Maximizando Eficiência: Capacidades de Centros de Usinagem Horizontal para Usinagem de Peças Grandes

Plataformas versáteis processam com máxima eficiência

Centros de usinagem horizontais (HMCs) são plataformas versáteis de quatro eixos e, cada vez mais, cinco eixos que maximizam o processamento de peças grandes multi-lados minimizando o manuseio de peças. São usados em indústrias tão diversas quanto aeroespacial, automotiva, geração de energia e engenharia geral.

Com suas capacidades de produção quase universais, HMCs oferecem muitas opções aos fabricantes, tornando-os menos suscetíveis aos ciclos de alta e baixa de qualquer setor, como petróleo e gás. HMCs são facilmente automatizados. Geralmente equipados com paletes gêmeos para peças montadas em tumstone, peça única, ou podem ser automatizados com pools de paletes de seis ou mais paletes. Para produção lights-out sem supervisão, sistemas flexíveis de manufatura lineares (alimentados por estocadores e atendidos por robôs guiados por trilho, guindastes aéreos ou robôs de seis eixos montados em pedestal) estão disponíveis. Peças únicas grandes variam de blocos de motor a brocas de campo de petróleo, carcaças de bombas e coletores, e famílias de componentes montados em tumstone.

Compatibilizando Máquinas, Peças Grandes

Quando se trata de usinar peças grandes, a rigidez da máquina e sua construção fundamental são críticas para eficiência do processo, precisão e consistência, segundo Sal Swierczek, gerente assistente de vendas, Kitamura USA Inc., Wheeling, Illinois.

"A série HXiG de HMCs da Kitamura varia de 250 a 1250 mm de mesa com fusos de 8.000 rpm ou 12.000 rpm, acionamento por engrenagens de quatro passos, que entregam 430 a 900 ft-lb de torque para corte de materiais exóticos", disse ele. "Estes HMCs apresentam fusos de esferas duplos refrigerados a óleo em guias retangulares que são endurecidos e retificados por indução internamente, segundo processo patenteado da Kitamura para acabamento superficial sub 4 µm para acoplamento superior, precisão e confiabilidade a longo prazo. Artesanato em técnicas de raspagem manual permite precisões consistentes de ±0,002 mm curso total e ±0,001 mm repetibilidade."

A primeira consideração, claro, é que a peça caiba no envelope de trabalho da máquina, seja carregando uma peça na mesa ou múltiplas peças para aumentar produtividade, segundo Swierczek. "Critérios-chave de seleção de máquina incluem capacidade da máquina (incluindo tamanho geral), potência do fuso, rigidez, número de ferramentas, seleção de tamanho do magazine, e taper e tamanhos de ferramenta", disse ele. "Máquinas horizontais da Kitamura têm APC [trocador automático de paletes] padrão de duas estações com opção de aumentar número de paletes com pools de paletes no campo."

Swierczek acrescentou que "a capacidade de automatizar responde a um dos desafios enfrentados pelas oficinas hoje, que é a dificuldade em encontrar operadores qualificados e força de trabalho que possa lidar com usinagem lights-out."

Centros de usinagem horizontais oferecem flexibilidade muito necessária no processamento de peças. "Comparado com centro de usinagem de três eixos, centros de usinagem de quatro eixos completos minimizam manuseio de peças, reduzindo o número de vezes que uma peça precisa ser virada de seis para duas", disse Swierczek. "Com o quarto eixo no centro de usinagem, o operador pode acessar a peça pela frente e ambos os lados e depois reposicioná-la para processamento final."

Além disso, HMCs da Kitamura podem ser expandidos para usinagem de cinco eixos completa conforme o negócio da oficina cresce. A Kitamura oferece seu próprio controle CNC Arumatik-Mi, orientado por ícones, compatível com programação FANUC. O controle Arumatik-Mi detecta desgaste de ferramenta e controla taxa de avanço de corte automaticamente monitorando carga do fuso ao vivo durante usinagem. Vida da ferramenta é maximizada e tempo de ciclo encurtado dramaticamente adaptando-se à mudança nas condições de corte. Benefícios adicionais incluem redução de tempo não produtivo e prevenção de colisões de máquina e/ou erro humano.

