A vantagem dos centros de usinagem verticais

Os fornecedores de centros de usinagem verticais estão olhando para 2022 com otimismo. Eles esperam maior uso de automação e maior conscientização sobre os benefícios da usinagem com mais de três eixos.

Chegar a mais lados de uma peça em uma ou duas configurações é apenas parte da proposta de valor dos VMCs, de acordo com os fabricantes de equipamentos. Automatizar com um robô na frente da máquina ou adicionar um eixo rotativo ajuda a garantir a produtividade, enquanto o entendimento da cinemática da máquina – como a máquina se move ao longo do tempo – é fundamental para a reprodutibilidade.

Uma ampla gama de opções, de máquinas de três eixos mais simples a cinco eixos - ambas 3 mais 2 e, em menor grau, versões contínuas - oferece às oficinas uma variedade de oportunidades para trazer os VMCs para execuções de baixo e alto volume . E as oportunidades para a produção de peças recolocadas oferecem mais um incentivo.

Os negócios da VMC são bons

Em primeiro lugar, apesar da incerteza e da política confusa em torno da pandemia do COVID-19, à medida que se arrasta para um terceiro ano de tumulto, a demanda por VMCs é forte. No entanto, a oferta é, sem surpresa, uma preocupação.

“A indústria está muito quente”, afirmou Jeff Wallace, gerente geral de engenharia nacional da DMG Mori USA em Hoffman Estates, Illinois. “Estamos vendendo tudo o que não está estragado. Nós estamos vendendo coisas que são parafusadas. O bom problema é que estamos vendendo tudo o que temos; o problema ruim é que os prazos de entrega de quatro a seis semanas se estenderam para quatro a seis meses.”

Os VMCs são populares em várias aplicações, disse Wallace, mesmo com “alguns centros de produção de baixo volume onde estamos fazendo algumas peças prismáticas simplistas. Mesmo as máquinas verticais de três eixos estão em alta demanda.”

Dada a escassez de mão de obra que só foi exacerbada pela pandemia, a automação de VMCs tornou-se uma das principais preocupações.

“Frequentemente, vemos nas verticais que podemos adaptar um eixo rotativo para que possamos chegar a mais de um lado da peça. Os clientes estão procurando automatizar o máximo que puderem, até mesmo automatizar alguns dos centros de usinagem vertical de três eixos. Adicionando um eixo giratório ou mesmo um eixo giratório duplo para poder virar a peça e chegar ao outro lado para não precisarmos tirá-la de um torno e levá-la para outro torno - seja naquela máquina ou em outra máquina - é muito popular agora. Os clientes estão analisando como podem otimizar esses VMCs e obter mais produtividade deles.

“O bom dos VMCs é que eles são relativamente baratos e fáceis de configurar. Você os deixa cair no chão, e a maioria tem um sistema de nivelamento de três pontos. Para um cliente entrar em um VMC, especialmente para produção de curto prazo, é muito econômico. A demanda é alta para quase todos os nossos produtos – e isso é bom para o setor. Não somos os únicos; todos os outros construtores estão vendo condições semelhantes. A torta é bem grande e estou feliz que a indústria esteja saudável.”

Usando sua calculadora de ROI, a DMG Mori ajuda a ilustrar como seus VMCs podem ajudar as lojas a melhorar seus resultados financeiros – principalmente “com toda a relocalização em andamento. Estamos vendo muitos produtos voltando para os EUA - peças prismáticas de baixo custo que compramos do outro lado do mar nos últimos 20 anos. Lojas de pequeno e médio porte tornaram-se muito eficientes na fabricação desses componentes de commodities – coisas que um VMC é muito adequado para fazer.

“A ressalva é a mão de obra e se você quer automatizar:é colocar um robô simples na frente da máquina ou colocar no eixo rotativo? Temos um grupo de automação interno ao DMG Mori e os cobots estão começando a decolar nessas plataformas VMC. Nem precisamos adicionar algo tão simples como um cilindro de ar na porta; vamos deixar o robô abrir a porta.” Ao tomar essas medidas, disse Wallace, os clientes estão vendo ganhos de produção de 5% a 6%.

Os VMCs de vários eixos estão se firmando nos EUA, concluiu ele - explodindo, de fato, com a DMG Mori vendo um aumento de dez vezes nas vendas nos últimos dois anos. A Europa inicialmente teve a vantagem na adoção, disse ele, mas “no estilo americano típico, quando acordamos, é como, 'OK, saia do caminho'. Como as pessoas não querem fazer o trabalho ou não conseguimos encontrar talentos, como minimizar essa interação com a máquina para fazer uma peça? É aí que o multieixo brilha. Se eu puder preparar minha barra corretamente, talvez nunca precise tocar nessa parte novamente até que ela esteja completa.”

