Usinagem 5 Eixos: 10 Elementos-Chave de Automação para Precisão

A automação é aparente até para olho não treinado ao observar nova máquina de 5 eixos da Phoenix Proto com pool de paletes de 6 estações e sistema de carregamento de paletes (o mesmo vale para uma de suas máquinas de 3 eixos similarmente equipada). Dito isso, existem outros elementos, talvez mais sutis, de automação que compõem o processo de 5 eixos da oficina. Na verdade, são estes elementos que permitem ao processo repetidamente atingir as tolerâncias e acabamentos superficiais requeridos para os componentes de molde de alumínio da oficina enquanto, com intervenção humana mínima ou nenhuma, ajustam para as variáveis inerentes que podem afetar adversamente precisão e vazão de usinagem.

Este ponto sobre vazão é importante, porque o objetivo da oficina em Centreville, Michigan, é fornecer moldes de alumínio montados a clientes dentro de três semanas, então retorno rápido de componentes de ferramentas usinados de qualidade é imperativo.

Bob Lammon, presidente da empresa, diz que alumínio continua sendo comumente usado para fabricar ferramentas de protótipo e "ponte" (moldes usados temporariamente para permitir empresa iniciar injeção de peças plásticas para novos produtos enquanto espera ferramentas de produção de aço serem completadas). No entanto, ele vê interesse crescente em moldes de alumínio usados para produção em vez dos tradicionais de aço.

"Dependendo da geometria da peça injetada e resina, é possível obter 50.000 ciclos de um molde de alumínio não revestido", explica Lammon. "Em alguns casos, isso pode ser suficiente para necessidades de produção. Porém, endurecendo moldes de alumínio a 54 HRC via tecnologia como processo de revestimento duro de níquel Nibore que usamos, é possível obter 1 milhão ou mais ciclos para resina não abrasiva, e talvez 250.000 para resina abrasiva com fibra de vidro."

As aplicações para os moldes que a oficina produz são amplas, incluindo peças para indústrias de eletrodomésticos, automotiva, consumo, médica e armas. Isso leva a alta mistura de tamanhos, features e geometrias de molde que a área de usinagem deve acomodar em curto prazo. Lammon diz que a solução natural pareceu ser automatizar processo de usinagem de alta velocidade de 5 eixos para conseguir longos trechos de produção não tripulada/lights-out para os componentes de molde mais complexos. Isso está realizando, como aprendi durante visita recente à oficina de Michigan.

Adições de Automação

A Phoenix Proto tem três máquinas de alta velocidade e três máquinas CNC convencionais. O primeiro centro de usinagem automatizado que a oficina adicionou foi um Roeders RXP500 de 3 eixos comprado em 2012. Esta máquina de motor linear 42.000 rpm possui sistema de troca de paletes RCE 1 com pool de 6 estações. Agora é usada principalmente para usinar componentes como bases de molde e blocos de cavidade.

Hoje, quase toda usinagem de cavidades e núcleos de molde é realizada no novo Roeders RXP601DSH de 5 eixos com sistema maior de troca de paletes RCE 2. Esta, a primeira e (pelo menos por enquanto) única máquina de 5 eixos da oficina, foi instalada no início de 2016. Como o Roeders de 3 eixos de alta velocidade, também tem fuso de 42.000 rpm e acionamentos lineares com resolução de 1 nanômetro. Motores lineares são chave para movimento rápido, permitindo taxas de avanço rápido de 60.000 mm/min. Também oferecem menos atrito que fusos de esferas, o que leva a menor consumo de energia.

A máquina de 5 eixos com envelope de usinagem de 540 × 635 × 400 mm e peso máximo de peça de 200 kg possui design tipo luneta com giro do eixo A até ±115 graus. O outro movimento rotativo é fornecido pelo prato do eixo C na luneta. Segundo Matt Byers, presidente da Roeders of America, o design de luneta no qual o fuso não fornece movimento de eixo rotativo tende a ser mais rígido que plataformas alternativas de máquina de 5 eixos para permitir cortes pesados. Além disso, o baixo centro de gravidade da peça mantém forças inerciais baixas para mitigar efeitos de tombamento ou inclinação durante movimento de alta velocidade.

Byers também acredita que a tecnologia de controle proprietária da máquina oferece vantagens para o tipo de fresamento de alta velocidade que a Phoenix Proto realiza. Dois parâmetros importantes para facilitar fresamento de alta velocidade eficaz são lookahead e velocidade de processamento de bloco. O CNC PC-based RMS6 da máquina oferece lookahead de 10.000 blocos e velocidade de processamento de bloco de 0,1 milissegundos.

A alta vazão possibilitada pelos tempos de ciclo rápidos da máquina usando técnicas de usinagem de alta velocidade é complementada por todos os elementos de automação incorporados neste processo. Aqui estão 10 elementos de automação que notei durante minha visita:

1. Sistema de carregamento e pool de paletes

O sistema automático de troca de paletes RCE 2 da máquina de 5 eixos tem pool de 6 estações, embora a oficina às vezes fixe mais de uma peça em um palete. Cada palete mede 600 × 400 mm.

