Aprimorando Tornos CNC: Do Torneamento ao Fresamento e Perfuração

Houve um tempo em que tornos usinavam peças redondas. Eles ainda fazem isso.

No entanto, fabricantes de máquinas-ferramenta reconheceram que peças torneadas frequentemente requerem pelo menos algum trabalho de fresamento ou perfuração também. Com a peça já presa no torno, e com um torno CNC já capaz dos movimentos que poderiam alimentar ferramentas rotativas efetivamente, foi lógico aumentar as capacidades dos tornos adicionando fusos extras para o trabalho de ferramenta rotativa. O que antes eram máquinas dedicadas de torneamento tornaram-se máquinas de fresamento e perfuração também.

De fato, as máquinas mais eficazes em coordenar torneamento, fresamento e perfuração tudo em um setup tornaram-se centros de usinagem de metal flexíveis, de parada única, múltiplas operações. Com toda a usinagem que podiam fazer, teria sido lógico renomeá-los "centros de usinagem", se apenas esse nome não tivesse já sido tomado. Um torno alimentado por barra que tem tanto capacidade de ferramenta rotativa quanto um subfuso oposto ao fuso principal pode alimentar matéria-prima em uma extremidade, e usinar todas as faces e características de uma peça elaborada sem o operador ter que intervir. Além disso, pode continuar produzindo peça após peça enquanto a barra durar. Muitas oficinas agora usinam desta forma. Um fabricante particularmente experiente em usinar desta forma é a Jesel Valvetrain Innovation.

A Jesel, sediada em Lakewood, Nova Jersey, fabrica componentes de valvetrain adaptados a aplicações exigentes de carros de corrida. Componentes que poderiam ser estampados para um motor de carro normal são usinados a partir de aço sólido na Jesel. Quatorze anos atrás, a empresa foi uma usuária inicial do torno CNC modelo DL-15 da Mori Seiki com capacidades de ferramenta viva. Ao longo dos anos, as máquinas evoluíram e a oficina continuou a aprender como aplicá-las mais efetivamente. Agora, a área de manufatura nesta planta inclui 11 máquinas CNC torno-fresa, a maioria das quais são modelos DL-150 — uma versão mais avançada da máquina que a planta começou a usar.

Uma peça que a empresa introduziu recentemente ilustra o quão longe o pensamento desta planta chegou com relação a estas máquinas. A peça é algo de um marco não apenas para a própria planta, mas também para a evolução da usinagem com torno de ferramenta viva em geral. A peça, um seguidor de came overhead, tem forma de caixa vagamente sugestiva de duas vírgulas ou duas orelhas unidas. Originalmente, a planta assumiu que esta peça seria usinada em cinco setups em centros de usinagem. Dado o valor da peça e os volumes em que seria executada, tal processo poderia facilmente ser justificado. No entanto, Ray Frattone Sr., diretor de manufatura da empresa, sugeriu uma abordagem diferente. Parte do papel do Sr. Frattone é encontrar novas maneiras de fabricar as peças do catálogo da empresa de forma mais econômica. Ao fazer isso, ele trabalhou extensivamente com o equipamento torno-fresa. O seguidor de came é compacto o suficiente para ser usinado a partir de barra sólida, ele percebeu. Especificamente, poderia ser usinado a partir de barra de aço liga 4140 de 1,125 polegadas de diâmetro. Alimentar este material através do alimentador de barra LNS da máquina Mori Seiki não apenas permitiria que a peça fosse usinada completa, mas também permitiria que uma série de peças fosse usinada sem supervisão.

O engenheiro de manufatura Mark Cubbedge trabalhou no processo para esta peça. Ele descobriu que havia, de fato, capacidade suficiente nas duas torretas de 12 posições do DL-150 para acomodar todas as ferramentas de fresamento e perfuração necessárias para usinar a peça desta forma. Em resumo, havia posições de ferramenta suficientes para usinar a peça completa. O setup para esta peça inclui uma ferramenta de corte para separar a peça da barra, mas além disso, cada posição de ferramenta usada para usinar esta peça possui um fuso de ferramenta rotativa.

O pensamento da Jesel sobre tornos de ferramenta viva fez assim uma jornada completa. Estas máquinas agora são usadas e valorizadas nesta planta não como tornos com alguma capacidade extra, mas como centros de produção de setup único. Como a peça seguidor de came ilustra, esta máquina traz valor ao processo mesmo quando a geometria da peça está tão longe de redonda que essencialmente nenhum trabalho de torno tradicional é requerido.

Trade-offs

Dois números de peça de seguidor de came são usinados no DL-150. O maior dos dois mede aproximadamente 0,75 por 0,8 por 2,5 polegadas. Exceto tratamento térmico e brunimento, toda a manufatura é realizada nesta máquina, dentro de um ciclo que requer menos de 10 minutos.

Tanto o fuso principal quanto o subfuso trabalham simultaneamente durante este ciclo. O fuso principal segura a peça para fresamento bruto, fresamento de acabamento e perfuração. O subfuso então pega a peça para completar o fresamento da forma e também realiza algum fresamento de canal, enquanto o fuso principal começa a usinar a próxima peça. O uso do termo "fuso" nestes contextos é algo impreciso, claro, porque os fusos são usados como eixos rotativos neste processo em vez de girar a peça para torneamento. Dada a forma como a máquina é usada, referir-se ao "mandril principal" e "mandril secundário" é mais apropriado.

