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1 PROCESSOS DE USINAGEM AULA 6 Prof. Claudimir José Rebeyka 2 CONVERSA INICIAL O Comando Numérico Computadorizado (CNC) é um equipamento que comanda as máquinas com o auxílio de computadores. A aplicação desse tipo de equipamento facilita o controle e a execução das operações de usinagem. Veja, por exemplo, a seguir a imagem de um torno CNC. Figura 1 – Torno CNC Fonte: Shutterstock. Nesta aula, estudaremos as características dos processos de usinagem com Comando Numérico Computadorizado (CNC). Veremos qual é o princípio de funcionamento dos CNC. Analisaremos as principais formas de programação CNC, que pode ser feita de forma manual ou assistida por computadores. Toda a execução da usinagem é descrita em uma etapa denominada planejamento de processos. Nessa etapa são organizadas e agrupadas todas as informações relevantes para a usinagem. Por isso, é necessário estudar os conceitos de planejamento de processos e conhecer a interferência dos parâmetros de processos sobre as condições econômicas de fabricação. Mas quais seriam as principais vantagens do uso do CNC? Veremos a resposta nesta aula. 3 TEMA 1 – PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DOS CNC As máquinas e ferramentas convencionais são acionadas por comandos manuais. É da responsabilidade do operador controlar a máquina e ajustar os parâmetros de processo. Isso quer dizer que o operador tem função fundamental no comando da máquina e no controle do processo. Para entender o princípio de funcionamento do CNC – Comandos Numéricos Computadorizados – e aprofundar os conhecimentos sobre ele, primeiramente, é necessário conhecer a sua definição. O CNC é um equipamento eletrônico dotado de entrada própria, capaz de receber informações, realizar uma compilação delas e transmiti-las em forma de comando para uma máquina. Essa máquina executa as operações na sequência programada, sem a intervenção do operador (Groover, 2011). Figura 2 – Sequência de operações do CNC *T representa tacômetro. **E representa encoder. Fonte: Adaptado de Groover, 2011. 4 As informações de processo são organizadas em um arquivo chamado programa CNC, que é introduzido através de um dispositivo de entrada de dados. A partir disso, o CNC recebe e compila as informações contidas no programa e essas informações compiladas são transmitidas em forma de sinal eletrônico. O servo-driver e o inversor recebem os sinais e acionam os motores que acionam o eixo e a mesa da máquina. Veja na figura a seguir os motores de acionamento dos CNC. Figura 3 – Motores de acionamento dos CNC Fonte: Shutterstock. Cada motor tem um tacômetro para controle da velocidade, e cada eixo ou mesa tem um encoder para controle da posição, conforme ilustrado na a seguir. Esses elementos de controle realimentam o CNC com o sinal de resposta do elemento acionado. O CNC recebe o sinal de resposta e compara com o sinal enviado para fazer o acionamento. Se a resposta for coerente com a instrução de acionamento, o CNC finaliza o comando e passa para a próxima instrução programada. 5 Figura 4 – Encoder Fonte: Shutterstock. Podemos resumir o funcionamento do CNC da seguinte forma: Recebe, compila e transmite informações. Os elementos são acionados, inclusive a máquina. Os sensores acoplados nos elementos acionados enviam o sinal de resposta para o CNC. Quando o CNC compara e certifica que a instrução foi executada, é constituído o comando. O comando é denominado numérico porque toda instrução de acionamento é composta de um valor (por exemplo, a velocidade de rotação de 500 rpm). O comando é denominado computadorizado porque é processado em uma unidade independente da máquina controlada. Figura 5 – Painel de comando e torno CNC Fonte: Shutterstock. 