UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA EMC 5202 – USINAGEM DOS MATERIAIS
Torno CNC
Equipe Lian Kobarg Cercal Rogerio Gomes Sérgio Koerich Lohn Thiago Körting Nunes
Professor Lorival Boehs
Florianópolis, 02 de junho de 2009
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Sumário
1. Resumo ......................... ....................................... ............................ ........................... ........................... ........................... ........................... ............................1 ..............1 2. Introdução as máquinas de comando numérico .......................... ........................................ ........................... .........................4 ............4 3. Exemplo de Aplicações .................................................................................................................. ......................................................................................................................5 ....5
....................................... ........................... ........................... ........................... ............................ .......................6 .........6 4. Histórico e Evolução .......................... 5. Vantagens do Torno CNC.................................................................................. CNC................................................................................................................. ............................... 9 6. Programação CNC.................................................... CNC............................................................................................. ........................................................................11 ...............................11 7. Características da Unidade Mecânica ................................................................ ...........................................................................................24 ...........................24 8. Subsistemas ........................................................................ .......................................................................................................... ..............................................................26 ............................26 9. Tipos e Classificação dos Tornos CNC............................................................ CNC........................................................................................... ...............................68 68 10. Célula flexível de manufatura...................................................................................... manufatura........................................................................................................74 ..................74 11. Exemplos de Fabricantes.............................................................. Fabricantes................................................................................................... ................................................75 ...........75 12. Caso de Engenharia................................................ Engenharia.......................................................................................... ........................................................................78 ..............................78 13. Conclusões..................................................... Conclusões............................................................................................. ........................................................................ ..........................................82 ..........82 14. Referencias............................................................ Referencias................................................................................................. ..........................................................................8 .....................................833
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1. Resumo O objetivo do presente trabalho é expor os principais subsistemas e tipos de tornos CNC, abrangendo desde os tornos CNC até os centros de torneamento. Além de expor uma série de aplicações e vantagens para o uso dessa máquina ferramenta. A pesquisa em relação a essa máquina ferramenta foi feita mediante a consulta de catálogo dos principais fabricantes e por trabalhos técnicos, disponibilizados pelos fabricantes ou produzido por professores vinculados a essa área. Dessa forma geramos um relatório que caracteriza com abrangência essas principais características, de forma bem ilustrada e clara.
2. Introdução as máquinas de comando comando numérico numérico
2.1. O que é comando numérico? O Conceito do Comando Numérico (CN) está exatamente no princípio de transmissão de comandos/dados por meio de números. Ou seja, o Comando Numérico é um sistema capaz de receber informações através da entrada própria de dados e transmiti-las em forma de comando a uma máquina ferramenta. Também podemos entender o Comando Numérico como uma forma de automação programável, baseada em softwares compostos de símbolos, letras l etras e números. O código de instruções é formado por blocos de informações, que são grupos de comandos suficientes para permitir que a máquina realize uma operação individual. Cada bloco tem uma seqüência e é executado numa ordem numérica. Um conjunto de instruções forma um PROGRAMA NC. Para entender o princípio básico de funcionamento de uma máquina ferramenta à Comando Numérico, pode-se dividi-la, genericamente, em duas partes: a primeira, uma unidade de assimilação de informações, recebidas através da leitora de fitas, entrada manual de dados, micro, entre outros; a segunda, uma unidade calculadora, onde as informações recebidas são processadas e retransmitidas às unidades motoras da máquina ferramenta. O circuito que integra a máquina-ferramenta ao CN é denominado de interface. O Comando Numérico pode ser utilizado em qualquer tipo de máquina-ferramenta. Sua aplicação tem sido maior nas máquinas de diferentes operações de usinagem, como Tornos, Fresadoras, Furadeiras, Mandriladoras e Centros de Usinagem. Basicamente, segundo apostila de iniciação do SENAI (Mariano Ferraz), sua aplicação deve ser efetuada em empresas que utilizem as máquinas na usinagem de séries médias e repetitivas ou em ferramentarias, que usinam peças complexas em lotes pequenos ou unitários.
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O assunto específico que será será tratado neste texto serão serão os tornos a CNC. CNC. Mas e o que vem a ser esta sigla? Ela significa ‘Comando Numérico Computadorizado’. A distinção entre CN e CNC é somente com referência ao comando em si. Os programas serão sempre chamados de Programas CN ou NC. O CNC pode ser, além de interrompido, modificado. A máquina dotada de Comando Numérico Computadorizado, tem seus acionamentos controlados por sistema eletrônico que por sua vez é comandado por um computador que auxilia no arquivamento de parâmetros de funcionamento e dados de ferramentas e dimensões de peças também chamado de Programa, o programa de usinagem nada mais é do que uma seqüência de informações inseridas no comando da máquina e codificado para o sistema binário, e esse é interpretado por um CLP que envia sinais refinados ao motores responsáveis por acionamento dos eixos de deslocamento de carros e mesas de máquinas máqui nas operatrizes. Para formalizar os termos que serão utilizados daqui por diante neste texto, faz-se aqui a seguinte definição: •
NC (Numerical Control): Comando Numérico (CN);
•
CNC (Computerized Numerical Control): Comando Numérico baseado em Computador (CNC).
2.2. Máquinas CNC X Máquinas Convencionais? Usar uma máquina CNC não significa substituir substituir o operador por por um computador, pode-se fazer qualquer coisa que se faça em uma máquina CNC em máquinas convencionais. As principais diferenças são a produtividade e repetibilidade das peças sendo que em alguns casos a diferença de tempos pode ser considerada infinita, pois a complexidade das peças pode exigir um empenho sobrehumano do operador. Falando desta maneira pode-se até entender que o ganho do CNC sobre o convencional não é tão grande, porém isso é um grande equivoco, pois a partir do advento do CNC foi possível criar peças com geometrias de extrema complexidade em tempo recorde, peças, cuja fabricação era possível apenas nas mãos experientes de um exímio mestre modelador. •
Peças com geometrias complexas.
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Peças de grande precisão dimensional.
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Peças com alto grau de acabamento na superfície usinada.
•
Em peças que utilizando-se do sistema convencional resultam em grande números de refugos e retrabalhos.
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Podemos perceber isto nas linhas aerodinâmicas dos automóveis modernos com formas complexas e bonitas que se alteraram com muita rapidez. No inicio da fabricação dos automóveis em série, os modelos T de Henry Ford, por exemplo, todos os carros eram iguais e da mesma cor, o consumidor era obrigado a optar entre comprar aquele carro que todos tinham ou ficar sem. Hoje a colocação de um novo modelo é tão rápida, que o consumidor se sente às vezes até incapaz de se decidir qual escolher.
2.3. Constituição Básica de uma Máquina CNC: Para realizar uma breve contextualização, ainda sem iniciar uma explanação sobre os subsistemas de um Torno CNC, podemos dividir as máquinas a CNC, genericamente, em 3 partes componentes. •
A máquina em si. É a parte mecânica, o que antes era a máquina convencional.
Figura 1.1 – Parte Mecânica de Máquina CNC •
O Comando ou Controle Numérico. É o equipamento responsável pela interpretação do programa CNC e tradução em comandos que são enviados ao CLP (Computador Lógico Programável) aos microswitches (chaves ou válvulas eletromecânicas acionadas por impulsos eletrônico) para acionamento dos eixos. É ainda responsável pelo gerenciamento da interface da máquina com o operador (display, (display, botões, acionadores, etc.)
Figura 1.2 – O Comando Numérico
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•
Os Servo-Motores. Estes giram na velocidade e tempo necessários para que cada eixo atinja os valores de posição e velocidades, estipulados em cada bloco do programa CNC.
Figura 1.3 – Servo-motor de uma máquina CNC
3. Exemplo de Aplicações Os tornos em geral têm uma ampla e importante aplicabilidade para a fabricação em engenharia. Nesta seção se apresentara fotos com o intuito de dar uma idéia inicial sobre as aplicações, através de exemplos específicos. O torno CNC possui diversas aplicações, destacam-se entre elas usinagens de grande precisão dimensional, peças de grande complexidade geométrica e de fabricação. As principais vantagens de se utilizar o torno CNC em detrimento de outros também são os curtos ciclos de trabalho, rápida preparação da máquina entre uma peça e outra.
3.1. Implantes dentários O implante dentário é uma das maiores conquistas da odontologia. O primeiro implante foi patenteado nos EUA em 1901, sendo que os primeiros trabalhos no Brasil começaram a partir da década de 60. Desde então, esta técnica vem se aperfeiçoando, tendo a sua aplicação crescente de forma vertiginosa. Em função do material que é titânio e da geometria, a usinagem dos implantes dentários tem exigências bem particulares.
Figura 2.1 – Diferentes tipos de implante dentário
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3.2. Produção flexível “A diversificação de produtos nas empresas, a rápida substituição dos modelos produzidos e a forte concorrência internacional fazem com que a produção de um mesmo item seja reduzida drasticamente, privilegiando a produção flexível. Daí a importância das máquinas-ferramenta CNC para viabilizar esse novo formato de produção que o competitivo mundo globalizado exige das indústrias.” [1]
Figura 2.2 - Produção flexível
3.3. Torneamento duro Torneamento duro é uma operação de usinagem de acabamento por rotação de peças com mais de 48 Hrc de dureza. Operações como torneamentos longitudinais, faceamentos e rosqueamentos podem ser realizadas em tornos CNC. “Os tornos CNC devem ser rígidos e as ferramentas de corte mais utilizadas são as pastilhas de cerâmica e CBN. Dependendo do material a ser trabalhado, a usinagem pode ser feita a seco ou utilizando-se óleos solúveis.” [5] Para o torneamento duro destaca-se a não necessidade da retificação na grande maioria dos casos. •
Lotes grandes de fabricação.
•
Trabalhos dedicados para um único tipo de peça ou uma família de peças semelhantes.
•
Usinagem de peças simples de baixo custo ou de média complexidade.
•
Ideal para trabalhos a partir de barras.
•
Aplicações com magazines de carga e descarga automática de peças pré-formadas.
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4. Histórico e Evolução “A grande evolução dos tornos automáticos CNC deve-se fundamentalmente, graças ao emprego de novos materiais e componentes mecânicos, elétricos e eletrônicos. Na parte mecânica, foram desenvolvidos novos conceitos construtivos e criados novos componentes, que sem dúvida, provocaram uma verdadeira revolução na arte da construção de máquinas-ferramenta como, por exemplo: •
Tornos universais CNC clássicos com barramento inclinado para melhor distribuição das forças de corte e evacuação dos cavacos
•
Torres Torres porta-ferramentas com giro de estações e stações consecutivas da ordem de 0,3 segundos.
•
Carros cruzados, que deslizam sobre guias lineares de alta precisão, atingindo velocidades de avanço rápido da ordem de 30 m/min.
•
Acionamentos para ferramentas giratórias, possibilitando operações de fresamento.
•
Tornos com mais de 10 eixos controlados, permitindo a aplicação de diversos carros portaferamentas.
•
Utilização de rolamentos de alta precisão com lubrificação permanente para atingir elevadas rotações da ordem de 15.000 rpm.
•
Contra-pontas deslocáveis, que permitem a realização de usinagens externa e interna no mesmo ciclo de trabalho.
•
Comandos numéricos de 32 bits com tecnologia digital.
•
Utilização de motores de corrente alternada de freqüência variável para o acionamento do fuso principal, que possibilitam a livre programação das rotações com variação contínua.
•
Uso de servo-motores de corrente alternada de freqüência variável para o acionamento dos eixos lineares e circulares.
•
Motores do fuso principal integrados, tipo “Built in”, muito usados nos tornos automáticos CNC de cabeçote móvel.
•
Sistemas de medição automática das coordenadas das ferramentas de corte, dispensando os métodos de medição destas fora da máquina.
