Usinagem: Definição, Processos, Ferramentas e Tecnologias Principais

Usinagem é um termo de manufatura que abrange uma ampla gama de tecnologias e técnicas. Pode ser aproximadamente definida como o processo de remover material de uma peça bruta usando ferramentas de máquina acionadas por energia para moldá-la em um design pretendido.

A maioria dos componentes e peças metálicas requer alguma forma de usinagem durante o processo de fabricação. Outros materiais, como plásticos, borrachas e produtos de papel, também são comumente fabricados através de processos de usinagem. Vamos aprender em detalhes o que é usinagem, seu processo e as ferramentas e tecnologias usadas para isso.

O que é Usinagem?

Usinagem é um processo de prototipagem e manufatura que cria a forma final desejada removendo material indesejado de uma peça maior de material. Nestes processos, uma peça é construída removendo material, este processo também é conhecido como manufatura subtrativa, em contraste com manufatura aditiva, na qual uma adição controlada de material é usada.

Exatamente o que a parte "controlada" da definição implica pode variar, mas geralmente implica o uso de ferramentas de máquina.

Usinagem é parte da fabricação de muitos produtos metálicos, mas também pode ser usada em outros materiais como madeira, plástico, cerâmica e material compósito. Uma pessoa especializada em usinagem é chamada de maquinista (machinist).

Uma sala, prédio ou empresa onde usinagem é feita é chamada de oficina de usinagem (machine shop). Grande parte da usinagem moderna é realizada por controle numérico computadorizado (CNC), no qual computadores são usados para controlar o movimento e operação de fresadoras, tornos e outras máquinas de corte. Isso aumenta a eficiência, pois a máquina CNC opera sem operador, reduzindo custos de mão de obra para oficinas.

Quais são os diferentes tipos de usinagem?

Os três processos principais de usinagem são classificados como torneamento, furação e fresamento. Outras operações em categorias diversas incluem plainamento, alargamento, broqueamento e serra. Eles são:

• Torneamento (Turning) – Torneamento envolve girar a peça em uma máquina, enquanto uma ferramenta de corte de único fio permanece estacionária. A ferramenta de corte é movida lentamente paralela ao eixo rotacional da peça, removendo material à medida que avança.
• Furação (Drilling) – Furação resulta na criação de um furo redondo girando uma ferramenta cilíndrica paralela ao eixo de rotação da peça. O furo criado tem diâmetro igual ao da ferramenta usada.
• Fresamento (Milling) – Fresamento é o processo de remover material, usando cortadores rotativos, de uma peça em um movimento de avanço perpendicular ao eixo rotacional da ferramenta de corte. Este é um dos formatos mais comuns de usinagem usados hoje.
• Operações diversas são operações que, estritamente falando, podem não ser operações de usinagem, pois podem não produzir cavacos, mas estas operações são realizadas em uma máquina-ferramenta típica. Brunimento é um exemplo de operação diversa. Brunimento não produz cavacos, mas pode ser realizado em torno, fresadora ou furadeira.

Como a usinagem funciona?

Uma peça bruta requerendo usinagem precisará ter algum material cortado para criar um produto acabado. Um produto acabado seria uma peça que atende às especificações definidas para aquela peça por desenhos de engenharia ou plantas.

Por exemplo, uma peça pode ser requerida para ter um diâmetro externo específico. Um torno é uma ferramenta de máquina que pode criar esse diâmetro girando uma peça metálica para que uma ferramenta de corte possa cortar o metal, criando uma superfície lisa e redonda correspondente ao diâmetro e acabamento superficial requeridos.

Uma furadeira pode ser usada para remover o metal na forma de um furo cilíndrico. Outras ferramentas que podem ser usadas para vários tipos de remoção de metal são fresadoras, serras e retificadoras. Muitas dessas mesmas técnicas são usadas em marcenaria.

Técnicas de usinagem mais recentes e avançadas incluem usinagem CNC de precisão, usinagem por descarga elétrica (EDM), usinagem eletroquímica (ECM), corte a laser ou corte a jato de água para moldar peças metálicas.

No desenvolvimento moderno de produtos, usinagem é mais frequentemente feita usando uma máquina CNC, que significa Controle Numérico Computadorizado. Em essência, a máquina usa software de computador para pegar modelos de design CAD e mapear caminhos de ferramenta, transformando os designs em peças usinadas 3D. A CNC pode criar peças de uma ampla variedade de materiais, em vários tipos de acabamentos, com tolerâncias criadas até 0,025 mm (0,001") a partir de material sólido.

Diferente de prototipagem rápida, peças são usinadas usando materiais reais refletindo a densidade, acabamento e porosidade do design final. Peças usinadas podem ser usadas para testes representativos, modelos incluindo componentes deslizantes onde atrito é fator, e para componentes vedados requerendo anéis O e superfícies de junta.

Agora sabemos o que é usinagem e como é feita, sabemos que usinagem é feita por ferramentas de usinagem, então vamos aprender sobre diferentes ferramentas de usinagem e seus usos.

O que é Ferramenta de Máquina (Machine Tool)?

