Como escolher a máquina-ferramenta CNC certa?

Definir as peças típicas

As máquinas CNC estão disponíveis em diversos modelos, e cada uma apresenta melhor desempenho dentro de uma determinada faixa de aplicações. O primeiro passo na aquisição de uma máquina é, portanto, definir as peças e operações representativas que ela deverá processar.

Utilize o plano de modernização ou de desenvolvimento da produção da empresa para identificar quais operações passarão a utilizar equipamentos CNC e, em seguida, aplique a tecnologia de agrupamento para classificar as peças candidatas. Como os tamanhos das peças e as cargas de trabalho totais podem variar bastante, refine os grupos até que seja estabelecido um conjunto prático de peças típicas.

Cada formato de máquina possui aplicações específicas. Os centros de usinagem horizontais são adequados para carcaças, corpos de bombas, corpos de válvulas e invólucros, enquanto os centros de usinagem verticais são adequados para tampas, placas, invólucros e cames planos, que são usinados principalmente de um lado. A usinagem de uma peça projetada para um centro horizontal em um centro vertical pode exigir alterações na fixação e no ponto de referência, o que reduz a eficiência e a precisão. A usinagem de uma peça projetada para um centro vertical em um centro horizontal pode exigir uma fixação com placa angular, o que reduz a rigidez do sistema. Uma máquina horizontal de tamanho comparável pode custar de 80% a 100% a mais e também ter custos operacionais mais elevados, embora sua gama de processos mais ampla geralmente resulte em uma composição de frota de aproximadamente 60% a 70% de centros horizontais e 30% a 40% de centros verticais.

Selecione o tamanho e a capacidade da máquina

Os principais critérios para o dimensionamento da máquina são as amplitudes de deslocamento dos eixos controlados e a potência do motor do fuso.

Os cursos nos eixos X, Y e Z definem o espaço de usinagem disponível. Normalmente, a peça deve caber dentro desse espaço. Para uma caixa de 450 × 450 × 450 mm, um centro de usinagem com uma mesa de 500 × 500 mm oferece espaço suficiente para o dispositivo de fixação. Uma máquina com esse tamanho de mesa normalmente oferece um curso de 700 a 800 mm no eixo X, de 550 a 700 mm no eixo Y e de 500 a 600 mm no eixo Z.

Ocasionalmente, uma peça pode ser maior do que o curso de um eixo, desde que a zona de usinagem necessária permaneça dentro do intervalo permitido. O comprador deve, ainda assim, verificar a capacidade de carga da mesa, o espaço livre para troca de ferramentas e a possibilidade de interferência entre a peça em rotação e as proteções ou acessórios da máquina.

A potência do fuso indica a capacidade de corte e, indiretamente, a rigidez de corte. Os centros modernos utilizam potentes motores de corrente alternada (CA) ou corrente contínua (CC) de velocidade variável, mas o torque disponível pode ser limitado em baixas velocidades, pois a potência do motor diminui à medida que a velocidade diminui. Portanto, o torque em baixa velocidade deve ser verificado para diâmetros grandes e remoção intensa de material, especialmente no mandrilamento. Tornos CNC de alta velocidade e serviço leve e tornos convencionais do mesmo tamanho nominal podem apresentar diferenças de várias vezes na potência do fuso. A seleção deve levar em conta a margem de material em bruto, a taxa de remoção de metal necessária, a precisão almejada e as ferramentas disponíveis.

Se um pequeno número de peças especiais não puder ser usinado com três eixos lineares, os eixos rotativos A, B ou C, ou os eixos auxiliares U, V ou W, podem exigir um pedido de máquina especial.

Selecione a precisão necessária da máquina

Escolha a classe de precisão com base nas características críticas das peças típicas. Os centros de usinagem são comumente divididos em classes padrão e de precisão.

O posicionamento e a repetibilidade combinam os erros dos componentes móveis em cada eixo. A repetibilidade é especialmente importante porque indica se um eixo é capaz de retornar de forma consistente a posições arbitrárias ao longo de todo o seu curso. Os controladores CNC geralmente oferecem compensação de erro de passo e de folga. Essas funções podem corrigir erros sistemáticos estáveis, mas não conseguem corrigir totalmente as perdas aleatórias causadas por zonas mortas do acionamento, folgas, deformação elástica, variação da rigidez de contato, carga na mesa, distância percorrida ou velocidade de posicionamento. Portanto, uma alta repetibilidade ainda depende de um projeto mecânico sólido e de um ajuste adequado.