•
Sistemas de medição de peças em processo com correção automática de medidas.
•
Sistemas de simulação gráfica da peça em process” [3]
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Ainda segundo Ferrari (2006) algumas datas de importância sobre a evolução dos tornos t ornos CNC são: •
1940 - MARK I : Primeiro computador construído por Havard e pela IBM.
•
1949 – Contrato da Parson com a USAF para a fabricarem máquinas equipadas com CN.
•
1952 – MIT e Parson colocam em funcionamento o primeiro protótipo CN
•
1957 – Início da comercialização do CN.
•
1967 – Primeiras máquinas do CN no Brasil.
•
1970 – Aplicações dos primeiros comandos a CNC
•
1971 – Fabricação pela ROMI do seu primeiro torno com comando CN (Comando SLOSYN).
•
1977 – Comandos numéricos com CNC usando tecnologia tec nologia dos microprocessadores.
•
1980 – Sistemas flexíveis de fabricação são aplicadas em larga escala.
5. Vantagens do Torno CNC “Apesar do investimento inicial de uma máquina-ferramenta CNC ser maior que o de uma máquina convencional mecânica, aquela tem uma série de vantagens que, dependendo das peças a serem usinadas, terá uma relação “custo x benefício” melhor que a do equipamento mecânico. E isto acontece na aplicação dos tornos automáticos. As principais vantagens da tecnologia CNC são as seguintes:
5.1. Rápida preparação da máquina Principalmente quando o programa CNC já estiver otimizado e o ferramental de corte disponível e os meios de fixação disponíveis.
5.2. Alta flexibilidade no trabalho Em função da rápida preparação da máquina, torna-se econômica a produção, também, de pequenas e médias séries. Máquinas CNC são fundamentais quando se opera em trabalhos just in time.
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5.3. Fácil e rápida alteração do programa CNC Alterações de dimensões da peça de trabalho e parâmetros de corte, como avanços e velocidades de corte, são realizadas rapidamente mesmo durante a produção.
5.4. Correção de medidas durante o processo As correções de medidas, devido ao desgaste das ferramentas de corte, são feitas rapidamente pela introdução dos incrementos, deixando as peças dentro das da s suas tolerâncias.
5.5. Trabalho com parâmetros de corte otimizados Como os avanços dos carros porta-ferramentas e a rotações do fuso principal e das ferramentas acionadas são programáveis de forma contínua e sem escalonamentos, é possível de se trabalhar nas suas condições ideais em função do material que está sendo usinado, das tolerâncias e do grau de acabamento superficial.
5.6. Altas rotações do fuso fuso principal Esta condição faz com que se atinja tempos de ciclo mais rápidos e acabamentos superficiais ideais, alem de permitir a usinagem de aços endurecidos.
5.7. Altas velocidades de avanço rápido Esta característica é fundamental para se diminuir os tempos mortos nas aproximações e retrocessos das ferramentas de corte.
5.8. Aplicação de ferramentas de corte de alto rendimento Como metal duro, cerâmica, CBN e outras de última geração.
5.9. Conforto operacional Tanto na preparação da máquina, como na sua manutenção.
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5.10. Menor necessidade de manutenção mecânica Como os acionamentos são feitos através de spindle-motors e servo-motores de alto rendimento, fica dispensado o uso de caixas de câmbio, trens de engrenagens, embreagens e outros elementos mecânicos de máquinas.”[2]
6. Programação CNC 6.1. Painel de Operação Para abranger todos os tópicos relacionados à programação de máquinas a CNC, iremos iniciar apresentando os componentes básicos envolvidos nesta programação. O elemento essencial do comando numérico é o painel de operação, localizado na máquina-ferramenta e será esta interface que receberá, através de alguma forma de transmissão de dados, todas as informações necessárias para realização de uma operação de usinagem desejada e também registrará o andamento da mesma. Os painéis de comando CNC diferem muito de um fabricante para o outro, porém alguns elementos são básicos entre eles, tais como os mostrados na figura 6.1 e posteriormente descritos. Além da descrição, é possível visualizar mais detalhadamente os componentes nas figuras subseqüentes.
Figura 6.1 – Painel de Operação
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6.1.1. Display / Vídeo
Através do display é possível monitorar todo o Status da máquina, assim como efetuar e visualizar testes como os de analise de sintaxe e teste gráfico-dinâmico, dentre outros.
Label das Softkeys O nome do botão muda de acordo com a página de operação
Botões de avanço ou retrocesso Avança ou retrocede a página de softkeys
Softkeys Botões de interação com o CNC, direto no
Figura 6.2 – O Display de um comando CNC
6.1.2 Teclado Alfa-numérico Através do teclado do comando é possível promover toda a entrada de dados necessária a execução de uma determinada peça, fazendo inserções de caracteres que viabilizam a edição de programas, as correções ou alterações de parâmetros etc.
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Vídeo
Teclado de Programação
Teclado de Operação Figura 6.3 – Interface do Comando CNC: teclado de operação e programação
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6.1.3. Seletor de Variação Através dos Seletores de Variação é possível modificar (Diminuir / Aumentar) valores referentes ao Rpm ou Avanço programado, dentro de uma determinada faixa estipulada pelo fabricante.
6.1.4. Volante Eletrônico Através do volante eletrônico pode-se operar manualmente a movimentação dos eixos da máquina.
6.1.5. Teclas de Função As teclas de função são utilizadas quando da necessidade de aplicações específicas, tais como registros de parâmetros, inserções de correção de ferramentas, movimentações manuais e outras.
6.1.5 Botões de segurança / Chave geral Os botões de segurança têm por objetividade a preservação do equipamento. Quando pressionado causará a parada imediata dos eixos de movimento e de rotação da máquina.
Botão de Emergência Interrompe todas as funções da má uina
Seletor de Rotação Troca a rotação programada em assos de 50% até 120%
Seletor de Avanços Troca o avanço programado em assos de 0% até 150% Figura 6.4 – Interface do Comando CNC
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6.2. O Programa CNC (Composição Básica de um Programa CNC) Os programas são geralmente criados na linguagem ISO(G). A linguagem EIA/ISO é uma linguagem de códigos, também conhecida como códigos G. É na atualidade a mais utilizada universalmente, tanto na programação manual, como na programação gráfica onde é utilizado o CAM. A estrutura básica de um programa CNC é estabelecido pela norma DIN 66025. Um programa CNC possui a estrutura mostrada na figura 6.5.
Figura 6.5 - Estrutura de um programa CNC Um programa CN em si é um algoritmo, ou seja, um procedimento passo a passo escrito na linguagem de máquina. A estrutura mostrada na figura anterior detalha cada passo a ser seguido na elaboração do programa, de maneira que a máquina compreenda as informações fornecidas e realiza a operação desejada de maneira correta. Ainda é possível detalhar um pouco mais o conteúdo de cada uma dessas partes e mais alguns conceitos importantes para o entendimento do funcionamento de um programa CN: •
programa são introduzidos introduzidos o nome nome do programa programa e as Cabeçalho: Através do cabeçalho do programa funções que determinam os modos de programação, necessários a execução do programa, tais como o sistema de coordenadas empregado, o plano de trabalho desejado, o sistema de medição e etc.
•
Comentários: O caractere que define um comentário é parênteses ( ). O texto de um comentário deverá estar incluso entre os caracteres "( )" através do qual é possível passar instruções ou informações ao operador.
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•
Dados da ferramenta: A chamada das ferramentas operantes é feita através da função auxiliar "T" (formato T4, quatro dígitos), cujos dígitos numéricos definem o número da ferramenta e corretor, e também pelas instruções inerentes a sua utilização tais como definição de Zero Peça, Definição de rpm e Sentido de giro.
•
Blocos de Usinagem: Um bloco de usinagem contém todas as informações necessárias à execução de uma etapa do programa.O número do bloco pode ser escolhido livremente, obedecendo a uma ordem de aparecimento na programação, porém, não deverá haver mais de um bloco com o mesmo número.
•
•
Ponto de troca: O ponto de troca é um posicionamento definido na programação para promover as trocas de ferramentas necessárias à execução da peça. Final de Programa: São dados aqui os comando para finalização do programa, podendo parar o procedimento ou reiniciá-lo neste ponto. O Final do Programa, cancela a ferramenta em utilização. Este ponto também é um Ponto de Troca.
Como comentado, todas as informações passadas no programa são por meio de funções características. Estas funções, subdivididas segundo a norma em utilização, são caracterizadas por letras e números. As letras caracterizam uma tipo de função e os números identificam um comando específico dentro daquela categoria. Segue abaixo uma descrição das principais funções utilizadas na norma ISO(G): •
Funções Preparatórias G: As funções Preparatórias "G" formam um grupo de funções que definem a máquina O que fazer, preparando-a para executar um tipo de operação, ou para receber uma determinada informação.
•
Funções de Posicionamento: As funções de posicionamento são aquelas que definem as coordenadas inerentes às trajetórias a serem executadas pela ferramenta. Podem ser principais ou auxiliares.
•
Funções Miscelâneas M: As funções Miscelâneas formam um grupo de funções que abrangem os recursos da máquina não cobertos pelas funções preparatórias, de posicionamento, auxiliares, especiais, ou seja, são funções complementares.
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Para tornar mais visual todo o conteúdo apresentado, a respeito da estrutura, forma de escrever e elementos componentes de um programa CN, apresenta-se abaixo como exemplo um pequeno programa: “Cabeçalho de Programa O 0001 (Nome do Programa) ; N10 G21 G40 G90 G95 ; Chamada de ferramenta N90 G00 X300. Z250. Z250. T00 # (Posicionamento do Ponto de troca) N100 T0101 (DESBASTE) ; (Chamada de ferramenta ferramenta e corretores) N110 G54 ; (Origem Zero Peça). Definição de rotação N130 G96 S280 ; (Programação em Vc / Valor de Vc) N140 G92 S1500 M03 ; (Limite máximo de rpm e sentido de giro) ou (sem variação de rotação) N130 G97 S1500 M03 ; (programação em rpm direto /Valor de rpm e sentido de giro) Blocos de usinagem N160 G00 X50. Z45. M08 ; (Posicionamento rápido e liga refrigerante) refrigerante) N170 G01 X80. Z60 F.25 ; (Interpolação linear com avanço programado) Trocas de ferramentas (manual) N220 G00 X300. Z250. Z250. T00 ; (Posicionamento do Ponto Ponto de troca) troca) N230 M00 # (Parada no programa em caso de troca manual) manual) N240 T0202 ; ACABAMENTO # (Chamada (Chamada de ferramenta ferramenta e corretores) N210 G54 # (Origem Zero Peça). ou (automática) N220 G00 X150. Z150. Z150. T00 # (Posicionamento do Ponto Ponto de troca) N230 T0202 ; ACABAMENTO # (Chamada (Chamada da ferramenta ferramenta e corretores) N240 G54 # (Origem Zero Peça). Final de programa N320 G00 X150. Z150. Z150. T00 ; (Posicionamento do Ponto Ponto de troca) troca) N340 M30 ; (Final de programa).”
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6.3. Métodos de Programação P rogramação CNC Podemos fazer uma divisão, diferenciando três métodos principais utilizados para a programação CNC: •
Programação Manual
•
Programação Interativa
•
Programação com sistema CAD/CAM
6.3.1. Métodos de Programação CNC: CNC: Programação Manual Manual O Método manual define uma linguagem universal de programação para as máquinas CNC. Nele o programador interpreta o desenho da peça, calcula os pontos da trajetória da ferramenta, preenchendo um formulário que poderá ser digitado ou enviado diretamente ao operador da máquina, que digitará diretamente nela. Este tipo de programação tem sido facilitado pela utilização de ciclos automática, sendo de fácil execução para geometrias não muito complexas. Ainda é possível listar mais alguns pontos importantes quanto a programação manual: •
Todos os programadores deveriam ter uma noção básica
•
sobre este tipo de programação;
•
Exige grande conhecimento de aritmética;
•
Usada por muitas empresas onde as geometrias não são muito complexas e com quantidades de peças de médias para altas;
•
Propicia uma boa flexibilidade de correção de erros.
