Oficinas Especializadas em Matrizes e Moldes para Componentes Redondos de Precisão

Para muitas oficinas de usinagem na manufatura, trabalho de molde e matriz geralmente refere-se a fazer peças que são assimétricas. Componentes de chapa metálica são de várias formas, e peças de plástico injetado variam de telefones a gabinetes de computador.

No entanto, existem, no mundo da fabricação de matrizes e moldes, muitas peças que são redondas. Tampas, vedantes, gaxetas, para citar apenas alguns, são peças que requerem componentes de matrizes e moldes que são redondos.

Muito tem sido escrito sobre usinagem de cavidades de molde e conjuntos de matrizes para peças assimétricas. Neste artigo, o foco é o torneamento duro aplicado à fabricação de componentes de molde e matriz para produzir as numerosas peças metálicas e plásticas que são redondas.

Para descobrir sobre este nicho de manufatura, visitamos a Reliance Tool and Manufacturing (Elgin, Illinois). É uma oficina de 50 anos que desenvolveu especialidade em torneamento duro e o usa para fazer componentes de molde e conjuntos de matrizes que produzem produtos redondos.

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

Matrizes Progressivas e Compostas

Conjuntos de matrizes incorporam vários componentes. Estes são frequentemente peças individuais montadas nas placas superior e inferior da matriz. Este design permite que ajustes sejam feitos nos componentes individuais do conjunto de matrizes em vez de no conjunto inteiro.

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 na extremidade final da prensa.

Uma matriz progressiva pode ter duas, quatro ou até 16 estações diferentes para gerar uma estampagem completa. Após a prensa completar um curso, a bobina avança de uma estação de matriz para a próxima. Alguns conjuntos de matrizes são projetados para estampar progressivamente uma forma plana e então dobrar a estampagem em uma peça 3D. Tudo isso é feito em uma prensa em uma matriz progressiva.

Matrizes compostas diferem das progressivas em que criam uma estampagem completa com um único curso da prensa. Matrizes compostas formarão, furarão furos e moldarão a peça tudo em um único golpe da prensa.

Como matrizes progressivas, 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 Torneamento Duro?

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

Antes de implementar torneamento duro, a Reliance fabricava seus conjuntos de matrizes e componentes de molde da maneira tradicional. Eles torneavam rough a peça deixando material para retificação, depois tratavam termicamente e retificavam acabamento.

Como qualquer oficina, pressões para entregar peças cada vez mais rápido impulsionam grande parte da busca por tecnologia alternativa. A única estipulação que a Reliance impôs ao buscar novas formas de fabricar conjuntos de matrizes e componentes de molde era dar a seus clientes peças tão boas ou melhores que as retificadas.

"No início, nossa abordagem ao torneamento duro foi 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 mesclar cones a raios, o torneamento de ponto único tem vantagens distintas sobre a retificação. Cones, tanto ID quanto OD, que são necessários para ângulos de saída e geometria da peça, também são facilmente gerados em um centro de torneamento.

"Tentar manter um raio minúsculo ou gerar cones com uma roda de retificação requer truing frequente — o que desacelera o processo de produção", diz o Sr. Schrieber. "A retificação de acabamento dos últimos milésimos também é demorada porque a roda deve ser truing com mais frequência. O grão mais fino da roda de acabamento carrega mais rápido que uma roda de desbaste, o que restringe as taxas de remoção de metal."

O Que Aprenderam

A chave para torneamento duro bem-sucedido começa com torneamento brando. Alcançar acabamentos superficiais consistentes e precisão dimensional em peças endurecidas requer a quantidade certa de material deixado após o torneamento rough antes do tratamento térmico do blank.

Características geométricas como seções de parede fina frequentemente precisam ter mais material deixado para torneamento duro por causa da tendência de empenar levemente no tratamento térmico. A ideia é reforçar as seções finas para ter material suficiente para permitir mudanças dimensionais do tratamento térmico.

"Nosso tratador térmico faz um bom trabalho mantendo empenamento ao mínimo", diz o Sr. Schrieber. "Eles usam placas cerâmicas para peças de seção transversal fina junto com outras técnicas para controlar mudança dimensional. Nós até encaixotamos nossas peças antes de enviá-las para tratamento térmico para controlar consistência."

Manter a mesma folga de material para torneamento duro é importante por causa do desgaste da ferramenta. Geralmente o processo de torneamento duro é de duas etapas: uma ou mais passadas de desbaste seguidas por uma passada de acabamento. Remover a menor quantidade de material na passada de desbaste economiza tempo de produção mas, mais importante, economiza a ferramenta de torneamento duro rough. "O desgaste da ferramenta de torneamento duro rough afetará acabamento superficial e dimensão na passada final", diz o Sr. Staes.

