Eleve a Usinagem CNC Multi-fuso: Operações Avançadas e Precisão

A tecnologia CNC mudou radicalmente a natureza da usinagem em uma máquina multi-fuso. O movimento dos porta-ferramentas e carros de ferramenta em cada estação de indexação são controlados por servomotores CNC sob comando programado, em vez de por um sistema de cames mecânicos. É possível realizar uma gama de operações não de torneamento, como fresamento, furação, rosqueamento e corte de engrenagens (hobbing) em cada estação, além de todas as operações de torneamento para as quais estas máquinas são notadas. Uma ampla variedade de peças pode ser completada em uma única passagem em um multi-fuso CNC. Além disso, configurações e trocas são grandemente simplificadas porque os movimentos das ferramentas podem ser reprogramados em vez de alterados pela produção e instalação de um novo conjunto de cames.

Desenvolvimentos Inovadores na Linha TMZ

Desenvolvimentos inovadores na linha TMZ de multi-fusos Mori-Say da ZPS America LLC (Indianapolis, Indiana) prometem mover o CNC a um novo nível neste tipo de máquina-ferramenta. Um destes desenvolvimentos é um novo sistema de acionamento que permite que a velocidade rotacional do eixo C de cada fuso seja programada independentemente. Esta capacidade permite aos usuários otimizar velocidades de fuso para operações de usinagem específicas. Torna as operações CNC mais flexíveis e eficientes, simplificando ainda mais configuração e troca. Mais importante, desenvolvedores dizem, novas classes de peças podem agora ser produzidas eficientemente e economicamente em um multi-fuso. A gama inclui peças que são frequentemente produzidas em máquinas turn/mill ou células de produção multi-máquina. Peças complexas exigindo uma variedade de etapas de torneamento e não-torneamento de alta precisão podem ser finalizadas em uma passagem, e corridas de alto volume não são necessárias para alcançar esta operação econômica.

Nova Geração de Multi-fusos

Esta nova geração de multi-fusos consiste em dois modelos distintos. O Mori-Say TMZ642, uma versão de seis fusos, foi introduzido no mercado norte-americano na IMTS 2008 em Chicago no último setembro. O Mori-Say TMZ867, uma versão de oito fusos para peças maiores e cortes mais pesados, será introduzido na Precision Machining Technology Show (PMTS) em Columbus, Ohio em abril de 2009.

Um Conceito de Acionamento Inovador

O novo sistema de acionamento incorporado nestas máquinas segue um conceito de design incomum. Segundo Olaf Tessarzyk, sócio gerente e presidente da ZPS America, é este sistema de acionamento que diferencia estas máquinas de outros designs multi-fuso. O sistema de acionamento utiliza um eixo composto para acionar todos os fusos no tambor rotativo, ainda assim cada fuso pode ser configurado para rodar em uma velocidade diferente. Velocidades disponíveis variam de 2.000 a 6.000 rpm. O usuário pode escolher a velocidade mais adequada para as operações realizadas em cada estação, evitando assim compromissos no desempenho da ferramenta de corte, acabamento superficial ou tempo de ciclo geral que resultam da aplicação de uma única velocidade a todos os fusos, como ditado por designs multi-fuso convencionais.

Com apenas um eixo de acionamento disposto da parte traseira da máquina para a frente, como podem múltiplos fusos rodar em velocidades diferentes, um feito não possível em outras máquinas comparáveis? O "eixo" que aciona os fusos é na verdade um conjunto de tubos telescópicos — um tubo para cada fuso, como mostrado na ilustração à direita.

Os tubos são de comprimento desigual — o mais interno é o mais longo e o mais externo o mais curto. No lado do motor da máquina, a diferença de comprimento de tubo para tubo é suficiente para que as polias, correias e engrenagens de cada conjunto de motores de acionamento sejam anexadas sem interferir com o próximo tubo. Assim, cada tubo pode ser acoplado ao seu próprio sistema de acionamento. Os motores de acionamento são acionados por servo para que o fuso correspondente gire na velocidade definida no programa CNC para as operações realizadas. Os tubos são da mesma forma "degrau" em comprimento no lado de corte da máquina, onde engrenagens na extremidade de cada tubo entregam movimento rotacional ao seu fuso particular. Mancais dentro do conjunto de tubos permitem que todos os tubos girem com atrito mínimo.