Máquinas para Peças Grandes

Para usinagem de peças grandes, a Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., oferece duas linhas de centros de usinagem horizontal: Niigata e KIWA Japan. "A linha KIWA Japan é conhecida por usinagem de alta velocidade e alta confiabilidade tipicamente para job shops e oficinas Tier One e Tier Two automotivas", disse Dale Hedberg, vice-presidente de operações. "A linha de produtos Niigata é projetada para aplicações de corte pesado onde usinagem de baixa frequência e altas taxas de remoção de metal são requeridas."

A linha de produtos Niigata inclui os cinco eixos HN50E-5X e HN63E-5X, os quatro eixos HN50 até HN1600, HN800 até HN1600-BAR e HN800 e HN1000-FC máquinas de faceamento e contorno. Plataformas de máquina são de 500 mm a 1.600 mm em tamanho de mesa. Tapers de fuso são CAT-50 BIG Plus, HSK100A, com opções de fuso de 6.000, 8.000, 12.000 e 15.000 rpm.

"A indústria agora tende para plataformas de cinco eixos em centros de usinagem horizontais, que a Niigata oferece em tamanhos 500 e 630 mm", disse Hedberg. "Nas indústrias aeroespacial e de energia, a Niigata foca em aplicações de usinagem de baixa frequência, que beneficiam-se das características naturais de amortecimento das máquinas. Usinagem de baixa frequência está se tornando frase popular quando se trata de usinagem de alto torque de titânio e Inconel para melhor vida de ferramenta e longevidade do fuso", explicou.

A capacidade de amortecer vibração de forças de corte é inerente naturalmente nos fundidos da máquina e superfícies de contato metal-metal que são raspadas manualmente para acabamento de superfície de acoplamento. Aplicações típicas nos campos de energia e geração incluem flanges, cabeças de fraturamento e blisks, segundo Hedberg.

Na usinagem de peças grandes com HMCs, precisão diamétrica do deslocamento em cada eixo e rigidez são especialmente importantes para alcançar precisão e repetibilidade. Disse Hedberg: "A beleza da usinagem de cinco eixos é que você não precisa de fixação elaborada ou dispositivo de fixação customizado a menos que esteja usinando uma peça única que possa requerer fixação tipo janela ou algum método especial de fixação."

HMCs Focados em Aplicação

A Mitsui Seiki USA Inc., Franklin Lakes, N.J., busca demanda do cliente para desenvolvimento de novos centros de usinagem horizontais — especificamente nos modelos atuais mais procurados para aplicações de usinagem de peças grandes, segundo Robb Hudson, presidente. "Hoje, a demanda por peças grandes definitivamente vem da aeroespacial, que é um grande motor agora, tanto na família de peças de motores a jato quanto componentes estruturais. Outros mercados-alvo incluem molde e matriz, espaço exterior e defesa e setores de turbinas a gás industriais", disse ele.

"Nossos centros de usinagem horizontais, com paletes de 1 m e maiores e configurações de mesa complementares que acomodam pesos de 1.000 a 10.000 lb [453-4.535 kg], são considerados nossas máquinas de peças grandes. É importante notar que nossas máquinas nesta faixa de tamanho todas decorreram de clientes impulsionando o desenvolvimento. Não criamos as máquinas e depois buscamos mercados. Todas são derivadas da necessidade de um cliente para uma aplicação específica."

