O que é o processo de torneamento CNC? Fundamentos, fases, tipos e relação com a maquinagem CNC

O torneamento CNC é um processo de fabrico muito popular no fabrico de precisão moderno. Para esclarecer, CNC é um acrónimo de Controlo Numérico Computadorizado, a utilização de máquinas controladas por computador. Na prática, o torneamento CNC envolve a utilização de uma ferramenta de corte para remover material de uma peça de trabalho em rotação para produzir peças redondas ou cilíndricas de elevada precisão e repetibilidade.

Os setores automóvel, aeroespacial, eletrónico, de equipamento médico, do petróleo e gás e de maquinaria industrial estão entre as aplicações mais comuns do processo de torneamento CNC. Os fabricantes preferem o torneamento CNC pela sua elevada precisão dimensional, rapidez de fabrico e consistência da qualidade na produção em grande escala. Quer se trate de um eixo e uma bucha básicos ou de uma peça roscada mais complexa, a utilização de serviços profissionais serviços personalizados de torneamento CNC garante que estas peças sejam fabricadas de forma eficiente e com elevada precisão.

Quais são os fundamentos do torneamento CNC?

O princípio subjacente ao processo de torneamento CNC é a remoção de material através do movimento de rotação. As operações de torneamento são diferentes da fresagem porque a peça de trabalho está a rodar em vez da ferramenta de corte. A ferramenta de corte é mantida estacionária enquanto é guiada ao longo de eixos controlados para cortar o componente.

O eixo X e o eixo Z são os dois eixos principais de um torno CNC. O eixo “X” serve para controlar a profundidade de corte e o eixo “Z” serve para o movimento longitudinal ao longo da peça a cortar. Alguns tornos avançados têm eixos extra para geometrias mais complicadas e funcionalidades multitarefa adicionais.

A programação desempenha um papel importante no torneamento CNC. O software CAD e CAM ajuda os operadores a desenvolver modelos digitais e a produzir as instruções para as máquinas (código G). Estas instruções são utilizadas para definir a velocidade do fuso, a taxa de avanço, a profundidade de corte e o movimento das ferramentas na máquina.

Quais são as fases do torneamento CNC?

Seleção de materiais

O primeiro passo num processo de torneamento CNC consiste em escolher o material adequado para a aplicação. Os materiais mais comuns são: alumínio, aço inoxidável, aço ao carbono, latão, titânio, cobre e plásticos técnicos. A escolha dos materiais dependerá da sua resistência, resistência à corrosão, maquinabilidade e propriedades térmicas.

O alumínio é um material muito utilizado devido à sua leveza e baixo custo de maquinação. O aço inoxidável tem uma elevada resistência à corrosão e é muito durável, e o titânio tem uma elevada relação resistência/peso, o que o torna adequado para utilização nas indústrias aeroespacial e médica.

Preparação da peça de trabalho

Uma vez selecionados os materiais, a matéria-prima é cortada num comprimento adequado para a maquinagem. A peça de trabalho é fixada firmemente no mandril ou pinça do torno CNC. A chave para evitar vibrações e erros dimensionais durante a maquinagem é a fixação correta.

Outras considerações importantes são também o balanceamento e o alinhamento. Os desalinhamentos conduzem a um mau acabamento da superfície, a um desgaste excessivo da ferramenta ou a erros dimensionais.

Configuração de ferramentas

Antes de ligar a máquina, as ferramentas de corte são colocadas na torre da máquina. Muitas diferentes ferramentas pode ser utilizada em várias operações, tais como faceamento, torneamento em bruto, acabamento, roscagem, perfuração e ranhura.

A escolha do material da ferramenta também é de grande importância. As ferramentas de metal duro são bem utilizadas porque são extremamente duras e resistentes ao desgaste. As ferramentas revestidas também aumentam a eficiência do corte, minimizando o atrito e a geração de calor.