Facilitar a automação é o controle da interface homem-máquina do Celos da empresa, que permite que os operadores das máquinas manipulem rapidamente uma variedade de robôs para executar várias tarefas. “Desenvolvemos aplicativos que, se você colocar um robô na frente de uma máquina, o operador não precisa ser um programador de robôs. Há uma interface gráfica de usuário de arrastar e soltar para ajudar os operadores a programar. Nosso objetivo é colocar essa tecnologia nas mãos das pessoas para que elas não fiquem tão cautelosas com a automação, mas se sintam confortáveis ​​com ela.”

A vantagem do VMC

Geralmente mais fáceis de instalar, os VMCs “geralmente estão em funcionamento em um período mais curto de tempo e oferecem menos interrupções nos negócios do dia-a-dia”, explicou o COO da Mitsui Seiki, Bill Malanche. “Eles também são geralmente menores em tamanho do que muitos horizontais, reduzindo o uso geral do valioso espaço da fábrica. O design de nossas máquinas oferece às lojas e grandes fábricas mais capacidade em uma plataforma menor. Em nossa linha Vertex de VMCs, o eixo Y oferece um curso maior que o eixo X, tornando a largura total da máquina menor. A maioria dos VMCs são tipicamente mais largos do que profundos.”

Ao longo de sua carreira, lembrou Malanche, ele instalou dezenas de máquinas verticais em empresas nos EUA e no exterior. “Até hoje, ocasionalmente, encontro um cliente em uma feira comercial que se lembra de mim instalando sua máquina e diz que ainda a possui, e ainda possui alguns décimos.”

A Mitsui Seiki enfatiza as máquinas do tipo jig bore projetadas para ter precisão ultra-alta em um envelope de trabalho apertado, observou ele, tornando-as ideais para produção de alto valor e baixo volume.

“Temos um cliente que está produzindo componentes aeroespaciais complexos que exigem tolerâncias extremamente rígidas”, explicou Malanche. “As máquinas verticais que estão usando estão produzindo uma família de peças projetadas não apenas para produção, mas também para suporte contínuo em campo. Esse ambiente significa que as máquinas podem ser usadas para fins de produção de peças um dia, mas podem inesperadamente ser forçadas a serem trocadas para compensar os requisitos de suporte de campo.

“Este cliente tem maquinistas qualificados produzindo as peças, mas o nível do trabalho não é adequado apenas para acertar o 'início do ciclo'; as peças de trabalho têm vários furos integrados e verificações de processo que precisam ser feitas à medida que as peças estão sendo produzidas.” Esse cliente começou com cinco VMCs Mitsui Seiki e agora tem 16 em sua operação.

Nos casos em que as peças devem sair das máquinas para inspeção CMM “em processo” para ir de operação em operação, Malanche disse, “ajudamos o cliente a semi-automatizar os processos, onde eles poderiam organizar as máquinas com base de fixação 'ponto zero' placas para permitir que as mesmas peças sejam transferidas de máquina para máquina e para a CMM com o mínimo de configuração e tempo de verificação.”

Às vezes, pequenas melhorias opcionais podem ser feitas nos VMCs de linha de base para ajudar na automação. Itens como apalpadores de ferramenta e apalpadores de fuso podem ser usados ​​para acelerar as trocas, e incorporar placas de base de ponto zero altamente repetíveis pode adicionar versatilidade.

“Mas acho que a maior vantagem está em ter máquinas equipadas para usinagem de cinco eixos”, afirmou Malanche. “Embora adicionar um quinto eixo à maioria dos VMCs seja geralmente caro, o investimento vale a pena e, às vezes, é pago rapidamente com aplicativos críticos. O advento do equipamento de mesas rotativas de cinco eixos de alta precisão embutidas na estrutura da máquina permite aos fabricantes a vantagem de ainda mais versatilidade no fluxo do processo.”

A Mitsui Seiki projetou suas plataformas VMC para lidar com muitos desafios de fabricação exclusivos, continuou ele. A linha de base da série Vertex de cinco eixos da empresa é oferecida em três tamanhos para manusear peças de 500 mm a 1200 mm de diâmetro. “Nós os construímos com adaptações destinadas a enfrentar muitos desafios de fabricação e novas metodologias. Nossas máquinas não são construídas em uma plataforma comum apenas com fusos de esferas estendidos para cursos maiores; estes são construídos em fundições de ferro individuais projetadas para anos de serviço e vida útil. Nossa versão menor, a Vertex 550-5X com mesa rotativa de 400 mm, pesa 20.000 libras, e a Vertex 100X é o triplo dessa quantidade. Estas não são máquinas VMC ‘descartáveis’.”

