Thunderdome da Powill: Fixação Eficiente de 5 Eixos para 27 Peças Contorneadas

Conheça o "Thunderdome". O tempo total de ciclo para completar a usinagem das 27 peças contorneadas fixadas neste dispositivo personalizado em uma máquina de cinco eixos é de seis horas. (Créditos da foto: Powill Manufacturing and Engineering)

Às vezes, é preciso ter um pouco de diversão no nosso mundo às vezes sério demais da usinagem de peças de precisão.

Exemplo disso: "Thunderdome".

Thunderdome é o nome dado ao fixador personalizado em forma de cúpula criado pela Powill Manufacturing and Engineering, um dos vários fixadores que a empresa fez desde a compra de sua primeira máquina de cinco eixos em 2011, para melhor aproveitar as mesas rotativas B e C integrais da máquina.

Inicialmente, a oficina de Phoenix, Arizona, usava elevadores para levantar peças fixadas em mordentes convencionais e mandris de três garras para cima e para longe da superfície da mesa C de quase 20 polegadas de diâmetro, proporcionando ao fuso e à ferramenta melhor acesso a essas peças quando orientadas em ângulos incomuns. Em seguida, passou a usar dispositivos de fixação comercialmente disponíveis projetados especificamente para máquinas de cinco eixos, que fixam em pequenos perfis de cauda de andorinha usinados na base dos tarugos. Esses fixadores de cauda de andorinha fornecem força de fixação suficiente para cortes pesados, bem como amplo espaço livre ao redor da peça. A oficina ainda os usa hoje.

Em alguns casos, no entanto, mesmo esses dispositivos não são a fixação mais eficaz para a máquina de cinco eixos.

A Powill percebeu o valor que fixadores personalizados projetados e fabricados internamente oferecem para certos trabalhos, principalmente aqueles envolvendo tolerâncias de posição real e características apertadas e/ou grandes tamanhos de lote. Para estes, a oficina tenta criar fixadores que possam segurar várias peças para maximizar o tempo de atividade do fuso e o tempo de usinagem sem supervisão. Outros fixadores personalizados seguram peças altamente contorneadas ou que não podem ser fixadas eficazmente com dispositivos convencionais. A liderança da oficina acredita que essas aplicações justificam o tempo e o custo necessários para desenvolver tais dispositivos de fixação únicos.

A Powill fez uma variedade de fixadores personalizados para sua máquina de cinco eixos. Este artigo destaca dois. O primeiro é o Thunderdome, que segura 27 peças e foi dedicado a um trabalho complexo de alto volume. O segundo é um fixador de quatro postes que segura quatro peças de uma vez. Interfaces comuns de fixação por cauda de andorinha maximizaram o retorno sobre o investimento neste fixador, tornando-o útil para diferentes trabalhos ou famílias de peças.

A forma de cúpula deste fixador permitiu à oficina fixar todas as 27 peças de uma vez, além de fornecer folga para ferramentas de corte e fuso da máquina.

Incursão no Cinco Eixos

A Powill — que atende principalmente as indústrias aeroespacial comercial e militar — possui máquinas CNC, incluindo centros de usinagem verticais (VMCs); centros de usinagem horizontais (HMCs); um torno vertical (VTL) com mesa de 40 polegadas; tornos multitarefa; e máquinas de retificação, brunimento e furação profunda. Uma alta porcentagem de seu negócio é trabalho de job shop, embora tenha alguns contratos recorrentes.

Kevin Wolfe é o gerente geral da empresa. Wolfe diz que a principal razão pela qual a oficina adicionou seu NMV5000 de cinco eixos da DMG MORI foi para reduzir configurações, permitindo que o fuso acesse cinco lados de uma peça em uma única fixação. Isso é comumente conhecido como usinagem 3+2. A oficina também foi atraída pela capacidade de contorno total de cinco eixos, embora apenas uma parte das peças que rodam nessa máquina exija essa técnica.