Figura 6.6 – Programação Manual
6.3.2. Métodos de Programação CNC: CNC: Programação Interativa Interativa Este método, no qual o programa é criado diretamente na máquina, através da interface do comando CNC, tem se tornado cada vez mais popular. Este método descreve a programação direta no chão de fábrica, sendo viabilizado devido aos recursos dos novos CNC, como um menu gráfico ou interativo (funções), que permite ao programador verificar as diferentes entradas feitas no programa. É
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mais utilizado em eventuais modificações, para otimização de programas na máquina, e na programação de peças relativamente simples em oficinas de fabricação. Algumas características importantes do métodos são: •
O programa é criado a partir de um menu gráfico ou interativo (funções), que permite ao programador verificar as diferente entradas feitas no programa;
•
Normalmente, permite uma simulação daquilo que foi criado;
•
A maioria dos comandos atuais permite que a programação seja feita simultaneamente com a máquina operando;
•
Apesar de um programa ser gerado na máquina, normalmente ele é armazenado em algum computador central para posterior utilização.
Figura 6.7 – Simulação direta no CNC
6.3.3 – Métodos de Programação CNC: Programação com Sistema CAD/CAM Trata-se de uma programação de alto nível, e ajuda o programador em três áreas principais: cálculos matemáticos,programação comum para diferentes tipos de máquinas e práticas de usinagem. Existem dois tipos básicos de sistemas CAM: •
Sistema CAM Linguagem (antigos);
•
Sistema CAM Gráfico (atuais). O sistema CAM Linguagem é escrito em uma linguagem similar a
C
ou
outra
linguagem qualquer, contudo numa forma semelhante à programação manual. Quanto ao sistema CAM Gráfico, normalmente são escritos através de sistemas gráficos, de modo que há um feedback visual do programa feito. Existe uma seqüência de passos sugerida para a programação CAM: •
Verificação das informações gerais: número da peça, material, prazos, nome do arquivo, etc.;
•
Definição da geometria e contornos: criando os elementos base da geometria e definindo (fechando) os contornos/superfícies que serão usinados;
•
Ajuste da geometria criada (do CAD): verificar a escala do desenho, definindo a parte que
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interessa do desenho, retomando o ponto-zero, e analisando as características de desenho •
Definição das operações de usinagem. Para melhor entender o conceito aqui tratado, é interessante detalhar-se o sistema CAD e,
após, o sistema CAM. Apresentam-se, assim, as principais características de cada um desses, seu funcionamento, as vantagens apresentadas, entre outros pontos interessantes.
6.3.3.1. CAD (Desenho Assistido por Computador): A aplicação do sistema informatizado de desenhos tem sido maior a cada dia, e seus benefícios são imensuráveis. Primeiramente aplicado à Engenharia sempre foi parte fundamental do processo de construção, mas hoje todos os segmentos da ciência utilizam e se interagem por meio do sistema CAD. No sistema CAD se reduz e muito o tempo para conclusão de projetos, eliminando também a construção de maquetes principalmente da construção civil. Atualmente o desenvolvimento auxilia a construção de protótipos em minutos, sem que seja necessário o envolvimento de alta estrutura fabril e muito menos trabalhos manuais de modelação. Alguns exemplos de Softwares de CAD acessíveis no Brasil são: AutoDesk AutoCAD, AutoDesk Inventor, AutoDesk Mechanical Desktop, AutoDesk Revit, Solidworks, ProEngineer, Catia, Unigraphics, SolidEdge, MicroStation, PowerShape, TopSolid entre outros. O Sistema CAD torna possível para os projetistas: •
Criar a representação geométrica dos artefatos que estão sendo projetados (podendo-se tanto criar algo novo, como modelar algo existente, utilizando-se de engenharia reversa);
•
Dimensionar e definir tolerâncias;
•
Gerenciar configuração (Mudanças);
•
Documentar o desenvolvimento;
•
Trocar informações sobre produtos entre equipes e organizações.
Figura 6.8 – Aplicação do CAD em engenharia reversa
6.3.3.2. CAM (Manufatura Assistida por Computador): Computador):
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A complexidade dos produtos no setor da usinagem sempre tornou moroso o processo de programação de máquinas CNC exigindo muita mão-de-obra para um volume de trabalho que forçava as empresas a fazê-lo. O sistema CAM geralmente conciliado com CAD, chamado também de CAD/CAM é responsável por gerar o código de programa para máquinas CNC a partir de um desenho ou modelo criado ou importado para o ambiente do sistema que reconhece os parâmetros e percursos fornecidos pelo programador. Alguns exemplos de Softwares de CAM acessíveis no Brasil são: MasterCAM, GibbsCAM, EdgeCAM, Cimatrom, WorkNC, ProCAM, Pitágoras, TopCAM, PowerMill entre outros. Sem o sistema CAM: •
O produto é projetado usando CAD;
•
Cada maquina é programada separadamente para produção;
•
Ou os Empregados são treinados para a produção. Com o sistema CAM:
•
O Produto é projetado usando CAD;
•
Especificações do produto são enviadas pela rede para cada máquina;
•
As máquinas possuem “inteligência” para produzir sem interferência humana.
Figura 6.9 – Integração CAD/CAM
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6.4. Simulação de programas CNC Indústrias fabricantes de componentes usinados e fornecedores de moldes e matrizes que necessitam desenvolver programas CAM são os principais usuários das ferramentas de simulação. Devido a diversos fatores, faz-se necessária a verificação prévia dos programas gerados por meio de ferramentas computacionais, como meio de se evitar possíveis danos ao equipamento e/ou ao seu operador, além de economizar tempo e custos de projeto e produção. Há no mercado diversos produtos que realizam este tipo de trabalho, dentre os quais podem ser citados o Vericut (CGTech - www.cgtech.com), o Virtual NC (Delmia Solutions www.delmia.com), Predator Virtual CNC (Predator Software - www.predator-software.com), etc. Na simulação de Máquinas CNC, as condições de fixação e posicionamento devem espelhar a realidade e todos os elementos que podem ter contato devem ser modelados detalhadamente. O programa a ser checado deve ser o mesmo que é enviado à máquina; desta forma pode-se verificar se houve alguma falha durante a programação CAM ou mesmo durante o pós-processamento do programa.
Figura 6.10 - Virtuan Numeric Control (VNC)
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Figura 6.11 - Vericut- Machine Sim
7. Características da Unidade Mecânica 7.1. Alta Precisão A alta precisão de um torno CNC é o que o faz aplicável a usinagens de grande exigência dimensional. Essa alta precisão advém de detalhes construtivos anteriormente citados. Podemos relacionar o ótimo acabamento proporcionado por ela, dispensando na maioria das vezes processos posteriores de retificação especialmente para eixos de ajuste e peças de contato como roll drives com tolerâncias bastante restritas.
Figura 7.1 – Detalhe de Micrografica de usinagem CNC
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7.2. Alta repetibilidade Por existir a possibilidade de utilizar sempre a mesma rotina na usinagem (o programa de CN), a repetibilidade é extremamente alta, o que é bastante necessário em situações de produção seriada.
Figura 7.2 Produção seriada em usinagem
7.3. Elevado grau de rigidez O elevado grau de rigidez é de suma importância para que as propriedades anteriores se efetivem, se o sistema sofrer grandes grandes deformações deformações a precisão será afetada. Alem disso com elevada rigidez diminui-se os deslocamentos nos modos de vibração, e faz com que eles aconteçam em freqüências maiores se distanciando da faixa de utilidade, evitando com que as vibrações do sistema atrapalhem o processo.
Figura 7.3 – Deslocamentos da ferramenta ocasionado por vibrações
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7.4. Elevada velocidade de deslocamento dos carros A elevada velocidade de deslocamento dos carros, permite avanços bastante grandes de modo a diminuir o tempo de usinagem, contribuindo significativamente para o aumento de produção
7.5. Baixo nível de desgaste dos componentes Por possuir mecanismos diferentes de movimentação, utilizando tecnologias mais apuradas em seus elementos como guias por esferas e outros sistemas etc. O desgaste dos componentes do torno é bastante pequeno
8. Subsistemas 8.1. Subsistema de suporte A base do torno é projetada para ter mínima distorção térmica e absorver o máximo de vibrações. Nesse exemplo a estrutura interna é nervurada, garantindo grande rigidez torcional. A plataforma e base são fundidas em uma única peça de ferro fundido e as cavidades internas são preenchidas com material com características caract erísticas absorvedoras de vibrações.
Figura 8.1 – Corte transversal da plataforma do torno mostrando as cavidades internas i nternas
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Figura 8.2 – Base e plataforma do torno em ferro fundido
8.2. Árvore principal O eixo-árvore é o dispositivo que permite o movimento da peça e conseqüentemente o seu usinamento. Estando montada no cabeçote e apoiada em rolamentos de esferas de contato de alta precisão, possibilita atingir rotações em torno de 4000 rpm. O seu centro é vazado permitindo a usinagem de barras. O sistema de rolamentos é pré-tensionado, minimizando folgas, e trabalha com lubrificação permanente. O eixo-árvore é projetado visando uma excelente precisão de giro, com mínima elevação de temperatura dos rolamentos, mesmo operando em regime contínuo em altas rotações.
Figura 8.3 - Eixo-árvore e cartucho
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A fixação das barras é feita por intermédio de um conjunto de pinças, as castanhas, que realizam a sujeição graças à um cilindro hidráulico ou pneumático montado no lado posterior da árvore principal, garantido uma excelente fixação devida a grande firmeza de aperto.
Figura 8.4 - Cilindro hidráulico de sujeição O cartucho é rigidamente ancorado sobre a base do cabeçote, desenhada para ser livre de qualquer distorção térmica, minimizando o deslocamento da linha de centro do eixo-árvore. A distorção térmica é provocada por fontes de calor provenientes do motor elétrico principal, cilindro hidráulico e rolamentos do eixo-árvore. ei xo-árvore.
Figura 8.5 - Cartucho e eixo-árvore
Os eixos podem ser acionados através de motores de corrente contínua ou alternada:
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No caso dos motores de corrente alternada, a seleção de rotações é realizada por intermédio de uma caixa de engrenagens. Acarretando um conjunto de velocidades limitadas.
Figura 8.6 - Cabeçote engrenado com 2 faixas de velocidades
Figura 8.7 - Árvore principal acionada por motor de corrente contínua No caso do motor de corrente contínua, utilizado na maioria dos tornos CNC, a velocidade é controlada pelo uso de tacômetros, permitindo o uso de uma série ilimitada de velocidades dentro dos limites da máquina.
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Um componente de grande importância no eixo-árvore é o nariz da árvore, onde é realizado o acoplamento da placa de fixação. Devido ao seu relacionamento direto com o grau de usinabilidade os dispositivos envolvidos com o eixo-árvore possuem característica que visam minimizar as imprecisões, principalmente aquelas geradas pela dilatação térmica.