A ferramenta de escolha da Reliance é CBN (nitreto de boro cúbico). Para produções muito curtas ou cortes interrompidos cerâmicas são usadas, mas não desgastam tão bem quanto CBN para produções maiores.

"CBN tem grande versatilidade", diz o Sr. Staes. A seleção de insertos é um fator limitante, no entanto. "Desenhamos insertos e os mandamos fazer especialmente para nós por nossos fornecedores de ferramentas. Criamos outras geometrias de insertos retrabalhando insertos existentes nas formas que precisamos", continua o Sr. Staes. "Ainda não há a variedade de formas e geometrias de insertos 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. Insertos de corte CBN funcionam bem nestas aplicações de torneamento duro.

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

Em geral, um inserto CBN é feito de brasagem ou outra forma de união de uma aresta pré-formada de material CBN a um substrato de carboneto. Esta junta tende a ser o ponto fraco do cortador.

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 OD ou ID pode ser um fator se tolerância apertada na profundidade e acabamento de parede são requeridos", diz ele. "Em vez de entrar na face a partir do ID ou OD, é melhor facear a parede primeiro para remover material excedente. Deixe entre 0,0005 e 0,0010 polegada de material para uma passada de acabamento.

"Com a passada de desbaste completa e a maior parte do material removida, a passada de acabamento pode então ser feita na parede. Remover os 0,0010 polegada ou menos de metal restantes coloca menor pressão na ferramenta no inserto, particularmente se uma geometria de ferramenta com pequeno ângulo de ataque é usada", diz o Sr. Staes.

Em operações de alargamento, a altura central do inserto é um fator crítico para manter dimensão e acabamento com sucesso. Se a barra flexiona, pode baixar a aresta de corte abaixo da linha central, resultando em menor vida útil da ferramenta e acabamento ruim. O Sr. Staes recomenda barras de alargamento de carboneto sólido para torneamento duro. "Elas reduzirão o problema de flexão e darão maior capacidade de profundidade", diz ele.

Considerações de Temperatura e Fixação

Quando uma peça é torneada dura, seu valor aumentou significativamente. Custos acumulados incluem material, tempo de usinagem rough, e tratamento térmico. Definitivamente não é hora de sucatear tal peça.

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

Fixação é outra consideração para fazer componentes redondos de matrizes e moldes. Redondeza é uma dimensão crítica para muitas dessas peças, que são frequentemente de parede muito fina.

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

Técnicas de Inspeção

Grande parte do trabalho de componentes de matrizes e moldes que a Reliance faz é relativamente fácil de inspecionar para precisão dimensional e acabamento superficial. Eles têm todo o equipamento de inspeção, documentação e técnicas de rastreabilidade necessários para qualificar 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.

"Para formas ID e OD, costumávamos periodicamente cortar uma peça ao meio para verificar as características", diz o Sr. Schrieber. "Agora usamos material odontológico [um vinil polisiloxano de alta viscosidade] para fazer uma impressão da característica. 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 de Oficina

A Reliance construiu uma reputação impressionante na fabricação de componentes redondos de molde e matriz. "Muitos de nossos melhores clientes são outras oficinas de ferramentas que precisam de nossa expertise na produção de peças redondas", diz o Sr. Schrieber. "Especialmente se uma aplicação difícil de retificar aparece. Conseguimos muito negócio para torneamento duro."

Chame de parceria ou especialização, oficinas que poderiam ter se considerado concorrentes trabalham juntas para entregar boas peças aos clientes. É uma tendência na operação de oficinas por contrato que reflete as realidades do ambiente de manufatura atual.

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

Padronizar documentação de processo usando técnicas ISO 9000 e outras ajuda as oficinas a fazer negócios juntas. É prontamente aparente revisando a documentação de processo se uma oficina pode fazer o que diz que pode fazer.

Resultados

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

Além de fazer conjuntos de matrizes e componentes de molde para outros negócios, a Reliance tem um bom negócio de fabricação interno. Eles fazem numerosas estampagens próprias.

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

"Nossa própria operação de estampagem se tornou, na prática, um local de teste beta para novos processos e técnicas. Nós os testamos nós mesmos antes de tentá-los na aplicação de um cliente", adiciona o Sr. Schrieber.

Para a Reliance, o torneamento duro parece estar funcionando. Vendas aumentaram 44%, a base de clientes está se expandindo, e crescimento é projetado nos próximos anos entre 15 e 20 por cento.