Programação CNC

O programa CNC determina o processo de maquinagem e os parâmetros de funcionamento. O percurso da ferramenta, a velocidade do fuso, o avanço, a profundidade de corte e o líquido de refrigeração são todos decididos pelo tipo de material e pela geometria da peça pelo programador.

As simulações utilizam software para verificar o programa antes do início da produção. Isto pode ajudar a evitar colisões ou erros de maquinação e minimizar o desperdício de materiais.

Operação de maquinagem

No processo de maquinagem, o fuso é utilizado para rodar a peça de trabalho e a ferramenta de corte corta o material metálico camada após camada. As operações de desbaste removem grandes quantidades de material num curto espaço de tempo, e as operações de acabamento dão à peça a forma e o acabamento superficial corretos.

Os sistemas de refrigeração são frequentemente utilizados para reduzir o calor e lubrificar a zona de corte. Uma refrigeração correta aumenta a vida útil da ferramenta e evita qualquer distorção térmica da peça de trabalho.

Inspeção e controlo de qualidade

Todas as peças maquinadas são, em seguida, inspecionadas. Medições realizadas com micrómetros, paquímetros, máquina de medição por coordenadas e os medidores de rugosidade da superfície garantem que a peça cumpre os requisitos de conceção.

No torneamento CNC, o controlo de qualidade desempenha um papel fundamental no fabrico, uma vez que existem muitas peças envolvidas em aplicações críticas que podem resultar em falhas do sistema.

Quais são os tipos de operações de torneamento CNC?

Viragem a direito

O torneamento reto é um dos processos de torneamento CNC mais simples e comuns. Durante esta operação, a ferramenta é avançada paralelamente ao eixo da peça, de modo a remover material da peça de forma uniforme em todo o diâmetro. As aplicações típicas desta operação incluem o fabrico de eixos cilíndricos, hastes, pinos e espaçadores.

O torneamento reto pode ser efectuado como um processo de desbaste ou de acabamento. O torneamento em bruto é um método para remover rapidamente grandes quantidades de material para produzir a forma básica da peça. Utilize cortes mais finos e avanços mais lentos para obter dimensões exactas e acabamentos de superfície suaves no acabamento. O torneamento reto tem uma elevada precisão, o que é adequado para peças com elevada precisão e um diâmetro uniforme.

Operação de revestimento

O faceamento é efectuado para obter uma extremidade nivelada e lisa da peça de trabalho. A ferramenta de corte é introduzida perpendicularmente ao eixo de rotação e a peça de trabalho é rodada no mandril. A primeira maquinação é normalmente o faceamento e é utilizada para criar uma superfície de referência limpa e precisa para as operações de maquinação subsequentes.

A utilização desta operação é significativa para a produção de peças com extremidades perfeitamente planas que são utilizadas para montagem ou selagem. O faceamento de precisão cria a estabilidade dimensional e assegura o alinhamento correto dos sistemas mecânicos.

Torneamento cónico

O processo de torneamento cónico cria uma mudança gradual de diâmetro no comprimento do produto, formando um cone. É particularmente importante para os veios cónicos, suportes de ferramentas, acessórios para tubos e fusos de máquinas.

O torneamento cónico é realizado num torno CNC movendo a ferramenta num ângulo. A programação CNC é utilizada para controlar cuidadosamente o ângulo e o comprimento do cone para manter a precisão dimensional.

Para o torneamento cónico, deve haver um movimento sincronizado entre a ferramenta e o fuso. O desalinhamento pode levar a uma geometria cónica ou a um acabamento superficial deficiente. Podem ser efectuados cones de elevada precisão utilizando um sistema CNC avançado para aplicações industriais exigentes.

Torneamento de contornos

O torneamento de contorno é um método utilizado para produzir perfis curvos ou irregulares numa peça rotativa. É um tipo de torneamento que requer que a ferramenta efectue movimentos mais complexos, programados pelo CNC.