8.3. Meios de fixação da peça de trabalho Nos tornos normalmente são usados placas pneumáticas ou hidráulicas para efetuar a fixação da peça, oferecendo maior rigidez ao conjunto e rapidez na troca das peças. O processo de abertura e a pressão desenvolvida pelas castanhas são efetuados mediante o programa CNC. A pressão aplicada é calculada com base na velocidade de rotação de giro da placa, à medida que a velocidade aumenta a força de fixação também aumenta. Um sistema de compensação inercial é utilizado para permitir o emprego de uma força constante para as altas rotações da placa, não se alterando através da influência da força centrípeta, e assim evitando deformações nas peças. Devido ao fato de os tornos CNC visarem alta flexibilidade, vários dispositivos de auxílio à fixação foram desenvolvidos para contemplar outras necessidades e alguns desses dispositivos estão expostos a baixo:
8.3.1. Pinças As pinças são empregadas na fixação de barras hexagonais, quadradas, redondas e de perfis especiais. O acionamento das pinças ocorre por meio de garras de sujeição ou por um cilindro hidráulico. Existindo uma série de diferentes pinças para executar a fixação de diversos tipos de barras, que variam em perfil e no tamanho. Segundo FERRARI (2006) geralmente as pinças são usadas para executar o torneamento de peças a partir de barras trefiladas ou retificadas, garantindo a precisão das peças e evitando desgaste nas superfícies de fixação das pinças. Para a fixação de barras laminadas, cuja superfície é irregular, existem pinças, cujo corpo é de borracha, tendo insertos de aço temperado para garantir a fixação.
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Figura 8.8 – Exemplo de pinças
Figura 8.9 – Exemplo de aplicação de um pinça
8.3.2. Pinças expansivas Sua fixação ocorre no nariz da árvore principal e permite a fixação de peças mediante a expansão da pinça inserida dentro do diâmetro interno da peça. A expansão é acionada por uma haste dentro da pinça e da árvore principal sobre o eixo axial por meio de ação hidráulica. Esse meio de fixação permite uma grande estabilidade da peça e consequentemente um usinagem precisa, sendo geralmente empregada em tornos CNC com alimentação automática de peças.
Figura 8.10 – Exemplo de pinça expansiva
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8.3.3. Placas especiais de fixação São desenvolvidas para a fixação de um determinado tipo de peça, que já apresenta uma préforma no momento da fixação, por isso as castanhas possuem um perfil diferenciado para propiciar uma melhor sujeição. O acionamento das castanhas é mediante um dispositivo hidráulico.
Figura 8.11 – Exemplo de castanhas especiais para a peça ilustrada
8.3.4. Placas indexáveis São utilizados para a fixação de peças com diversas superfícies cilíndricas no mesmo plano, que deve ter todas as superfícies usinadas, sendo cada superfície torneada após o giro e indexação das castanhas. O acionamento do dispositivo de fixação é realizado por meio de pressão hidráulica. Segundo FERRARI (2006) as indexações são, em geral, a cada 30°, 45°, 60°, 90° ou 180.
Figura 8.12 – Exemplo de placa indexável
8.3.5. Arrastador frontal
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É utilizado para executar a usinagem de toda a extensão de um eixo com apenas uma operação, trabalhando sempre em conjunto com a contra-ponta da máquina. A fixação desse dispositivo pode ocorrer mediante o emprego das castanhas da placa de fixação ou diretamente no nariz na máquina. Para fixar a peça o arrastador possui uma série de "unhas de agarre" feitas de metal duro e uma "ponta de centragem", com amortecimento. Para realizar a fixação a peça deve ter sido anteriormente centrada, recebendo dois furos de centros e ter recebido faceamento nas duas extremidades. No momento da fixação as unhas de agarre penetram numa das faces evitando o escorregamento durante o torneamento e a ponta de centragem é posicionada no furo de centro, a pressão de fixação é alterada pela contra-ponta. Segundo FERRARI (2006) de forma geral o comprimento das barras usinadas varia entre 8 até 80 mm. Porém essa forma de fixação não é suficientemente rígida, dificultando sua operação para operações de desbaste; dessa forma o uso dos arrastadores frontais é direcionado para operações de acabamento.
Figura 8.13 – Exemplo de arrastador frontal
Figura 8.14 – Esquema da fixação utilizando o arrastador frontal
8.3.6. Placa de fixação integrada com arrastador frontal
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Para o torneamento de toda a extensão de eixos em operações que realizam grandes esforços de cortes é recomendado o uso da placas de fixação automáticas, acionadas hidraulicamente, integradas a um arrastador frontal. A peça é fixada mediante o emprego simultâneo de um arrastador frontal e da contra-ponta, a diferença esta que com o início da movimentação da peça um conjunto de castanhas executa um movimento de avanço longitudinal seguido de um movimento radial, fixando firmemente a extremidade da peça em contato com o arrastador frontal.
Figura 8.15 - Placa de fixação integrada com arrastador frontal
Figura 8.16 – Processo de torneamento e esquema da movimentação das castanhas Terminando o processo de desbaste no restante da peça as castanhas se retraem para a posição inicial deixando livre a região bruta onde haviam se fixado, dessa forma permitindo a sua usinagem. A usinagem dessa região é possível devido à proximidade com o arrastador frontal, onde é possível aplicar maiores esforços sem acarretar grandes deslocamentos.
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Figura 8.17 – Retração das castanhas e usinagem da parte final Em seguida são realizadas as operações de acabamento utilizando apenas o arrastador frontal e a contra ponta.
Figura 8.18 – Usinagem utilizando apenas o arrastador frontal e a contra-ponta Como no caso do arrastador frontal simples, as peças em bruto devem ser previamente faceadas e centradas nas duas extremidades
. Figura 8.17 – Retração das castanhas e usinagem da parte final Em seguida são realizadas as operações de acabamento utilizando apenas o arrastador frontal e a contra ponta.
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Figura 8.18 – Usinagem utilizando apenas o arrastador frontal e a contra-ponta Como no caso do arrastador frontal simples, as peças em bruto devem ser previamente faceadas e centradas nas duas extremidades.
Figura 8.17 – Retração das castanhas e usinagem da parte final Em seguida são realizadas as operações de acabamento utilizando apenas o arrastador frontal e a contra ponta.
Figura 8.18 – Usinagem utilizando apenas o arrastador frontal e a contra-ponta Como no caso do arrastador frontal simples, as peças em bruto devem ser previamente faceadas e centradas nas duas extremidades.
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8.3.7. Lunetas São utilizadas em tornos universais de cabeçote fixo para dar estabilidade na usinagem de eixos delgados, quando a relação comprimento/diâmetro é muito grande. A peça é fixada pela placa de fixação e pela contra-ponta e sua região mediana é apoiada pelas lunetas que estão fixadas no barramento do torno, propiciando melhor estabilidade. A peça fica apoiada na luneta sobre rolos que giram livremente. Em tornos universais CNC existem lunetas móveis, que acompanham o movimento da ferramenta de torneamento.
Figura 8.19 - Luneta em torno universal CNC
8.4. A alimentação e guia das barras São dispositivos que permitem a troca automática de barras passando pelo interior do eixo árvore, visando uma maior produtividade. Barras em más condições de uso fazem com que se limitem as rotações da árvore principal em níveis menores do que a rotação ideal, acarretando maior tempo do ciclo de trabalho, maior desgaste das ferramentas de corte e prejuízo da qualidade superficial. Os principais sistemas para sustentação, avanço e guia de barras são os seguintes:
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8.4.1. Alimentadores hidráulicos de barras No momento que a barra que estava sendo usinada no torno é finalizada uma nova barra é inserida no torno através do centro do eixo da árvore principal. A recarregar do alimentador é realizada de forma manual toda vez que a barra anteriormente armazenada é consumida. A força de avanço da inserção da barra é propiciada por um pistão hidráulico e a barra gira banhada em óleo a medida que ocorre o movimento de avanço. Dessa forma a árvore principal pode girar em altas velocidades devido a menor geração de vibrações e ruídos, acarretanto em uma maior produtividade.
Figura 8.20 - Alimentador hidráulico de barras multitubular
8.4.2. Magazines de alimentação automática de barras Permitem que diversas barras sejam armazenadas no mesmo dispositivo. Dessa forma necessitando de operações de recarga menos freqüentes, que são feitas manualmente. Dessa forma permitindo que o torno trabalhe t rabalhe durante horas sem supervisão.
Figura 8.21 - Magazine automático de alimentação de barras
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Vantagens em usar um alimentador de barra, segundo a DI MARCO (1995): •
Maior rendimento (de 30% até 200%).
•
Permite o torneamento até o final da barra evitando desperdício de material.
•
Evita vibrações, aumentando em 40% a vida das ferramentas de corte.
•
Totalmente silencioso por se tratar de um sistema hidráulico.
•
Avanço preciso da barra, isento de rebotes.
•
Melhor qualidade de acabamento das peças.
•
Regulagem de pressão e avanço das barras.
•
Total segurança para o operador.
•
Econômico e de simples manutenção.
•
Diminui o desgaste dos gatilhos do fuso.
•
Não há retorno da barra quando se faz a furação.
•
Evita o desgaste dos rolamentos do fuso e do fechamento das pinças.
•
A carga de nova barra não ultrapassa 40 segundos.
Figura 8.22 – Torno CNC com alimentador de barras
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8.5. Eixos de avanço Um importante aspecto das máquinas ferramentas são os seus eixos de avanço. Que influenciam diretamente no grau de usinabilidade das peças, adquirindo maior importância no caso dos tornos CNC que visam atender a característica da flexibilidade. O número de eixos varia de dois, para o caso dos tornos mais simples, chegando até números superiores a oito eixos, no caso de centros de usinagem. Com à medida que o número de eixos aumenta é possível executar mais operações em um mesmo intervalo de tempo e realizar diferentes processos que não seriam possíveis em um torno. No caso mais simples os eixos principais são denominados de X e Z, segundo a norma DIN, e representam os movimentos possíveis executados pelo sistema de fixação da ferramenta. Executando de forma idêntica os mesmos movimentos de avanço do torno convencional.
Figura 8.23 - Eixos de avanço
Figura 8.24 - Diversos eixos de avanço
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Figura 8.25 - Diversos eixos de avanço
Figura 8.26 - Princípio de funcionamento de um centro de torneamento CNC O eixo mais importante desse incremento é o eixo Y que em conjunto com os eixos X e Z são identificados como os eixos lineares primários. Os outros eixos seriam os eixos rotativos ou giratórios, estes eixos se movimentam em torno de um dos três eixos primários, sendo classificados da seguinte maneira: se girar como se fosse em torno de um eixo paralelo ao eixo X este levará o nome de eixo A, se em torno do eixo Y se chamará B e em torno de Z seria o eixo C. Além desses eixos há o surgimento dos eixos V que são empregados para a identificação da direção de ação dos carros verticais. Devido à possibilidade de existir mais de um carro vertical e de um carro cruzado é adicionado um número logo em seguida do nome do eixo para diferenciá-lo do eixo do componente semelhante. Por exemplo, o eixo X2 é utilizado designar o eixo X do carro cruzado secundário.
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Figura 8.27 - Correspondência entre os eixos lineares l ineares e rotativos
8.5.1. Eixo Y O deslocamento no eixo Y permite a usinagem de peças extremamente complexas, estando presente em centros de torneamento e máquinas multitarefas. Nessas máquinas o carro cruzado onde está montada a torre porta-ferramentas permite, além dos movimentos transversal X e longitudinal Z, o movimento Y, ortogonal a estes dois eixos e paralelo a torre porta ferramenta. Graças a isso, adquirido um maior grau de liberdade para executar operações como fresamentos tranversais, furações e rosqueamentos, ambos abaixo ou acima da linha de centro da peça de trabalho, alem de outras operações.
Figura 8.28 - Área de trabalho e eixo Y
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Figura 8.29 - Detalhe da torre porta-ferramentas superior com eixo Y
Figura 8.30 - Fresamento transversal utilizando eixo o Y
8.5.2. Eixo C A utilização do eixo C juntamente com a possibilidade de programar paradas precisas no giro do eixo principal permitem realizar operações de furação, fresamento e rosqueamento fora da linha de centro da peça. A utilização do eixo C com os outros eixos primários permitem realizar operações com as seguintes, segundo Ferrari (2006): •
Usinagem de geometrias helicoidais como, por exemplo, um canal de lubrificação de um mancal. Neste caso, ocorre a interpolação do eixo C com o eixo Z (longitudinal) do carro porta-ferramentas.
