Onde a usinagem automatizada de cinco eixos não é um desafio

A velocidade de reprodução neste vídeo foi aumentada enquanto a garra acessava outro palete do rack de armazenamento da máquina.

A Challenge Machine aproveita um apalpador a laser instalado na lateral da fundição do eixo B giratório de sua nova máquina de cinco eixos para pré-ajuste da ferramenta e, durante um ciclo de usinagem autônomo, para verificar a quebra da ferramenta e o desgaste da ferramenta (para algumas aplicações).

Blaine, a Challenge Machine de Minnesota é especializada na usinagem de peças pequenas e complexas – algumas extremamente pequenas. Ele faz isso usando uma variedade de equipamentos, incluindo tornos tipo suíço de eixo B, VMCs com mesas de munhão que fornecem rotação de quarto e, em alguns casos, de quinto eixo e centros de usinagem de cinco eixos reais de alta velocidade.

Embora a fábrica tenha sido capaz de realizar longos trechos de usinagem autônoma com seus tipos suíços alimentados por barra, até recentemente todos os seus equipamentos de fresamento exigiam carregamento manual de peças. No entanto, sua máquina de cinco eixos mais recente possui um trocador de paletes integrado e um trocador automático de ferramentas (ATC) de alta capacidade para permitir que funcione sem supervisão durante o dia e sem luzes durante a noite. Além disso, a funcionalidade CNC combinada com rotinas de apalpação simplifica a programação porque as operações são criadas com base em um ponto cinemático que cria um sistema de coordenadas de trabalho.

O maquinista Brandon Gill é o principal programador, responsável pela configuração e operador da Micro Pro. Ele aprecia funções como a capacidade de programar operações com base em um sistema de coordenadas cinemáticas de ponto/trabalho usando o CNC Heidenhain TNC 640 da Micro Pro e a rotina de apalpação, em vez de programar com deslocamentos de código G G54 ou G55.

A máquina automatizada de cinco eixos é uma Micro Pro da alemã Kern Microtechnik (conhecida nos Estados Unidos como Kern Precision, localizada em Addison, Illinois). Aaron Schreiber, gerente geral da Challenge Machine, diz que a oficina vinha considerando essa sofisticada plataforma de máquina há 15 anos, que ele admite não representar um investimento pequeno. No entanto, a oficina decidiu puxar o gatilho no final de 2019 porque estava enfrentando problemas de precisão, repetibilidade e acabamento de superfície para um número crescente de peças médicas que a oficina com certificação ISO 13485 estava executando em algumas de suas máquinas de munhão de cinco eixos. Além disso, ele observa que recursos como canais de resfriamento em toda a nova máquina que atenuam o crescimento térmico também facilitaram a usinagem confiável de peças complexas que normalmente têm tempos de ciclo longos. Isso, além de outros recursos da máquina, dá à oficina a confiança necessária para configurá-la para funcionar sozinha por dias ou até semanas.

Deixe funcionar

Jim Betland iniciou a Challenge Machine em seu porão em 1999. No início, uma grande parte do negócio era dedicada a peças de microusinagem para a indústria de semicondutores. A loja, recentemente comprada pela Assurance Manufacturing em Minneapolis, ainda se concentra nas pequenas coisas. (Estou falando em termos de tamanho da peça e levando em consideração detalhes importantes de microusinagem.) Schreiber diz que as vendas aumentaram 15% este ano, à medida que a loja aumenta seu foco no mercado médico, além de focar no trabalho aeroespacial.

A oficina fabricou uma série de peças de vários materiais no Micro Pro. Em um mês típico, ele executa de 10 a 15 números de peças diferentes em toda a máquina, muitos com tempos de ciclo acima de 3 horas.

De acordo com Kern, o Micro Pro - que possui guias hidrostáticas, acionamentos lineares e uma base de fundição única feita de concreto de ultra-alto desempenho (UHPC) - alcança precisão de posicionamento superior a 2 mícrons e repetibilidade superior a 1 mícron. Ele foi projetado com a usinagem de peças pequenas em mente, oferecendo cursos XYZ de 350 por 220 por 250 mm, enquanto seu eixo B giratório gira 220 graus. Schreiber observa que sua pequena área de 43 pés quadrados é apreciada, uma vez que o espaço físico é atualmente um prêmio nas instalações de 16.000 pés quadrados ambientalmente controladas da loja. (Ele diz que essa é uma das razões pelas quais a loja provavelmente se mudará para um local diferente nos próximos anos.)

As ferramentas de corte e os paletes de fixação são armazenados na lateral da máquina. Esta máquina pode acomodar 30 paletes de fixação e 109 ferramentas. A menor ferramenta que a oficina usou no Micro Pro (que tem um fuso HSK 40 de 43.000 rpm) tem 0,003 polegada de diâmetro.

