1. Visão Geral
As máquinas-ferramentas simbolizam o nível de habilidade industrial de uma nação. O auge da fabricação de máquinas-ferramenta é representado pelo sistema de máquinas-ferramenta com controle numérico vinculado de cinco eixos.
Em alguns aspectos, reflecte o estado de desenvolvimento industrial de uma nação. Durante muito tempo, os países ocidentais industrializados, liderados pelos Estados Unidos, trataram o sistema de máquinas-ferramenta de controlo numérico ligado a cinco eixos como um recurso estratégico vital, implementando um sistema de licenças de exportação.
Especialmente durante a Guerra Fria, impuseram bloqueios e embargos a nações do bloco socialista como a China e a antiga União Soviética. Houve o “Incidente Toshiba” no final do século passado, quando a Toshiba Corporation do Japão vendeu várias fresadoras de controle numérico ligadas a cinco eixos para a antiga União Soviética.
O resultado foi uma atualização na fabricação de hélices submarinas, tornando-as indetectáveis pelo sonar dos navios espiões americanos. Portanto, os Estados Unidos penalizaram a Toshiba Corporation por violar o embargo a materiais estratégicos.
Os centros de usinagem possuem fortes capacidades de processamento integrado. Depois que uma peça é fixada uma vez, ela pode concluir uma quantidade significativa de processamento, com alta precisão.
Para peças em lote de dificuldade média, sua eficiência é cinco a dez vezes maior que a das máquinas-ferramentas comuns, especialmente porque pode realizar muitas tarefas que as máquinas-ferramentas comuns não conseguem. É particularmente adequado para a produção de formas complexas e unidades de alta precisão, ou produção em pequena escala e com múltiplas variedades.
Na fabricação moderna, a usinagem de precisão é cada vez mais predominante. Máquinas e moldes CNC de última geração, que permitem processamento preciso, estão na vanguarda da cadeia da indústria de manufatura. A qualidade dos produtos de molde depende em grande parte do equipamento CNC.
Em meio à intensa concorrência de mercado, a fabricação exige ciclos de produção mais curtos, maior qualidade de processamento, recursos mais rápidos de reequipamento de produtos e menor tecnologia de fabricação.
Para atender a essas condições, cada vez mais empresas de manufatura estão adotando máquinas-ferramentas CNC de última geração – máquinas de processamento de quatro e cinco eixos.
Sabemos que uma máquina-ferramenta de três eixos possui apenas três eixos de movimento ortogonais (comumente definidos como eixos X, Y e Z) e só pode alcançar três direções de liberdade de movimento linear.
Portanto, ele pode processar estruturas ao longo da direção do eixo da ferramenta de usinagem. Os recursos da estrutura lateral não podem ser processados. (A máquina-ferramenta de três eixos precisa projetar vários conjuntos de acessórios, instalar, localizar e fixar várias vezes, decompor a usinagem geral, prolongando assim o ciclo de processamento e reduzindo bastante a qualidade.)
Ferramentas (ou peças de trabalho) sem restrições têm seis graus de liberdade no espaço. A realidade é que durante o corte de metal, enormes forças de corte e fricção são geradas entre a peça e a ferramenta.
Para evitar que a posição da peça de trabalho se mova, ela deve ser fixada e fixada. A usinagem CNC de cinco eixos refere-se a ter pelo menos cinco eixos coordenados (três coordenadas lineares e duas coordenadas rotativas) em uma única máquina-ferramenta, que pode ser coordenada e processada simultaneamente sob controle numérico de computador.
O sistema de máquina-ferramenta CNC vinculado de cinco eixos é o único meio para processar impulsores, pás, hélices de navios, rotores de geradores de serviço pesado, rotores de turbinas, grandes virabrequins de motores diesel e muito mais.
É uma máquina-ferramenta de alta tecnologia e alta precisão projetada especificamente para processar superfícies complexas, exercendo uma influência significativa nas indústrias de aviação, aeroespacial, militar, pesquisa, instrumentos de precisão, equipamentos médicos de alta precisão de um país, entre outras.
Um impulsor refere-se tanto a uma roda equipada com pás móveis, que faz parte do rotor nas turbinas a vapor de impulso, quanto ao conjunto da roda e das pás rotativas montadas nela.
Um gerador de turbina a vapor refere-se a um gerador acionado por uma turbina a vapor. O vapor superaquecido produzido pela caldeira entra na turbina, expande-se para realizar trabalho e gira as pás, que por sua vez acionam o gerador para produzir eletricidade.
O vapor gasto após o trabalho é devolvido à caldeira para reciclagem através do condensador, bomba de circulação de água, bomba de condensado, dispositivo de aquecimento de água de alimentação e outros componentes.