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•
Fresamento poligonal, onde ocorre a interpolação do eixo C com o eixo X (transversal) do carro porta-ferramentas.
Figura 8.31 - Furação fora de centro e eixo C A figura a baixo demonstra um torno CNC, tipo multitarefa, também chamado de centro de torneamento, executando uma operação de fresamento com a aplicação da interpolação dos eixos lineares da máquina e do eixo C. Em geral, são utilizados servos motores de corrente contínua ou alternada para o acionamento dos avanços, que são regulados por um circuito de potência e que podem acionar ou frear em ambas as direções.
Figura 8.32 - Centro de torneamento
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8.6. Guias Devido à necessidade de executar suas operações com grande velocidade e precisão as guias dos tornos recebem grande atenção em seu projeto; visando a minimização de vibrações durante a operação, essas vibrações prejudicam tanto o acabamento superficial e as dimensões das peças, como o funcionamento e a vida da maquina e de suas ferramentas. Evitando substituições freqüentes das guias, das ferramentas e a geração de imprecisões no posicionamento. Guias mal projetadas exigem que a árvore principal trabalhe com menores velocidades, para evitar a geração de vibrações. Dessa forma aumentando o tempo do ciclo de trabalho, além de continuar a gerar um maior desgaste das ferramentas de corte e prejudicar a qualidade superficial. Os tornos CNC mais simples usam guias planas e prismáticas, podendo ser apoiadas sobre colunas de ferro fundido, com nervuramentos internos, proporcionado grande absorção de vibrações durante a operação de usinagem. Além de tratamentos como tempera por indução e retificação para assim garantir um contato permanente da mesa sobre o barramento. Dessa forma oferecendo grande rigidez, estabilidade e precisão da máquina em operações a plena potência.
Figura 8.33 – Guias prismáticas de um torno CNC Com a evolução tecnológica dos componentes do sistema de acionamento dos eixos novas soluções para as guias se tornaram necessárias, para permitir um melhor aproveitamento dessas tecnologias.
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Dessa forma foram desenvolvidas as guias lineares, com o objetivo de proporcionar alta precisão, elevadas velocidades de avanço e longa durabilidade.
Figura 8.34 - Guias lineares e fusos com canal para lubrificação Suas principais vantagens em ralação às guias prismáticas e planas são, segundo FERRARI (2006): •
Maior precisão de posicionamento - os coeficientes de atrito estático e dinâmico são até 50 vezes menores.
•
Menor consumo de energia
•
Baixo consumo de óleo lubrificante
•
Maior capacidade de carga
•
Maior velocidade de avanço - modernos tornos CNC atingem velocidades de avanço rápido do carro porta ferramentas da ordem de 30 m/min contra 5 a 10 m/min das guias planas tradicionais dos tornos mecânicos.
•
Longa vida útil - devido aos baixos coeficientes de atrito e a ausência de desgastes mecânicos.
•
Menor tempo de manutenção
•
Construções de máquinas mais compactas
•
Altas acelerações. Todas essas vantagens são geradas devido ao baixo coeficiente de atrito entre as guias e os
fusos, proporcionado pelos roletes dos fusos. O rendimento mecânico dessa operação pode atingir valores na ordem de 98%.
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Figura 8.35 - Fuso e guia linear
8.7. Acionamento do avanço dos eixos Os movimentos dos diversos dispositivos sobre as guias da máquina são realizados mediante o uso de servo-motores de freqüência variável e eixos de esferas recirculantes. No eixo de esferas recirculantes existe uma porca de esferas que esta presa ao dispositivo da máquina que se deseja movimentar, o eixo transmite o torque gerado pelo servo-motor e assim ocorre o movimento da porca no sentido longitudinal, e conseqüentemente ocorre o movimento do dispositivo ao longo de seu sistema de guias.
Figura 8.36 – Eixo de esferas recirculantes de porca de esferas
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O sistema de esferas da porca de esferas garante uma transmissão de forças, com baixo atrito, do eixo aos dispositivos. A porca é constituída por duas porcas que são pré-tencionadas, uma contra a outra para evitar as folgas. Para minimizar danos ao sistema de avanço devido a choques inesperados é utilizada uma embreagem deslizante no acionamento dos eixos. Ocorrendo a paralisação do avanço quando é encontrada uma grande força resistiva.
Figura 8.37 - Eixo de esferas recirculantes, porca de esfera e servo-motor
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Figura 8.38 – Porca de esferas e eixo recirculante
8.8. Sistema de medição do deslocamento do carro Os transdutores são os responsáveis pela medição do posicionamento dos carros ao longo dos eixos e de sua angulação, atingindo precisão na ordem micrométrica devido ao fato de seu funcionamento se basear na leitura óptica de uma escala de medição. Sendo esse sistema de grande importância para a operação da máquina, estando em constante interação com o sistema de processamento para permitir a medição precisa da posição nos eixos e assim efetuar um correto deslocamento e funcionamento dos componentes do torno. O processo de medição pode ser realizado de forma direta ou indireta: Na maneira direta é posicionada uma escala de medições no carro ou dispositivo a ser medido, um sistema óptico de medição averigua continuamente o posicionamento mediante a tomada das divisões de rastros da escala de medição, transformando esta informação em um sinal elétrico e enviando-o ao processador. Nesse método de medição as imprecisões dos fusos, eixos e sistema de acionamento não interferem no valor obtido.
Figura 8.39 - Medição direta de posicionamento
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Na medição indireta a escala de medição esta posicionada junto ao eixo de esfera recirculantes, a medida que o eixo é ativado o leitor óptico identifica o movimento de giro enviando um sinal elétrico ao processador que converte essa informação na distância percorrida. Nesse processo as imprecisões do eixo de esferas recirculantes e da porca de esferas prejudicam a precisão do valor identificado.
Figura 8.40 - Medição indireta de posicionamento Além dessas duas maneiras o posicionamento pode ser identificado de forma incremental ou absoluta: Na medição absoluta os dados da posição são sempre mensuráveis independentemente da condição da máquina e do comando, pois eles sempre se baseiam em um ponto-zero fixo. Nesse caso a escala de medição é confeccionada com um determinado padrão, que codifica a posição absoluta instantânea.
Figura 8.41 - Sistema absoluto de medição Já na medição incremental o deslocamento é sempre calculado mediante a última posição, à medida que o carro se desloca é identificado o incremento ou decrescimento no deslocamento gerando o novo valor da posição pela adição dos valores.
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Figura 8.42 - Sistema incremental de medição
8.9. Sistema de medição da ferramenta Os tornos mais completos possuem sistemas de medição das ferramentas, o que possibilita a utilização de softwares para realizar a identificação do desgaste da ferramenta e efetuar a compensação desse desgaste no processo de usinagem. Sendo um excelente recurso para ser utilizado durante os processos de torneamento em um ambiente de alta produção. Após a usinagem de um determinado número de peças, pode-se realizar a medição da ferramenta, onde o CNC faz uma comparação entre o valor de sua posição inicial e o valor encontrado na medição, efetuando automaticamente a compensação do desgaste. A medição pode ser realizada de forma automática em alguns al guns tornos ou de forma manual. A grande vantagem do sistema de medição é o de poder ignorar o comprimento da ferramenta no momento da confecção do programa CNC. Pois antes de dar início ao processo de usinagem é avaliado e incorporado valores de compensação do comprimento da ferramenta.
8.9.1 Exemplos de medição Para realizar a medição da ferramenta é necessário ter um ponto de referência no dispositivo de fixação e identificar o tipo de ferramenta para se obter os valores necessários para a compensação. Na medição da fresa é necessário medir o raio R e o comprimento L.
Figura 8.43 - Medição da ferramenta de fresar
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No caso da medição da pastilha para torneamento é necessário identificar o comprimento L e a dimensão transversal H.
Figura 8.44 - Medição da ferramenta de tornear
8.10. Carro cruzado O carro cruzado consiste em um carro transversal, movimenta-se no eixo X, e em um carro longitudinal, que se movimenta no eixo Z.
Figura 8.45 – Carro cruzado com o carro longitudinal e transversal identificados
8.11. Dispositivo de fixação e troca da ferramenta
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Devido à impossibilidade de realizar nas maiorias dos casos uma usinagem completa utilizando apenas uma ferramenta, o sistema de troca de ferramentas vêm sendo cada vez mais desenvolvidos pelos fabricantes, para permitir a realização de um maior número de operações em um mesmo ciclo de trabalho. A troca pode ser feita manualmente ou de forma automática nos tornos CNC. Na troca manual o operador deve parar a máquina toda vez que é necessária a troca da ferramenta, acarretando um maior tempo de operação. Para evitar essa perda de tempo os sistemas de troca automática de ferramentas vêm sendo cada vez mais explorados, chegando à marca de 0,2 segundos para realizar a troca. Serão expostos três tipos de dispositivos de troca automática de ferramentas: Gang Tools, Torre porta-ferramentas indexável e o dispositivo magazine.
8.11.1. Gang Tools Consiste em um suporte porta ferramentas múltiplo, onde as ferramentas ficam dispostas paralelamente uma a outra. Dessa forma são utilizadas várias ferramentas no mesmo ciclo necessitando apenas a identificação do correto posicionamento da mesma no programa CNC.
Figura 8.46 – Porta ferramenta tipo “Gang tools” do centro de torneamento Quest GT27
8.11.2. Torre porta-ferramentas indexável
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Esse tipo de dispositivo é dividido nos tipos revolver-estrela e frontal. Nos suportes desse tipo existem várias estações de trabalho, que podem conter tanto ferramentas fixas como giratórias. O dispositivo é fixado no carro transversal. t ransversal.
Figura 4.47 - Revólver porta-ferramentas de oito estações de trabalho O acionamento do dispositivo é efetuado mediante o emprego de dois servos motores, um para efetuar o movimento de giro do tambor e outro para realizar o movimento das ferramentas giratórias. O giro do equipamento é bi-direcional utilizando a lógica direcional, para o novo posicionamento da ferramenta é percorrido o caminho mais curto de giro ou tombo.
Figura 4.48 - Esquema da lógica direcional As ferramentas giratórias podem ocupar qualquer posição e o seu sentido de giro pode ser comandado pelo programa CNC. Estas ferramentas permitem a realização de operações de furação, fresamento e rosqueamento tanto no sentido axial como no sentido radial da peça fixada.
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Figura 4.49 - Ferramentas giratórias no sentido axial
Figura 4.50 - Ferramentas giratórias no sentido radial Esses dispositivos possibilitam a passagem de fluido de corte por canais internos, para alimentar o canal de fluido refrigerante presente em algumas ferramentas. O cabeçote de agarre é utilizado para operações posteriores no lado da peça que estava voltado para o dispositivo de fixação, a fixação da peça é executa mediante a utilização de castanhas. Utilizando a combinação de movimentos lineares e circulares é possível realizar usinagens complexas com esse dispositivo.
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Figura 4.51 - Cabeçote de agarre acionada para operações posteriores
Figura 4.52 - Torre indexável tipo revólver-estrela de um centro de torneamento Os movimentos do dispositivo de fixação podem ser feitos de forma simultânea com os do carro cruzado X1/Z1 e os carros verticais V1 e V2, garantindo curtos tempos de ciclo de trabalho. As seguintes operações podem ser executadas com a torre de fixação indexável, segundo FERRARI(2006):
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•
Furação axial
•
Furação profunda
•
Furação axial fora do centro
•
Furação transversal
•
Brochamento interior ou exterior
•
Torneamento de perfis interno e externo
•
Torneamento de canais internos
•
Torneamento de polígonos
•
Alargamento
•
Rosqueamento rígido com macho e cossinete
•
Rosqueamento transversal com macho
•
Rosqueamento por perfilação
•
Fresamentos axiais e transversais
•
Fresamento de roscas
Figura 4.53 – Área de trabalho com revolver-estrela O dispositivo frontal e o revolver-estrela possuem todas as características expostas anteriormente; a diferença marcante esta no eixo de giro, que no caso do revolver-estrela ocorre de forma transversal à linha de centro da árvore principal e no caso do tipo frontal o eixo de giro se encontra paralelo ao eixo de giro da árvore principal.
