Entendendo Dispositivos de Fixação e Guias (Jigs and Fixtures): Ferramentas-Chave para Manufatura de Precisão

Para aqueles que trabalham com manufatura ou prototipagem, os termos "dispositivo de fixação" (jig) e "ferramenta de fixação" (fixture) aparecem frequentemente, especialmente ao falar sobre usinagem — um processo de manufatura subtrativo para peças plásticas e metálicas. Mas o que são jigs e fixtures, para que servem e por que são importantes?

Embora frequentemente agrupados, estas duas ferramentas desempenham funções diferentes no processo de manufatura e são frequentemente usadas com diferentes equipamentos. Ambas ajudam a produzir peças mais precisas e repetíveis, e ambas podem ser fabricadas usando algumas técnicas diferentes de manufatura, mas jigs e fixtures permanecem fundamentalmente diferentes.

Este artigo servirá como introdução para quem precisa que jigs e fixtures sejam explicados. Analisará as principais diferenças entre jigs e fixtures, bem como suas principais aplicações e como podem ser fabricados.

O que são Jigs e Fixtures?

Antes de entrar nos atributos específicos de jigs e fixtures, devemos dar um passo atrás e fazer a pergunta mais ampla: que tipo de objeto são jigs e fixtures?

Podemos pensar em ambos itens como ferramentas ou peças de ferramentaria (tooling): implementos usados na fabricação de novas peças que são distintos da maquinaria de manufatura (ex: máquina CNC, impressora 3D) e das peças sendo fabricadas. (Outros exemplos de ferramentaria incluem dispositivos de conformação de material como moldes e matrizes, e ferramentas de corte como brocas.)

Mais especificamente, tanto jigs quanto fixtures — mas especialmente fixtures — podem ser considerados dispositivos de fixação de peça (workholding): itens usados para manter uma peça em usinagem (a peça em progresso sendo fabricada) estável e segura durante a manufatura.

O que é um Jig (Dispositivo de Fixação/Guia)?

Começaremos nossa explicação com jigs. Em resumo, um jig é uma ferramenta usada para controlar ou guiar o movimento de uma ferramenta de corte, como uma broca (e às vezes para simultaneamente segurar a peça).

Por que fabricantes usam jigs? Ao introduzir uma ferramenta que guia precisamente o movimento de uma ferramenta de corte, um fabricante pode, por exemplo, garantir repetibilidade: assegurar que o mesmo corte seja feito exatamente no mesmo lugar em várias duplicatas de uma peça. O mesmo jig pode ser usado repetidamente, resultando no mesmo resultado a cada uso.

Como seu propósito é principalmente guiar e direcionar ferramentas de corte, jigs são mais comumente usados para trabalho manual, ou seja, usinagem e furação manual. (Máquinas CNC são menos dependentes de jigs, pois são projetadas para fornecer precisão de mícron sem assistência; suas ferramentas de corte são "guiadas" por instruções de computador.)

Tipos de Jig:

• Jig de template: Um jig simples que pode ser ajustado sobre a peça, tem furos através dos quais uma ferramenta de corte (ex: broca) pode ser guiada.
• Jig de placa: Similar a um jig de template mas com buchas de furação em vez de apenas furos.
• Jig de placa angular: Usado para apoiar a peça em um ângulo para facilitar furação de, por exemplo, furos diagonais.
• Jig de folha: Um jig com uma folha articulada que pode ser aberta e fechada para carregamento/descarregamento mais rápido.
• Jig de diâmetro: Usado para permitir furação de peças arredondadas que não podem ser facilmente fixadas em outros tipos de jig.

O que é um Fixture (Ferramenta de Fixação)?

Fixtures têm algumas características em comum com jigs, mas seu propósito é essencialmente diferente. A única função de um fixture é manter uma peça estável e segura durante a manufatura; um fixture é, portanto, um dispositivo de fixação de peça no sentido mais verdadeiro.

Fixtures podem realizar várias funções. Ao manter uma peça totalmente segura, garantem precisão e repetibilidade. Também podem ser ajustados para segurar uma peça em um ângulo específico, permitindo operações de corte em uma gama de direções. Fixtures também minimizam erros e garantem a segurança dos trabalhadores ao impedir que a peça seja acidentalmente arremessada da mesa de trabalho. Como jigs, fixtures são frequentemente usados em operações de usinagem.

Você provavelmente verá fixtures em uso em centros de usinagem CNC e outros equipamentos de manufatura automatizados. Máquinas CNC podem direcionar suas ferramentas de corte sem o uso de jigs, mas não funcionarão corretamente se a peça não puder ser mantida segura.

Enquanto jigs são tipicamente mantidos no lugar com fixadores ou até manualmente pelo operador da máquina, fixtures têm uma variedade de opções de fixação, incluindo sistemas hidráulicos, pneumáticos e a vácuo para aplicar a força necessária.

Tipos de Fixture:

• Fixture de torneamento: Tipicamente montado no fuso da máquina ou em uma placa frontal, fixtures de torneamento são úteis para peças de torno mais complexas.
• Fixture de fresamento: Tipicamente fixado à mesa de trabalho com fixadores, estes fixtures permitem uma variedade de operações de fresamento.
• Fixture de furação: Compreendendo furo e bucha, fixtures de furação são às vezes usados no lugar de (ou além de) jigs.
• Fixture de retificação: Usado para apoiar uma peça durante operações de retificação.