6 Veja na figura acima um torno CNC e o seu painel de comando. O operador irá preparar a máquina por meio dessa interface homem-máquina. O operador somente intervém na máquina durante a preparação. A máquina funciona automaticamente durante a usinagem, sem a intervenção do operador. Isso porque o controle da máquina ocorre em circuito fechado de controle: o CNC dispara ordens de acionamento e somente passa para a próxima instrução quando recebe o sinal de resposta do elemento acionado. Esse é o princípio de funcionamento do CNC. TEMA 2 – FORMAS DE PROGRAMAÇÃO DOS CNC Basicamente, existem duas formas de programação: uma forma manual e outra assistida por computadores. Para ambas as formas de programação, o que possibilita o comando da máquina é o programa CNC, não importa se ele foi produzido de forma manual ou de forma assistida. Na programação manual, as operações de fabricação são programadas através de uma série de códigos baseados na norma ISO6983, também conhecidos como código G. Veja o exemplo a seguir. Figura 6 – Programação de CNC %0001 ; PROGRAMA PARA FURACAO N10 G21 G40 G90 G94 N20 G00 G54 X200 Y200 Z150 M9 ; BROCA DE CENTRO DIAM. 3,15MM N30 T1 D1 M6 N40 G97 S1500 M3 N50 G00 X15 Y15 Z2 N60 G01 Z-3 F140 M8 N70 G00 Z2 N80 G00 X65 Y15 N90 G01 Z-3 7 N100 G00 Z2 N110 G00 X65 Y50 N120 G01 Z-3 N130 G00 Z2 N140 G00 X45 Y60 ; BROCA HELICOIDAL DIAM. 10MM N170 T5 D5 M6 N180 G97 S720 M3 N190 G00 X15 Y15 Z2 N200 G01 Z-17 F75 M8 N210 G00 Z2 N220 G00 X65 Y15 N230 G01 Z-17 N240 G00 Z2 N250 G00 X65 Y50 N260 G01 Z-17 N270 G00 Z2 N280 G00 X45 Y60 N290 G01 Z-17 N300 G00 Z2 N310 X200 Y200 Z150 M9 Na programação assistida, utilizamos um programa com interface gráfica no computador conhecido como programa CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing). Esse programa simula a operação de usinagem e gera, de maneira automática, o código G de programação CNC. Figura 7 – Interface do CAD/CAM Fonte: Shutterstock O código G é gerado pelo programa CAD/CAM em uma operação automática de pós-processamento. O pós-processador é específico para cada 8 máquina CNC. Em seguida, o arquivo com o código G é transferido para a máquina CNC. Figura 8 – Conexão entre computador e máquina CNC Fonte: Adaptado de Groover, 2011. Ou seja, não importa se a programação CNC foi feita manualmente ou com o auxílio de um programa CAD/CAM. O código G é que vai comandar a máquina durante a operação de usinagem. Para efetuar a programação CNC, é necessário estabelecer sistemas de referência. Um sistema de referência associado à máquina e outro à peça, conforme ilustrado a seguir. Figura 9 – Sistemas de referência Fonte: Adaptado de Siemens, 2010. 9 E outro sistema de referência associado às ferramentas. Figura 10 – Sistema de referência: ferramentas Fonte: Adaptado de Siemens, 2010. Os dados de ferramentas são armazenados em uma tabela na memória da máquina CNC. Desta forma, o CNC vai levar em conta a posição relativa da peça presa na máquina e as dimensões das ferramentas que serão utilizadas nas operações de usinagem. O CNC vai comandar o movimento relativo entre a ponta da ferramenta e a superfície a ser usinada, tendo como base os sistemas de referência: zero-máquina, zero-peça e zero-ferramenta. Código G de programação do CNC O programa CNC é dividido em frases ou blocos. Cada um representa um conjunto de informações específicas do processo ou da operação de fabricação. Os significadosdas funções são atribuídos na norma ISO 6983 (1982), descritos a seguir: Quadro 1 – Funções gerais e funções auxiliares % ou O Número do programa N Número de bloco X,Y,Z Coordenadas cartesianas A,B,C Eixos de rotação I, J, K Parâmetros de interpolação circular R Valor do raio/ Plano de retorno P,Q,R,D Parâmetros dos ciclos T Estabelece o número da ferramenta D/ H Estabelece o número do corretor da ferramenta 10 S Valor da rotação da máquina (G96 – S em (m/min) G97 – S em (rpm)) F Valor do avanço da máquina (G94 – F em (m/min) G95 – S em (mm/rot)) G Códigos G – Funções modais (modo de funcionamento da máquina) M Funções de máquina (acionam a máquina) Quadro 2 – Códigos G: Programação ISO 6983 G00/ G0 Interpolação linear em avanço em rápido G01/ G1 Interpolação linear com avanço programado G02/ G2 Interpolação circular no sentido horário G03/ G3 Interpolação circular no sentido anti-horário G04/ G4 Tempo de espera, permite uma parada num tempo programado G17 Define o plano de trabalho XY (valor padrão) G18 Define o plano de trabalho XZ G19 Define o plano de trabalho YZ G20/ G70 Medidas em polegadas G21/ G71 Medidas em milímetros G40 Cancela compensação do raio da ferramenta G41 Compensação do raio da ferramenta à esquerda da trajetória G42 Compensação do raio da ferramenta à direita da trajetória G53 Cancelamento do ponto zero peça – Ativa o ponto zero máquina G54 1.º Ponto zero peça Acima são apresentadas apenas algumas funções do código G. Exemplo Vamos escrever o programa CNC de acordo com a norma ISO 6983 (Código G) para a peça ilustrada no desenho a seguir. 11 Figura 11 – Peça de aço Vamos utilizar uma barra de aço SAE1045, com as seguintes dimensões Ø65 x 110 mm. O lado do Ø65 está com a face e o diâmetro prontos. Basta tornear o outro lado da peça. Todos os chanfros da peça são em 45 graus. A seguir são apresentados a lista de ferramentas e os dados de corte que devem ser aplicados na usinagem. Tabela 1 – Ferramentas e dados de corte T Descrição Operação Vc (m/min) f (mm/rot) ap máx (mm) PCLNL2525 Faceamento Desbaste do perfil da peça 150 180 0.25 0.3 2 2.5 7 SVLBL2020 Acabamento externo 200 0.1 1 9 151.21-5 mm Usinagem do canal e chanfros 120 0.08 NA Vamos considerar que a peça será presa em uma placa de fixação pelo Ø65 mm e a usinagem completa será executada nessa fixação. O ponto zero- peça será localizado na face direita da peça, no centro de rotação. O sistema de referência será formado pelo plano ZX (Z na direção do comprimento e X na direção do diâmetro da peça). 12 %3003 N10 G21 G40 G90 G95 N20 G0 G54 X200 Z150 M9 ; FERR. FACEAR/ DESBASTAR N30 T1 M6 D1 N40 G96 S150 M4 N50 G00 X66 Z1 M8 N60 G01 X66 Z0 F0.25 N70 G01 X-1 Z0 ; DESBASTE EXTERNO N80 G96 S180 M4 N90 G00 X60 Z2 N100 G01 X60 Z-78.9 F0.3 N110 G00 X65 Z2 N120 G00 X55 Z2 N130 G01 X55 Z-78.9 N140 G00 X60 Z2 N150 G00 X50 Z2 N160 G01 X50 Z0 N170 G01 X55 Z-2.5 N180 G00 X52 Z2 N190 G00 X47 Z2 N200 G01 X47 Z0 N210 G01 X55 Z-4 N220 G00 X200 Z150 M9 ; ACABAMENTO N230 T7 M6 D1 N240 G96 S200 M4 N250 G00 X48 Z2 M8 N260 G01 G42 X46 Z0 F0.1 N270 G01 X54 Z-4 N280 G01 X54 Z-79 N290 G01 X66 Z-79 N300 G00 G40 X200 Z150 M9 ; DESBASTE CANAL N310 T9 M6 D1 N320 G96 S120 M4 N330 G00 X56 Z-44 M8 N340 G01 X46 Z-44 F0.08 N350 G00 X56 Z-44 N360 G00 X56 Z-49 N370 G01 X46 Z-49 N380 G00 X56 Z-49 N390 G00 X56 Z-54 N400 G01 X46 Z-54 N410 G00 X56 Z-54 N420 G00 X56 Z-59 N430 G01 X46 Z-59 N440 G00 X56 Z-59 ; ACABAMENTO CANAL ; FLANCO ESQUERDO ; CORRETOR D1 N450 D1 N460 G00 X56 Z-63 N470 G01 G41 X54 Z-63 N480 G01 X46 Z-59 N490 G00 G40 X56 Z-59 ; ACABAMENTO CANAL ; FLANCO DIREITO ; CORRETOR D2 N500 D2 N510 G00 X56 Z-35 N520 G01 G42 X54 Z-35 N530 G01 X46 Z-39 N540 G00 G40 X56 Z-39 N550 G00 X200 Z150 M9 N560 M30 Obviamente, o programa CNC acima é apenas um exemplo. Podem existir diferentes maneiras de programar a usinagem de uma peça, de acordo com a forma específica de trabalho de cada empresa. O programa CNC deve ser ajustado às máquinas e ferramentas disponíveis na empresa, à capacidade de remoção das ferramentas, ao tamanho do lote e a outros fatores que serão discutidos nas próximas aulas. 