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Figura 4.54 - Torre de fixação indexável tipo frontal A fixação das ferramentas pode ser feita tanto diretamente no tambor como pelo emprego de hastes cilíndricas, um exemplo é o do padrão VDI. A fixação utilizando haste pode ser feita para peças fixas e para peças giratórias.
Figura 4.55 - Porta-ferramenta de furar ou mandrilar padrão VDI
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Figura 4.56 - Porta-ferramenta acionada padrão VDI para p ara furações transversais De forma geral as torres de fixação indexáveis são projetadas para condições severas de usinagem, possuindo alta rigidez, excelente absorção de vibrações, rapidez de indexação e alta precisão de posicionamento e repetibilidade. O emprego do eixo Y nas torres indexáveis permite maior flexibilidade de usinagem. Permitindo a realização de processos de torneamento, fresamento, furação e rosqueamento realizados em uma única máquina, com uma única fixação de peça e das ferramentas.
Figura 4.57 – Torre indexável frontal com eixo Y
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Figura 4.58 - Exemplo dos diversos tipo de ferramentas que podem ser fixadas na torre t orre indexável Inclusive é possível a presença de mais de uma Torre porta-ferramentas indexável, que pode trabalhar em duas peças distintas ou na mesma peça, de forma simultânea.
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Figura 4.59 – Torno com duas torres porta ferramenta e duas árvores á rvores principais
8.11.3. Magazine Geralmente a troca de ferramenta nesse dispositivo é realizada por um braço com duas garras. O programa movimenta a próxima ferramenta mediante a movimentação da magazine, interrompe o processo de usinagem, um braço com duas garras efetua a troca tirando em um lado a ferramenta anterior e no outro a nova ferramenta, com o giro de 180° as peças estão em posições invertidas e a troca é efetuada.
Figura 4.60 - Magazine porta ferramenta
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8.12 - A estação de operações posteriores Esta localizada no lado oposto ao da árvore principal. Possuindo uma série de estações de trabalho que permitem realizar diversos tipos de usinagens como torneamentos internos, operações de alargamento e rosqueamento com macho ou cossinete. A peça usinada é agarrada pelo dispositivo, cabeçote de agarre, permitindo a usinagem do lado da peça que estava voltado para o dispositivo de fixação. A fixação da peça é executa mediante a utilização de pequenas castanhas, que são acionadas por um sistema hidráulico de sujeição. Após a fixação da peça o dispositivo de troca de ferramenta gira em torno de seu eixo e realiza movimentos nos eixos X, Y e Z até se posicionar na frente da estação de operações posteriores. Nesse caso as ferramentas fixadas permanecem imóveis e a peça realiza um movimento em torno do seu eixo mediante o giro do cabeçote de agarre. Utilizando a combinação de movimentos lineares e circulares é possível realizar usinagens complexas com esse dispositivo.
Figura 4.61 – Cabeçote de agarre e estação de operações posteriores
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8.13 - Carros verticais Os carros verticais se movimentam nos eixos V, recebendo o incremento de um número devido ao fato de ser o dianteiro ou traseiro. Os movimentos desse eixo ocorrem na direção radial ao eixo C1, onde esta fixa a peça a ser usinada. O movimento ocorre mediante o emprego de eixos de esfera recirculantes com o carro preso às guias prismáticas e acionado por servo-motores, com os movimentos sendo geridos pelo programa CNC. Estes dois carros podem trabalhar em conjunto entre si e com os demais carros porta ferramentas, o seu movimento pode ser executado simultaneamente e independente do andamento de outras operações dos carros cruzados. Segundo FERRARI (2006) em geral, o carro vertical dianteiro é usado para a operação de corte e o traseiro permite executar as operações de: •
Pré-corte
•
Torneamento radial com ferramentas de forma
•
Usinagem de recartilhas
Figura 4.62 - Carros verticais, dianteiro e traseiro
8.14 - Fluido refrigerante e cavaco Como a principal forma de transmitir calor para o equipamento é por meio dos cavacos e do fluídos refrigerantes, os tornos de grande precisão tentam realizar um perfeito isolamento isolamento da área de usinagem. Não permitindo o contato desses refugos com os conjuntos principais da máquina, como
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base, cabeçote, corpo da torre, fusos de esfera, guias lineares e cabeçote móvel. Assim minimizando a transferência de calor para os componentes mecânicos da máquina.
Figura 4.63 - Exemplo do isolamento presente em um centro de torneamento Para minimizar o tempo de contato entre o isolamento da máquina com os refugos são desenvolvidas configurações que permitem o fluxo desses elementos diretamente para a caixa coletora, de onde são removidos pelo transportador de cavacos. Dessa forma, o calor gerado pela remoção de material afeta muito pouco o comportamento geométrico da máquina.
Figura 4.64 - Esquema no escoamento do cavaco com o fluido de corte
63
9. Tipos e Classificação dos Tornos CNC 9.1. Classificação dos Tornos CNC Desde a construção dos primeiros tornos automáticos acionados através de cames no fim do século 19 até os modernos centros de torneamento a comando numérico, diversos conceitos e tamanhos deste tipo de máquina-ferramenta são utilizados pelas indústrias no mundo inteiro. Os tornos automáticos são desenvolvidos em função das características das peças a serem produzidas, como tamanho, geometria, tolerâncias, acabamento superficial, material, alem dos tamanhos dos lotes a serem fabricados. Os principais tipos de tornos automáticos se classificam de acordo com as seguintes características: •
•
•
•
•
•
Número de fusos: monofuso, bifuso e multifuso (existem até 8 fusos); Tipo de cabeçote do fuso : fixo e móvel; Posição do fuso principal: horizontal e vertical; Tipo de acionamento: cames, pneumático, hidráulico e comando numérico computadorizado (CNC); Forma de alimentação do material em bruto: a partir de barras, arames e peças préformadas como forjadas, fundidas e outras; Tipo de fixação: pinça, placa, arrastador frontal e outros dispositivos especiais.
9.2. Tipos de Tornos CNC 9.2.1. Torno automático de cabeçote fixo A maioria dos tornos automáticos é horizontal de cabeçote fixo, pois atendem ao grande universo das peças cilíndricas usinadas. Eles têm o princípio clássico dos tornos, sendo que a peça a ser usinada é sujeitada no dispositivo de fixação, permanecendo girando em balanço livre ou apoiada em uma contra-ponta na extremidade oposta à da fixação. As ferramentas de corte se deslocam de forma automática com avanços adequados para executar executar a remoção dos cavacos, gerando gerando a geometria desejada. Como a peça se encontra em balanço, dependendo de sua geometria, a estabilidade da usinagem poderá ficar comprometida, comprometida, devido à flexão provocada pelas forças de corte. Como Como conseqüência disto, poderão ocorrer vibrações nas diversas operações, prejudicando o resultado das tolerâncias e dos graus de acabamento superficial. Para minimizar este efeito, são utilizadas contraponta e luneta para apoiar a extremidade e o meio da peça respectivamente.
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Figura 9.1 – Esquema de funcionamento do torno automático de cabeçote fixo
9.2.2. Torno automático de cabeçote móvel Os tornos automáticos horizontais de cabeçote móvel são aplicados, principalmente, na usinagem de peças delgadas e de precisão, ou seja, quando a relação comprimento/diâmetro é muito grande, caracterizando uma usinagem instável. Eles também são utilizados na usinagem de peças curtas de elevada precisão e/ou de grande complexidade geométrica. Por terem sido inventados na Suíça com o objetivo de produzir em série eixos para a indústria relojoeira, eles são internacionalmente conhecidos como tornos tipo suíço. Na Alemanha e na Suíça, eles são, tecnicamente, denominados tornos automáticos para peças longas ( Langdrehautomat ). Langdrehautomat ). Os primeiros tornos automáticos de cabeçote móvel foram produzidos no final do século 19 e contavam com acionamentos através de cames, tanto para o acionamento do cabeçote móvel, como para os carros porta-ferramentas. Hoje em dia, este tipo de máquina é produzido com acionamentos eletrônicos e controlado por CNC. Estes tornos de cabeçote móvel são aplicados exclusivamente para usinagens de peças cilíndricas a partir de barras, que podem ir desde 1mm de diâmetro até 32mm de diâmetro. Estas máquinas são aplicadas na produção de peças seriadas de precisão para as indústrias automotiva, aparelhos de medição de alta precisão, segmento médico como, componentes para equipamentos hospitalares, parafusos ortopédicos e implantes dentários, ou seja, a micro-usinagem em geral. O princípio de funcionamento dos tornos automáticos de cabeçote móvel se baseia no movimento da peça a ser usinada contra as ferramentas de corte como segue: •
O cabeçote móvel sujeita a barra, que gira, através de uma pinça e inicia o movimento de avanço;
•
Uma bucha de guia posicionada coaxialmente em relação à pinça do cabeçote móvel serve de apoio para a barra que se encontra girando;
65
•
Um conjunto de carros porta-ferramentas porta-ferramentas com movimentos movimentos radiais e longitudinais está posicionado na frente da bucha de guia;
•
Para se realizar os torneamentos externos, a ferramenta de corte fixada no carro portaferramenta, que está bem próximo da bucha de guia, posiciona-se no diâmetro a ser usinado. Em seguida, o cabeçote móvel inicia o movimento de avanço longitudinal, gerando o diâmetro desejado da peça, sem problemas de fletir a peça, garantido uma elevada precisão e um excelente grau de acabamento superficial;
•
Após a última operação, que é a de corte, a pinça do cabeçote móvel se abre e este retorna à posição inicial para começar um novo ciclo.
Figura 9.2 – Esquema de funcionamento f uncionamento do torno automático de cabeçote móvel Os modernos tornos CNC de cabeçote móvel são máquinas extremamente precisas e versáteis. Possuem diversos eixos lineares e circulares controlados pelo CNC, contra-fuso e ferramentas acionadas chegando a ter até cerca de 10 eixos controlados pelo CNC. Com isto, estes verdadeiros centros de torneamento, além de possibilitar possibilitar a usinagem de peças delgadas, permitem permitem também a manufatura de peças curtas de elevada precisão e de geometrias complexas.
9.2.3 - Torno automático CNC de carros múltiplos Os tornos automáticos CNC de carros múltiplos foram desenvolvidos a partir de meados da década de 90 do século passado com o objetivo de dar maior flexibilidade aos trabalhos das tornearias automáticas, além proporcionar todas as vantagens oferecidas pela tecnologia do comando numérico. O conceito de funcionamento deste tipo de máquina é o mesmo dos tornos automáticos acionados através de cames, porém o seu tempo de preparação é bem mais rápido do que no torno de cames, sendo que, em média, dependendo da complexidade da peças e da habilidade do operador, é um terço do tempo. Em vez de cames, cada carro porta-ferramenta e a torre revólver-estrela são acionados através de um conjunto de servo-motor e eixo de esferas re-circulantes controlados pelo comando numérico.
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Nestas condições, é possível programar cada eixo linear de forma independente, podendo trabalhar diversos deles de forma simultânea, objetivando rápidos ciclos de trabalho.
