') Torneamento: Ø 500 mm (Ø 20'')

Perguntas frequentes

Qual a melhor aplicação da usinagem CNC?

A usinagem CNC é ideal para trabalhos de manufatura únicos e para produção de baixo a médio volume de várias centenas a 1000 peças. Recomendamos usar usinagem CNC para produzir seus protótipos metálicos, pois é a opção mais competitiva em preço. Além disso, você deve optar por usinagem CNC quando suas peças precisam ter tolerâncias muito apertadas.

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

Máquinas CNC usam uma variedade de ferramentas de corte para alcançar uma gama mais ampla de geometrias de peças. Estas ferramentas incluem brocas, cortadores de ranhura, machos de rosqueamento, cortadores 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 manufatura subtrativo amplamente utilizado. Um grande número de indústrias confia no CNC, incluindo aeroespacial, automotiva, aviação, transporte e outros setores integrais. Peças de avião, por exemplo, têm que ser fabricadas com uma imensa precisão para garantir que a máquina inteira funcione perfeitamente como projetada.

A usinagem CNC é completamente automatizada?

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