É frequentemente aplicado nos domínios das indústrias aeroespacial e automóvel, bem como no fabrico médico, onde as peças têm frequentemente de ter arestas curvas e formas complexas. São exemplos: componentes de turbinas, caixas de precisão e implantes ortopédicos.

Corte de rosca

O corte de roscas é um processo de torneamento para fazer ranhuras helicoidais numa superfície cilíndrica. As roscas podem estar no exterior, como as dos parafusos, ou no interior, como as roscas dos acessórios e das porcas.

Roscas métricas, unificadas, trapezoidais e de tubos são apenas algumas das muitas formas de fios que podem ser criadas com uma máquina de torneamento CNC. A máquina consegue sincronizar as velocidades de rotação do fuso com o movimento da ferramenta, garantindo um passo e uma profundidade precisos da rosca.

O controlo dos parâmetros de corte é muito importante no fabrico de roscas, uma vez que as roscas devem ter tolerâncias dimensionais apertadas. A qualidade da rosca é importante para a montagem, fugas ou falhas mecânicas.

Operação de ranhurar

A ranhura é um processo que consiste na criação de canais estreitos ou recessos na superfície da peça. As ranhuras podem ser externas ou internas, dependendo do desenho do componente. É amplamente utilizada no fabrico de assentos para anéis de retenção, ranhuras para O-rings, ranhuras para anéis de encaixe e elementos decorativos.

Durante a abertura de ranhuras, é especialmente importante prestar atenção ao controlo das aparas devido à capacidade de acumulação de aparas e de sobreaquecimento na área de corte confinada. As condições de corte estáveis são asseguradas pela aplicação adequada de líquido de refrigeração e pela otimização da velocidade de corte.

As aplicações que exigem que as vedações ou elementos de retenção se ajustem firmemente às dimensões da ranhura requerem uma ranhura de precisão.

Operação de perfuração

O mandrilamento é utilizado para alargar e aperfeiçoar furos com maior precisão do que a perfuração. Trata-se de uma operação em que uma ferramenta de corte de ponta única remove material do diâmetro interno da peça de trabalho.

Uma perfuração aumenta a precisão, a concentricidade e o acabamento superficial dos furos. É amplamente utilizado na produção de cilindros de motores, caixas de rolamentos, peças hidráulicas e peças mecânicas de alta precisão.

As barras de perfuração longas podem deformar-se sob as forças de corte, e são necessárias ferramentas estáveis e um alinhamento preciso para a perfuração interna. Uma deflexão excessiva pode resultar em furos cónicos ou demasiado grandes.

Com a precisão da perfuração CNC, é possível obter tolerâncias tão apertadas quanto necessário e adequadas para aplicações críticas de engenharia.

Operação de perfuração

Embora a principal operação dos centros de torneamento CNC seja a modelação cilíndrica, muitos deles também perfuram. A broca é introduzida na peça giratória para formar orifícios no centro.

Os processos de perfuração CNC são frequentemente combinados com processos de torneamento para minimizar os tempos de preparação e aumentar a eficiência da produção. Atualmente, é possível realizar perfurações de centragem, perfurações profundas e perfurações de vários diâmetros numa única preparação num centro de torneamento moderno.

Durante a perfuração, em particular, o fornecimento de líquido de refrigeração é crítico, uma vez que as aparas têm de ser removidas eficientemente de furos profundos. Se tal não acontecer, a broca pode ficar danificada ou pode ter um impacto na qualidade do furo.

Equipamento de torneamento CNC

A torneamento CNC é realizado com equipamento especial que possui a função de remoção de material com precisão. Tornos CNC são as máquinas mais utilizadas, uma vez que são máquinas que realizam o corte rotativo de forma automática.

Os centros de torneamento são mais sofisticados do que os tornos CNC tradicionais, o que facilita uma série de ferramentas e caraterísticas de maquinagem adicionais. Normalmente, estas máquinas também estão equipadas com trocadores automáticos de ferramentas, sistemas de ferramentas em tempo real e sub-spindles que melhoram a produtividade.