Figura 9.3 – Torno Automático CNC de Carros Múltiplos Além da rápida preparação da máquina, outras vantagens são possíveis como executar rápidas alterações de programas para modificar dimensões e parâmetros de corte, fazer correções de medidas por desgaste da ferramenta de corte, indicar de alarmes de falhas, proporcionar conforto operacional e outras mais. Estas máquinas são indicadas para a produção seriada de peças típicas de tornearia automática, onde há possibilidade de simultaneidade de operações e necessidade de flexibilidade no trabalho.
9.2.4 - Tornos automáticos CNC de cabeçote móvel
Figura 9.4 – Torno CNC de Cabeçote Móvel
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9.2.5 - Torno vertical CNC Os tornos automáticos verticais CNC estão sendo muito utilizados na fabricação de grandes séries de peças do tipo flange com carga e descarga automática das peças pré- formadas integrada na máquina, através de sistema tipo carrossel. Eles são muito aplicados hoje em dia pelas indústrias automotiva e de autopeças. Este conceito de máquina veio substituir de forma elegante e econômica o uso dos tornos horizontais CNC CNC clássicos dotados de manipuladores de pórtico ou robôs articulados. Outra aplicação dos tornos verticais CNC é a da usinagem de peças de grande porte cujas dimensões e peso ultrapassam a capacidade de fixação em um torno horizontal. Em geral, são peças tipo flange acima de 400 mm de diâmetro. Neste caso, o sistema sistema ideal para carga e descarga das peças é o robô articulado.
Figura 9.5 – Torno Vertical CNC
9.2.6 - Tornos universais CNC A partir de meados dos anos 70 do século passado, os tornos universais CNC começaram a ser aplicados como tornos automáticos. Inicialmente, como tornos para usinagens de peças a partir de barras e anos mais tarde para a produção de peças pré-formadas com a utilização de manipuladores de pórtico e robôs articulados. O torno universal CNC clássico de dois eixos é composto por uma árvore principal, uma torre porta-ferramentas com diversas di versas estações e uma contra-ponta. Este tipo de torno automático tem a sua aplicação recomendada para a produção de pequenas e médias séries de peças em geral e de não muita complexidade.
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Figura 9.6 – Esquema de um torno universal CNC de 2 eixos
9.2.7 - Tornos Automáticos Multifuso Os tornos automáticos multifuso são aplicados na fabricação de grandes séries. Os primeiros foram desenvolvidos no início do século passado, sendo que hoje estão disponíveis nas versões de 5, 6 e 8 fusos principais montados em um tambor que se indexa a cada ciclo de trabalho. Nas posições de cada fuso de trabalho são executadas as operações de usinagem de forma simultânea, determinando os curtos tempos de ciclo de produção. Carros transversais dispostos ao lado de cada fuso realizam os trabalhos de formar ou copiar o diâmetro externo da peça e carros longitudinais na frente de cada fuso executam as operações de furar, rosquear, alargar e outras. Desde o início da aplicação dos tornos multifusos até hoje, a maioria deles tem os seus acionamentos feitos através de cames. Pelas características construtivas da máquina, os tempos de preparação dos tornos automáticos multifusos são muito maiores do que aqueles realizados nos tornos automáticos monofuso e por isso são, em geral, aplicados na produção de grandes séries. Todavia, a partir do final do século passado, iniciou-se a produção de tornos automáticos multifuso a CNC, que permite uma preparação mais rápida da máquina, tornando a sua aplicação mais flexível na usinagem de diferentes tipos de peças ou de famílias de peças semelhantes, além das demais vantagens da tecnologia do comando numérico. A utilização de porta-ferramentas de troca rápida também possibilita uma maior rapidez na preparação da máquina. Em geral, os tornos automáticos multifuso são aplicados na usinagem de peças a partir de barras, porém existem aplicações apl icações com o uso de magazines de carga e descarga automática de
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peças pré-formadas. Os tornos automáticos multifuso são muito utilizados na indústria automotiva e na produção de autopeças.
Figura 9.7 -
Esquema de trabalho de um torno automático de 6 fusos
10. Célula flexível de manufatura Uma célula flexível de manufatura é uma unidade organizacional e pode corresponder a um sistema com uma ou mais máquinas, preferivelmente máquinas que usinam automaticamente famílias de peças. Além disso, funções periféricas tais como o manuseio de peças e ferramentas em conjunto com a execução de tarefas de medição e monitoramento do processo são muito automatizadas numa célula. Células flexíveis de manufatura (FMC) podem ser elementos de sistemas flexíveis d manufatura (FMS), e dão suporte à expansão incremental de tais equipamentos de uma maneira sensata. FMCs facilitam a manufatura de pequenos lotes com poucos operadores. Com o manuseio e armazenamento automático de ferramentas e peças, é possível o seu uso em turnos extras, sem operadores. Mudanças nos lotes nem sempre necessitam de uma mudança de ferramentas, sendo que uma mudança simples do programa NC pode ser tudo o que é necessário. A diversificação de produtos nas empresas, a rápida substituição dos modelos produzidos e a forte concorrência internacional fazem com que a produção de um mesmo item seja reduzida
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drasticamente, privilegiando a produção flexível. Daí a importância das máquinas-ferramenta CNC para viabilizar esse novo formato de produção que o competitivo mundo globalizado exige das indústrias. A alta demanda dos consumidores por novos produtos ou novos modelos dos produtos está fazendo com que as grandes produções seriadas seja substituida por conceitos de fabricação como o "Just in time, que tem por princípio a produção econômica, em pequenos lotes variados, atendendo só o que o mercado solicita. Os tornos automáticos CNC são uma das soluções mais apropriadas para tornar econômica esse tipo de produção porque possibilitam curtos ciclos de trabalho, rápida preparação da máquina entre uma peça e outra e garantem alta precisão e a qualidade do produto final.
11. Exemplos Exemplos de Fabricantes 11.1. Haas Automation, Inc. Construídas com peças forjadas nos Estados Unidos e super-reforçadas com nervuras para grande amortecimento de vibrações, essas robustas máquinas usam o exclusivo projeto da Haas com base em tubo de torque – com mais que o dobro da massa dos modelos da concorrência – aumentando muito a rigidez. O resultado é uma grande precisão, repetitividade coerente e acabamentos superficiais impecáveis – tudo isto preservando a confiabilidade e os preços em função do valor.
Figura 11.1 – Torno da Haas Automation
11.2. Industria Romi S.A •
Modo Manual:
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O operador pode usinar a peça como em um torno mecânico, através das manivelas eletrônicas do carro de comando. Neste modo, as operações manuais como torneamento paralelo, torneamento cônico, torneamento de raios, canais e furos podem ser executadas.
•
Modo de Ciclos Fixos
Permite operar a máquina em modo semi-automático. O operador preenche os campos na tela do CNC (telas conversacionais), informando dados de como velocidade de corte, avanços, profundidade de corte e outros dados de ciclo; aproxima a ferramenta manualmente através das manivelas eletrônicas do carro de comando e executa o ciclo apertando o botão de Cycle Start. Ciclos como desbaste e acabamento, furação, rosqueamento, e abertura de canais podem ser executados. Há ciclos fixos e formas livres para torneamento. O preenchimento de dados de usinagem são orientados pelo software por meio de telas gráficas. •
Modo Teach In
Neste modo o operador, durante a usinagem da primeira peça, salva as operações passo-a-passo em forma de programa, que pode ser executado posteriormente. As operações manuais e operações de ciclos podem ser salvas juntas num mesmo programa e os programas podem ser salvos na memória do CNC ou Cartão Flash.
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Figura 11.2 – Torno da ROMI
11.3. Ergomat •
Usinagem de peças com diâmetros de até 80mm
•
Simultaneidade de operações, que resulta em ciclos de usinagem curtos
•
Revolver estrela de seis estações, servo-acionado
•
Três carros CNC radiais para formar ou cortar
•
Carro cruzado X1/Z1 com interpolação irrestrita dos eixos para operações de torneamento longitudinal, circular, ou para pentear roscas
•
Set-up rápido, devido à programação CNC
•
Alta repetitividade e precisão na usinagem
•
TBA60H e TBA80H – versões com sujeição hidráulica para pinças.
73
Figura 11.3 – Torno da Ergomat
12. Caso de Engenharia No caso apresentado abaixo, mostraremos na integra a justificativa feita por parte da equipe de engenheiros de manutenção para que o departamento comercial aprovasse a compra de um equipamento CNC. A justificativa mostra claramente uma aplicação onde o CNC pode trazer economias da ordem de milhões de reais. “A oficina mecânica da TMSM foi instalada na década de 80, sendo que as máquinas operatrizes que se destacam por terem características especiais são um torno convencional com característica de comportar usinagem de eixos de comprimento de até 5000 mm e um torno platô com características de usinar diâmetros de até 2500 mm. As demais máquinas possuem características tradicionais, sendo destinada a rotina de manutenção, desde que as exigências de serviços de usinagem não tenham complexidade geometrica e alto grau de precisão. Com o passar dos anos, o CJL teve sua capacidade aumentada com novas usinas e com necessidades de serviços cada vez mais precisos, com prazos cada vez mais reduzidos e com usinagem mais complexas. Entretanto, as máquinas continuam todas convencionais, algumas com desgastes, outras já recuperadas, sendo que algumas já não oferecem a mesma precisão das máquina que o mercado atual possui, tão pouco nos atendem na plenitude de nossas necessidades, principalmente, em revisões de unidades. Nos últimos anos, temos recorrido a rotina de contratar serviços de usinagem de natureza complexa nas empresas da região. Esta prática passa pelo transtorno de termos que deslocar
74
componentes até outra cidade (geralmente Criciúma), onde há a necessidade de acompanhamento de nossos técnicos ou de muitos casos, de um supervisor. Além disso, ficamos a mercê da boa vontade e da disponibilidade da máquina da empresa. Na maioria das vezes, fomos beneficiados com a sorte, já que em função de contingência do mercado, algumas empresas possuem maquinário ocioso. Entretanto, corremos o risco de necessitarmos de determinado serviço e não podermos ser atendidos, gerando assim, atrasos, etc. Devemos lembrar que estamos com nossas máquinas de maior porte desatualizadas em relação as tecnologias utilizadas no mercado, assim, assim, por mais que façamos reformas, etc. Podemos Podemos manter a confiabilidade dimensional de usinagem das mesmas, mas jamais teremos os recursos atuais de técnicas e procedimentos de usinagem. Sendo assim, estaremos sempre dando o tradicional “jeitinho”, através de dispositivos, tentativas, e fabricação de ferramentas e utilização de mais de uma máquina. Gerando atrasos, riscos de acidentes, aumento de custos e em muitas vezes, perdendo em qualidade dos serviços. Considerando que possuímos uma oficina de manutenção de porte médio para pesado. Tornase visível a necessidade de uma máquina que agregue flexibilidade de operações de usinagem, rapidez e precisão. A máquina que pretendemos adquirir possui uma estrutura para usinagem considerada de médio porte (peças com peso de até 2000 kg). Nas empresas parceiras que conhecemos e do ramo de manutenção é comum as mesmas possuírem uma ou mais máquinas similares a que especificamos. Isto comprova o quanto este tipo de máquina é necessária a atividade de manutenção e na rotina de uma oficina do porte da nossa. Se pretendermos ter uma posição de destaque no cenário de energia, obrigatoriamente, temos que oferecer bons serviços de manutenção. Sabendo que a mecânica tem muita importancia na área de manutenção, sendo uma atividade primordial. Alem disso, também sabemos que a usinagem é estratégica na manutenção mecânica, sendo que a flexibilidade nas possibilidades de operações, os custos e o menor tempo nos serviços são fatores estrategicosde suma importância. Ou seja: “não basta pensar grande, temos que agir grande”. A seguir, relacionamos algumas vantagens e desvantagens em relação a aquisição da máquina proposta.