As máquinas Vertex são construídas com opções como motores de eixo rotativo do tipo acionamento direto, necessários para melhorar o controle de contorno no mercado de aerofólios, acrescentou. “Temos máquinas de plataforma combinada projetadas para capacidade de multiprocessos, como deposição de metal aditiva/subtrativa, moagem e moagem e o processo de eletroerosão de alta velocidade chamado Blue Arc, que está sendo licenciado pela General Electric.” Com essas opções, os usuários estão cortando materiais como cerâmica, grafite, alumínio, titânio, Inconel e muito mais.

Esse tipo de flexibilidade está ajudando os VMCs a reafirmar seu lugar no mercado, onde ao longo dos anos as exigências de maior produção, juntamente com a capacidade de trabalho reduzida, abriram caminho para os HMCs assumirem. “No que parecia um período de tempo relativamente curto, a necessidade de VMCs ficou em segundo plano em relação aos HMCs com trocadores de ferramentas maiores, trocadores de paletes e sistemas de fabricação flexíveis completos”, disse Malanche. “Trinta anos atrás, a maioria das oficinas de produção média a semi-alta dependia fortemente de VMCs por vários motivos, incluindo tempo de configuração, facilidade de acesso, facilidade de manutenção, disponibilidade de trabalhadores qualificados e mix de produtos. Os VMCs recuperaram uma nova vida no mercado de fabricação de peças de alta precisão.”

Máquinas em movimento

O conceito crítico de cinemática, ou como uma máquina se move, é algo que a YCM Technology USA em Carson, Califórnia, enfatiza com sua calibração de cinemática integrada para o mercado norte-americano. Esses pacotes - com apalpadores de toque e medição de comprimento de ferramenta e esferas de ferramentas - serão padrão nas máquinas de 3 mais 2 ou cinco eixos contínuos da YMC, disse Brian Huff, gerente de desenvolvimento de negócios do Centro-Oeste.

À medida que uma máquina executa suas funções, a precisão pode mudar, observou Huff, e “é comum que um operador pense que a máquina não é precisa ou que a coleta não é precisa”. Para resolver isso, é necessário definir centros de rotação para o quarto e quinto eixos e poder calibrá-los. Historicamente, os fabricantes podem definir o centro de rotação como parte da instalação da máquina, disse ele. “Se o cliente tiver dificuldades com a precisão, isso exigirá uma chamada de serviço e eles voltarão para redefinir esses centros de rotação – o que pode ser caro. Coisas acontecem, máquinas se movem, o peso da peça muda – e outras dinâmicas estão em jogo. Alguns fabricantes abraçaram mais prontamente a importância da calibração cinemática. Portanto, nosso interesse é facilitar para nossos usuários e operadores; não vai exigir uma chamada de serviço e você tem a máquina no mais alto nível de precisão.”

Com que frequência os VMCs devem ser calibrados? Pode ser uma vez por semana, uma vez por mês ou até diariamente, dependendo da aplicação, aconselhou Huff.

“Dizemos aos nossos clientes que, se você tiver um trabalho mais crítico e notar mais desvios, execute o programa de cinemática. Se você estiver executando um trabalho de tolerância próxima, execute a cinemática; execute-o antes do trabalho, execute-o diariamente para ter certeza. Se você estiver vendo um desvio de 0,0005" ao longo de uma semana, talvez execute-o semanalmente. ” Isso se traduz em 0,0127 mm.

Idealmente, Huff gostaria de “fazer da cinemática uma conversa normal” e tentar ajudar a preencher a lacuna entre as empresas que definem os centros de rotação na instalação e aquelas que pensam que a calibração da cinemática deve ser facilmente acessível e executada rapidamente. “Está se tornando um modo de vida para todos os fabricantes.”

Outra maneira pela qual a YCM aborda a precisão é por meio de sua parceria com a Kessler, cujos fusos e cabeçotes estão aparecendo nas máquinas verticais YCM para lidar com a força de fixação dos eixos A e C ou B e C e manter a rigidez na ponta da ferramenta de corte. “Nosso fuso padrão em nossa máquina de moldes de cinco eixos de coluna dupla atinge o pico de 54 hp”, disse Huff, ou 40,2 kW. “É um HSK 100, com 16.000 RPM, que produz potência total a 2.500 RPM. A alta rigidez, torque, RPM e potência tornam a configuração do cabeçote e do fuso realmente versátil. Nossa versão aeroespacial vai até 18.000 RPM, com um fuso HSK 63 produzindo 94 hp [70 kW], voltado para usinagem de alumínio.” Além disso, a parceria com a Kessler oferece à YCM um recurso do Centro-Oeste para reparo de fusos.

