O que é a fresagem CNC? Evolução, máquinas, fluxo de trabalho, operações, benefícios e limitações

A fresagem CNC é um processo de fabrico muito utilizado na produção industrial moderna. Esta técnica faz parte do processo de fabrico subtrativo em que se retira material de um bloco sólido para obter a geometria ou dimensão pretendidas. Ao contrário dos processos de maquinagem do passado, em que o controlo humano influenciava significativamente o processo de maquinagem, a fresagem CNC é um processo controlado por computador, no qual se utilizam instruções informáticas para controlar o movimento das ferramentas de corte.

Introdução à fresagem CNC

A fresagem CNC é um processo de maquinagem em que uma peça fixa é cortada por ferramentas de corte rotativas controladas por um programa informático. A sigla CNC significa «Controlo Numérico Computadorizado», refletindo as instruções digitais que regem os movimentos e as operações da máquina.

Numa configuração normal de fresagem CNC, uma ferramenta rotativa de alta velocidade corta uma peça de trabalho fixada numa mesa móvel. O controlador da máquina interpreta um programa digital — frequentemente escrito em Código G—e orienta os eixos da máquina para que se desloquem de acordo com o percurso da ferramenta especificado. A ferramenta, então, atravessa a peça e retira gradualmente o material para criar a forma pretendida.

A fresagem CNC é computorizada e permite a maquinação de peças altamente detalhadas com o mínimo de controlo humano. Os movimentos multidimensionais na máquina permitem a criação de caraterísticas como ranhuras, bolsas, contornos e detalhes finos de superfícies tridimensionais.

A precisão da fresagem CNC é uma das suas características distintivas. Os centros de maquinagem CNC modernos, equipados com algoritmos avançados de compensação de erros volumétricos, conseguem respeitar de forma consistente tolerâncias de posicionamento de ±2 a ±5 micrómetros. Esta extrema precisão geométrica é essencial para processos de engenharia de alto desempenho, em que a precisão ao nível do mícron é imprescindível ^[1].

A precisão, a flexibilidade e a escalabilidade fazem da fresagem CNC uma tecnologia fundamental na atual indústria transformadora.

A história e a evolução da fresagem CNC

A história da fresagem CNC pode ser rastreada até às máquinas de fresagem tradicionais que eram controladas manualmente. Os maquinistas costumavam controlar o movimento das ferramentas através do torneamento manual e do movimento em alavancas mecânicas. Embora os operadores profissionais pudessem fornecer alguns resultados excelentes, era lento e podia ser afetado por erros humanos.

O advento do controlo numérico nas décadas de 1940 e 1950 foi um enorme feito na tecnologia de maquinagem. As primeiras máquinas CNC utilizavam instruções codificadas em cartão perfurado ou fita de papel para dirigir o movimento da máquina. Estes sistemas ajudaram os fabricantes não só a automatizar os processos de maquinagem repetitivos, mas também a aumentar a consistência.

A tecnologia informática, inventada nos anos 70 e 80, deu origem aos sistemas de controlo numérico por computador. Os controladores CNC substituíram os sistemas de instrução mecânicos e permitiram que as máquinas lessem comandos digitais gerados a partir de software.

Esta inovação técnica melhorou significativamente a força das máquinas de fresagem. Os percursos de ferramentas complexos podem ser gerados utilizando software CAD e CAM, proporcionando aos engenheiros a capacidade de maquinar peças complexas com muito mais precisão e eficiência.

As fresadoras CNC actuais incorporam sensores avançados, fusos de alta velocidade, trocadores de ferramentas automatizados e sistemas de controlo em rede. É mais provável que estas máquinas sejam integradas em sistemas de produção inteligentes, nos quais a informação digital é transferida com facilidade entre o projeto e a produção.

Quais são os componentes de uma máquina de fresagem CNC?

Uma fresadora CNC é composta por componentes mecânicos e electrónicos complexos que trabalham em conjunto para realizar operações de maquinação de alta precisão.

A estrutura da máquina constitui a base estrutural do sistema de fresagem. É constituída por material endurecido, como ferro fundido ou aço, que absorve as vibrações geradas durante o corte e melhora a estabilidade da máquina.

O fuso é responsável por segurar e fazer girar a ferramenta de corte. A velocidade do fuso varia consoante o material a ser maquinado e a ferramenta de corte. Os fusos de alto desempenho utilizados na Maquinagem de Alta Velocidade (HSM) funcionam frequentemente entre 20 000 e 40 000 RPM. Esta rotação rápida reduz drasticamente as forças de corte e a deformação térmica, o que se traduz em taxas de remoção de material (MRR) significativamente mais elevadas e acabamentos superficiais de qualidade superior ^[2].

