Dominando Usinagem de Cinco Eixos Automatizada: Soluções Simplificadas

Velocidade de reprodução neste vídeo foi aumentada enquanto o gripper acessava outro palete do rack de armazenamento da máquina.

A Challenge Machine aproveita uma sonda a laser instalada no lado do casting do eixo B basculante de sua nova máquina de cinco eixos para preparação de ferramenta e, durante um ciclo de usinagem sem supervisão, para verificar quebra de ferramenta e rastrear desgaste de ferramenta (para algumas aplicações).

A Challenge Machine de Blaine, Minnesota, especializa-se em usinar peças pequenas e complexas — algumas extremamente pequenas. Faz isso usando uma gama de equipamentos, incluindo tornos tipo suíço de eixo B, VMCs com mesas trunnion que fornecem rotação de quarto e, em alguns casos, quinto eixo, e centros de usinagem de cinco eixos verdadeiros de alta velocidade.

Embora a oficina tenha conseguido realizar longos períodos de usinagem sem supervisão com seus tornos tipo suíço alimentados por barras, até recentemente todo seu equipamento de fresamento requeria carregamento manual de peças. No entanto, sua mais recente máquina de cinco eixos possui um trocador de paletes de fixação integrado e trocador automático de ferramentas (ATC) de alta capacidade para permitir rodar sem supervisão durante o dia e lights-out durante a noite. Além disso, funcionalidade CNC combinada com rotinas de apalpamento por toque simplifica programação porque operações são criadas baseadas em um ponto cinemático que cria um sistema de coordenadas de trabalho.

Deixe Rodar

Jim Betland começou a Challenge Machine em seu porão em 1999. No início, uma grande parte do negócio era dedicada a micromecanização de peças para a indústria de semicondutores. A oficina, recentemente comprada pela Assurance Manufacturing em Minneapolis, ainda foca nas coisas pequenas. (Estou falando em termos de tamanho de peça e atentando a detalhes importantes de micromecanização.) Schreiber diz que as vendas subiram 15% este ano conforme a oficina aumenta seu foco no mercado médico enquanto também mira trabalho aeroespacial.

Segundo a Kern, o Micro Pro — que possui guias hidrostáticos, acionamentos lineares e base de fundição única feita de concreto de ultra-alto desempenho (UHPC) — atinge precisão de posicionamento melhor que 2 mícron e repetibilidade melhor que 1 mícron. Foi projetado com usinagem de peças pequenas em mente, oferecendo percursos XYZ de 350 por 220 por 250 mm, enquanto seu eixo B basculante gira 220 graus. Schreiber nota que sua pegada pequena de 43 pés quadrados é apreciada dado que espaço no chão está atualmente em alta na instalação de 16.000 pés quadrados com controle ambiental da oficina. (Ele diz que esta é uma razão pela qual a oficina provavelmente se mudará para uma localização diferente nos próximos anos.)

Ferramentas de corte e paletes de fixação são armazenados no lado 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 fuso HSK 40 de 43.000 rpm) é de 0,003 polegadas de diâmetro.

O Micro Pro da Challenge Machine usa um sistema de fixação Erowa ponto zero com grampo de potência que fornece precisão de posicionamento repetitiva de menos de 0,0001 polegada. A máquina pode armazenar 30 paletes e 109 porta-ferramentas em seus racks fechados multinível ao longo de um de seus lados. O trocador de peça integral entrega automaticamente paletes com matéria-prima (comumente barras redondas fixadas em pinças no caso da Challenge Machine) para o grampo, e remove e armazena paletes uma vez que peças são completadas.

A capacidade de armazenamento de peça e ferramenta oferece à oficina versatilidade nos tipos de trabalhos que roda na máquina. Por exemplo, ferramentas redundantes podem ser carregadas na máquina quando tamanhos de lote das mesmas ou peças semelhantes são altos. (Schreiber diz que tamanhos de lote para esta máquina tipicamente chegam a 100 a 300 peças.) Inversamente, várias ferramentas diferentes (e paletes com matéria-prima) também podem ser carregadas para que possa rodar concurrentemente uma mistura de trabalhos de baixo volume.

Embora tamanhos de lote para esta máquina sejam aparentemente baixos (muito do trabalho da oficina são protótipos e baixos volumes de produção), tempos de ciclo de peça são frequentemente altos. Às vezes roda sem supervisão por 3 semanas seguidas, e 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 de válvula aórtica com paredes medindo 0,014 polegadas de largura a partir de barra de 1,25 polegadas de diâmetro na qual 97% do material é removido.

Para aplicações como esta e impulsores para bombas de sangue, contorneamento completo de cinco eixos é requerido. No entanto, a oficina também se beneficia realizando operações de posicionamento 3+2 para peças mais prismáticas, em vez de rodá-las em múltiplas máquinas ou realizar múltiplas configurações.

Para oferecer mais confiança para rodar o Micro Pro sem supervisão, a Challenge Machine aproveita a sonda a laser Blum-Novotest que é montada no lado do casting do eixo B basculante da máquina para preparação de ferramenta e, durante ciclos de usinagem sem supervisão, para verificar quebra de ferramenta e rastrear desgaste de ferramenta (para algumas aplicações).

O maquinista Brandon Gill é o programador principal, pessoa de 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 na oficina), embora isso fosse apenas uma questão de se familiarizar com a interface do CNC e onde acessar funções específicas. Ele aprecia funções como a capacidade de programar operações baseadas em um ponto cinemático/sistema de coordenadas de trabalho usando o CNC TNC 640, em vez de programar com deslocamentos de código G G54 ou G55. A oficina usa GibbsCAM para desenvolver programas de peça para esta máquina, como faz com suas outras fresadoras.

Na verdade, Gill nota que capacidades como estas são por que o Micro Pro é sua máquina preferida para programar e operar.

Vendo um Tipo Suíço como Máquina de Cinco Eixos

Esta peça médica complexa levou a Challenge Machine a considerar seu primeiro torno tipo suíço, um que tem um eixo B programável basculante com estações de ferramentas vivas. O modelo escolhido foi um Marubeni Citizen-Cincom L220 que comprou em 2015. A oficina estava rodando a peça de poliéter éter cetona (PEEK) grau médico implantável usada em procedimentos de substituição de joelho em duas máquinas CNC. Uma máquina de cinco eixos fresava grande parte da peça (tempo de ciclo 45 minutos) e uma máquina de três eixos a completava (tempo de ciclo 15 minutos). O L220 foi capaz de completar a peça em 15 minutos.

A oficina descobriu que desenvolver estratégias de ferramentas para este tipo de máquina requer engenhosidade. Diferente de máquinas de fresamento CNC com trocadores de ferramentas de alta capacidade, tipos suíços têm um número limitado de estações de ferramentas. O L220 tem cinco estações de torneamento, três estações de trabalho cruzado para o fuso principal, seis estações opostas (três vivas, três estáticas), oito estações no posto traseiro (quatro vivas, quatro estáticas) e quatro estações vivas no posto de ferramentas do eixo B. Simplesmente não há capacidade para usar especiais como ferramentas de forma personalizadas como a oficina poderia ter usado em uma fresadora. Como resultado, a Challenge Machine tem que ser criativa em como usa fresas esféricas, barras de alargamento, ferramentas de ranhura e similares para criar as características complexas que as peças precisam, como a geometria DI em forma de sino na peça de joelho PEEK.