Otimizando a Produção: Alcançando Economia de Custos com Usinagem em Configuração Única

Como minimizar o custo unitário para peças complexas que precisam de torneamento, fresamento e furação? Para Steve Hattori, a resposta é simples: usiná-las com apenas uma configuração — e tornar essa configuração o mais simples possível.

O presidente da oficina de usinagem por contrato Salinas Valley Precision (Salinas, Califórnia), Sr. Hattori, costumava precisar de no mínimo três máquinas para produzir qualquer peça redonda complexa a partir de material maciço: uma serra de fita para cortar o material no comprimento, um torno e um centro de usinagem para adicionar planos e furos. Agora, a oficina deixa uma única máquina fazer todo esse trabalho — convertendo barras brutas em peças acabadas automaticamente, substituindo efetivamente numerosas configurações por uma.

"Quem defenderia o método antigo nunca tentou usinar um carretel de pesca", diz o Sr. Hattori. Na verdade, da primeira vez que um fabricante local de artigos esportivos lhe ofereceu a peça do carretel, Hattori recusou. Na época, a peça era complexa demais para ser lucrativa. Cortada de alumínio maciço com 90% do material usinado, o carretel de 3,25 polegadas de diâmetro consiste em dois flanges fáceis de empenar com menos de 0,1 polegada de espessura, conectados por um núcleo oco com paredes não muito mais grossas.

A peça precisa ser atacada de todos os lados. Cada flange é penetrado por 12 furos de 0,45 polegada de diâmetro, que servem para reduzir peso. A circunferência do núcleo inclui 12 ranhuras ovais de redução de peso também. Finalmente, um contra-furo em uma face inclui 36 serrilhas para o mecanismo de catraca da vara de pesca, mais um furo para mancais de encaixe por pressão com tolerância total de 0,0002 polegada no diâmetro.

"E toda essa geometria era apenas metade do problema", diz o Sr. Hattori. "O resto era o tamanho do lote. Poderíamos ter usinado a peça usando fixadores complexos no centro de usinagem, junto com o torno CNC que usávamos na época. Mas isso incorreria em um grande custo de configuração, impossível de amortizar sobre a pequena produção da peça, frequentemente tão baixa quanto 100 peças."

O Sr. Hattori usinou o protótipo do carretel, mas não se deu ao trabalho de licitar a peça de produção. Pelo menos, não a princípio. Desde então, no entanto, a peça tornou-se uma importante fonte de receita para a oficina de 10 funcionários. Isso aconteceu depois que o Sr. Hattori reinventou seu processo.

Usinagem em Uma Só Etapa

O resultado chave da engenhosidade do Sr. Hattori é um processo onde todas as operações de torneamento, fresamento e furação são combinadas em uma única máquina, um centro de torneamento CNC Mazak "Super Quick Turn" (SQT) 15MS-Y. Além de dispor de ferramentas rotativas para operações de fresamento e um segundo fuso oposto para torneamento do segundo lado, a máquina é equipada com um eixo Y programável com quatro polegadas de curso. Essa capacidade de eixo Y permite operações de fresamento fora de centro enquanto a peça ainda está presa no fuso primário ou secundário.

Através de troca automática coordenada entre os dois fusos, todas as superfícies da peça podem ser alcançadas sem intervenção humana. Todas as operações de torneamento, fresamento e furação são realizadas sem "soltar" a peça, mantendo assim as referências de posição críticas da peça durante todo o processo de usinagem.

Os blocos de peça são alimentados à máquina com um Alimentador de Corte Mazak. Assim como a capacidade de fresar-furar permite que o centro de torneamento substitua um centro de usinagem, o Alimentador de Corte elimina a serra de fita do processo, e também reduz o atraso entre ciclos consecutivos de peças para apenas alguns segundos. O Alimentador de Corte não apenas avança a barra, mas a corta no comprimento, de 0,60 a 5,11 polegadas. Ele executa esse corte enquanto o SQT usina a peça atual, então carrega a nova peça através do mandril assim que o torno está pronto para o próximo ciclo.

O alimentador automático ajuda a minimizar o tempo de configuração. A unidade armazena até cinco das barras de 3,25 polegadas de diâmetro usadas para carretéis e avança e corta cada uma sem rotação. Em vez de uma metodologia convencional de alimentação de barras, o Alimentador de Corte mantém a barra estacionária enquanto as ferramentas de corte giram em torno do material, alimentando-se lentamente até que o corte seja completo. Como as barras não giram, não é necessário pré-usinagem para torná-las redondas (perfis quadrados ou hexagonais também funcionam). Como resultado, o Sr. Hattori pode simplesmente colocar uma ou mais barras no alimentador e deixar o centro de torneamento convertê-las em peças usinadas acabadas. O desbaste final é a única operação realizada fora da máquina.

O processo de usinagem envolve 20 trocas de ferramenta, mas não requer operador, então o Sr. Hattori frequentemente o deixa rodar sem supervisão — obtendo 90 carretéis para cada barra de 12 pés que carrega.

Retorno da Imaginação

Os carretéis saem do centro de torneamento a uma taxa de um a cada oito minutos. Embora o ciclo aproveite as altas velocidades do fuso da máquina — 5.000 rpm para fusos principal e secundário, 3.000 para ferramentas rotativas — o Sr. Hattori credita a programação criativa como a principal razão para o tempo de ciclo tão baixo. Ex-especialista em usinagem para uma empresa de P&D aeroespacial, Hattori abriu sua oficina há 10 anos para poder continuar a desenvolver estratégias complexas de usinagem CNC após o fechamento de seu empregador.

