Soluções Essenciais de Fixação (Workholding) CNC que Todo Fabricante Precisa

A usinagem CNC é um método de manufatura tradicional que utiliza ferramentas de corte e rotação para fazer uma série predeterminada de cortes em um bloco sólido de material. As operações de corte são derivadas de arquivos de design digital, que podem ser distribuídos para múltiplas máquinas CNC simultaneamente, permitindo que fabricantes produzam múltiplas cópias de uma peça mais rapidamente.

Embora a usinagem seja um processo versátil capaz de produzir confiavelmente peças altamente precisas e acuradas — por isso é frequentemente usada para criar componentes críticos automotivos, médicos e aeroespaciais — a natureza inerente do processo cria limitações à geometria possível de criar com usinagem CNC. Elementos de design como cantos internos agudos, por exemplo, são difíceis de criar com ferramentas redondas e rotativas, enquanto características de undercut (rebaixo) como rabos de andorinha e T-slots são difíceis, se não impossíveis, de alcançar com ferramentas padrão.

Outro problema potencial tem a ver com workholding (fixação da peça), ou como a peça de trabalho é fixada no lugar durante o processo de usinagem. Se peças de trabalho são difíceis de segurar ou são seguradas inadequadamente, a viabilidade da peça, cronograma de produção e custo por unidade podem ser todos impactados negativamente.

Aqui está o que fabricantes precisam saber sobre obter o máximo de suas soluções de workholding.

Fundamentos do workholding CNC

Como uma peça é segurada pode afetar significativamente vários fatores logísticos, incluindo trajetórias de ferramenta viáveis, quais superfícies da peça de trabalho serão usináveis sem setups adicionais, e a velocidade e força permitidas das ferramentas de corte. Componentes básicos de workholding como garras, morsas e até a mesa da máquina podem limitar a capacidade das ferramentas de corte de acessar a peça de trabalho, o que pode levar a mais tempo gasto configurando a peça, em vez de rodar o fuso.

No entanto, assim como a usinagem CNC de 5 eixos fornece ferramentas de corte e peças de trabalho com capacidades rotacionais adicionais durante a produção, soluções de workholding de 5 eixos podem melhorar dramaticamente a eficiência de manufatura de peças que requerem usinagem na maioria ou em todos os lados.

Usados em conjunto, usinagem multi-eixos e soluções de workholding permitem que peças de trabalho sejam colocadas em posição ideal, fixadas uma vez, usinadas, então rapidamente trocadas. Isso é frequentemente alcançado via sistemas de ponto zero, troca rápida, que garantem colocação confiável da peça de trabalho enquanto permitem que componentes sejam transferidos eficientemente para outras máquinas para operações secundárias conforme necessário.

Quando implementados corretamente, sistemas de workholding CNC podem melhorar a eficiência de saída minimizando o tempo requerido para configurar e trocar peças de trabalho. Soluções de workholding ajudam a tornar processos de produção repetíveis, o que contribui ainda mais para melhorias mensuráveis em velocidade de produção e confiabilidade do processo, bem como precisão, acurácia e qualidade das peças finais.

Desafios comuns de workholding CNC

Os desafios mais comuns de workholding CNC surgem quando fabricantes tentam produzir peças com geometrias incomuns ou peças que são incômodas e grandes.

Além de otimizar design de peça para manufaturabilidade (DFM), qual a melhor maneira de manter peças de trabalho incomuns, delicadas ou de parede fina estáveis e seguras durante a usinagem? Em muitos casos, ferramentas sacrificiais são usadas para suportar peças de trabalho com formas não padrão, e características de design embutidas como furos para pinos de posicionamento ou bosses roscados podem frequentemente ser usadas para fixar a peça de trabalho no lugar. Mesmo incorporar tão pouco quanto 1/16" adicional de material na parte inferior de uma peça de trabalho pode aumentar sua capacidade de ser fixada.

Às vezes, fabricantes podem precisar adotar soluções mais criativas. Sacos de areia, por exemplo, podem ser usados para reduzir vibração da peça de trabalho, enquanto ceras, argilas e colas especiais podem ajudar a suportar seções delicadas da peça de trabalho. Ceras e argilas, em particular, são bastante rígidas em temperatura ambiente e tornam-se fluidas quando expostas a temperaturas mais altas, o que é útil ao removê-las após o processo de usinagem terminar.