VANTAGENS 1. Permite
DESVANTAGENS operações
complexas
com 1. Custo das ferramentas e acessórios superior
flexibilidade (interpolação dos eixos X, Y e
ao das máquinas convencionais. (trabalha
Z) e alta produção que não são possíveis em
com
maquinas convencionais. Ex: rasgos e
esforços/velocidade)
maior
durabilidade
e
maiores
superfícies ovalizadas, operações de fresa,
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onde a nossa fica limitada em curso e capacidade da mesa (peso) 2. Garantia de qualidade e confiabilidade na 2. Manutenção com custo mais elevado em repetição de peças já fabricadas na máquina
relação
(gravadas). Possibilidade no futuro através
(Tratam-se de máquina que possuem um
de CAM, termos interface direta de
comando lógico com interface eletrônica
desenhos em CAD com a máquina.
(ex: Fanuc, Mitsubishi, etc), assim há a
Reduzindo o tempo de preparação e de
necessidade de mão de obra especializada.
operações.
A maioria das máquinas que analisamos que
as
máquinas
atenderiam
convencionais.
nossas
necessidades,
possuem assistência técnica na região sul), além disso, pesquisamos junto a usuários destas máquinas e podemos verificar que a rotina de manutenção é rara, varia em função da qualidade da máquina) 3. Permite operações simultaneas que não 3. Operador qualificado em linguagem ISO G conseguimos com máquinas convencionais.
(linguagem
padrão
utilizada
para
Ex: usinar, furar e abrir rosca em flanges,
programação de CNC). Verificamos o custo
sem necessidade de marcação, etc. Evitaria
da mão de obra na região e as implicações
uma fase intermediaria que seria a marcação
no contrato com a Tecmesul. Tivemos a
pela ajustagem da linha de centro, número
surpresa que em nossa região, atualmente
de furos e centragem dos furos.
esta mais fácil contratarmos operador de CNC, do que torneiro tradicional. Falamos informalmente com o Roge, e o mesmo nos informou que praticamente não há diferença nos custos. Ou seja, não haveria alterações no custo do operador.
4. Centragem de peças automática, sem 4. Espaço físico para instalação da máquina necessidade de relógio comparador, etc.
requer uma maior área. Já estudamos uma
Ganho em precisão, agilidade e qualidade
alternativa para instalar a mesma, sem
final dos serviços e facilidade de operações
necessidade de obra de adição ou qualquer
em peças com geometria complexas, ex:
outro custo de maior monta.
válvulas. 5. Possibilidade de passos mais agressivos permitindo desbastes maiores, oferecendo assim, ganho em velocidade dos serviços e
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garantias de precisão em operações de usinagem severas e com avanços maiores. 6. Permite operações de torno e fresa numa mesma máquina, permitindo um ganho em precisão
e
velocidade.
Evitando
a
montagem/desmontagem de peças de uma máquina para outra, o que obriga uma nova centragem e zeragem da peça em relação a máquina. Assim, pode-se evitar atrasos e perda de qualidade inerente fabricação de peças em mais de um equipamento.Ex: fabricação de flanges (atualmente envolve ajustagem para marcar, puncionar e furar), nesta máquina podemos fazer tudo na mesma e repetir a operação pelo número de flanges com precisão de 100% de uma peça para outra. 7. Estaremos substituindo uma fresadora que atualmente não nos atende na sua plenitude. Ou seja, não permite serviços mais pesados e de qualidade, dada a sua fragilidade estrutural.
Ainda segue o demonstrativo de retorno financeiro, que deixa mais do que claro o quão vantajosa e pouco onerosa seria a aquisição de tal maquina. Em épocas em que o pais produz pouca energia proveniente de hidroelétricas o preço da energia proveniente de usinas térmicas fica bastante elevado, e um dia com uma unidade parada pode representar um prejuízo de milhões.
77
13. Conclusão Com este trabalho apresentou-se a tecnologia CNC, suas principais características e funcionamento, alem da linguagem utilizada na sua programação Expôs-se os principais subsistemas e algum dos possíveis tipos ti pos de tornos. Foram apresentadas as principais vantagens de se utilizar as diversas formas construtivas possíveis, sempre explanando sobre as características de engenharia que devem se destacar nesse tipo de maquinas-ferramenta Também foi demonstrado no final do trabalho um caso real onde foi obtida grande vantagem graças a escolha pelo torno CNC.
78
14. Referências das imagens 1. Figura 1.1 . Acesso em: 17 maio 2009. Figura 1.2 . Acesso em: 17 maio 2009. Figura 1.3 . Acesso em: 17 maio 2009. 6. Figura 6.1
Iniciação ao comando numérico. SENAI. Figura 6.2
Iniciação ao comando numérico. SENAI. Figura 6.3
Iniciação ao comando numérico. SENAI. Figura 6.4
Iniciação ao comando numérico. SENAI. Figura 6.5 GOZZI, Giuliano. CNC. São Paulo, 2007. (CNC - Robótica Aula 6, Curso de Automação Industrial, FAATESP – Faculdade de Tecnologia Álvares de Azevedo). Figura 6.6 GOZZI, Giuliano. CNC. São Paulo, 2007. (Curso de Automação Industrial - Aula 7 – Funções de Programação, Curso de Automação Industrial, FAATESP – Faculdade de Tecnologia Álvares de Azevedo).
79
Figura 6.7
Simulador Mach Torno . CENTRO SENAI – FUNDAÇÃO ROMI FORMAÇÃO DE FORMADORES. p 10. Figura 6.8 . Acesso em: 17 maio 2009. Figura 6.9 . Acesso em: 17 maio 2009. Figura 6.10 . Acesso em: 17 maio 2009. Figura 6.11 . Acesso em: 17 maio 2009.
7. Figura 7.1 Acesso em: 11 maio 2009. Figura 7.2 TE/Amostras/Oxn_03> Acesso em: 12 maio 2009. Figura 7.3 http://www.bibl.ita.br/xiiencita/mec_13.pdf> df> Acesso em: 5 maio 2009
8. Figura 4.1 .
Acesso
em: 20 maio 2009. Figura 8.2 .
Acesso
em: 20 maio 2009.
80
Figura 8.3 . Acesso em: 2 abr. 2009. Figura 8.4 FERRARI, Alfredo Vergilio Fuentes. Usinagem completa de peças complexas na tornearia
automática. Figura 8.5 . Acesso em: 2 abr. 2009. Figura 8.6 . Acesso em: 2 abr. 2009. Figura 8.7 . Acesso em: 2 abr. 2009. Figura 8.8 . Acesso em: 13 de maio 2009. Figura 8.9 . Acesso em: 13 de maio 2009. Figura 8.10 . . Acesso em: 10 maio 2009. Figura 8.11 . Acesso em: 13 de maio 2009.
81
Figura 8.12 . . Acesso em: 7 maio 2009. Figura 8.13 . Acesso em: 13 de maio 2009. Figura 8.14 . Acesso em: 13 de maio 2009. Figura 8.15 . . Acesso em: 10 maio 2009. Figura 8.16 . . Acesso em: 10 maio 2009. Figura 8.17 . . Acesso em: 10 maio 2009. Figura 8.18 . . Acesso em: 10 maio 2009. Figura 8.19 . . Acesso em: 10 maio 2009. Figura 8.20 FERRARI, Alfredo Vergilio Fuentes. Usinagem completa de peças complexas na tornearia
automática. Figura 8.21 FERRARI, Alfredo Vergilio Fuentes. Usinagem completa de peças complexas na tornearia
automática. Figura 8.22
82
. Acesso em: 2 abr. 2009. Figura 8.23 BOEHS, Lorival – Máquinas Ferramenta. Santa Catarina: Universidade Federal de Santa Catarina, 1991. Figura 8.24 . Acesso em: 2 abr. 2009. Figura 8.25 . Acesso em: 2 abr. 2009. Figura 8.26 FERRARI, Alfredo Vergilio Fuentes. Usinagem completa de peças complexas na tornearia
automática. Figura 8.27 . Acesso em: 20 maio 2009. Figura 8.28 . . Acesso em: 10 maio 2009. Figura 8.29 . . Acesso em: 10 maio 2009. Figura 8.30 . Acesso em: 10 maio 2009. Figura 8.31 . . Acesso em: 10 abr. 2009. Figura 8.32 . Acesso em: 10 maio 2009.
83
Figura 8.33 . Acesso em: 2 abr. 2009. Figura 8.34 . Acesso em: 2 abr. 2009. Figura 8.35 BOEHS, Lorival. Comando Numérico Conceitos Fundamentais : curso de usinagem de materiais, UFSC. Notas de Aula. Figura 8.36 BOEHS, Lorival – Máquinas Ferramenta. Santa Catarina: Universidade Federal de Santa Catarina, 1991. Figura 8.37 . Acesso em: 2 abr. 2009. Figura 3.38 PENTEADO, Fernando. Usinagem. Figura 8.39 BOEHS, Lorival. Comando Numérico Conceitos Fundamentais : curso de usinagem de materiais, UFSC. Notas de Aula. Figura 8.40 BOEHS, Lorival. Comando Numérico Conceitos Fundamentais : curso de usinagem de materiais, UFSC. Notas de Aula. Figura 8.41 BOEHS, Lorival – Máquinas Ferramenta. Santa Catarina: Universidade Federal de Santa Catarina, 1991. Figura 8.42
84
BOEHS, Lorival – Máquinas Ferramenta. Santa Catarina: Universidade Federal de Santa Catarina, 1991. Figura 8.43 BOEHS, Lorival. Comando Numérico Conceitos Fundamentais : curso de usinagem de materiais, UFSC. Notas de Aula. Figura 8.44 BOEHS, Lorival. Comando Numérico Conceitos Fundamentais : curso de usinagem de materiais, UFSC. Notas de Aula. Figura 8.45 .
Acesso
em: 2 abr. 2009. Figura 8.46 . Acesso em: 2 abr. 2009. Figura 8.47 FERRARI, Alfredo Vergilio Fuentes. Usinagem completa de peças complexas na tornearia
automática. Figura 8.48
Iniciação ao comando numérico. SENAI. Figura 8.49 FERRARI, Alfredo Vergilio Fuentes. Usinagem completa de peças complexas na tornearia
automática. Figura 8.50 FERRARI, Alfredo Vergilio Fuentes. Usinagem completa de peças complexas na tornearia
automática. Figura 8.51 FERRARI, Alfredo Vergilio Fuentes. Usinagem completa de peças complexas na tornearia
automática.
85
Figura 8.52 . . Acesso em: 10 maio 2009. Figura 8.53 FERRARI, Alfredo Vergilio Fuentes. Usinagem completa de peças complexas na tornearia
automática. Figura 8.54 .
Acesso
em: 2 abr. 2009. Figura 8.55 . . Acesso em: 10 maio 2009. Figura 8.56 . . Acesso em: 10 maio 2009. Figura 8.57 .
Acesso
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Acesso
em: 2 abr. 2009. Fugura 8.60 BOEHS, Lorival – Máquinas Ferramenta. Santa Catarina: Universidade Federal de Santa Catarina, 1991. Figura 8.61 . Acesso em: 2 abril 2009.
86
Figura 8.62 FERRARI, Alfredo Vergilio Fuentes. Usinagem completa de peças complexas na tornearia automática. Figura 8.63 .
Acesso
em: 2 abr. 2009. Figura 8.64 .
Acesso
em: 2 abr. 2009.
9. Figura 9.1 . Acesso em: 20 abr. 2009. Figura 9.2 . . Acesso em: 20 abr. 2009. Figura 9.3 . . Acesso em: 20 abr. 2009. Figura 9.4 . . Acesso em: 20 abr. 2009.
11. Figura 11.1 . Acesso em 20 maio 2009. Figura 11.2 . . Acesso em: 2 maio 2009.
87
Figura 11.3 . . Acesso em 2 maio 2009.
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