A Diferença entre Jigs e Fixtures

Jigs e fixtures são a mesma coisa? Não, não são: embora ambos sejam tipos de ferramentaria usados na manufatura, e embora compartilhem alguns dos mesmos traços, são objetos distintos.

A principal diferença entre um jig e um fixture é que um jig desempenha algum papel no controle da posição ou movimento de outra ferramenta, geralmente uma ferramenta de corte, enquanto um fixture preocupa-se com a posição da peça (o pedaço de material sendo transformado em uma nova peça).

Um jig às vezes desempenha duas funções, controlando a posição tanto da peça quanto de outra ferramenta, enquanto um fixture desempenha uma.

Na prática, isso significa que jigs e fixtures são frequentemente usados em situações diferentes. Aplicações de jigs são frequentemente encontradas em trabalho manual, onde humanos precisam de ajuda para mover uma ferramenta de corte ao ponto exato requerido (para garantir que uma broca faça um furo exatamente no local certo, por exemplo). Por outro lado, aplicações de fixtures são encontradas tanto em trabalho manual quanto automatizado: ferramentas de corte nem sempre precisam de orientação, mas uma peça sempre precisa ser fixada para garantir precisão e segurança.

Outras diferenças entre jigs e fixtures incluem:

• Jigs são frequentemente bastante leves, enquanto fixtures devem ser pesados o suficiente para fornecer estabilidade
• Jigs podem ser mantidos no lugar manualmente, enquanto fixtures são mecanicamente fixados à mesa
• Jigs podem requerer design mais intrincado, enquanto fixtures são tipicamente mais diretos

Vantagens de Jigs e Fixtures

O uso de jigs e fixtures durante a manufatura pode levar a benefícios significativos em termos de produção e qualidade da peça. Os principais benefícios incluem:

• Aumento da taxa de produção
• Elimina necessidade de medição e alinhamento manual
• Consistência e precisão em múltiplas peças
• Redução da dependência da habilidade manual do usinador
• Redução da dependência de medidas de controle de qualidade pós-manufatura
• Melhoria da segurança para trabalhadores
• Permite ao usinador ajustar avanços e velocidades para produção mais rápida

Componentes de Jigs e Fixtures

Jigs e fixtures podem parecer ferramentas simples, mas são tipicamente compostos por várias seções. Estas seções são:

Corpo: O volume principal de um jig ou fixture é seu corpo, tipicamente uma peça sólida de metal forte o suficiente para suportar forças significativas.

Dispositivos de fixação: Os dispositivos de fixação de um jig ou fixture são usados para segurar a peça segura e resistir às forças de corte.

Dispositivos de posicionamento: Tipicamente feitos de aço endurecido, dispositivos de posicionamento como pinos são usados para colocar o jig ou fixture no lugar certo.

Buchas: Tipicamente feitas de aço para ferramentas, buchas são usadas em alguns jigs para guiar a ferramenta da máquina em sua operação.

Como Fabricar Jigs e Fixtures

Existem algumas opções diferentes quando se trata de fabricar jigs e fixtures. Embora usinagem CNC tenha sido o método dominante por algum tempo, a impressão 3D agora é uma alternativa viável.

Embora materiais de jigs e fixtures sejam tipicamente metal — mais especificamente aços como aços carbono, aços suaves e aços para ferramentas — também é viável fabricar jigs e fixtures de plástico se forças de fixação baixas forem requeridas. Nylon é um plástico comum usado na produção de jigs e fixtures.

Considerações de Design

• Jigs e fixtures devem ser à prova de falhas (foolproof) para evitar posicionamento incorreto
• Custo de produção deve ser menor que a economia de custo prevista
• Pontos de posicionamento devem ser claros (e idealmente ajustáveis) para minimizar tempo ocioso
• Arranjos de fixação não devem ser complicados
• Jigs e fixtures devem ser robustos o suficiente para uso mas leves o suficiente para fácil manuseio
• Ferramentas devem ter folga ampla
• Deve haver espaço adequado para remoção de cavacos

Usinagem CNC de Jigs e Fixtures

Melhor para: Jigs e fixtures de aço robustos, geometrias simples

Atualmente, a usinagem CNC é o método dominante para fabricar jigs e fixtures. Isso ocorre porque a usinagem CNC é econômica para pequenas quantidades (e jigs e fixtures tendem a ser construídos sob medida para peças específicas).

Jigs e fixtures usinados por CNC são ideais quando precisam ser robustos mas não especialmente complexos em termos de geometria. A maioria dos jigs e fixtures de aço são usinados por CNC.

Impressão 3D de Jigs e Fixtures

Melhor para: Jigs e fixtures rápidos e de plástico, geometrias complexas

Impressão 3D ou manufatura aditiva é uma alternativa à usinagem CNC para fabricar rapidamente jigs e fixtures. Como máquinas CNC, impressoras 3D são eficientes na fabricação de itens únicos.

Jigs e fixtures impressos em 3D podem ter geometrias mais complexas que os usinados, e a impressão 3D pode ser uma opção mais acessível para jigs e fixtures de plástico (via SLS, por exemplo). Na maioria dos casos, no entanto, jigs e fixtures usinados têm resistência superior.