A precisão da interpolação circular avalia conjuntamente o acompanhamento do servo e a interpolação CNC. Uma peça de teste cilíndrica padrão, normalmente com 200 a 300 mm de diâmetro em uma máquina de pequeno ou médio porte, é fresada com uma fresa de acabamento e medida em um medidor de circularidade. A diferença radial entre os círculos de envolvente máximo e mínimo representa a precisão circular.

Uma série de erros de posicionamento ao longo de todo o curso forma o envelope de erros de posicionamento em todo o curso e define a precisão do posicionamento.

A precisão de posicionamento da máquina pode ser usada para estimar a precisão das peças relacionadas. Por exemplo, a precisão da distância entre os centros de dois furos produzidos por movimento em um eixo pode ser de 1,5 a 2 vezes a precisão de posicionamento de um único eixo, embora fatores do processo também sejam importantes. Um centro de usinagem padrão geralmente pode produzir peças de grau 8 em lotes, enquanto um centro de precisão pode produzir peças de grau 6 a grau 7.

A maioria dos acionamentos de alimentação padrão CNC utiliza controle em malha semifechada e não consegue detectar diretamente o alongamento térmico do fuso de esferas. Com um coeficiente de expansão linear do fuso de esferas de cerca de 11,2 × 10^-8/K, um aumento local da temperatura de 1 °C a 2 °C durante a operação contínua pode deslocar o ponto zero da máquina e o sistema de coordenadas da peça. Se o ponto zero da peça estiver a cerca de 400 mm da extremidade fixa do parafuso de esferas, um aumento de 2 °C pode produzir um desvio de aproximadamente 8,9 µm. Em um eixo horizontal que indexa um carcaça em 180° para usinar furos em ambas as extremidades, isso pode dobrar o erro de coaxialidade. A pré-tensão do parafuso de esferas pode reduzir o erro térmico e aumentar a rigidez do acionamento, mas eleva o custo. A precisão da máquina por si só não é suficiente; também é necessário um plano de processo adequado.

Selecione o sistema CNC

O CNC deve ser compatível com a máquina e a aplicação.

Adapte o controle ao tipo de máquina

Os controles são configurados para torneamento, fresagem, mandrilamento, retificação, puncionamento e outros processos. Selecione a versão adequada ao tipo de máquina.

Alinhar o desempenho com a meta de projeto

Os controles disponíveis variam muito em termos de desempenho e preço. Como exemplo histórico, um controle FANUC 15 podia fornecer um avanço máximo de corte de 240 m/min com um incremento de comando de 1 µm, enquanto um controle FANUC 0 fornecia 24 m/min. Uma máquina comum que exigisse apenas 20 m/min teria poucos benefícios com o sistema mais caro. Avalie o desempenho e o custo em conjunto, em vez de selecionar automaticamente o mais novo ou o de especificações mais altas.

Selecione apenas as funções de que a máquina precisa

As funções básicas estão incluídas no sistema escolhido, enquanto as funções opcionais acarretam custos adicionais. Selecione as opções com base nos requisitos reais de desempenho da máquina. Ao mesmo tempo, especifique todas as funções necessárias no pedido inicial. Omitir a compensação de passo ou a capacidade de deslocamento da ferramenta pode ser impossível ou oneroso de corrigir durante o comissionamento. Utilizar o mesmo modelo de controle já instalado na fábrica também simplifica a operação, a programação e a manutenção.

Selecione as funções e os acessórios da máquina

Servomotores de alimentação

Os acionamentos de avanço mais comuns incluem motores de passo, servomotores CC e servomotores CA. Os motores de passo são baratos, mas apresentam desempenho limitado, como velocidades de avanço em torno de 6 a 8 m/min, resolução mínima em torno de 0,01 mm e tendência a oscilar em baixa velocidade; eles são utilizados principalmente em sistemas econômicos de malha aberta. Os servomotores CC têm sido amplamente utilizados e custam menos do que os servomotores CA, mas sua resposta é inferior e as escovas e comutadores aumentam o risco de falhas. Atualmente, os servomotores CA dominam as aplicações CNC.