Para serem consideradas para manufatura de peças grandes, máquinas da Mitsui Seiki compartilham as mesmas características técnicas principais. Disse Hudson: "Há duas categorias em minha mente — peças grandes que também requerem grande remoção de material e peças que são simplesmente desajeitadas e requerem cortes mais leves. A Mitsui Seiki atua no setor de peças grandes que requer corte pesado de materiais duros. Como tal, nossas máquinas têm muita massa, rigidez, guias retangulares grandes, fusos de esferas de grande diâmetro para empuxo amplo, torque axial robusto e servomotores especiais para mover a peça no envelope de trabalho e acomodar as forças de corte necessárias."

Todas estas características, mais precisão de controle e construção são requeridas para entregar o desempenho adequado para a aplicação, segundo Hudson. Ele acrescentou que o dispositivo de fixação é elemento importante na manufatura de peças grandes, e frequentemente é tão substancial e pesado quanto a peça que está segurando.

Automação Facilitada

Embora configurar automação com qualquer tipo de máquina seja complicado, HMCs parecem mais fáceis de automatizar devido ao volume de sua produção, segundo Mel Gay, gerente regional de vendas, YCM Technology (USA) Inc., Carson, Calif.

"A velocidade de recuperação dos dólares investidos é sempre a preocupação principal na compra de HMC", disse ele. "Tamanhos populares são 500/630 mm com capacidade mínima de 60-120 ferramentas para job shops pequenas, e 240 ferramentas ou mais para grandes fábricas. Maiores capacidades de ferramentas permitem trabalhos mais complexos com tempo mínimo de setup, especialmente com configuração de célula multi-palete."

Na IMTS, a YCM exibiu o NH500A 6 APC, visando indústrias como automotiva que produzem altos volumes de peças. O NH500A tem fuso de 30 hp, 20.000 rpm e palete de 500 x 500 mm.

"A produtividade começa com a fundação T-base altamente rígida com construção nervurada", disse Gay. "A YCM combina esta fundação junto com cabeçote de fuso fundido em uma peça e design de coluna de parede dupla. O fuso de acionamento direto apresenta rolamentos de esferas cerâmicos de precisão, permitindo maior dinâmica de corte e velocidades de fuso mais altas."

Guias de roletes de alta precisão em todos os eixos permitem taxas rápidas de 2.362 ipm (60 m/min) e taxas de avanço de corte até 1.575 ipm (40 m/min), segundo Gay. O sistema de indexação de palete de precisão acomoda APC de seis paletes para alta vazão de um único componente ou famílias de peças.

"Todas estas características permitem utilizar o mais recente em tecnologia de ferramentas de corte, melhorando processamento de peças e reduzindo custo total de propriedade", disse ele.

HMCs de Peças Grandes Fabricados na América

A DMG Mori, Hoffman Estates, Illinois, fabrica quatro modelos de centros de usinagem horizontais em sua fábrica em Davis, Califórnia. O NHX 4000 e NHX 5000 são máquinas de terceira geração, taper 40, com paletes de 400 e 500 mm; o NHX 5500 e NHX 6300 são de segunda geração, taper 50, com paletes de 500 e 630 mm.

"Nossos horizontais são projetados para ambos requisitos de corte pesado e alta precisão de nossos clientes nas indústrias de energia, aeroespacial, equipamentos industriais e manufatura por contrato", disse John McDonald, vice-presidente executivo de desenvolvimento e gestão de produto.

Peças típicas incluem grandes válvulas e peças de turbina para indústria de energia; carcaças de motor, diferencial e transmissão em equipamentos industriais; e componentes estruturais em aeroespacial. Materiais variam de titânio ou aço inoxidável a ferro fundido ou alumínio — tudo dependendo da aplicação.