A pedido da Phoenix Proto, a pinça do sistema de carregamento foi modificada. Originalmente, não poderia haver sobressalente de peça fora das bordas do palete. Modificando a pinça para pegar pela parte inferior do palete, o sistema agora pode carregar peças maiores. Agora, tamanho da peça é limitado apenas pela capacidade da máquina, não do carregador.

A oficina usa software de gestão de trabalhos da Roeders para agendar e gerenciar trabalhos. Tenta agendar longos para rodar noite e fins de semana, atualmente rodando um turno de 12 horas cinco dias por semana. Alternadamente, tenta garantir que haja trabalhos curtos suficientes configurados para permitir que a máquina permaneça ocupada por conta própria.

2. Máquina

Usinagem de 5 eixos é em si uma forma de automação. Existem dois tipos de processos de 5 eixos: contorneamento e posicionamento (também conhecido como "3+2"). A Phoenix Proto realiza posicionamento 3+2 nesta máquina 75% do tempo. Para isso, a máquina usa seus dois eixos rotativos adicionais apenas para inclinar angularmente a peça e então trava nessa posição. Depois, realiza o que equivale a operação de 3 eixos naquela orientação. Uma vantagem é que isso oferece acesso da ferramenta a cinco lados de uma peça em um único setup. Isso minimiza número de setups, número de máquinas que uma peça poderia ter que rodar, e assim número de vezes que uma peça é "tocada" durante produção (ou seja, é "automação").

Capacidade de inclinação de peça via 3+2 também permite ferramentas alcançarem fundo em peças para criar features difíceis de molde como nervuras profundas. Em alguns casos, isso eliminou operações secundárias de EDM de penetração e necessidade associada de usinar eletrodos. Além disso, porta-ferramentas shrink-fit usados têm diâmetros menores que designs tipo pinça para fornecer folga adicional.

Com 3+2, a oficina também consegue usar cortadores mais curtos e rígidos. Cortes mais rápidos e agressivos podem ser feitos usando ferramentas mais curtas sem tanto risco de vibração ou chatter que pode ocorrer se ferramentas mais longas forem necessárias. Vibração e chatter podem levar a acabamentos superficiais ruins, que no caso da Phoenix Proto exigiriam mais trabalho manual de bancada para componentes de molde ou até trabalho secundário de EDM para alcançar acabamentos de qualidade, estendendo tempo total de produção. A oficina também consegue vida de ferramenta melhorada para fresas de topo esférico, porque quando peças são inclinadas em ângulos diferentes, mais do raio da ferramenta pode ser usado, não apenas a ponta. Usinar em outras áreas do raio e não na ponta (o ponto onde velocidade rotacional é zero) também leva a melhores acabamentos superficiais.

3. Probing por toque

Após nova peça ser carregada na máquina, rotina automática de probing com probe de toque identifica localização de vários pontos na peça ou dispositivo de fixação para estabelecer localização exata da peça na máquina. O CNC da máquina então ajusta automaticamente o sistema de coordenadas de trabalho nativo para correspondê-lo. Isso elimina shimming manual, empurrão de peça e outros deveres consumidores de tempo que seriam necessários para nivelar e alinhar peça para combinar perfeitamente com sistema de coordenadas da máquina.

4. Ciclo de calibração automático

A máquina de 5 eixos tem vários canais de refrigeração em sua base, trilhos, carros, etc., para que esses componentes não expandam devido a fontes internas de calor. No entanto, para adaptar a flutuações de temperatura ambiente dentro de uma oficina (digamos do início do dia ao fim do dia), ciclo de calibração automático usando probe de toque pode ser realizado.

O ciclo de calibração Roeders é realizado diferentemente da maioria dos processos de outros construtores de máquinas-ferramenta, explica Byers. Diz que aqueles ciclos tipicamente requerem que o palete atualmente carregado na máquina seja removido e substituído por outro palete com esfera de ferramenta. Esta esfera é então probed para determinar quanto de deslocamento em sua localização ocorreu devido a mudanças de temperatura ambiente. Inversamente, o ciclo Roeders não requer remoção do palete existente com peça. A máquina tem prismas retificados de precisão em sua fundição do braço da luneta e fundição do motor do eixo C que são probed para determinar quaisquer mudanças de posição e, se necessário, compensar automaticamente essas mudanças. A Phoenix Proto realiza esta rotina de calibração uma vez por mês a menos que um problema seja notado e às vezes a realiza antes de passe de acabamento crítico.

5. Compensação de crescimento do fuso

Byers diz que alguns construtores de máquinas-ferramenta criam algoritmos para cada máquina antes de enviar ao cliente para aproximar quanto seu fuso expandirá em diferentes velocidades e tempos de execução. No entanto, nota que é essencialmente impossível contabilizar todas as várias formas que o cliente pode usar a máquina de um dia para outro. A máquina de 5 eixos da Phoenix Proto tem sistema opcional de compensação automática de fuso para adaptar a expansão (ou contração) do fuso em tempo real. O sistema usa sensor sem contato preso a um braço em L posicionado perto da face do fuso. O sensor com resolução nanométrica detecta quanto o fuso expande ou contrai durante operação e realimenta essa informação ao CNC para ajustar eixo Z para cima ou para baixo para compensar. Isso é especialmente importante para operações de 5 eixos, porque quando uma peça é inclinada, crescimento do fuso pode afetar localização da ponta da ferramenta em todos os três eixos lineares, não apenas em Z. Compensação automática ajuda garantir bons acabamentos superficiais consistentes e blends.