Cinco Eixos
O sistema de coordenadas padrão é um sistema cartesiano destro. Os eixos coordenados básicos são três eixos lineares: X, Y e Z. Os eixos rotacionais correspondentes a cada um desses eixos lineares são denotados como A, B e C, respectivamente.
Usinagem CNC de cinco eixos refere-se a uma máquina-ferramenta com pelo menos cinco eixos de coordenadas (três coordenadas lineares e duas coordenadas rotacionais) que pode realizar movimentos coordenados para processamento sob o controle de um sistema de controle numérico computadorizado.
O “eixo” em uma máquina-ferramenta CNC denota um eixo de movimento, que também pode ser considerado como um eixo de coordenadas espaciais, como o eixo XY em coordenadas, com cada eixo de movimento tendo um controlador independente e sistema de acionamento do motor.
Ou seja, a máquina-ferramenta CNC possui cinco servo-eixos (excluindo o eixo principal) que podem interpolar simultaneamente (todos os cinco servo-eixos podem se mover ao mesmo tempo para processar uma única peça).
Variedades Estruturais
As máquinas-ferramentas CNC de cinco eixos vêm em várias formas estruturais, divididas principalmente em três categorias principais: tipo de inclinação da mesa de trabalho, tipo de inclinação do fuso e uma combinação de ferramentas de usinagem de cinco eixos do tipo inclinação da mesa de trabalho/fuso.
Máquina-ferramenta CNC de 5 eixos:
- Tipo de mesa de trabalho inclinável
- Tipo de fuso inclinável
- Tipo de mesa de trabalho/fuso inclinável
Tipo de bancada inclinada
Isso se refere ao tipo de bancada inclinada. A bancada colocada na base da máquina pode girar em torno do eixo X, definido como eixo A, normalmente operando em uma faixa de +30 a -120 graus.
Uma mesa giratória também é instalada no centro da bancada que pode girar em torno do eixo Z no local representado, definido como eixo C, permitindo uma rotação completa de 360 graus.
A combinação do eixo A e do eixo C permite que todas as cinco faces da peça fixadas na bancada, excluindo a face inferior, sejam usinadas pelo fuso vertical.
Os valores mínimos de indexação para o eixo A e o eixo C são normalmente 0,001 graus, o que permite que a peça de trabalho seja subdividida em qualquer ângulo, usinando assim superfícies inclinadas e furos.
Quando o eixo A e o eixo C são coordenados com os eixos lineares XYZ, superfícies espaciais complexas podem ser usinadas, o que obviamente requer suporte de sistemas de controle numérico de ponta, sistemas servo e software.
A vantagem desta configuração é que ela possui uma estrutura de fuso relativamente simples, com excelente rigidez e menores custos de fabricação.
No entanto, a bancada geralmente não pode ser projetada muito grande e sua capacidade de carga é um tanto limitada, especialmente quando a rotação do eixo A é maior ou igual a 90 graus, pois o corte da peça exercerá uma carga significativa. torque na bancada.
Tipo de fuso inclinado
O tipo de fuso inclinado apresenta uma cabeça rotativa na extremidade frontal do fuso principal, que pode girar independentemente em torno do eixo Z em 360 graus, tornando-se assim o eixo C.
A cabeça rotativa também inclui um eixo A que pode girar em torno do eixo X, normalmente atingindo mais de ±90 graus, realizando as mesmas funcionalidades mencionadas acima.
A vantagem desta configuração é a flexibilidade que oferece na usinagem do fuso; a mesa de trabalho pode ser projetada em uma escala substancial, permitindo o processamento de enormes carrocerias de aeronaves e carcaças de motores nesses centros de usinagem.
Outra vantagem significativa envolve o uso de uma fresa de topo esférica para usinagem de superfície. Quando a linha central da ferramenta é perpendicular à superfície de usinagem, a velocidade da linha na ponta da fresa de topo esférico é zero, resultando em um acabamento superficial de baixa qualidade devido ao corte da ponta.
No entanto, ao usar um design de fuso rotativo que gira o fuso em um ângulo em relação à peça de trabalho, a fresa de topo esférico evita o corte da ponta, garantindo uma certa velocidade de linha e melhorando a qualidade da usinagem da superfície.
Esta estrutura é muito procurada para usinagem superficial de moldes de alta precisão, algo difícil de conseguir com um centro de usinagem de mesa rotativa.
Para alcançar alta precisão de rotação, os eixos rotativos de última geração são equipados com sistemas de feedback de escala de grade circular, permitindo precisão de indexação em poucos segundos.
Naturalmente, este tipo de estrutura de rotação do fuso é mais complexo e os custos de produção são consequentemente mais elevados.
Tipo de inclinação da mesa de trabalho/fuso
Um eixo rotacional está no lado da ferramenta da cabeça do fuso e o outro está no lado da mesa de trabalho. Este tipo de máquina-ferramenta possui o arranjo mais flexível de estruturas de eixos rotacionais, que podem ser qualquer combinação dos eixos A, B e C.