"Nossos clientes estão alcançando alta produtividade através de automação utilizando sistemas de pool de paletes para produção high-mix ou com carregamento robótico dedicado usando nossa hidráulica de fixação through-table integrada que vem padrão em nossos centros de usinagem horizontais", disse McDonald. "Usinagem de peças grandes e corte pesado dependem de estrutura de máquina otimizada. Todas nossas máquinas horizontais têm estrutura totalmente otimizada por elementos finitos, incluindo estrutura de cama de ferro fundido de apoio de três pontos heavy-duty, fuso powerMASTER (máquinas taper 50) e guias lineares de roletes. Escalas lineares são padrão em todas nossas máquinas, permitindo que clientes mantenham a mais alta precisão ao longo da longa vida da máquina."

O fuso powerMASTER padrão taper 50 é 12.000 rpm com versão opcional de alta velocidade 16.000 rpm. O NHX 6300 também tem fuso opcional de 8.000 rpm, alto torque, disponível para corte pesado de metais difíceis de usinar, como materiais exóticos e ferro fundido pesado.

A interface de controle CELOS da DMG Mori oferece seleção de aplicações para otimização de processo. Em consonância com iniciativas Industry 4.0, a interface CELOS simplifica e acelera todas as etapas de processamento de peças, da ideia ao produto final, tanto para manufatura de peças únicas até produção em massa serial.

Apps CELOS permitem gestão consistente, documentação e visualização de dados de trabalho, processo e máquina, bem como vinculação de oficina e estruturas empresariais de nível superior, criando base para produção digitalizada e sem papel consistente, segundo DMG Mori. Esta funcionalidade pode ser alcançada até mesmo de computador de escritório com versão CELOS PC.

"Também oferecemos ciclos de tecnologia que permitem nossos clientes realizar facilmente processos complexos de usinagem", disse McDonald. "Por exemplo, Controle de Vibração de Máquina (MVC) permite ao operador encontrar avanços e velocidades de corte estáveis durante usinagem pesada. Controle de Proteção de Máquina (MPC), por outro lado, fornece monitoramento de vibração do fuso, monitoramento de carga de ferramenta e detecção de colisão para prevenir ou reduzir danos. Ao coletar e analisar estes dados, a interface de controle CELOS está ajudando oficinas a maximizar produtividade, alcançar precisão ainda maior e manter fusos rodando mais horas por dia", disse McDonald.

Capacidade na Construção

Centros de usinagem horizontais da Okuma, como o MA-600HII, são escolhas populares para indústrias automotiva, molde e matriz, energia e aeroespacial, segundo Errol Burrell, especialista de produto de centros de usinagem, Okuma America Corp., Charlotte, N.C.

"Eles entregam precisão e estabilidade para usinar peças grandes devido à sua estabilidade térmica consistente", disse ele. "Máquinas são testadas para seu perfil térmico e dados sobre possível deformação térmica são retroalimentados ao controle em tempo real para qualquer compensação necessária através do software TAS (estabilizador de eixo térmico) da Okuma."

O MA-600HII é uma máquina taper 50 com fuso de 6.000 rpm e magazine padrão de 40 ferramentas que pode ser atualizado para 60 ferramentas e até 285 ou 400 ferramentas, sendo ideal para job shop ou manufatura de produção. O MB-8000H é virtualmente a mesma plataforma com mesa de 800 mm, e o próximo tamanho acima é o MB-10000H com design box-in-box em vez de coluna.

Máquinas Okuma são raspadas manualmente em cada superfície de acoplamento para maior precisão e produtividade por prazo mais longo para custos reduzidos e máxima lucratividade, disse Burrell.

Componentes típicos de campo de petróleo como carcaças de bomba beneficiam-se da capacidade exclusiva Turn-Cut da Okuma. "Para carcaças de bomba, nossa capacidade Turn-Cut permite que um flange seja torneado em centros de usinagem horizontais Okuma", disse Burrell. Turn-Cut é uma opção de programação disponível em HMCs Okuma que permite à máquina criar furo e diâmetros que incluem características circulares e/ou angulares. Isso permite aos usuários torneir características em peças grandes e desbalanceadas na mesma plataforma onde funções padrão de usinagem CNC são realizadas. Turn-Cut elimina a necessidade de comprar máquinas de propósito especial, ferramentas, fixações ou componentes adicionais.