O Micro Pro da Challenge Machine usa um sistema de fixação de ponto zero Erowa com mandril de força que fornece precisão de posicionamento repetida de menos de 0,0001 polegada. A máquina pode armazenar 30 paletes e 109 porta-ferramentas em seus racks multiníveis fechados em uma de suas laterais. O trocador de peças integrado entrega automaticamente os paletes com matéria-prima (geralmente estoque redondo mantido em pinças na caixa da Challenge Machine) para o mandril e remove e armazena os paletes assim que as peças são concluídas.

A capacidade de armazenamento de peças e ferramentas oferece versatilidade à oficina nos tipos de trabalhos executados na máquina. Por exemplo, ferramentas redundantes podem ser carregadas na máquina quando os tamanhos dos lotes de peças iguais ou semelhantes são altos. (Schreiber diz que os tamanhos de lote para esta máquina geralmente chegam a 100 a 300 peças.) Por outro lado, várias ferramentas diferentes (e paletes com matéria-prima) também podem ser carregadas para que ela possa executar simultaneamente uma mistura de trabalhos de baixo volume.

O trocador de peças integrado entrega automaticamente paletes com material (geralmente estoque redondo mantido em pinças) para a mesa de trabalho e remove os paletes assim que as peças são concluídas. Um sistema de fixação de ponto zero Erowa apresenta mandris de potência que fornecem precisão de posicionamento repetida de menos de 0,003 mm.

Embora os tamanhos dos lotes para esta máquina sejam aparentemente baixos (muito do trabalho da oficina são protótipos e baixos volumes de produção), os tempos de ciclo das peças geralmente são altos. Às vezes, ele é executado sem supervisão por 3 semanas seguidas, e os tempos de ciclo de 3 horas para uma peça não são incomuns. Por exemplo, o Micro Pro completa um componente médico de titânio usado para reparo da válvula aórtica com paredes medindo 0,014 polegada de largura a partir de 1,25 polegada de diâmetro em que 97% do material é removido.

Aqui, um mandril é usado simplesmente para manual descarregamento de peças concluídas e carregamento de material novo.

Para aplicações como esta e impulsores para bombas de sangue, é necessário um contorno completo de cinco eixos. No entanto, a oficina também se beneficia ao realizar 3 + 2 operações de posicionamento para peças mais prismáticas, em vez de executá-las em várias máquinas ou realizar várias configurações.

Para oferecer mais confiança para operar o Micro Pro sem supervisão, a Challenge Machine aproveita o apalpador a laser Blum-Novotest que é montado na lateral do eixo B giratório da máquina para pré-ajuste de ferramentas e, durante ciclos de usinagem autônomos, para verificar se há ferramentas quebra e desgaste da ferramenta de esteira (para algumas aplicações).

O maquinista Brandon Gill é o principal programador, responsável pela configuração e operador do Micro Pro. Ele diz que um pequeno desafio com esta máquina foi se familiarizar com o CNC Heidenhain TNC 640 (o primeiro desta marca da loja), embora fosse apenas uma questão de familiarizar-se com a interface do CNC e onde acessar funções específicas. Ele aprecia funções como a capacidade de programar operações com base em um sistema cinemático de ponto/coordenadas de trabalho usando o CNC TNC 640, em vez de programar com deslocamentos de código G G54 ou G55. A oficina usa o GibbsCAM para desenvolver programas de peças para esta máquina, assim como faz com suas outras fresadoras.

Na verdade, Gill observa que recursos como esses são o motivo pelo qual o Micro Pro é sua máquina preferida para programar e operar.

Visualizando um tipo suíço como uma máquina de cinco eixos

Essa complexa peça médica levou a Challenge Machine a considerar seu primeiro torno tipo suíço, que possui um eixo B giratório e programável com estações de ferramentas energizadas. O modelo escolhido foi um Marubeni Citizen-Cincom L220, adquirido em 2015. A loja operava a peça implantável de polieteretercetona (PEEK) de grau médico usada em procedimentos de substituição do joelho em duas máquinas CNC. Uma máquina de cinco eixos fresou grande parte da peça (o tempo de ciclo foi de 45 minutos) e uma máquina de três eixos a completou (o tempo de ciclo foi de 15 minutos). O L220 conseguiu completar a peça em 15 minutos.

A oficina descobriu que desenvolver estratégias de ferramentas para esse tipo de máquina requer engenhosidade. Ao contrário das fresadoras CNC com trocadores de ferramentas de alta capacidade, os tipos suíços têm um número limitado de estações de ferramentas. O L220 possui cinco estações de torneamento, três estações de trabalho transversal para o fuso principal, seis estações opostas (três vivas, três estáticas), oito estações no poste traseiro (quatro vivas, quatro estáticas) e quatro estações vivas no eixo B ferramenta de postagem. Simplesmente não há a capacidade de usar especiais como ferramentas de formulário personalizado, como a loja pode ter usado em uma fábrica. Como resultado, a Challenge Machine precisa ser criativa na forma como usa moinhos de bolas, barras de mandrilar, ferramentas de ranhurar e similares para criar os recursos complexos que as peças precisam, como a geometria ID em forma de sino na peça de substituição de joelho PEEK.