13 TEMA 3 – PLANEJAMENTO DE PROCESSOS O planejamento de processos é uma função de engenharia que compreende a organização lógica da sequência de fabricação e o detalhamento das operações necessárias para transformar um desenho de engenharia em um produto final. Basicamente, o planejamento pode ser dividido em quatro etapas: estabelecer a sequência de operações, escolher as máquinas e ferramentas, definir os parâmetros de processo e prever os tempos de fabricação. A fabricação de peças e componentes na indústria mecânica é composta por uma série de atividades. Veja na figura a seguir uma ilustração simplificada de um sistema de produção de componentes e conjuntos mecânicos. Figura 12 – Atividades de um sistema de produção Nesse sistema de produção, podemos observar que o cliente procura produtos e soluções para atender suas demandas. O departamento comercial da empresa recebe os clientes e oferece os produtos da empresa, realiza orçamentos, escreve contratos e efetua a venda. Quando a venda é efetivada, são enviadas ordens para a engenharia. 14 A engenharia executa um projeto e, ao longo dele, o engenheiro faz o levantamento de necessidades dos clientes e transforma-as em requisitos funcionais. Isso quer dizer que um produto é projetado para executar determinadas funções. Em seguida, a partir desse mesmo produto, é feito um desenho técnico, que contém todas as informações de formas geométricas e dimensões que permitam a fabricação das peças, de forma que atendam aos requisitos funcionais estabelecidos no projeto. Então são previstos os suprimentos necessários para a fabricação. O planejamento de processos é uma função de engenharia que reúne todas as informações necessárias para transformar o desenho em um produto acabado em uma determinada fábrica. Cada empresa tem necessidades diferentes de documentação de processo, conforme a realidade de sua fábrica, tanto em termos de equipamento quanto em termos de pessoal. Entretanto, apesar da diversidade existente de planos de processo, podemos identificar pelo menos dois tipos de informações comuns: o plano de fabricação e os detalhamentos. Figura 13 – Planejamento de processos Quanto melhor o planejamento, melhor será o aproveitamento de tempo no chão de fábrica e menor será a perda de tempo em busca de informações e tomada de decisões. Isso logicamente influencia de maneira indireta o custo de fabricação. 15 Exemplo A seguir, vamos apresentar um exemplo de planejamento de processos. Veja que foram criados dois documentos: o plano de fabricação e o detalhamento da operação 020. Tabela 2 – Plano de fabricação LOGO DA EMPRESA PLANO DE FABRICAÇÃO Des.: CNC-005003 Rev. C Qt. 10 Responsável: AAA DATA 22/07/14 P Máquina Descrição da operação Tempo (min) 10 SERRA Cortar material com Ø50,8 x 104mm 5 20 TORNO Usinar conforme desenho e detalhamento 20 30 BANCADA Identificar e olear as peças 5 Tabela 3 – Detalhamento de operações LOGO DA EMPRESADETALHAMENTO DE OPERAÇÕES Des.: CNC-005003 Rev. C Op. 020 Responsável: AAA DATA 22/07/14 P Ferramenta Descrição da operação N (rpm) f (mm/rot) 20 A BRO1001 Fazer furo de centro profundidade 2,5 mm na face da peça 2200 Manual 20 B TOR5022 Desbastar diâmetro externo. Deixar com Ø46 mm 1250 0,25 20 C TOR2012 Fazer acabamento no diâmetro externo. Deixar com Ø44 ±0,05 mm 1600 0,125 O plano de fabricação prevê o percurso que a peça deve seguir na fábrica, para executar as operações de fabricação. O detalhamento descreve características específicas de uma operação. 16 Podemos dizer que o planejamento de processos determina como um produto deve ser fabricado. Ele deve reunir todas as informações necessárias para transformar o desenho em um produto acabado. TEMA 4 – AS QUESTÕES DO PLANEJAMENTO DE PROCESSOS O método de trabalho para o planejamento de processos consiste em responder detalhadamente a algumas questões, levando-se em consideração se a peça vai ser usinada na máquina CNC ou nas máquinas convencionais. Vamos apresentar, de forma resumida, oito questões do planejamento de processos. Questão 1 – Qual é a sequência de máquinas? Figura 14 – Máquinas CNC Fonte: Shutterstock. As máquinas da empresa podem ter características de usinagem diferentes, ociosidade e custos diferentes. Na figura anterior, por exemplo, qual seria a melhor furadeira para executar a peça? Questão 2 – Como a peça será fixada para a operação? 