Ele diz que outra característica que atraiu a oficina foi a rigidez do design de mesa em mesa dos eixos B e C do NMV5000. A máquina fornece rotação do eixo B de +160 a -180 graus e 360 graus de rotação do eixo C, e a capacidade máxima de carga da mesa é de 661 libras. Também apresenta um design mais aberto do que mesas do tipo trunnion que suportam a mesa C em dois locais, e as peças podem ser viradas de cabeça para baixo para acessar características próximas à base. Neste caso, os cavacos caem inofensivamente em vez de serem recortados, o que pode reduzir a vida útil da ferramenta e prejudicar o acabamento superficial. A capacidade de posicionar peças em ângulos incomuns permite o uso de ferramentas mais curtas e rígidas que podem fazer cortes mais agressivos.

A máquina veio com um assento do software CAD/CAM Esprit. Embora aprender este novo software tenha levado tempo, a simulação de programas de peças provou ser valiosa. O software veio pré-carregado com um modelo CAD do NMV5000 e todos seus componentes móveis principais. Para simular operações de usinagem para um trabalho, programadores CAD/CAM simplesmente adicionam modelos CAD dos dispositivos de fixação e da peça ao modelo da máquina. A simulação identifica possíveis pontos de interferência entre fuso, cortadores, fixadores ou peças, para que esses problemas possam ser corrigidos antes de rodar o trabalho na máquina.

Outro recurso útil de programação de cinco eixos é a Fresagem Composta de cinco eixos, que fornece múltiplos padrões de usinagem e orientações do eixo da ferramenta para controlar todos os eixos simultaneamente para peças complexas. Caminhos de ferramenta ProfitMilling são particularmente úteis para desbaste do eixo Z de fundos cilíndricos, adiciona Wolfe. Esta estratégia é projetada para melhorar a vida útil da ferramenta e o tempo de ciclo, otimizando ângulos de engate da ferramenta e cargas de cavaco.

O software CAD/CAM que veio com a máquina de cinco eixos da oficina foi carregado com um modelo CAD dessa máquina específica. Programadores podem então adicionar facilmente modelos CAD de fixadores e peças para realizar simulação de programa de peça e garantir que não haverá colisões ou interferências com peças orientadas em ângulos incomuns.

Partindo para o Thunderdome

Um trabalho com tamanho de lote de 1.000 peças complexas e contorneadas feitas de Inconel 625 levou a oficina a criar um fixador que pudesse acomodar 27 peças. Na verdade, o fixador foi usinado no próprio NMV5000.

A oficina tentou inicialmente encaixar o máximo de peças possível em um fixador retangular. O desafio com este tipo de conceito de fixação prismática era fornecer folga adequada ao redor de cada peça para todas as operações de contorno de cinco eixos. (Uma vez concluída, não há lados retos nesta peça.) Infelizmente, este design preliminar de fixador só podia segurar no máximo 10 peças.

Wolfe pensou que uma forma de fixador tipo cúpula poderia acomodar mais peças. Dispor elas ao redor de um perfil esférico poderia fornecer acesso adequado, permitindo que mais fossem fixadas de uma vez. O fixador resultante foi criado a partir de material de aço sobressalente que a oficina tinha em mãos e foi montado sobre um elevador retangular. Alguém brincou que parecia a arena Thunderdome do filme "Mad Max Beyond Thunderdome", e o apelido pegou.

Um desafio foi determinar como segurar melhor os tarugos neste fixador. Afinal, fazia sentido começar com tarugo redondo mais próximo da forma final da peça. Para isso, faces planas são usinadas em cada tarugo para permitir que grampos acionados por came da Mitee Bite os segurem. Dois bolsões foram usinados para cada peça, um para o dispositivo de fixação e outro para o tarugo redondo.

Existem outros desafios na criação de tal fixador para segurar múltiplas peças. Por exemplo, as peças devem ser espaçadas o suficiente e posicionadas de forma a fornecer folga adequada ao redor de cada uma. Além disso, deve-se encontrar um equilíbrio entre o número de peças que um fixador comporta e a rigidez geral do fixador. Remover muito material para acomodar um grande número de peças pode limitar tanto a rigidez quanto a agressividade (velocidade) com que essas peças podem ser usinadas.