Uma ferramenta de máquina é uma máquina para manusear ou usinar metal ou outros materiais rígidos, geralmente por corte, furação, retificação, cisalhamento ou outras formas de deformação. Ferramentas de máquina empregam algum tipo de ferramenta que faz o corte ou moldagem.

Todas as ferramentas de máquina têm algum meio de prender a peça e fornecem um movimento guiado das partes da máquina. Assim, o movimento relativo entre a peça e a ferramenta de corte (chamado de caminho da ferramenta ou toolpath) é controlado ou restringido pela máquina pelo menos em certa medida, em vez de ser totalmente "livre" ou "manual".

É uma máquina de corte de metal acionada por energia que auxilia no gerenciamento do movimento relativo necessário entre a ferramenta de corte e o trabalho que muda o tamanho e forma do material do trabalho.

A definição precisa do termo ferramenta de máquina varia entre usuários, como discutido abaixo. Embora todas as ferramentas de máquina sejam "máquinas que ajudam pessoas a fazer coisas", nem todas as máquinas de fábrica são ferramentas de máquina.

Hoje, ferramentas de máquina são tipicamente acionadas de forma diferente do músculo humano (ex: eletricamente, hidraulicamente, ou via eixo de linha), usadas para fazer peças fabricadas (componentes) de várias maneiras que incluem corte ou certos outros tipos de deformação. Com sua precisão inerente, ferramentas de máquina permitiram a produção econômica de peças intercambiáveis.

Diferentes Tipos de Ferramentas de Usinagem e Tecnologias

Tipos de Ferramentas de Usinagem

Existem muitos tipos de ferramentas de usinagem, e podem ser usadas sozinhas ou em conjunto com outras ferramentas em várias etapas do processo de fabricação para alcançar a geometria pretendida da peça. As principais categorias de ferramentas de usinagem são:

• Ferramentas de alargamento (Boring tools): Tipicamente usadas como equipamento de acabamento para alargar furos previamente cortados no material.
• Ferramentas de corte (Cutting tools): Dispositivos como serras e cisalhas são exemplos típicos de implementos de corte. São frequentemente usadas para cortar material com dimensões predeterminadas, como chapas metálicas, em uma forma desejada.
• Ferramentas de furação (Drilling tools): Esta categoria consiste em dispositivos rotativos de dois fios que criam furos redondos paralelos ao eixo de rotação.
• Ferramentas de retificação (Grinding tools): Estes instrumentos aplicam uma roda rotativa para alcançar um acabamento fino ou fazer cortes leves em uma peça.
• Ferramentas de fresamento (Milling tools): Uma ferramenta de fresamento emprega uma superfície de corte rotativa com várias lâminas para criar furos não circulares ou cortar designs únicos do material.
• Ferramentas de torneamento (Turning tools): Estas ferramentas giram uma peça em seu eixo enquanto uma ferramenta de corte a molda para formar. Tornos são o tipo mais comum de equipamento de torneamento.

Tecnologias de Usinagem por Queima (Burning)

Ferramentas de máquina de soldagem e queima usam calor para moldar uma peça. Os tipos mais comuns de tecnologias de usinagem por soldagem e queima incluem:

• Corte a laser: Uma máquina a laser emite um feixe estreito de luz de alta energia que efetivamente derrete, vaporiza ou queima material. Lasers CO2 e Nd:YAG são os tipos mais comuns usados em usinagem. O processo de corte a laser é adequado para moldar aço ou gravar padrões em uma peça de material. Seus benefícios incluem acabamentos superficiais de alta qualidade e precisão extrema de corte.
• Corte oxi-combustível (Oxy-fuel cutting): Também conhecido como corte a gás, este método de usinagem emprega uma mistura de gases combustíveis e oxigênio para derreter e cortar material. Acetileno, gasolina, hidrogênio e propano frequentemente servem como meios gasosos devido à sua alta inflamabilidade. Os benefícios deste método incluem alta portabilidade, baixa dependência de fontes de energia primárias e a capacidade de cortar materiais espessos ou duros, como graus de aço resistentes.
• Corte a plasma: Tochas de plasma disparam um arco elétrico para transformar gás inerte em plasma. Este plasma atinge temperaturas extremamente elevadas e é aplicado à peça em alta velocidade para derreter material indesejado. O processo é frequentemente usado em metais condutores elétricamente que requerem largura de corte precisa e tempo mínimo de preparação.

Tecnologias de Usinagem por Erosão

Enquanto ferramentas de queima aplicam calor para derreter estoque excedente, dispositivos de usinagem por erosão usam água ou eletricidade para erodir material da peça. Os dois principais tipos de tecnologias de usinagem por erosão são:

• Corte a jato de água (Water jet cutting): Este processo usa um jato de água de alta pressão para cortar através do material. Pó abrasivo pode ser adicionado ao jato de água para facilitar a erosão. Corte a jato de água é tipicamente usado em materiais que podem sofrer danos ou deformação de uma zona afetada pelo calor.
• Usinagem por descarga elétrica (EDM): Também conhecida como usinagem por faísca, este processo usa descargas de arco elétrico para criar micro-crateras que rapidamente resultam em cortes completos. EDM é usado em aplicações que requerem formas geométricas complexas em materiais duros e tolerâncias apertadas. EDM requer que o material de base seja condutor elétrico, o que limita seu uso a ligas ferrosas.

