Este mundo de lojas de moldes e matrizes é redondo

Para muitas oficinas de manufatura, o trabalho com moldes e matrizes geralmente se refere à fabricação de peças assimétricas. Os componentes de chapas metálicas são de várias formas, e as peças plásticas moldadas por injeção variam de telefones a gabinetes de computador.

No entanto, existem, no mundo da fabricação de moldes e matrizes, um grande número de peças redondas. Tampas, vedações, gaxetas, para citar apenas alguns, são peças que requerem componentes de matriz e molde redondos.

Muito tem sido escrito sobre usinagem de cavidades de moldes e conjuntos de matrizes para peças assimétricas. Neste artigo, o foco é o torneamento rígido aplicado à fabricação de componentes de moldes e matrizes para produzir as inúmeras peças de metal e plástico que são redondas.

Para saber mais sobre esse nicho de fabricação, visitamos a Reliance Tool and Manufacturing (Elgin, Illinois). É uma oficina de 50 anos que desenvolveu uma especialidade em torneamento duro e a usa para fazer componentes de moldes e conjuntos de matrizes que produzem produtos redondos.

Conversamos com Dale Schrieber, gerente da fábrica, para saber como a Reliance se beneficiou do torneamento duro em seus processos de produção.

Matrizes progressivas e compostas

Os conjuntos de matrizes incorporam vários componentes. Geralmente, são peças individuais que são montadas na parte superior e inferior das placas de matriz. Este design permite que sejam feitos ajustes nos componentes individuais do conjunto de matrizes, em vez de em toda a unidade.

Em uma matriz progressiva, bobinas de chapa metálica são alimentadas entre as metades superior e inferior do conjunto de matrizes. Cada vez que a prensa fecha, uma peça completa é ejetada no final da prensa.

Uma matriz progressiva pode ter duas, quatro ou até 16 estações diferentes para gerar uma estampagem completa. Depois que a prensa completa um curso, a bobina é alimentada de uma estação de matriz para a próxima. Alguns conjuntos de matrizes são projetados para estampar progressivamente uma forma plana e depois dobrar a estampagem em uma peça 3D. Isso tudo é feito em uma pressão em um dado progressivo.

As matrizes compostas diferem das progressivas, pois criam uma estampagem completa com um único golpe da prensa. Matrizes compostas irão formar, perfurar furos e moldar a peça de trabalho com um único golpe da prensa.

Assim como as matrizes progressivas, as matrizes compostas também são feitas de componentes montados nas placas superior e inferior. São esses componentes que a Reliance fabrica e monta em conjuntos completos. Para a maioria de seus clientes, esses componentes são redondos.

Por que fazer curvas difíceis?

Cerca de seis anos atrás, a Reliance começou a experimentar o torneamento duro. A ideia era aumentar as operações tradicionais de retificação com um processo mais flexível e que pudesse colocar mais peças na oficina.

Antes de implementar o torneamento duro, a Reliance fabricava seus conjuntos de matrizes e componentes de molde da maneira tradicional. Eles virariam a peça deixando o estoque de moagem, depois tratariam termicamente e terminariam a moagem.

Como em qualquer oficina, as pressões para entregar peças cada vez mais rápidas impulsionam grande parte da busca por tecnologias alternativas. A única estipulação que a Confiança impunha ao procurar novas formas de fabricar conjuntos de matrizes e componentes de moldes era fornecer aos seus clientes peças que fossem tão boas ou melhores do que aquelas que haviam sido moídas.

"No início, nossa abordagem para torneamento duro era de tentativa e erro", diz Jeff Staes, que desenvolveu o processo de torneamento duro na Reliance. "As vantagens sobre a retificação foram imediatamente aparentes para algumas de nossas aplicações."

A maior parte do trabalho destinado ao torneamento duro tem requisitos de tolerância de 0,0005 polegada. Mas com raios tão pequenos quanto 0,005 polegada e a necessidade de misturar cones a raios, o torneamento de ponto único tem vantagens distintas sobre a retificação. Os cones, tanto ID quanto OD, necessários para ângulos de inclinação e geometria da peça, também são facilmente gerados em um centro de torneamento.

"Tentar manter um raio minúsculo ou gerar cones com um rebolo requer fresamento frequente, o que retarda o processo de produção", diz o Sr. Schrieber. "O acabamento dos últimos dois milésimos também é demorado porque o rebolo deve ser retificado com mais frequência. O grão mais fino do rebolo de acabamento carrega mais rápido do que um rebolo de desbaste que restringe as taxas de remoção de metal."