17 Figura 15 – Fixação de peças Fonte: Shutterstock. Questão 3 – Quais são as ferramentas necessárias? O uso de ferramentas especiais somente é justificado pelo aumento na produção ou garantia da qualidade. Procure utilizar ferramentas padronizadas. Figura 16 – Ferramentas Fonte: Shutterstock. Questão 4 – O processo deve deixar material para acabamento? Algumas operações de desbaste devem deixar material suficiente para a operação de acabamento, como ilustrado na figura abaixo. As operações de desbaste são mais eficientes na remoção de material, e as operações de acabamento servem para o controle dimensional e geométrico mais refinado. 18 Figura 17 – Desbaste e acabamento Fonte: Shutterstock. Questão 5 – A peça deve manter uma superfície de referência? Muitas tolerâncias geométricas e de montagem são estabelecidas em função de superfícies de referência. Verifique se a peça tem alguma superfície especial, e utilize-a como referência para construir o restante da peça. Figura 18 – Superfície de referência Fonte: Shutterstock. Questão 6 – Qual é o ponto de referência para a máquina CNC? 19 Nas operações feitas em máquinas CNC, o ponto de referência (zero- peça) é de fundamental importância na usinagem. Veja o exemplo na figura a seguir: Figura 19 – Ponto de referência Fonte: Shutterstock. Questão 7 – A sequência pode ser feita em menor número de operações? Utilize sempre o menor número de operações possível. Considere também as operações de movimentação, identificação e armazenamento. Questão 8 – Qual é o tempo previsto para fabricação? O tempo de fabricação pode ser previsto a partir do tempo de corte na usinagem, somado com os tempos de preparação de máquinas e ferramentas e a movimentação de peças. Podemos fazer uma estimativa do tempo total de fabricação, e também podemos cronometrar o tempo de fabricação. Por fim, devemos verificar se o tempo de fabricação é adequado à produção e reavaliar o planejamento de processos visando aumentar a eficiência. As questões de planejamento são respondidas quase simultaneamente, pois as respostas frequentemente dependem uma das outras. Além disso, os detalhes de cada operação de fabricação podem mudar de empresa para empresa, dependendo do tipo de produto, do tamanho do lote e da forma de trabalho. 20 Na medida em que o processo de fabricação é estabilizado, essas perguntas são respondidas mais facilmente, conforme se acumula experiência no planejamento de processos. TEMA 5 – CONDIÇÕES ECONÔMICAS DE FABRICAÇÃO A velocidade de corte tem grande influência no desgaste de ferramentas de usinagem. Quanto maior for a velocidade, mais acentuado será o desgaste e mais frequente será a troca da ferramenta. Se o avanço for muito pequeno, também será acentuado o desgaste. A profundidade tem a menor influência no desgaste das ferramentas de corte. Para otimizar o processo de usinagem, de uma forma geral, é preciso aumentar primeiramente a profundidade de corte, depois o avanço e por último a velocidade de corte. Para atender aos menores tempos de processo, podemos analisar os tempos de fabricação conforme ilustrado no gráfico da figura a seguir. Gráfico 1 – Tempos de processo Fonte: Machado et al., 2009, p. 310. O tempo t1 é o tempo relativo à preparação da máquina e independe da velocidade de corte. O tempo t2 é relativo ao tempo de corte, que é reduzido com o aumento da velocidade. Já o t3 é o tempo gasto com trocas de ferramentas. Somando os tempos t1, t2 e t3, temos o tempo total da usinagem. Vai existir uma velocidade de corte Vmxp, chamada de velocidade de máxima produção, que 21 corresponde