Benefícios Técnicos

Do ponto de vista técnico, diz-se que este sistema de acionamento tem vários benefícios. O principal é manter o calor criado pelo banco de motores de acionamento longe do tambor do fuso. Isso fornece estabilidade térmica sem um sistema de resfriamento elaborado. Além disso, este design garante que os fusos permaneçam sempre conectados aos seus respectivos motores de acionamento sem exigir contatos complexos de alimentação que devem ser desconectados ou reconectados ao final de cada ciclo de indexação. Isso significa que o tambor não precisa "desenrolar" para sua posição inicial para evitar enrolar cabos de força ao redor do eixo de acionamento dentro do tambor. Na verdade, os tambores nestes novos modelos podem girar em qualquer direção.

Não Um Nome Familiar

A maioria dos usuários de máquinas-ferramenta nos Estados Unidos não está bem familiarizada com Mori-Say como marca de máquina-ferramenta. ZPS-America e sua controladora, TAJMAC Group, também provavelmente são desconhecidas. TAJMAC (pronunciado TIE-mack) é um grupo multinacional de construção, distribuição e sourcing de máquinas-ferramenta sediado perto de Milão, Itália. TAJMAC foi formada após a Segunda Guerra Mundial por Amedeo Tajariol. Seu filho, Andrea, agora lidera a equipe de gestão na sede corporativa. O filho de Andrea Tajariol, Michele, dirige a planta TAJMAC-ZPS na República Tcheca.

ZPS (um acrônimo em tcheco que se traduz como "Fábricas de Engenharia de Precisão") é a principal planta de fabricação do grupo TAJMAC. Está localizada não muito longe de Zlin, uma pequena cidade no centro da República Tcheca. Por anos, a ZPS produziu vários tipos de máquinas-ferramenta para marcação privada por várias empresas conhecidas dos EUA e Japão. Então, embora a ZPS possa ser desconhecida, é provável que muitos clientes dos EUA estejam familiarizados com estas máquinas sob outro nome de marca.

A ZPS tem uma história de construção de máquinas-ferramenta que remonta ao início de 1900s. Produção de equipamentos CNC começou nos anos 1980. Após a queda da Cortina de Ferro, a ZPS passou por várias mudanças de propriedade. TAJMAC adquiriu a empresa em 2000.

Parte do complexo ZPS inclui uma das fundições mais modernas da Europa. Esta fundição produz fundidos para as máquinas multi-fuso, bem como para muitos outros modelos ZPS e numerosos construtores de máquinas-ferramenta externos. Ter uma fundição particularmente adeptada a fundir peças de máquinas-ferramenta é um ativo chave para o grupo. Os novos multi-fusos são um exemplo principal.

Especificamente, o design do bloco central, que contribui significativamente para a rigidez e precisão de toda a estrutura da máquina, requer uma fundição bastante intrincada que poucas fundições poderiam produzir de forma confiável e econômica, diz Michele Tajariol. Esta fundição permite que o tambor, bloco central e acoplamento do tambor sejam montados em uma configuração que permite que o tambor seja rotacionado sob potência e amacie as engrenagens e mancais. Estes componentes são usinados final como um conjunto integral apenas após este período de amaciamento. Isso inclui etapas finais nos furos do fuso, que são finalizados em uma grande máquina de alargamento de alta precisão enquanto o tambor com seu acoplamento Hirth está em posição na fundição. Esta abordagem diz-se alcançar centragem quase perfeita dos fusos. O resultado é posicionamento altamente preciso à medida que os fusos indexam, permitindo que as máquinas realizem usinagem de alta precisão de peças complexas.

A ZPS produz multi-fusos desde os anos 1950. A firma planejou entrar no mercado dos EUA cerca de 20 anos atrás, mas estes esforços nunca decolaram. No entanto, Tajmac-ZPS recentemente reviveu planos para marketing nos Estados Unidos. ZPS-America, inicialmente formada em meados de 2000, construiu um novo centro técnico em Indianápolis para abrigar um showroom, instalações de treinamento, inventário de peças de reposição e uma organização de serviço. Este centro abriu no ano passado.

Máquinas que Desafiam a Mente

O Sr. Tessarzyk acredita que máquinas multi-fuso com capacidade CNC estendida provocarão uma reavaliação de como esta classe de máquinas-ferramenta pode ser aplicada, mas elas têm que ser competitivas em custo e confiáveis. Em sua estimativa, isso seria um exercício saudável para empresas dos EUA, que têm uma forte tradição de adaptação a novas ideias. Oficinas que são rápidas em repensar processos e práticas para aproveitar novos desenvolvimentos frequentemente têm uma vantagem clara sobre concorrentes mais lentos. Esta agilidade mental e inventividade mantêm as melhores oficinas e fábricas na liderança. As novas máquinas Mori-Say provavelmente desafiarão as oficinas mais uma vez a envolver suas mentes em torno de novas possibilidades para produção eficiente de peças.