O que eles aprenderam

A chave para o torneamento duro bem-sucedido começa com o torneamento suave. Alcançar acabamentos de superfície consistentes e precisões dimensionais em peças endurecidas requer a quantidade certa de estoque restante após o torneamento desbaste antes do tratamento térmico do blank.

Características geométricas, como seções de parede finas, geralmente precisam ter mais estoque para torneamento rígido devido à tendência de deformar levemente no tratamento térmico. A ideia é aumentar o peso das seções finas para ter estoque suficiente para permitir mudanças dimensionais do tratamento térmico.

"Nosso tratador térmico faz um bom trabalho mantendo o empenamento no mínimo", diz o Sr. Schrieber. "Eles usam placas de cerâmica para peças de seção transversal fina, juntamente com outras técnicas para controlar a mudança dimensional. Nós até mesmo empilhamos nossas peças antes de enviá-las para tratamento térmico para controlar a consistência."

Manter a mesma tolerância de estoque para torneamento duro é importante devido ao desgaste da ferramenta. Geralmente o processo de torneamento duro é feito em duas etapas:uma ou mais passadas de desbaste seguidas de uma passada de acabamento. A remoção da menor quantidade de material na passagem de desbaste economiza tempo de produção, mas, mais importante, economiza na ferramenta de torneamento duro. "Desgaste áspero e duro da ferramenta afetará o acabamento e o tamanho da superfície na passada final", diz o Sr. Staes.

O cortador de escolha da Reliance é o CBN (nitreto cúbico de boro). Para tiragens muito curtas ou cortes interrompidos, a cerâmica é usada, mas não se desgasta tão bem quanto o CBN para tiragens maiores.

"O CBN tem grande versatilidade", diz o Sr. Staes. No entanto, a seleção de insertos é um fator limitante. "Nós projetamos pastilhas e as fazemos especialmente para nós por nossos fornecedores de ferramentas. Criamos outras geometrias de pastilhas retrabalhando pastilhas existentes nas formas que precisamos", continua o Sr. Staes. "Ainda não existe a variedade de formas e geometrias de pastilhas para CBN, mas está melhorando."

Aço ferramenta no corte

Grande parte do material usado pela Reliance é aço ferramenta A-3 e D-2 endurecido entre 48 e 64 Rc. As fresas com pastilhas de CBN funcionam bem nessas aplicações de torneamento duro.

Embora o CBN seja o segundo material mais duro, depois do diamante, as pastilhas feitas com CBN podem ser frágeis. Alguns processos de torneamento precisam ser modificados do que é considerado convencional para permitir essa fragilidade.

Em geral, uma pastilha de CBN é feita a partir de brasagem ou união de uma aresta pré-formada de material CBN a um substrato de metal duro. Esta junta tende a ser o ponto fraco para o cortador.

Os componentes de matrizes e moldes precisam ter alta precisão dimensional e excelente acabamento superficial. Para atingir esses objetivos usando torneamento duro, o Sr. Staes desenvolveu algumas diretrizes.

"A direção do corte em um ombro em um OD ou ID pode ser um fator se for necessária uma tolerância estreita na profundidade e no acabamento da parede", diz ele. "Em vez de entrar na face do DI ou OD, é melhor ficar de frente para a parede primeiro para remover o excesso de material. Deixe entre 0,0005 e 0,0010 polegada de estoque para uma passagem de acabamento.

"Com a passagem de desbaste concluída e a maior parte do material removido, a passagem de acabamento pode ser feita na parede. A remoção dos 0,0010 polegada ou menos restantes de metal reduz a pressão da ferramenta na pastilha, principalmente se for uma ferramenta pequena de ângulo de ataque geometria é usada", diz o Sr. Staes.

Em operações de mandrilamento, a altura do centro da pastilha é um fator crítico para manter o tamanho e o acabamento com sucesso. Se a barra se flexionar, poderá deixar a aresta de corte cair abaixo da linha central, resultando em menor vida útil da ferramenta e acabamento ruim. Sr. Staes recomenda barras de mandrilar de metal duro para torneamento duro. "Eles reduzirão o problema de flexão e proporcionarão maior capacidade de profundidade", diz ele.