ao tempo mínimo tmin de usinagem de um determinado lote de peças. Para atender aos menores custos de processo, podemos analisar os custos de fabricação conforme ilustrado no Gráfico 2. Gráfico 2 – Custos de fabricação Fonte: Machado et al., 2009, p. 315. O custo cp1 é relativo à matéria-prima do lote de peças e independe da velocidade de corte. O custo cp2 é relativo à operação da máquina, que é reduzido com o aumento da velocidade de corte. Já o custo cp3 é o gasto com ferramentas. Somando os custos cp1, cp2 e cp3, temos o custo total da usinagem. Vai existir uma velocidade de corte V0, chamada de velocidade de mínimo custo, que corresponde ao custo mínimo Cpmin de usinagem de um lote de peças. Vai haver uma velocidade de corte (Vmxp) que vai corresponder ao menor tempo de fabricação, e outra velocidade de corte (V0) que vai corresponder ao menor custo da produção. Quando somamos os gráficos da velocidade de corte para o menor tempo e para o menor custo, obtemos como resultado o gráfico da produção. O intervalo de máxima eficiência Imef é a região desse gráfico compreendida entre a velocidade de corte para custo mínimo (V0) e a velocidade de corte para tempo mínimo (Vmxp). 22 Gráfico 3 – Produção Fonte: Machado et al., 2009, p. 316. O intervalo entre essas velocidades contém as velocidades de corte para máxima eficiência do processo de produção. É justamente desse tipo de análise que vem a recomendação da velocidade de corte dos fabricantes de ferramentas. Veja que os fabricantes de ferramentas recomendam uma faixa de velocidade de corte para cada operação de usinagem. Podemos presumir que a menor velocidade vai corresponder ao custo mínimo, enquanto a maior velocidade vai corresponder ao tempo mínimo. Cabe ao planejador definir qual será a opção de produção. FINALIZANDO Nesta aula, estudamos as características dos processos de usinagem com Comando Numérico Computadorizado (CNC). Estudamos as definições do CNC e compreendemos seu princípio de funcionamento. Também analisamos as principais formas de programação CNC e vimos alguns exemplos de programação de acordo com a norma ISO 6983 (Código G). Conhecemos o conceito de planejamento de processos e fizemos um estudo qualitativo sobre as condições econômicas de fabricação. A principal vantagemde uso dos CNC é estabelecer as melhores condições econômicas de fabricação, através das técnicas de planejamento de processos. A aplicação das máquinas CNC viabiliza a usinagem nas condições 23 ótimas de produção. Uma das grandes vantagens do CNC é permitir a troca automática de ferramentas, que reduz o tempo de fabricação. 24 REFERÊNCIAS GROOVER. M. Automação industrial e sistemas de manufatura. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2011. ISO – International Organization for Standardization. ISO 3685:1993: Tool-life testing with single-point turning tools. Genebra: ISO, 1993. _____. ISO 14649-1:2003: Industrial automation systems and integration: Physical device control: Data model for computerized numerical controllers: Part 1: Overview and fundamental principles. Genebra: ISO, 2003. _____. ISO 6983-1:1982: Numerical control of machines: program format and definition of address words. Genebra: ISO, 1982. MACHADO, A. R. et al. Teoria da usinagem dos materiais. São Paulo: Blucher, 2009. REBEYKA, C. J. Princípios dos processos de fabricação por usinagem. 1. ed. Curitiba: Intersaberes, 2016. SIEMENS. Manual de programação Sinumerik 840D sl / 828D. 2010. Disponível em: <https://cache.industry.siemens.com/dl/files/635/28705635/att_75730/v1/PG_0 310_ptb_pt-BR.pdf>. Acesso em: 24 jan. 2018. SHUTTERSTOCK. Disponível em: <https://www.shuttersock.com>. Acesso em 24 jan. 2018. SLACK, N.; CHAMBERS, S.; JOHNSTON, R. Administração da produção. 3. ed. Atlas S.A.: São Paulo, 2009.
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