Turn-Cut não afeta desempenho ou longevidade das máquinas. Quando fresamento pesado é requerido, o HMC Okuma equipado com Turn-Cut continua tão capaz quanto antes, segundo Okuma. Peças como válvulas, tubos ou peças tipo manifold são candidatas ideais para Turn-Cut.

Na IMTS, a Okuma exibiu seu sistema automatizado de palete vertical Tower Pallet. Ele estoca doze paletes de 20 x 20" (500 x 500 mm), cada um com capacidade máxima de carga de 1.100 lb (500 kg) em dois níveis. O sistema APC integrado entrega tempos rápidos de carga/descarga com sistema giratório acionado por servomotor para operação lights-out, disse a empresa.

Quarto Eixo Completo, Automação

A Mazak Corp., Florence, Ky., oferece linha completa de HMCs além de seus grandes centros de usinagem verticais estilo ponte, cinco eixos verticais com torneamento (INTEGREX) e sua máquina VARIAXIS de cinco eixos estilo luneta, segundo o especialista de produto Jared Leick.

"Usinagem de peças grandes com fusos taper 50 é feita em máquinas com mesas/paletes de 800 a 1.600 mm, incluindo nossa série Quill HMC com mesas de 1.250 a 1.600 mm, bem como nosso HCN-6800, com mesa de 630 mm para grandes blocos de motor para componentes automotivos e de energia."

A linha taper 50 inclui três modelos adicionais na série (HCN-8800, HCN-10800 e HCN-12800), com 10.000 rpm padrão e opcionais 8.000 rpm e 6.000 rpm fusos de 50 hp para usinagem de alto torque de titânio, aço inoxidável e outros metais exóticos. Para usinagem de grandes peças estruturais de alumínio para indústrias aeroespacial e semicondutores, fuso de 16.000 rpm está disponível, disse Leick.

A Mazak oferece HMCs de quatro eixos completos, que representam cerca de 60% de todos HMCs vendidos pela empresa, disse ele. HMCs de quatro eixos com posicionamento padrão de 0,0001° permitem girar fixação de dois ou quatro lados para furação de ângulos compostos, indexação de 90° e rotação de volta. Operação de quatro eixos completa permite contorneamento e pode ser usada para reduzir tempo de ciclo, tornando processamento mais fácil, especialmente para peças complexas.

Automação disponível inclui Sistema PALLETECH da Mazak, que pode acomodar grande número de máquinas em configuração FMS e robô guiado por trilho, junto com novo sistema de automação single-machine Multi-Pallet Pool (MPP) da Mazak para máquinas de 400 e 500 mm. "Automatizamos HMCs com robôs FANUC de seis eixos em trilho que posicionam peças em diferentes estações para marcação a laser, lavagem e rebarbação", disse Leick.

O HMC Mazak HCN-5000 agora está disponível com sistema MPP da empresa, solução básica de automação em footprint compacto. Oficinas que não têm espaço no piso para acomodar estocador linear horizontal convencional agora têm capacidade de automatizar para produção contínua, segundo Leick.

MPP oferece conveniência de um sistema PALLETECH maior da Mazak ocupando até 30% menos espaço. Servomotores em cada eixo, bem como arranjo de paletes em dois níveis que mantém cada palete à mesma distância do centro do estocador, garantem carregamento/descarregamento rápido e estável, disse ele.

Projetado para expandir conforme necessidades de produção crescem, fabricantes podem reconfigurar estocador padrão de 10 paletes do sistema para abrigar 16 paletes para maior produção. Com operações de peças grandes e pesadas do HCN-5000 em mente, a Mazak fez este MPP mais recente sua maior versão em termos de capacidade de tamanho de peça. O sistema abriga paletes de 500 mm² que acomodam peças até 800 mm de diâmetro e 1.000 mm de altura.