A potência do servo depende do amortecimento e das cargas de inércia. Verifique se:

1. O torque em vazio, em toda a faixa de velocidade, permanece dentro da região de torque nominal contínuo.
2. O torque máximo de carga, o ciclo de carga e a duração da sobrecarga permanecem dentro das características permitidas do motor.
3. O torque de aceleração e desaceleração permanece dentro da faixa de operação intermitente.
4. Em caso de partidas e paradas frequentes e cargas cíclicas, o torque quadrático médio permanece abaixo do torque nominal contínuo.
5. A inércia da carga não compromete a sensibilidade do motor nem a precisão do servo.

A inércia da carga inferior à inércia do rotor tem pouco efeito, mas uma inércia igual ou superior a aproximadamente três vezes a inércia do rotor pode prejudicar gravemente a resposta e impedir que o servoamplificador regule normalmente.

Motores de eixo

A seleção do motor do eixo-árvore deve atender aos requisitos de potência de corte, taxa de remoção de metal e torque máximo em baixa velocidade; manter a potência de aceleração e desaceleração abaixo da potência máxima; manter a potência média durante partidas e paradas frequentes abaixo da potência nominal contínua; e garantir que a potência de corte em velocidade constante, somada à potência de aceleração, permaneça dentro da potência disponível.

Acessórios práticos

Configure acessórios de baixo custo que sejam necessários para a operação imediata, ao mesmo tempo em que compartilha dispositivos compatíveis entre as máquinas, sempre que for viável. Compare funções de controle onerosas, como programação conversacional e gráficos dinâmicos, com alternativas de programação fora da máquina, pois a programação diretamente na máquina consome tempo de produção. Medições automáticas, sondas de contato e detecção de desgaste ou quebra de ferramentas devem ser selecionadas com base na confiabilidade comprovada, e não na novidade.

O resfriamento, a proteção e a remoção de cavacos também merecem atenção especial, pois muitas falhas operacionais têm origem nesses sistemas. O fornecimento de refrigerante por meio de bicos múltiplos e proteções vedadas lida melhor com peças de tamanhos variados e cortes em alta velocidade do que tubos e proteções simples. Escolha uma capacidade adequada à produção. Em temperaturas ambientes de 38 °C a 40 °C, um ar-condicionado para gabinete elétrico pode ser essencial para o funcionamento confiável de semicondutores.

Selecione o sistema de ferramentas CNC

Troca automática de ferramentas e compartimento de ferramentas

O trocador automático de ferramentas (ATC) é fundamental para centros de usinagem, centros de torneamento e prensas puncionadeiras CNC com troca automática de punções. Ele pode representar de 30% a 50% do investimento na máquina. Seus principais indicadores de desempenho são o tempo de troca de ferramentas e a taxa de falhas. A experiência prática atribui mais da metade das falhas em centros de usinagem ao ATC; portanto, o projeto mais simples e confiável que atenda à aplicação é geralmente o melhor.

A capacidade dos magazins varia de menos de 20 ferramentas a 40, 60 ou 100, enquanto um depósito central de um FMC pode armazenar quase 1.000. Um centro de usinagem autônomo, que não será integrado a um FMC ou FMS, normalmente não deve ter um magazine desnecessariamente grande, pois isso aumenta o custo, a complexidade, a taxa de falhas e a carga administrativa.

Dimensionar o conjunto de ferramentas com base nas ferramentas necessárias para uma configuração completa da peça típica, acrescida de uma reserva modesta. Cerca de 20 ferramentas costumam ser suficientes para um centro vertical e cerca de 40 para um centro horizontal. Peças complexas podem, muitas vezes, ser divididas em dois ou três programas em torno do tratamento térmico, mudanças de ponto de referência ou separação entre desbaste e acabamento, mantendo cada programa com menos de 40 ferramentas. Para volumes anuais de vários milhares de peças, ferramentas combinadas de múltiplas arestas podem ser econômicas. Programas que utilizam mais de 50 ferramentas também tornam a programação, a verificação, o projeto de dispositivos de fixação e as revisões substancialmente mais difíceis.

Os tornos simples do tipo CNC podem acomodar quatro ferramentas, enquanto os centros de torneamento complexos podem acomodar dezenas de ferramentas fixas e motorizadas. As ferramentas motorizadas são caras e podem não oferecer alta produtividade; por isso, são mais adequadas para trabalhos complexos, mistos e em pequenos lotes, em vez de produções mais simples de médio ou alto volume.