"O torno multitarefa proporciona maior retorno para a imaginação de um programador do que qualquer outro que eu tenha usado", diz ele. "Com tantas opções em uma máquina, sempre há outro jeito — e frequentemente um jeito melhor — de produzir qualquer característica."

Por exemplo, o Sr. Hattori encontrou um método incomum para tornear os flanges finos do carretel de alumínio em alta velocidade sem deflexão. Depois que todas as características de uma face foram usinadas enquanto a peça estava no mandril principal, o programa do Sr. Hattori faz o segundo mandril prender a peça mantendo ainda a fixação do mandril principal. Segurar a peça dos dois lados dessa maneira elimina o problema de deflexão. Conforme os dois fusos giram em uníssono, o metal entre os dois flanges é desbastado como se fosse uma única ranhura de 0,75 polegada de profundidade.

A capacidade do eixo Y é usada para produzir as serrilhas da catraca. Em vez de indexar a peça com o fuso para cortar cada entalhe — como o trabalho seria feito em um torno convencional com ferramentas vivas — o Sr. Hattori faz o fuso principal manter a peça parada enquanto o revólver move de uma serrilha para a próxima, usando interpolação X-Y. Embora o revólver faça o movimento apenas ligeiramente mais rápido que o fuso de indexação, quando essa diferença é multiplicada por 36 serrilhas, o ganho de produtividade é pronunciado.

Em outros casos, o eixo Y produz características que poderiam ser usinadas em um torno/fresadora convencional de três eixos (X, Y e C). Um exemplo é uma roda de catraca de aço 4340 para o mecanismo de temporização de um sistema de montagem robótica. A peça tem 3,25 polegadas de diâmetro com um disco de 3/16 polegada de espessura e um cubo integral mais largo, parecendo uma lâmina de serra com 12 dentes ao redor da circunferência. O eixo Y permite usinar 12 planos ao redor da circunferência da lâmina. "Cada plano é um corte simples", diz o Sr. Hattori. "Antes precisávamos de um centro de usinagem para esta peça, mas agora que posso usiná-la completa [em uma única configuração], um lote de 100 rodas leva três horas a menos para usinar."

Interpolação de Três Eixos

Esta peça é outro caso do diabo nas serrilhas. Para um fabricante local de equipamentos médicos, o Sr. Hattori produz um suporte de 2 polegadas de diâmetro para a unidade de controle de um cateter de mapeamento cardíaco eletrônico. Metade de uma junta de dobradiça que mantém o controle estável em numerosas orientações, a peça apresenta um plano longo ao longo da linha central onde metade da porção superior da peça é usinada. Este plano forma a superfície onde as duas metades da junta se encontram, e inclui um furo para o pivo que as liga. Ao redor deste pivo estão 30 serrilhas em forma de serra. Permitindo que a junta se encaixe e trave em várias posições, as serrilhas formam um padrão simétrico de raios de sol com o pivo no centro, e acasalam com um padrão semelhante na outra metade da dobradiça.

"Dois eixos lineares não são suficientes para usinar esta característica; você precisa ter três", diz o Sr. Hattori. "Embora as cristas das serrilhas estejam todas no mesmo plano, os caminhos da ferramenta não. Usamos uma fresa de topo sob medida que corresponde ao ângulo do vale entre duas serrilhas, mas mesmo com esta ferramenta, um caminho de ferramenta de dois eixos não consegue cortar a forma correta. Em vez do pico afiado necessário até a circunferência do padrão, um caminho de dois eixos produziria um pico em forma de leque, porque o espaço entre os dois cortes ficaria mais grosso à medida que a ferramenta se afastasse do cubo."

Para resolver este problema, o Sr. Hattori interpola em três eixos para fazer cada corte. O diâmetro da ferramenta sob medida é aproximadamente o tamanho da distância pico-a-pico na circunferência. Portanto, o Sr. Hattori começa no cubo — onde a ferramenta corta apenas na ponta — e alimenta a ferramenta para baixo em Y enquanto ela se move para fora ao longo do raio do padrão em X e Z. Dessa forma, as serrilhas usinadas têm a mesma espessura de pico na circunferência que no cubo, e são usinadas em uma única passada. A peça da dobradiça de suporte também é usinada a partir do maciço — começando com uma barra de alumínio. Tempo total de ciclo é de cerca de 12 minutos por peça.

Diferente do carretel de pesca, a dobradiça de suporte já fazia parte do portfólio de trabalho do Sr. Hattori mesmo antes de ele comprar o centro de torneamento multiprocessamento. As peças eram originalmente cortadas em um torno CNC e um centro de usinagem vertical. Para produzir o afilamento redondo da peça, o torneamento vinha primeiro. "O perfil suave tornava a configuração demorada no centro de usinagem vertical", diz o Sr. Hattori. "Não podíamos usar um torno-morsa, então tínhamos que fixá-la em um fixador personalizado."

Agora, esse problema acabou — porque os mandris do centro de torneamento seguram a peça tanto para torneamento quanto para fresamento. "O tempo de fresamento no SQT é o mesmo que era no centro de usinagem, mas agora ninguém precisa aparafusar e desparafusar a peça", diz o Sr. Hattori. "É uma grande diferença. Apenas com essa melhoria, reduzimos o tempo de ciclo da peça da dobradiça em mais de 30%."