A maioria das máquinas-ferramentas do tipo mesa de trabalho/fuso inclinado são configuradas com um eixo B combinado com uma mesa de trabalho girando em torno do eixo C. Este arranjo estrutural é simples, flexível e compartilha as vantagens das máquinas do tipo inclinação do fuso e do tipo inclinação da mesa de trabalho.
O fuso dessas máquinas pode girar para uma posição horizontal ou vertical, e a mesa de trabalho só precisa ser indexada para posicionamento, facilitando a configuração como um centro de processamento de três eixos capaz de conversão vertical e horizontal.
Ao converter a orientação do fuso e combiná-la com a indexação da mesa de trabalho, é possível realizar o processamento do pentaedro na peça de trabalho. Isso resulta em baixos custos de fabricação e utilidade prática.
Aplicação de usinagem CNC de cinco eixos
O centro de usinagem interligado de cinco eixos é ideal para processar componentes complexos e que exigem uma infinidade de operações.
Esses componentes exigem o uso de vários tipos de máquinas-ferramentas convencionais, inúmeras ferramentas de corte e acessórios, e muitas vezes exigem múltiplas configurações e ajustes para uma conclusão bem-sucedida.
1. Componentes do tipo gabinete
Componentes do tipo gabinete geralmente exigem furos multiestações e usinagem plana, com altas demandas de tolerância.
Particularmente, as tolerâncias de forma e posição são bastante rigorosas.
Esses componentes geralmente passam por operações de fresamento, furação, alargamento, mandrilamento, brochamento e rosqueamento, exigindo inúmeras ferramentas. O processo é desafiador em máquinas-ferramentas padrão devido às múltiplas fixações e alinhamentos, dificultando a garantia da precisão da usinagem.
Ao trabalhar em peças do tipo gabinete, a mesa de trabalho precisa girar diversas vezes para usinar em quatro faces horizontais, tornando apropriado o uso de um centro de usinagem horizontal.
2. Superfícies complexas
Superfícies complexas desempenham um papel significativo na fabricação mecânica, particularmente na indústria aeroespacial. É um desafio, se não impossível, fabricar superfícies complexas utilizando métodos de usinagem convencionais.
Esses componentes de superfície complexos incluem uma variedade de impulsores, formatos esféricos, vários trituradores formadores de superfícies curvas, hélices, hélices de veículos subaquáticos e outras superfícies de forma livre. Esses componentes são processados de forma mais eficaz em um centro de usinagem de cinco eixos.
A fresa atua como uma superfície envolvente para aproximar superfícies esféricas. Ao usinar superfícies complexas com um centro de usinagem, a carga de trabalho de programação é substancial e a maioria das tarefas exige tecnologia de programação automatizada.
3. Peças irregulares
Peças irregulares, caracterizadas por suas formas atípicas, muitas vezes requerem processamento misto de pontos, linhas e superfícies em múltiplas estações. Essas peças normalmente apresentam baixa rigidez, tornando difícil controlar a deformação da fixação e garantir a precisão da usinagem.
Na verdade, algumas peças possuem áreas que são difíceis de processar com máquinas-ferramentas convencionais. Ao trabalhar com centros de usinagem é prudente adotar medidas tecnológicas adequadas como fixação simples ou dupla.
Utilizar os recursos de processamento misto de múltiplas estações dos centros de usinagem – abrangendo pontos, linhas e superfícies – permite a conclusão de vários ou de todos os procedimentos de usinagem.
4. Peças flangeadas
Peças flangeadas, componentes com rasgos de chaveta, furos radiais ou superfícies de extremidade com uma série de furos distribuídos, placas curvas ou componentes de eixo, como buchas flangeadas, componentes de eixo com rasgos de chaveta ou extremidades quadradas e componentes de placa com uma extensa variedade de furos, como diversas tampas de motor.
Os centros de usinagem verticais são adequados para peças de disco com furos distribuídos na superfície final e superfícies curvas, enquanto os centros de usinagem horizontais podem ser escolhidos para aquelas com furos radiais.
5. Processamento especializado
Depois de dominar a funcionalidade do centro de usinagem, uma combinação de gabaritos apropriados e ferramentas especializadas permite a realização de determinadas tarefas técnicas exclusivas.
Isso inclui gravar texto, linhas e padrões em superfícies metálicas. Ao montar uma fonte de alimentação de faísca de alta frequência no fuso principal do centro de usinagem, pode-se realizar o endurecimento superficial de varredura linear em superfícies metálicas.
Além disso, equipar o centro de usinagem com um cabeçote de retificação de alta velocidade permite a retificação de engrenagens cônicas envolventes de pequeno módulo e diversas curvas e superfícies.