A YCM Technology está dando ênfase especial às suas máquinas de cinco eixos. Embora as configurações 3 mais 2 sejam mais populares, a demanda por cinco eixos completos está crescendo, observou Huff. Ele também vê os pedidos de automação aumentarem.

“Estamos constantemente vendo solicitações de automação como parte do pacote da máquina. Não é apenas paletização; estamos vendo mais aceitação e interesse pela automação pick-and-place. É um ajuste natural com cinco eixos porque, em muitos casos, você pode, em uma ou duas configurações, usinar toda a peça de trabalho completa. A fixação das peças neste caso é fundamental e que você não tenha nenhuma interferência de fixações ou grampos no caminho do cortador. Se você puder segurar uma peça de trabalho pelo lado inferior e permitir que cinco lados fiquem acessíveis, isso é o ideal. Para a fixação de baixo para cima, existem fabricantes que projetaram sistemas que fazem um ótimo trabalho; atualmente estamos trabalhando com empresas que oferecem esses tipos de soluções. Além disso, oferecemos pacotes de automação paletizados com as máquinas YCM e estamos desenvolvendo pacotes de automação colaborativos e pick-and-place.”

Em busca de alta produção

Nos últimos dois a três anos, a maioria dos lançamentos de VMC da Chiron foram plataformas de produção robustas e de alto volume projetadas para atender às demandas de usinagem de grandes componentes automotivos e aeroespaciais, disse o gerente de desenvolvimento de negócios Simon Knecht da Chiron America em Charlotte, Carolina do Norte.

“Com esses centros de usinagem estabelecidos com sucesso e amplamente disponíveis para nossos clientes norte-americanos, estamos fortalecendo ainda mais nosso portfólio de produtos no extremo oposto do espectro de fabricação:componentes microusinados de alta precisão”, disse Knecht.

Este ano, a Chiron está lançando seu centro de usinagem Micro5, desenvolvido na Suíça e projetado para peças pequenas – na área de 50×50×50 mm – disse ele. “A velocidade e a dinâmica deste conceito de usinagem são projetadas para dar suporte aos clientes com maior produtividade. Junto com os benchmarks de alta velocidade e massa móvel mínima, a máquina é uma plataforma modular e pode ser equipada com automação integrada. Além disso, o Micro5 foi projetado para escalabilidade flexível, o que dá aos fabricantes a capacidade de criar linhas de produção perfeitas com várias máquinas.”

Os VMCs geralmente são baseados em um conceito modular, explicou ele; é prática comum mudar do layout do quarto para o quinto eixo. “Muitas vezes, nossos clientes mudaram a configuração da máquina para uma configuração de mesa diferente, utilizando o quarto ou quinto eixo na mesa.”

Como outros fornecedores, a Chiron America está abordando a lacuna de habilidades do operador. A automação inteligente “é uma parte de uma solução que garante o rendimento durante as horas de produção planejadas”, disse Knecht. “As tecnologias de automação, principalmente os robôs, costumam ter alta disponibilidade técnica e rodam com alta confiabilidade. Com processos e células projetados para lotes menores, nossas soluções de automação são capazes até mesmo de trocar acessórios na máquina. Ao contrário de uma configuração manual, que muitas vezes pode levar mais de uma hora para trocar os acessórios, automatizar o VMC com um sistema de fixação zero melhora o rendimento e faz com que a máquina volte ao que foi projetada:Usinagem. Nossas configurações de eixo da mesa de usinagem são projetadas para acomodar esses métodos de fixação.”

Tendências como a mudança para a mobilidade elétrica e cadeias de suprimentos estressadas pela pandemia estão exigindo mais flexibilidade dos equipamentos, tornando o VMC de redução de configuração uma ferramenta crítica. “A capacidade de mudar rapidamente para uma peça de trabalho diferente em uma máquina impulsiona a abordagem para reduzir o número de configurações e finalizar o maior número possível de operações na mesma máquina”, disse Knecht. A troca de peças integrada da Chiron permitiu o carregamento e descarregamento de peças enquanto seus VMCs de cinco eixos estão em execução.

Aproveitar essa flexibilidade e utilizar um VMC para muitas peças diferentes “levará a benefícios tangíveis em termos de ROI”, concluiu Knecht. “Muitas vezes eu vi máquinas e equipamentos dedicados que ficam parados após a perda de um trabalho ou projeto, enquanto o fabricante não consegue utilizar a máquina ao máximo.”