O Thunderdome foi projetado para segurar peças em duas fileiras. O deslocamento dessas fileiras de bolsões permitiu encaixar alguns bolsões a mais na fileira inferior (15 peças, contra 12 na fileira superior). O tempo total de ciclo para usinar todas as 27 peças fixadas é de seis horas. Após isso, as peças são montadas em mordentes de torno personalizados em um VMC que usina a face inferior e faz o chanfro do lado posterior de um furo passante.

Este fixador possui quatro postes com seus topos angulados a 45 graus. Isso fornece espaçamento e folga suficientes ao redor das peças quando instaladas nos grampos de cauda de andorinha que coronam os postes.

Alternativamente, um fixador de quatro postes que a oficina criou apresenta uma base de alumínio com quatro postes de aço, cada um com uma interface de cauda de andorinha que torna o fixador útil para uma variedade de diferentes trabalhos. Essa versatilidade ajudou a justificar o tempo e o custo de fazer o fixador.

No entanto, o primeiro propósito do fixador foi ajudar a começar o mais rápido possível em um trabalho específico: um bloco de combustível usinado a partir de um tarugo de aço 1215 com quantidades de pedido de lote acima de 300 peças. Este grande tamanho de lote foi a principal razão pela qual a oficina considerou um fixador personalizado que pudesse montar múltiplas peças de uma vez.

O fixador precisava ser rígido o suficiente para lidar com trabalho de desbaste, mas ainda fornecer a folga necessária para operações de gravação e furação de furos de ângulo composto na parte inferior da peça. O topo de cada poste

foi usinado a um ângulo de 45 graus para estender as peças para fora e para longe umas das outras e fornecer a folga necessária para que a ferramenta acessasse todas as cinco faces de cada peça. A capacidade de simulação e o recurso de evasão de colisão no software CAD/CAM foram úteis para garantir folga adequada.

Os tarugos das peças são primeiro preparados em um VMC, que usina perfis de cauda de andorinha na face que requer a menor quantidade de trabalho de usinagem (ou nenhum). Uma vez que os tarugos estão fixados no fixador, o tempo de ciclo para usinar os quatro blocos de combustível (sem remover o perfil de cauda de andorinha e realizar usinagem adicional naquela sexta face) é de 2,5 horas. Para certas características, a mesa do eixo B da máquina é inclinada 135 graus para alcançar características próximas à base das peças. Os perfis de cauda de andorinha são subsequentemente fresados em um HMC, que também usina quatro furos que intersectam as portas criadas na máquina de cinco eixos. Concluir esta peça em um dos HMCs da oficina teria exigido três operações separadas e pelo menos um fixador personalizado. A Powill posteriormente usou este fixador para uma variedade de outras peças.

Antes de instalar este tarugo de bloco de combustível no fixador de quatro postes na máquina de cinco eixos, o recurso de cauda de andorinha e a fenda de pino associada são usinados em um VMC. A oficina diz que esta configuração elimina movimento da peça, mesmo durante operações de desbaste pesado. A fenda de pino também posiciona o tarugo na posição correta no fixador de cauda de andorinha para repetibilidade. Esses recursos são fresados após a conclusão do trabalho na máquina de cinco eixos (mostrado aqui na metade do processo).

Voltando no Tempo

Além de criar fixadores personalizados para novos trabalhos, a Powill usou sua experiência em fixação para transferir trabalhos previamente usinados em equipamentos de três eixos para a máquina de cinco eixos. A oficina também escreveu programas para rodar outras peças no fixador flexível de quatro postes. Consolidar múltiplas configurações para produzir peças em uma única fixação na máquina de cinco eixos não apenas reduz o tempo de produção, mas também melhora a precisão da peça. Na verdade, a Powill também usa sua máquina de cinco eixos para criar fixadores mais precisos para seus equipamentos de três eixos, porque pode usinar características críticas de localização do fixador em uma única configuração com mais precisão.