A mesa de trabalho é o local onde a peça de trabalho é fixada durante a maquinagem. O material é mantido, fixado ou preso em fixações, grampos ou tornos e, em seguida, a mesa move-se em eixos pré-determinados para colocar a peça de trabalho em posição com a ferramenta de corte. A máquina tem uma unidade central de processamento, conhecida como controlador CNC. Este lê os programas de maquinação, calcula os movimentos das ferramentas e envia instruções para os motores que movem os eixos da máquina.

As máquinas contemporâneas também podem incluir trocadores automáticos de ferramentas que proporcionam à máquina a capacidade de alternar entre várias ferramentas de corte à medida que a máquina executa um ciclo de maquinagem. Esta automatização permitirá o fabrico de peças complexas numa única configuração.

Quais são os tipos de máquinas de fresagem CNC?

Fresadoras verticais CNC

As fresadoras CNC verticais colocam o seu fuso em ângulos rectos em relação à mesa de trabalho. Esta orientação vertical da ferramenta de corte em relação à direção da peça de trabalho torna a ferramenta adequada para a maquinação de superfícies planas, ranhuras e cavidades.

As máquinas são amplamente utilizadas em oficinas mecânicas devido à sua versatilidade e ao facto de ocuparem uma área relativamente pequena. Os centros de maquinagem verticais são utilizados na prototipagem, na produção de pequenos lotes e na maquinagem em geral.

Fresadoras horizontais CNC

As fresadoras horizontais têm um fuso que está orientado paralelamente à mesa de trabalho. O design permite que as aparas feitas na operação da máquina caiam longe da zona de corte, o que aumenta a eficiência do corte e reduz a geração de calor.

As máquinas horizontais são utilizadas em instalações de produção industrial em grande escala devido à sua rigidez e à capacidade de manusear peças de trabalho pesadas.

Fresadoras CNC de três eixos

As fresadoras de três eixos rodam nas dimensões X, Y e Z. Estas máquinas são capazes de produzir uma vasta gama de componentes e são o tipo mais comum de sistema de fresagem CNC utilizado em instalações de produção.

Embora sejam versáteis, os sistemas com geometrias complexas podem exigir mais do que uma única configuração quando se utilizam sistemas de máquinas de três eixos.

Fresadoras CNC multieixos

As fresadoras CNC de quatro e cinco eixos incorporam eixos de rotação adicionais que permitem que a ferramenta de corte ou a peça de trabalho se incline e rode durante a maquinação. Isto permite o fabrico de componentes mais complicados com menos configurações.

A maquinação multieixos é amplamente utilizada em fabrico de peças aeroespaciais e fabrico de dispositivos médicos, que exigem peças com formas complexas e tolerâncias rigorosas.

Tabela 1: Comparação de tipos comuns de fresadoras CNC

Fluxo de trabalho do processo de fresagem CNC

O processo de fresagem CNC é um processo informatizado e sistemático através do qual o pensamento do design é convertido num componente físico final e real. Cada fase do processo contribui para a precisão e eficiência do produto final.

Criação de modelos CAD

O fluxo de trabalho da fresagem CNC começa com a criação de um modelo digital 3D utilizando um software de conceção assistida por computador. Nesta fase, os engenheiros definem a geometria e o tamanho do componente, bem como as suas caraterísticas. Estes modelos digitais servem de modelo para o fabrico e garantem que o desenho pode ser traduzido com precisão em instruções de maquinagem.

Geração de percursos de ferramenta com software CAM

O sistema CAM gera percursos de ferramenta sofisticados que determinam o movimento preciso da ferramenta de corte em torno da peça. Os sistemas CAM avançados utilizam frequentemente algoritmos de fresagem dinâmicos ou trocoidais, que mantêm um ângulo de contacto constante da fresa. Esta otimização pode reduzir o tempo de usinagem de desbaste em até 40% para 50% ao mesmo tempo que prolonga significativamente a vida útil da ferramenta, evitando picos de carga mecânica extremos ^[3].

Alguns dos parâmetros de maquinação que são especificados pelos engenheiros são a velocidade do fuso, a taxa de avanço e a profundidade de corte. Estes parâmetros são optimizados de modo a que haja uma remoção eficaz dos materiais e uma vida útil suficiente da ferramenta.