Software CAM da Gibbs and Associates fornece o caminho da ferramenta. O Sr. Cubbedge diz que um plug-in de rebarbação da Gibbs provou ser particularmente valioso. O software programa o movimento preciso de uma ferramenta ballnose de pequeno diâmetro ao longo dos cantos agudos da peça. No mandril secundário, esta rebarbação também ajuda a mesclar o trabalho da primeira e segunda fixações em superfícies usinadas contínuas e sem costura. A eficácia desta rebarbação na máquina foi vital para gerar uma peça pronta para uso com pouco esforço adicional após usinagem.

Tanto o Sr. Frattone quanto o Sr. Cubbedge concordam que usinagem em torno de ferramenta viva não é perfeita. Trazer a peça de matéria-prima perto da conclusão em um único manuseio alimentado por barra pode parecer tremendamente eficiente, mas na verdade este tipo de máquina apresenta trade-offs que devem ser reconciliados. Mesmo que a máquina seja versátil o suficiente para não ter que ser limitada a peças torneadas para entregar valor, a máquina não é necessariamente certa para qualquer peça que possa cair dentro do envelope da barra alimentada. Comparado à opção de usinar a peça em múltiplos setups em um centro de usinagem, os desafios que a Jesel teve que enfrentar ao rodar a peça em um torno incluíram todos os seguintes:

• Tempo de setup. O torno de ferramenta viva da oficina tem um total de 24 posições de ferramenta em suas duas torretas. Um pequeno centro de usinagem vertical tipicamente teria mais capacidade de ferramenta em seu magazine, e um centro de usinagem horizontal de produção teria consideravelmente mais. Em centros de usinagem, ferramentas podem portanto ser mantidas no lugar dentro da máquina até serem necessárias. Por contraste, no torno de ferramenta viva, a ferramentaria tipicamente tem que ser trocada completamente para cada novo número de peça que a oficina roda. A troca completa de ferramentas é suficientemente demorada que peças geralmente precisam ser rodadas em quantidades de centenas antes que o tempo de setup possa ser amortizado. Isso não é problema nas peças de seguidor de came, porque a Jesel tende a rodar este número de peça por semanas a cada vez para repor seu estoque. No entanto, o requisito de tempo de setup de ferramenta impediria esta mesma peça de ser rodada em base de pequenos lotes ou just-in-time, a menos que a máquina pudesse de alguma forma ser deixada configurada e inteiramente dedicada a números de peça desta família.
• Preocupações de fixação. Outra vantagem que ajuda a Jesel implementar processos incomuns efetivamente é que seu design e manufatura ocorrem dentro da mesma instalação de 110.000 pés quadrados. Coordenação entre manufatura e design foi essencial para fazer esta peça eficientemente, porque o mandril no subfuso precisava de uma forma segura para fixar. A peça foi redesenhada para isso. Mesmo assim, no entanto, a força de fixação é limitada. A peça parcialmente usinada é flexível o suficiente que alta força de fixação com mandril poderia afetar precisão. No subfuso, portanto, a peça é segura em mandril de garras macias com força de fixação moderada, e a agressividade das operações de usinagem é correspondentemente limitada.
• Risco de chatter. Além da força de fixação limitada, outro fator é ainda mais significativo em limitar quão agressivamente o processo pode cortar. Ferramentas rotativas neste processo invariavelmente apresentam sobressaliência longa, porque a ferramenta precisa de folga suficiente para alcançar além das garras do mandril. Estas ferramentas de comprimento estendido representam risco aumentado de deflexão e chatter que limita a profundidade de corte, particularmente em aplicação que usina aço. Antes que este processo pudesse ser colocado em produção, pessoal da Jesel teve que testar e ajustar o processo cuidadosamente para garantir que passagens de usinagem críticas não chatter de forma que comprometesse tolerâncias apertadas. Mesmo assim, algumas ferramentas desgastam mais rápido do que em um processo mais rígido. Uma ferramenta de fresamento particular precisa ser trocada a cada 10 peças.

Payoffs

Ainda, ferramentas podem desgastar rápido em processo de centro de usinagem também. Um processo envolvendo centros de usinagem também teria que ser ajustado até certo ponto para garantir que precisões críticas fossem alcançadas. O fato de a Jesel ter se comprometido com o processo no torno de ferramenta viva é testemunho suficiente de que estes desafios podem ser superados. Na verdade, estes obstáculos são minúsculos comparados com os riscos que uma série de setups em centros de usinagem representaria na usinagem da mesma peça, diz o pessoal da Jesel.

Um daqueles riscos é erro. Todo novo manuseio fornece risco de erro relacionado a setup. Em um processo com cinco setups, o valor agregado por quatro operações de usinagem precisas poderia ser todo perdido se o quinto carregamento da peça fosse defeituoso de alguma forma que causasse a peça a ser sucateada. A máquina torno-fresa evita este perigo eliminando manuseio, com o processo de parada única mantendo todos os relacionamentos característica-a-característica ao redor de toda a geometria da peça.

Em outras palavras, para a peça seguidor de came, a Jesel conviverá com o tempo de setup para trocar ferramentas, porque isso é mais fácil de gerenciar que o tempo de carga/descarga de levar peças de operação em operação em centros de usinagem. A oficina também aceitará a necessidade de evitar e gerenciar chatter, porque isso é muito melhor que o potencial para erro imprevisível e sucata dentro de um processo que envolve muitos manuseios.

Finalmente, o pessoal da Jesel também conviverá com o fato de que sua máquina de torneamento roda por dias e semanas sem fazer muito no sentido de torneamento. A oficina continua a crescer seu entendimento de como usar as máquinas versáteis efetivamente, e a experiência de rodar esta peça de centro de usinagem eficientemente em um torno de ferramenta viva deu à oficina alguns insights valiosos. No futuro, muitas peças que presumivelmente são "trabalho de centro de usinagem" serão vistas de forma diferente.