6. Ajuste de ferramenta a laser na máquina

Após cada troca de ferramenta, comprimento e diâmetro da nova ferramenta são medidos automaticamente usando probe de ajuste de ferramenta a laser Blum na máquina. (O probe a laser bem como a esfera de calibração do probe de toque estão localizados fora da área de usinagem no trocador de ferramentas para que estão protegidos contra cavacos e refrigerante.) A oficina especifica banda de tolerância para diâmetro de cada ferramenta. Se o probe detecta que diâmetro de uma ferramenta está fora de tolerância, não permitirá usinagem usando aquela ferramenta. Por exemplo, se fresa de topo esférico de 0,250" mede ±0,0002" muito grande ou muito pequeno, não será usada. Isso se aplica ao comprimento do cortador também.

Antes disso, o laser determina se a ferramenta sendo trocada quebrou. Se a ferramenta quebrou, mas está agendada para ser usada em trabalhos subsequentes na fila do pool de paletes, não parará produção naqueles trabalhos. "Por exemplo, se ferramenta na posição ATC cinco for encontrada quebrada, a máquina removerá a peça na qual aquela ferramenta quebrou, carregará próximo trabalho agendado e rodará aquele trabalho até atingir estágio onde ferramenta na estação cinco seria usada", explica o filho de Lammon, Scott, diretor de operações da empresa e um dos dois que programam e configuram a máquina de 5 eixos. "Então, a máquina removeria aquela peça e passaria para próximo trabalho na fila. Este processo continuaria para cada trabalho carregado."

7. Ajuste de bico de refrigerante

Em vez de usar apenas bicos de refrigerante flexíveis convencionais que devem ser posicionados manualmente, a máquina de 5 eixos tem sistema de entrega de refrigerante que ajusta automaticamente direção do jato de refrigerante para o ponto de corte, não importa quão longa a ferramenta seja. A direção dos bicos é ajustada via código M baseada no comprimento conhecido da próxima ferramenta instalada no fuso.

8. Função de programação auto-inclinação

Chris Claar é gerente de engenharia da Phoenix Proto que também programa e configura a máquina de 5 eixos. Diz que em 2010, a oficina fez estudo de tempo comparando seu software CAD/CAM anterior com software Cimatron. "Mudamos para Cimatron após nosso estudo mostrar economia de 30% no tempo de programação comparado ao outro software", explica Claar. "Um recurso de economia de tempo que apreciamos é a função auto-inclinação de 5 eixos. Como temos todos componentes da máquina bem como peça, fixação e ferramentas modelados em 3D no software, a função auto-inclinação é capaz de determinar em que profundidade o cortador ou porta-ferramenta bateria na peça, e então inclinar automaticamente a peça para prevenir a colisão e permitir que a operação continue." O software também usa aqueles modelos 3D para permitir que programadores realizem simulação offline de operações de usinagem para detectar potenciais colisões.

9. Verificação de sintaxe

Além dos programadores rodarem simulações offline no Cimatron para cada programa, eles também usam função de verificação de sintaxe no controle Roeders que prova automaticamente o programa e pós-processador para identificar quaisquer erros antes que aquele trabalho seja agendado.

10. Reinício de programa

Se há necessidade de parar a máquina no meio de um programa, não é necessário para o programador entrar manualmente no programa postado, buscar número da linha onde a máquina parou e então apagar todo código acima para que reinicie na posição adequada onde parou. Com controle Roeders, operador simplesmente insere número da linha no arquivo de comando, e ele lerá automaticamente através do programa e reiniciará dali.

Tranquilidade da Automação

Embora muito pensamento tenha ido na estratégia de usinagem não tripulada da Phoenix Proto, ela percebe que o inesperado pode ocorrer. Por isso tanto as máquinas Roeders de 3 e 5 eixos são configuradas para enviar alertas de texto ou e-mail com mensagens de erro. Também é possível acessar remotamente os controles das máquinas via software online "Team Viewer", assim como técnicos de serviço da Roeders podem realizar diagnósticos remotos de máquina para ter ideia se componente precisa ser substituído, se drive precisa ser ajustado, etc. (De fato, ajuste de drive pode ser realizado remotamente usando este software, diz Byers.)

Dito isso, a oficina tem outra opção. Pendurou uma câmera do teto entre as duas máquinas Roeders que seus programadores podem acessar via seus telefones para ver o que está acontecendo. Podem mover a câmera e dar zoom em uma máquina ou sua tela CNC para ver (e ouvir) status de trabalhos rodando atualmente. "Tão ocupados quanto estamos agora, vou checar no telefone certos horários durante a noite, porque máquina parada pode realmente colocar uma ruga no nosso cronograma", diz Claar. "É como se eu estivesse parado na máquina."