Programação G-Code

Após a criação de percursos de ferramentas, o software CAM converte os percursos de ferramentas em código legível por máquina (código G). Existem comandos para movimentos de eixos, rotação do fuso e outras operações da máquina que são ditadas por este código.

O software de código G é então transmitido ao controlador da máquina de fresagem CNC.

Configuração da máquina

O operador prepara a máquina instalando as ferramentas de corte e fixando a peça de trabalho na mesa de trabalho antes de iniciar a máquina. Em seguida, calibra a máquina com as coordenadas corretas para a operação de maquinagem. A preparação correta da máquina garante que o programa de maquinação é bem executado.

Execução da maquinagem

Uma vez iniciado o programa, a fresadora CNC segue automaticamente os percursos de ferramentas programados. É um processo de corte que envolve uma elevada taxa de rotação de uma ferramenta de corte e o movimento do eixo da máquina com um elevado grau de precisão, a fim de remover um material da peça de trabalho.

Isto é continuado até que a geometria final desejada de uma peça tenha sido criada.

Tabela 2: Fases típicas do fluxo de trabalho de fresagem CNC

Quais são as operações de fresagem CNC mais comuns?

As máquinas CNC podem executar muitas tarefas, o que permite aos fabricantes adicionar muitas caraterísticas geométricas a uma peça de trabalho. Cada operação tem uma estratégia de maquinação que determina a relação entre a ferramenta de corte e o material.

Fresagem de faces

A fresagem em face (remoção de material na superfície superior de uma peça de trabalho) forma uma superfície plana. Durante este procedimento, a fresa de facear roda enquanto a peça de trabalho se move por baixo dela, raspando gradualmente camadas finas de material.

A fresagem frontal é também utilizada para a preparação de peças em bruto antes de estas serem submetidas a outros processos de maquinagem. É igualmente aplicada na produção de componentes mecânicos planos, tais como bases de máquinas, placas de montagem e suportes estruturais.

Fresagem de topo

A fresagem de topo é efectuada com uma ferramenta de corte que possui arestas vivas em ambos os lados e na ponta. Isto permite que a ferramenta corte verticalmente e horizontalmente, possibilitando a maquinação de operações extremamente diversas.

O processo produz normalmente ranhuras, bolsas, perfis e contornos tridimensionais complexos. A fresagem de topo é frequentemente aplicada quando se trata do fabrico de moldes, matrizes, caixas e outros componentes de um produto que requerem propriedades internas complexas.

Fresagem de ranhuras

O objetivo da fresagem de ranhuras é cortar canais estreitos numa peça de trabalho. Estes canais podem ser utilizados como canais de trabalho, tais como ranhuras de chaveta, calhas de guia ou rastos nos conjuntos mecânicos.

Outras indústrias, como a indústria automóvel e a indústria de maquinaria industrial, tendem a aplicar a fresagem de ranhuras para produzir peças que requerem caraterísticas de alinhamento precisas. A operação também produz ranhuras para fixar anéis ou maquinaria deslizante.

Fresagem de contorno

A fresagem de contorno é o processo de criação de uma superfície curva ou irregular numa peça de trabalho. A ferramenta de corte segue um percurso tridimensional complexo que está ligado a uma forma fornecida num modelo informático.

Isto é necessário, sobretudo nos setores aeroespacial e da fabricação de moldes. A fresagem de contornos também pode ser necessária para pás de turbinas, moldes e modelos arquitetónicos altamente detalhados, como este protótipo artesanal do «Ninho do Pássaro» de Pequim

Fresagem de bolso

O processo de fresagem de cavidades consiste em cortar internamente uma área conhecida da peça de trabalho, criando cavidades de cavidades. Os componentes também podem ser montados nas cavidades ou reduzir o peso do componente em geral, mantendo a sua estrutura.

A fresagem de ranhuras é amplamente utilizada em estruturas aeroespaciais, caixas mecânicas e componentes complexos de gestão térmica, tais como dissipadores de calor ventilados em aço. Através da remoção estratégica do material interno, os engenheiros conseguem maximizar a resistência e otimizar o peso.

Ferramentas de corte na fresagem CNC

As ferramentas de corte são elementos fundamentais dos sistemas de fresagem CNC porque determinam a eficiência com que o material é removido da peça de trabalho. A geometria da ferramenta, a estrutura do material e o acabamento da superfície determinam o desempenho e a vida útil da maquinagem.

