Análise de DFM para Usinagem CNC de Peça de Alumínio com Cavidade Complexa

Na indústria de manufatura, o Design for Manufacturing (DFM) tem papel decisivo na otimização dos processos produtivos e na redução de custos. Ele funciona como a ponte entre projeto e produção, garantindo uma transição sem rupturas do protótipo à produção em série.

Tomando como exemplo uma peça típica de alumínio com cavidade, este artigo analisa seu DFM sob a ótica da usinagem e discute como otimizar a eficiência produtiva e assegurar o controle de qualidade.

Visão Geral do Projeto

O produto é uma peça de cavidade de grande porte, com dimensões de 328×272×87,5mm. Fabricada em AL6061, ela possui aletas na face A para dissipação de calor. Há dois furos profundos (superfícies de furo em laranja) na frente e no verso, que funcionam como canais de circulação de líquido de arrefecimento e formam um circuito fechado por meio de pequenas cavidades na face B (superfície laranja). A cavidade interna é vazada principalmente para criar espaço de montagem para outros componentes. Já os furos roscados e as colunas distribuídos externamente e no interior da cavidade servem de fixação para a montagem das demais peças.

Além disso, a peça é produzida por usinagem CNC nas etapas de protótipo e pequenos lotes, enquanto na produção em série usa-se fundição sob pressão combinada com usinagem CNC. A seguir, compartilhamos as soluções de projeto voltado à manufaturabilidade dessa peça em usinagem CNC, sob as perspectivas de projeto estrutural e de tolerâncias.

Análise do Projeto Estrutural

Como a produção em série desse componente envolve fundição sob pressão combinada com usinagem CNC, o projeto inicial do designer foi concebido para a fundição. No entanto, nas etapas de validação de engenharia e de pequenos lotes, em que se usa apenas usinagem CNC, algumas estruturas não se mostram totalmente adequadas a esse método.

Colunas Roscadas na Face A e Limitações de Ferramenta

As colunas roscadas da face B se estendem até a face A, com várias estruturas estreitas e profundas entre elas. Para usinar integralmente essas regiões seriam necessárias ferramentas de diâmetro muito pequeno e bastante esbeltas, mas a fabricação sob medida dessa ferramenta ultrapassa o limite do que é possível produzir.

Além disso, a rigidez dessas ferramentas é baixa demais durante a usinagem, gerando problemas como vibração (chatter). Por isso, após alinhamento com o cliente, foram utilizadas apenas ferramentas esbeltas de pequeno diâmetro convencionais para o chanframento, e as colunas roscadas da face A não são totalmente vazadas até as aletas.

Estruturas Estreitas na Cavidade da Face B

A profundidade das colunas roscadas na cavidade da face B é grande, e a folga em relação às superfícies adjacentes forma um espaço estreito, o que torna a dificuldade de usinagem semelhante à mencionada no ponto 1. Assim, existem certas diferenças entre o resultado prático da usinagem e o modelo 3D.

Raios de Canto Internos e Ângulos de Saída nas Cavidades

Há muitos raios de canto internos na cavidade da face B. Pelo processo de fundição sob pressão, raios de canto em cavidades profundas combinados com ângulos de saída são facilmente obtidos. Já na usinagem CNC, o tamanho do raio R nos cantos depende do diâmetro da ferramenta escolhida para o acabamento ou o chanframento.

Em geral, recomendamos manter a relação entre o valor-limite do raio de canto e a profundidade dentro de 10 vezes. Neste componente, a relação chega a cerca de 40 vezes no ponto mais profundo. Por isso, é necessário aumentar o raio R na usinagem real.

Caso um projeto com relação extrema seja realmente adotado, recomenda-se ainda acrescentar um ângulo de saída de 3° ou mais na usinagem CNC. Isso cria uma estrutura mais larga em cima e mais estreita embaixo, o que favorece a evacuação de cavacos e a rigidez de usinagem da ferramenta CNC.

Projeto de Raios nos Rasgos

Este componente de cavidade apresenta raios no topo e no fundo de alguns rasgos. Esses raios não representam problema para o processo de fundição sob pressão, mas na usinagem CNC eles se enquadram como usinagem 3D, o que aumenta a dificuldade e o tempo de processo. Para a mesma estrutura, se ela puder ser transformada em uma geometria regular, é possível gerar um percurso de ferramenta 2D, e a eficiência de usinagem será muito maior do que na usinagem 3D. Por isso, costumamos recomendar que os projetistas convertam essas estruturas em geometrias regulares para ganhar eficiência.

Em resumo, a partir da perspectiva e da experiência de usinagem, sempre que houver projetos estruturais que precisem de ajuste, os engenheiros da Sendot Technology dialogam abertamente com nossos clientes para fazer as otimizações necessárias, garantindo que montagem e funcionalidade não sejam afetadas.

Definição das Especificações de Tolerância para a Produção

No projeto inicial de novos produtos, pela falta de referência de produtos já consolidados, os projetistas costumam especificar dimensões e tolerâncias de forma rigorosa demais. O desenho 2D deste componente contém 267 cotas controladas, distribuídas em cinco páginas.

Após análise criteriosa dos engenheiros da Sendot Technology, entendemos plenamente que o controle dimensional rigoroso é necessário em peças usinadas, mas basta controlar de forma razoável apenas as cotas críticas. Isso assegura a qualidade e, ao mesmo tempo, mantém o custo viável.

Assim, por meio de uma comunicação aprofundada com o cliente, chegamos ao consenso de manter as cotas funcionais relacionadas à montagem como cotas de inspeção obrigatória e converter cerca de 2/3 das cotas em cotas de referência.

Estratégias de Medição e Garantia da Qualidade

Mas como garantimos a confiabilidade da qualidade ao mesmo tempo em que reduzimos o número total de cotas inspecionadas?

Definir e Medir as Cotas de Inspeção Obrigatória

Com base nas categorias de cotas, elaboramos uma tabela de especificação das operações de inspeção, definindo instrumentos e métodos para cada dimensão. Quando o número de peças é relativamente pequeno, a máquina de medição por coordenadas (CMM) é o principal instrumento e método de medição. Ela oferece capacidade de medição abrangente e é muito adequada para peças de baixa quantidade e muitas cotas.

Simulação e Comparação com a Peça Real

Antes da usinagem, utiliza-se software CAM para uma simulação detalhada, confirmando a ausência de sobrecortes ou de estruturas faltantes. Concluída a usinagem, a peça física é comparada ao desenho 3D item a item, para verificar a integridade estrutural e conferir por amostragem algumas cotas de referência.

Combinando inspeções obrigatórias rigorosas com a verificação flexível das cotas de referência, a Sendot Technology assegura a qualidade e ao mesmo tempo ganha eficiência nesta peça de cavidade grande e profunda.

Conclusão

Este componente de cavidade tem estrutura complexa, com taxa de remoção de material de até 92%, tempo de usinagem longo, custo elevado e um grande número de cotas a controlar. Com capacidade técnica e experiência em usinagem, a Sendot Technology dialoga ativamente com os clientes e propõe ajustes razoáveis em determinadas características estruturais e cotas de medição, considerando as particularidades da usinagem CNC. O resultado une custo-benefício e garantia de qualidade. Esperamos que este artigo traga boas referências sobre a ponte entre projeto e manufatura.