Como desenvolver roteiros de usinagem CNC eficientes: um caso prático

No processo de fabricação, definir o roteiro de processo é uma das etapas mais críticas, com impacto significativo sobre a qualidade da peça, a eficiência produtiva e o controle de custos.

O tema do desenvolvimento de roteiros de processo pode ser tratado de forma ampla ou restrita. Este artigo adota uma abordagem “restrita”, usando um estudo de caso real de usinagem CNC para comparar vários roteiros de processo, analisar suas vantagens e desvantagens e, esperamos, trazer alguma inspiração para você.

Pré-requisitos para desenvolver um roteiro de processo

• Conhecimento aprofundado dos processos de usinagem e das características dos equipamentos, incluindo a aplicabilidade de cada processo e o desempenho das máquinas.
• Entendimento profundo das propriedades do material, como usinabilidade e comportamento de deformação.
• Uma sequência coerente de usinagem das estruturas, definindo o que usinar primeiro e o que deixar para depois, de modo a garantir estabilidade no processo e qualidade da peça.

Análise do produto e do desenho

Este estudo de caso envolve um lote pequeno de 2000 peças, em liga de alumínio de alta resistência AL2024, que exige tratamento de oxidação após a usinagem. As características de usinagem das peças são as seguintes:

• Tolerância dimensional: as tolerâncias dimensionais são relativamente folgadas, mas a tolerância da estrutura da orelha lateral da peça é a mais rigorosa: 1,95±0,03mm.
• Requisitos de montagem: as posições dos furos precisam garantir precisão posicional e dimensional. Para assegurar estabilidade, os furos e sua referência devem ser usinados na mesma operação.
• Usinagem de roscas: furos roscados M3/M4, sendo o M3 um furo cego. Para garantir consistência e preenchimento completo da rosca, utiliza-se uma fresa de rosca.

Abaixo estão as vistas 3D e 2D da peça.

Estudo de caso prático: análise e comparação de vários roteiros de processo

Roteiro de processo 1: usinagem em 3 eixos, do lado B para o lado A

Etapas de usinagem:

• CNC1: fixação em castanhas multiestação para usinar o contorno externo e os furos da peça.

• CNC2: primeiro, usam-se placas de fixação M6 para prender os dois lados do blank. Pausa-se a máquina após a usinagem da cavidade interna, instalam-se dois parafusos M4, retiram-se as placas de fixação M6 e usinam-se as demais estruturas em vermelho.

Vantagens:

• O CNC1 usina simultaneamente o contorno externo e as posições dos furos da peça, com boa estabilidade dimensional.
• A espessura é usinada com as placas de fixação instaladas, de modo que a cota de altura fica bastante estável.

Desvantagens:

• O CNC2 exige uma pausa para remover as placas de fixação, o que aumenta a complexidade operacional.

Roteiro de processo 2: usinagem em 3 eixos, do lado A para o lado B

Etapas de usinagem:

• CNC1: fixação em castanhas multiestação para usinar o contorno externo, os furos e a cavidade interna (inverso do CNC1 do Roteiro de Processo 1).

• CNC2: usa-se uma morsa de bancada para a fixação, vira-se a peça para posicionamento e usina-se a cota de espessura.

Vantagens:

• A estabilidade geral de processamento das peças no CNC1 é boa e não exige pausa para trocar placas de fixação no CNC2.

Desvantagens:

• O CNC2 usa fixação por empuxo lateral para prender a peça, o que pode provocar empenamento para cima e gerar risco de espessura inconsistente nos quatro cantos, especialmente na região com tolerância de 1,95±0,03mm.

Roteiro de processo 3: usinagem em 4 eixos, do lado A para o lado B

Etapas de usinagem:

• CNC1: usa usinagem em 4 eixos para concluir simultaneamente o contorno externo, os furos, a cavidade interna e a cota crítica de 1,95±0,03mm, garantindo estabilidade.

• CNC2: é basicamente igual ao CNC2 do Roteiro de Processo 2. Depois que a cota crítica de 1,95±0,03 mm é usinada, utiliza-se uma morsa de bancada para a fixação. Em seguida, a peça é virada para posicionamento e a cota de espessura é usinada. Mesmo que ainda haja risco de empenamento para cima, a tolerância dimensional pode ser mantida dentro de uma faixa razoável para as demais estruturas.

Vantagens:

• O Roteiro de Processo 3 é uma versão aprimorada do Roteiro de Processo 2. O CNC1 conclui a usinagem da cota crítica na máquina de 4 eixos, reduzindo a dificuldade de usinagem no CNC2.
• No CNC2, as demais tolerâncias de espessura da peça podem ser usinadas o mais próximo possível da tolerância exigida, reduzindo riscos de processo e aumentando a viabilidade.

Desvantagens:

• O CNC2 usa o mesmo método de fixação do Roteiro de Processo 2, portanto ainda existe risco de empenamento para cima das peças.

Roteiro de processo 4: fixação única com usinagem em 5 eixos

Etapas de usinagem:

CNC1: a usinagem em 5 eixos conclui todas as cotas da peça em uma única operação, com corte final por serra circular.

Vantagens:

• Não há erros de conversão de processo nem de posicionamento, o que resulta em precisão dimensional ideal.

Desvantagens:

• Por causa do corte com serra circular, algumas arestas não podem ser chanfradas na máquina. É necessário rebarbar e chanfrar manualmente depois de retirar a peça da máquina.
• De modo geral, as fábricas de usinagem têm recursos limitados de máquinas de cinco eixos, o que pode não atender à demanda em produção seriada.
• Como o ponto de fixação fica na parte estendida da peça, ela trabalha em balanço. Para reduzir a trepidação da ferramenta, é preciso reduzir a eficiência de usinagem para compensar.

Conclusão

Como podemos ver, os quatro roteiros de processo conseguem concluir a usinagem da estrutura do produto, cada um com características próprias. Na prática, como engenheiro, eu costumo visualizar as vantagens, desvantagens e pontos de risco de cada roteiro como se estivesse “passando um filme na cabeça”. Isso também envolve ponderar todos esses fatores em conjunto com os recursos disponíveis na fábrica naquele momento para escolher o mais adequado.

Neste estudo de caso, escolhi o Roteiro de Processo 1. O motivo principal é que a alocação de máquinas da fábrica naquele momento se encaixava bem nos requisitos de custo-benefício deste lote. Além disso, o Roteiro de Processo 1 prioriza a “estabilidade”, atendendo de forma eficaz às necessidades de usinagem.