O Sr. Tessarzyk diz que estas máquinas que desafiam a mente atrairão duas classes distintas de usuários potenciais. Ambas serão desafiadas por estas máquinas. Uma classe, obviamente, é a comunidade de usuários atuais de multi-fusos. O desafio para eles será compreender como peças exigindo muitas operações não de torneamento podem ser completadas em uma configuração nestas máquinas. A outra classe de usuários potenciais consiste em oficinas de produção que agora fabricam este tipo de peça em células multi-máquina, máquinas turn/mill ou máquinas de transferência rotativa. O desafio para estas oficinas é considerar uma máquina multi-fuso em primeiro lugar. Este tipo de máquina foi amplamente ignorado porque configurações são assumidas como complicadas e demoradas. O pensamento convencional tem os multi-fusos pregados para altos volumes de peças torneadas.

Novas Estratégias São Possíveis

Perfis de alguns primeiros adotantes do Mori-Say TMZ642 CNC mostram como estas máquinas podem mudar estratégias de produção para melhor. Um é um fabricante de acessórios de soldagem que mudou produção de multi-fusos mecânicos e máquinas turn/mill de alta gama. O outro é uma oficina tradicional de máquinas de parafuso que se ramificou em peças mais complexas em materiais difíceis de usinar.

Trafimet é uma empresa italiana que fabrica tochas, conectores de fonte de alimentação, pontas consumíveis e outros suprimentos relacionados à soldagem vendidos ao redor do mundo. Sua fábrica principal está em Vincenza, cerca de uma hora de carro ao norte de Milão. Esta fábrica produz milhões de peças por ano, a maioria das quais são conectores, soquetes, adaptadores e pontas de tocha feitas de cobre ou latão.

Por anos, a empresa dependeu de dois tipos contrastantes de máquinas-ferramenta para atingir seus objetivos de production. De um lado estavam as máquinas multi-fuso — dois multi-fusos mecânicos de oito fusos e quatro multi-fusos mecânicos de seis fusos, todos dedicados à produção de peças complexas em grandes lotes de produção. Do outro lado estavam vários tornos de fuso único, três revolvos turn/mill, usados para peças menos complexas feitas em corridas mais curtas.

Em 2006, a demanda pelos soquetes e plugs de fonte de alimentação da empresa aumentou substancialmente. Seus engenheiros inicialmente consideraram um torno automático de oito fusos para produção de soquetes, mas estavam preocupados com a capacidade de trocar rapidamente de peça para peça e decidiram considerar uma máquina multi-fuso CNC. Todas as máquinas multi-fuso mecânicas da empresa haviam sido fornecidas pela ZPS, então foi natural considerar o TMZ642 deste construtor, que havia acabado de ser introduzido na Europa. Parecia ser uma máquina apropriada para lidar com um mix de produtos diversificado em lotes de 10.000 a 50.000 peças.

"TAJMAC nos ajudou a pensar diferente sobre nossos processos, e assim, alcançar melhores resultados", diz Ugo Simioni, engenheiro industrial da Trafimet. Por exemplo, a independência de cada fuso torna possível realizar muitos tipos de usinagem, incluindo operações exigindo parada de fuso ou fuso C-axis orientado independentemente. "Isso torna a máquina um centro de torneamento e fresamento real e completo", diz o Sr. Simioni.

"Em tempos difíceis, descobrimos que podemos mover alguns produtos para o multi-fuso TMZ e lidar com tamanhos de lote menores enquanto reduzimos tempos de ciclo por peça", diz o Sr. Simioni. "Uma de nossas peças estava rodando em um turn/mill de fuso único com tempo de ciclo de cerca de 1 minuto. Com um pouco de planejamento, descobrimos que poderíamos fazer a mesma peça economicamente em lotes de 5.000 — tempos de ciclo de 12 segundos — com três trocas por semana na nova máquina." Os engenheiros da Trafimet já haviam determinado que um tempo de ciclo de 15 segundos permitiria produzir lotes de 10.000 a 20.000 peças economicamente. "Os acionamentos de fuso independentes e sistema de acionamento avançado, o uso de eixos extras e outras melhorias tornam a máquina extremamente versátil, e nos permitiram encontrar novas maneiras de reduzir custos de produto", ele aponta.

BRB, localizada perto de Bergamo, Itália, é um bom exemplo de uma oficina tradicional de máquinas de parafuso transitando para peças complexas, de alta precisão feitas de materiais difíceis de usinar. Esta oficina adquiriu seu primeiro Mori-Say TMZ642 em setembro de 2008.