Porta-ferramentas e ferramentas de corte

Após selecionar a máquina e o ATC, escolha porta-ferramentas e ferramentas de corte padronizadas. Os sistemas de centros de usinagem são altamente padronizados e, geralmente, seguem os requisitos ISO. Um porta-ferramentas conecta a ampla variedade de ferramentas de corte ao fuso, ao magazine e ao mecanismo de manuseio.

Considere três pontos:

1. A maioria dos porta-ferramentas são adaptadores sem gume e exigem brocas, fresas, ferramentas de mandrilamento, machos, pinças, mandris e as chaves adequadas.
2. Os fabricantes oferecem diversos sistemas que se sobrepõem. Selecione as peças típicas a partir das fichas de processo, compare fornecedores, procure orientação de profissionais experientes e faça as compras em etapas, quando for o caso. Os porta-ferramentas costumam ter um prazo de entrega de dois a três meses, mais curto do que o da própria máquina.
3. Os porta-ferramentas são, principalmente, do tipo integral, modular ou combinado. Os sistemas integrais e modulares são padronizados; os porta-ferramentas combinados são projetados sob medida.

Misturar duas séries de porta-ferramentas em uma única máquina não é econômico e é difícil de gerenciar. As ferramentas modulares têm um custo inicial mais elevado, mas oferecem maior flexibilidade quando adquiridas como um sistema. Por exemplo, uma barra de mandrilamento convencional de Ø60 pode custar cerca de US$ 120, enquanto um conjunto modular composto por haste, extensão e cabeça de corte pode ultrapassar US$ 200. Para um magazine de 30 ferramentas, no entanto, 30 hastes modulares, 50 a 60 extensões e 70 a 80 cabeçotes de corte podem substituir 100 conjuntos integrados e simplificar o gerenciamento por computador. Ferramentas simples usadas repetidamente sem necessidade de remontagem, como porta-brocas, costumam ser mais econômicas quando adquiridas como unidades integradas.

Para a produção em série de vários milhares a dezenas de milhares de peças por ano, uma ferramenta combinada que custe de três a dez vezes mais do que um porta-ferramentas padrão ainda pode se justificar se substituir de três a cinco ferramentas e reunir várias operações em uma única.

Ajustadores de ferramentas

A medição radial e axial das ferramentas deve ser realizada fora da máquina sempre que possível, para que o tempo de uso do fuso — que é caro — não seja consumido pela configuração. Os pré-ajustadores podem utilizar sistemas de medição ópticos, de grade ou indutivos. As versões controladas por computador combinam um software de gerenciamento de ferramentas com suportes codificados nos porta-ferramentas.

Escolha uma pré-ajustadora para ferramentas de torneamento, centro de usinagem ou universal cujo cone do fuso seja compatível com a máquina CNC, para que os deslocamentos medidos possam ser inseridos diretamente. As pré-ajustadoras estão disponíveis nas versões padrão e de precisão, com unidades de ponta atingindo uma precisão de medição de 0,001 mm. Essa precisão estática não garante a mesma dimensão usinada. Um furo pode ficar de 0,01 a 0,02 mm menor do que o valor pré-ajustado, dependendo das condições da aresta e do material, e a repetibilidade comum da carga no fuso pode contribuir com mais 0,005 a 0,008 mm. Uma tolerância de furo próxima a 0,01 mm ainda pode exigir cortes de teste e ajustes na própria máquina. Um presetador deve servir para várias máquinas, quando possível.

Avaliar o Suporte Técnico

Uma boa máquina, por si só, não garante o sucesso técnico ou econômico. Os novos usuários também precisam de operadores, programadores e pessoal de manutenção mecânica e elétrica devidamente treinados.

Os fabricantes de máquinas oferecem, cada vez mais, suporte pré e pós-venda, incluindo análise de processos de peças típicas, testes de viabilidade, projeto de ferramentas, programação, instalação, comissionamento, cortes de teste e início da produção. O treinamento e a orientação prática para equipes de manutenção, programadores e operadores são especialmente importantes. Investir na capacitação da equipe é essencial para utilizar os equipamentos CNC de maneira eficaz.