Considerações de temperatura e retenção de trabalho

No momento em que uma peça de trabalho é torneada com força, seu valor aumenta significativamente. Os custos acumulados incluem material, tempo de usinagem bruta e tratamento térmico. Definitivamente, não é hora de descartar tal parte.

Quando o Sr. Staes vira essas peças, ele gosta de ficar de olho nas ferramentas, principalmente quando usa CBN. Algumas aplicações podem ser cortadas a seco, mas outras são adversamente afetadas por temperaturas elevadas do processo de usinagem. Para controlar isso, enquanto ainda permite uma visão clara da zona de trabalho, a Reliance usa ar de oficina ou uma pistola de ar frio para manter a temperatura da peça.

O workholding é outra consideração para fazer componentes de moldes e matrizes redondas. A redondeza é uma dimensão crítica para muitas dessas peças, que frequentemente têm paredes muito finas.

"Usamos um mandril manual de três garras de seis polegadas preso pelo mandril hidráulico que é montado no centro de torneamento", diz o Sr. Staes. "As garras macias do mandril manual são perfuradas na máquina dentro de uma concentricidade de 0,0005 polegada."

Técnicas de inspeção

Grande parte do trabalho de componentes de moldes e matrizes que a Reliance faz é relativamente fácil de inspecionar quanto à precisão dimensional e ao acabamento da superfície. Eles possuem todos os equipamentos de inspeção necessários, documentação e técnicas de rastreabilidade para se qualificarem para ANSI/ASQC Q9001-1994 e ISO 9000.

Mas algumas das peças produzidas não são tão fáceis de medir. A Reliance desenvolveu uma técnica interessante para verificar características ocultas em IDs e outros locais de difícil acesso em uma peça de trabalho.

"Para formulários de ID e OD, costumávamos cortar periodicamente um pedaço ao meio para verificar as características", diz o Sr. Schrieber. "Agora usamos material dentário [um polissilicone de vinil de alta viscosidade] para obter uma impressão do recurso. Esse material é então verificado em um comparador óptico. É uma técnica que funcionou bem para nós e é muito precisa quando feita corretamente."

Parceria Job-Shop

A Reliance construiu uma reputação impressionante na fabricação de componentes redondos para moldes e matrizes. "Muitos de nossos melhores clientes são outras oficinas de ferramentas que precisam de nossa experiência na produção de peças redondas", diz o Sr. Schrieber. "Especialmente se surgir uma aplicação difícil de retificar. Conseguimos muitos negócios para torneamento duro."

Chame isso de parceria ou especialização, lojas que antes se consideravam concorrentes trabalham juntas para entregar boas peças aos clientes. É uma tendência na operação de oficinas contratadas que reflete as realidades do ambiente de fabricação atual.

Lojas como a Reliance fornecem serviços especializados para outras oficinas que precisam dessas especialidades. Da mesma forma, quando a Reliance se deparar com um problema de processo além de sua capacidade, ela solicitará ajuda de outras oficinas.

A padronização da documentação do processo usando técnicas da ISO 9000 e outras ajuda as lojas a fazer negócios em conjunto. É facilmente perceptível ao revisar a documentação do processo se uma loja pode fazer o que diz
pode fazer.

Resultados

A Reliance, como quase todas as outras oficinas, está sob extrema pressão de seus clientes para reduzir os prazos de entrega. Essa pressão é gerada por ciclos de vida de produtos reduzidos e programas de melhoria contínua nessas empresas.

Além de fabricar conjuntos de matrizes e componentes de moldes para outras empresas, a Reliance tem um bom negócio de fabricação interna. Eles fazem várias estampas próprias.

"O torneamento duro nos ajudou a reduzir as entregas aos nossos clientes de uma média de 16 a 18 semanas para seis", diz o Sr. Schrieber. "Também nos trouxe negócios de outras fábricas de moldes e matrizes que não têm experiência em torneamento, mas veem as vantagens da retificação de torneamento duro para algumas aplicações.

"Nossa própria operação de estampagem tornou-se, de fato, um local de teste beta para novos processos e técnicas. Nós os testamos antes de experimentá-los na aplicação de um cliente", acrescenta o Sr. Schrieber.

Para a Reliance, o torneamento duro parece estar funcionando. As vendas aumentaram 44%, a base de clientes está se expandindo e o crescimento é projetado para os próximos anos entre 15 e 20%.