Usinagem CNC

Usinagem de controle numérico computadorizado (CNC) é uma técnica auxiliada por computador que pode ser usada em conjunto com uma ampla gama de equipamentos. Requer software e programação, geralmente na linguagem G-code, para guiar uma ferramenta de usinagem na moldagem da peça de acordo com parâmetros predefinidos.

Diferente de métodos guiados manualmente, usinagem CNC é um processo automatizado. Alguns de seus benefícios incluem:

• Altos ciclos de produção: Uma vez que a máquina CNC foi devidamente programada, geralmente precisa de manutenção ou tempo de inatividade mínimo, permitindo uma taxa de produção mais rápida.
• Baixos custos de fabricação: Devido à sua velocidade de rotação e baixos requisitos de mão de obra manual, usinagem CNC pode ser um processo econômico, particularmente para produções de alto volume.
• Produção uniforme: Usinagem CNC é tipicamente precisa e produz um alto nível de consistência de design entre seus produtos.

Usinagem de Precisão

Qualquer processo de usinagem que exija tolerâncias de corte excepcionalmente pequenas (entre 0,013 mm e 0,0005 mm, como regra prática) ou acabamentos superficiais mais finos que 32T pode ser considerado uma forma de usinagem de precisão. Como usinagem CNC, usinagem de precisão pode ser aplicada a uma ampla variedade de métodos e ferramentas de fabricação.

Fatores como rigidez, amortecimento e precisão geométrica podem influenciar a exatidão do corte de uma ferramenta de precisão. Controle de movimento e a capacidade da máquina de responder a taxas de avanço rápidas também são importantes em aplicações de usinagem de precisão.

Quais são os Benefícios da Usinagem?

Existem várias vantagens da usinagem:

1. Confiabilidade

O processo de usinagem ocorre continuamente sem paralisações, independentemente do horário ou dia da semana. Cavacos e matérias-primas são convertidos em produtos acabados e lançados no mercado como ferramentas de alta qualidade. Falhas são muito mínimas, podendo ocorrer quando manutenção é necessária ou durante reparo. Máquinas funcionam de forma confiável; não importa se é dia útil, fim de semana ou feriado.

2. Requer Menos Mão de Obra Humana

Devido ao desenvolvimento da tecnologia, usinagem em indústrias de manufatura é automatizada. O processo é principalmente controlado por computadores ou robôs que geralmente reduzem custos de produção eliminando mão de obra humana. Durante a adição controlada de material, o processo requer supervisão e fiscalização mínimas para fins de manutenção.

3. Alta Produção

O processo traz alta produtividade porque geralmente realizam uma quantidade massiva de trabalho como furação, melhor acabamento superficial, fresamento e torneamento em um período relativamente curto.

4. Produtos Idênticos

Os produtos acabados, como metais cortados, são homogêneos e têm muito poucos ou nenhum erro apesar da alta taxa de produção. Como resultado, os produtos tornam-se comercializáveis devido à sua qualidade aprimorada.

5. Aumenta Lucro e Reduz Esforços

Outra grande razão para usinar seus dispositivos metálicos é ajudar a aumentar lucros e reduzir esforços. Algumas pessoas podem se perguntar: como a usinagem se relaciona com lucros aumentados? O fato é que a usinagem torna os dispositivos um pouco mais caros, mas, por outro lado, é muito benéfica.

Com um metal que passou por usinagem, você não só reduzirá o custo de produção, mas também economizará muito tempo e esforço. Apesar desta vantagem, é sempre aconselhável, se quiser comprar um, certificar-se de que a máquina está certa e se é livre de erros durante o funcionamento.

6. Eficiência Aprimorada

Usinagem é uma das melhores maneiras de aumentar a eficiência em seus metais. Ao usinar os metais, eles são sempre equipados com detectores internos de garantia de qualidade. Isso traz muita eficiência em termos de aumentar a velocidade de produção dos metais e garantir bom uso de matérias-primas.

Além disso, usinagem é sempre considerada uma maneira notável de garantir padrões de alto nível de trabalho em metal e fabricação de peças. Além de eficiência aumentada, usinagem é considerada uma das formas de reduzir custos de despesa.

Isso se deve à sua capacidade de reduzir o custo de consumo; portanto, reduzindo desperdício de dinheiro. Em resumo, reduz despesas; assim, adicionando aos benefícios de realizar o processo de usinagem.

7. Precisão Aumentada

A maioria dos metais que passam por usinagem são usados em indústrias de manufatura. Isso inclui locais que requerem processos manuais de torneamento e fresamento. Também podem ser usados no setor de saúde, mas o ponto que você precisa notar aqui, todos estes setores envolvem muita precisão.

Nisso, eles recorrem a metais que passaram por usinagem devido ao seu nível de precisão. Esta é uma evidência clara de como a usinagem é essencial para garantir maior precisão em seus metais, o que se traduz em precisão na conclusão de suas tarefas.