Peças volumosas — como as usadas em aplicações aeroespaciais, defesa, industrial ou veiculares — apresentam outro desafio. Opções de workholding especializadas e customizadas são caras e, considerando que alguns componentes grandes são produzidos apenas em volumes relativamente limitados, podem não valer o investimento. Se usadas para grandes produções ou reaproveitadas para uso com outras peças, no entanto, uma solução de workholding customizada pode oferecer bom retorno sobre investimento.

Seja qual for a escolha da oficina, o objetivo deve ser minimizar o número total de operações de corte e reposicionamentos para maximizar o tempo de funcionamento do fuso. Limitar o número de operações de corte também minimiza a oportunidade para erro humano, melhora a confiabilidade do processo e tipicamente melhora a precisão da usinagem.

Além do tamanho, a forma de peças incômodas deve ser levada em consideração. Componentes inerentemente assimétricos, como pás de turbina, requerem movimentos complexos e amplos do fuso e ferramentas. Estes tipos de peças desafiadoras requerem soluções de workholding que possam segurar rigidamente uma peça na posição adequada, enquanto também permitem folgas requeridas pela ferramenta de corte e máquina.

Escolhendo a melhor solução de workholding

A solução de workholding mais adequada para uma peça particular será determinada por alguns fatores, incluindo volume de produção, forma da peça, dimensões da peça, material, requisitos de tolerância e frequência de troca.

Usinagem de alto volume tem requisitos fundamentais diferentes de jobs menores: depende de processos repetíveis de forma confiável que produzem peças de qualidade consistente por prazos estendidos, o que tipicamente requer soluções de workholding especializadas. Mandris de comprimento morto (dead-length chucks) são uma solução comum, pois são capazes de fornecer tanto alta precisão de posicionamento para operações de usinagem secundárias quanto força de fixação aumentada, útil para segurar fundidos ou forjados durante operações de desbaste.

Em contraste, jobs de usinagem CNC de baixo volume tipicamente podem confiar em ferramentas de workholding tradicionais. Mandris de collete, que empregam mangas deslizantes, podem fixar efetivamente peças de trabalho redondas, hexagonais e quadradas e barras sem perder força de fixação — uma preocupação significativa ao trabalhar com rotação e força centrífuga. Mandris de três garras também são comumente empregados, pois fornecem fixação superior ao usinar peças de trabalho redondas, enquanto mandris de duas garras (ou mandris quatro garras 2+2) são excelentes para trabalhar peças quadradas.

No entanto, estas soluções tradicionais de workholding frequentemente introduzem considerações adicionais. Grampos aumentam o número de etapas envolvidas por operação e podem interferir com acesso de máquinas multi-eixos à peça de trabalho, enquanto morsas colocam restrições no tamanho e tipo de peça de trabalho que pode ser fixada.

Workholding é chave para eficiência de produção

Fabricantes confiam na usinagem CNC para produzir peças precisas e repetíveis. No entanto, esta precisão só é possível se peças de trabalho são mantidas em local definido com orientação conhecida. Além disso, a repetibilidade da usinagem CNC requer que o setup de usinagem possa ser reproduzido economicamente ao longo da produção. Portanto, além de segurar a peça de trabalho contra força centrífuga, gravidade e forças de corte de ferramentas, as soluções de workholding mais eficazes e estratégicas devem ajudar a reduzir custos de mão de obra enquanto minimizam trocas de ferramentas e setups.

Soluções de workholding modulares que permitem trocas rápidas entre peças de trabalho e ferramentas de corte sem interromper produção, integração de tecnologias da Indústria 4.0 e automação aprimorada são alguns dos desenvolvimentos tecnológicos prontos para simplificar o mundo da usinagem CNC. Estas características provavelmente ajudarão fabricantes a alcançar mais com menos mão de obra, proporcionando maior flexibilidade e capacidade de produção, bem como consistência aprimorada em trocas entre peças e jobs distintos.

No entanto, máquinas CNC são investimentos pesados, por isso é frequentemente mais custo-efetivo terceirizar usinagem CNC para um parceiro de manufatura confiável do que trazer serviços de usinagem para dentro da empresa.

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