Ter esta máquina no local permitiu à oficina ganhar pedidos para uma luva hidráulica complexa em aço inoxidável. A peça requer furação de vários furos transversais de pequeno diâmetro em diferentes ângulos em relação à linha central da peça. Como a tolerância nestes furos transversais angulados é apertada, a rigidez da máquina é especialmente importante.

Outra característica crítica é a capacidade de cada fuso prender a peça com segurança para operações efetivas de usinagem de alto torque no aço inoxidável. Por exemplo, uma ferramenta de fresamento de três pontas é usada para formar ranhuras em uma extremidade da peça. Tipicamente, tais características seriam produzidas com uma lâmina de serra circular. No entanto, nenhuma lâmina de serra poderia lidar com o aço inoxidável nas velocidades de corte necessárias para atender aos requisitos de tempo de ciclo. Na verdade, os tempos de ciclo nestas peças são tão curtos que a empresa desenvolveu uma estação de medição especial para que operadores pudessem realizar amostragem adequada de peças e documentar os altos números de Cpk especificados para esta peça.

A BRB vê seu futuro ligado à produção de peças como esta. Como estas peças não são tipicamente produzidas em máquinas multi-fuso, a oficina acredita que pode ser altamente competitiva com empresas que buscam produzir este tipo de peça em tornos CNC.

Uma Oportunidade Histórica

Oficinas e casas de produção podem estar enfrentando um cenário notável. Custos de produção crescentes e outros fatores estão tornando menos favorável obter muitos componentes de fábricas offshore. Compradores estarão procurando produtores capazes de volta ao país que possam aproveitar nova tecnologia, logística mais simples, custos de transporte menores e melhor comunicação para preencher esta lacuna. No entanto, eles ainda precisarão chegar perto de igualar o "preço da China" para permanecer competitivos em seus mercados globais.

O Sr. Tessarzyk acredita que esta situação em desenvolvimento apresenta uma oportunidade notável para empresas que são rápidas em adotar novos desenvolvimentos de usinagem. Claro, as estratégias de processamento de peças que ele tem em mente alavancam a flexibilidade e capacidade dos multi-fusos de sua empresa, mas este é apenas um exemplo de uma mudança na tecnologia que exige uma mudança na perspectiva e pensamento. Oficinas de máquinas de parafuso terão que se tornar provedoras de produção CNC em corridas curtas com tempos de resposta curtos. Da mesma forma, oficinas CNC terão que transicionar de uma dependência em máquinas simples que fazem manobras de corte complexas para máquinas mais complexas que tiram o máximo de movimentos simples.

Modelo de Oito Fusos para Peças Grandes e Resistentes

Embora o Mori-Say TMZ867 esteja fazendo sua estreia norte-americana na PMTS (28-30 de abril de 2009, www.pmts.com), um modelo já está em exibição no showroom TAJMAC-ZPS na área de Milão, Itália. Esta máquina é usada para demonstrações e para provar peças de clientes. Uma peça testada recentemente exemplifica as capacidades desta máquina e reforça o ponto de que aplicações para processamento multi-fuso estão se movendo em uma nova direção.

A peça é um componente de coluna de direção de aço inoxidável. O alto teor de níquel e cromo do material da peça requer alto torque no fuso. A peça era anteriormente produzida em um torno tipo suíço pesado (cabeçote deslizante). Neste "ponto único", o tempo de ciclo era 60 segundos. No multi-fuso, é 16 segundos. Ambos os tipos de máquinas completam a peça em uma passagem. Segundo o Sr. Tessarzyk, o multi-fuso é tão preciso quanto o torno tipo suíço.

Esta é uma peça inusualmente grande para produção em um multi-fuso. O TMZ867, no entanto, pode acomodar barras de até 72 mm de diâmetro e operar como chucker de frente aberta. Recursos padrão incluem oito fusos horizontais CNC independentes acionados por CA; oito carros compostos independentes (X e Z); oito porta-ferramentas independentes com oito ferramentas acionadas a 12.000 rpm; cinco ferramentas de contra-usinagem (três acionadas); e uma gama de ferramentas VDI padrão pré-ajustáveis.

O sistema de acionamento segue os mesmos princípios pioneiros em seu irmão menor de seis fusos, o TMZ642. Cada um dos oito fusos da máquina é ligado por um eixo composto ao seu próprio motor no tambor do fuso, que emprega um acoplamento Hirth preciso. Isso torna desnecessário reindexar o tambor ao final de cada ciclo de 360 graus; conectar e desconectar os motores aos fusos a cada indexação; ou resfriar o tambor para dissipar o calor gerado pelos motores do fuso.