As fresas de topo são algumas das ferramentas mais versáteis utilizadas na fresagem CNC. As arestas utilizadas permitem-lhes realizar trabalhos como a criação de perfis, ranhuras e fresagem de bolsos. As fresas de topo têm várias formas e tamanhos, dependendo dos requisitos de maquinagem.

As fresas de topo de ponta esférica têm extremidades arredondadas, pelo que são capazes de cortar superfícies lisas e curvas. São utilizadas no fabrico de moldes e na maquinagem de superfícies complicadas em que os contornos têm de ser suaves.

As fresas de faceamento tendem a ser ferramentas maiores que são utilizadas para retirar material de superfícies planas. A maioria das fresas tem pastilhas rotativas de carboneto substituíveis que podem ser rodadas ou mudadas após a utilização, o que ajuda a aumentar a vida útil da ferramenta e a reduzir os custos de funcionamento.

O material utilizado para fabricar ferramentas de corte é fundamental. Por exemplo, as ferramentas de metal duro tornaram-se populares porque não perdem a sua dureza mesmo a altas temperaturas e não sofrem danos quando são utilizadas para maquinação pesada. Outra forma de revestimento adicional, como o nitreto de titânio e o nitreto de alumínio e titânio, também melhora o desempenho de corte e a vida útil da ferramenta.

A eficiência da maquinação será maximizada, a qualidade do acabamento da superfície será melhorada e o desgaste da ferramenta de corte será reduzido através da ferramenta de corte correta em termos de processos de produção longos.

Quais são as vantagens da fresagem CNC?

As vantagens da fresagem CNC são numerosas, o que a torna um dos processos de fabrico mais fiáveis da engenharia moderna. Um dos seus melhores pontos fortes é a precisão. Isto é conseguido através da utilização de instruções digitais; assim, as máquinas CNC podem repetir a produção de peças com tolerâncias muito apertadas e grandes diferenças de produção.

Outro ponto forte significativo é a versatilidade. As fresadoras CNC podem produzir todos os tipos de geometrias, desde uma superfície plana até uma forma complexa. Isto deve-se à flexibilidade que permite aos fabricantes produzir peças protótipo e grandes lotes de produção utilizando o mesmo equipamento.

A automatização também aumenta a produtividade. Uma vez configurado um conjunto de máquinas e instalado um programa de maquinagem, a máquina pode funcionar sem a necessidade de muitos operadores. É uma capacidade que permite obter uma maior eficiência no processo de fabrico e que também ajuda a excluir o risco de erro humano.

A fresagem CNC é também altamente compatível com os modernos sistemas de fabrico digital. A integração do software CAD e CAM ajuda os engenheiros a fazer a ponte entre o projeto e a produção sem qualquer dificuldade, o que poupa uma quantidade significativa de tempo no desenvolvimento de produtos.

Quais são as limitações da fresagem CNC?

Apesar destas vantagens, a fresagem CNC também tem as suas limitações. Uma das questões mais marcantes é o desperdício de material. Considerando que o processo é aplicado para cortar material de um bloco sólido, uma grande parte do material original torna-se aparas ou sucata.

A outra limitação é o custo relativamente elevado da maquinaria e das ferramentas. As máquinas de fresagem CNC exigem grandes investimentos de capital. As máquinas CNC multieixos de alta tecnologia podem ter um custo proibitivo.

Uma máquina de três eixos também pode exigir várias configurações ou dispositivos de fixação especiais para trabalhar com geometrias complexas das peças. Embora as máquinas multieixos possam resolver este problema, exigem uma programação sofisticada e implicam custos operacionais elevados. No entanto, os profissionais Serviços de fresagem CNC continuam a ser uma das soluções mais eficazes e mais utilizadas na indústria transformadora atual, devido à sua fiabilidade, precisão e flexibilidade.

Referências

[1] Schwenke, H., Knapp, W., Haitjema, H., Weckenmann, A., Schmitt, R. e Delbressine, F. (2008). Medição e compensação de erros geométricos em máquinas — uma atualização. Anais do CIRP, 57(2), 660-675. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2008.09.008

[2] Fallböhmer, P., Rodríguez, C. A., Özel, T., & Altan, T. (2000). Usinagem de alta velocidade de ferro fundido e aços-liga para o fabrico de matrizes e moldes. Revista de Tecnologia de Processamento de Materiais, 98(1), 104-115. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(99)00311-8

[3] Otkur, M., & Lazoglu, I. (2007). Fresagem trocoidal. Revista Internacional de Máquinas-Ferramentas e Fabricação, 47(9), 1324-1332. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2006.08.002