Outro tipo importante é o torno CNC de tipo suíço. Estas máquinas são utilizadas para fabricar pequenas peças de alta precisão e com elevada exatidão dimensional. São comuns na indústria de dispositivos médicos e na indústria eletrónica.

Os tornos de torneamento vertical são adequados para tornear peças de trabalho grandes e pesadas. A peça de trabalho não é rodada horizontalmente, mas sim verticalmente, o que ajuda a manter a estabilidade de peças grandes.

Parâmetros de corte no torneamento CNC

A qualidade e a produtividade do processo de torneamento são grandemente afectadas pelos parâmetros de corte. Os principais parâmetros são a velocidade do fuso, a taxa de avanço e a profundidade de corte. A velocidade do fuso determina a velocidade de rotação da peça de trabalho (medida em RPM ou pés de superfície por minuto). Velocidades de corte mais elevadas produzem geralmente um melhor acabamento superficial, mas com um aumento da produção de calor e do desgaste da ferramenta.

O avanço é a velocidade de avanço da ferramenta de corte contra a peça de trabalho. Avanços demasiado rápidos podem produzir superfícies rugosas, e avanços demasiado lentos podem diminuir a produtividade. A profundidade de corte é a quantidade de material que está a ser removido por corte. As operações de desbaste têm uma profundidade de corte maior para remover material a um ritmo mais rápido, e também uma profundidade de corte menor para precisão e suavidade durante as operações de acabamento.

Estes parâmetros devem ser corretamente controlados para garantir um desempenho eficaz da maquinagem.

Importância das ferramentas no torneamento CNC

As ferramentas de corte modernas são concebidas para serem duráveis, resistirem ao calor e terem um elevado grau de precisão no corte. As pastilhas de carboneto são normalmente utilizadas porque resistem a temperaturas elevadas e mantêm as arestas de corte afiadas. As ferramentas de cerâmica e de nitreto de boro cúbico são utilizadas para maquinar materiais endurecidos.

A geometria da ferramenta também tem influência no desempenho da maquinagem. A configuração com ângulos de inclinação corretos, raios de ponta e quebra-cavacos ajudará na evacuação de cavacos e minimizará as forças de corte.

Numa oficina de torneamento CNC automatizada, um sistema de monitorização do desgaste da ferramenta está a tornar-se uma solução mais comum. Estes sistemas podem ser utilizados para identificar ferramentas gastas logo que estas afectem a qualidade do produto.

Desafios no torneamento CNC

Embora o torneamento CNC tenha os seus méritos, há também uma série de desafios a considerar. Um dos problemas mais frequentes é o desgaste da ferramenta, particularmente quando se cortam materiais duros e se utilizam condições de corte agressivas.

O imenso atrito e a deformação do material durante o corte geram um calor intenso, o que afeta diretamente a precisão dimensional. Por exemplo, ao tornear materiais aeroespaciais duros, como o titânio (Ti-6Al-4V), as temperaturas localizadas na aresta de corte podem ultrapassar rapidamente os 800 °C a 1 000 °C ^[1]. Esses efeitos térmicos extremos devem ser rigorosamente controlados através de parâmetros de corte otimizados e de sistemas avançados de refrigeração a alta pressão, a fim de evitar o desgaste rápido da ferramenta e a deformação da peça.

O controlo das limalhas é também uma questão crítica. As limalhas longas ou emaranhadas podem encravar na máquina ou causar danos na peça que está a ser cortada ou na ferramenta. Por vezes, isto é resolvido com recurso a separadores de limalha especializados e sistemas de refrigeração.

A vibração ou vibração da máquina é indesejável, uma vez que degrada a superfície e a vida útil da ferramenta. Reduzir o problema da vibração aumentando a rigidez da máquina e alterando as condições de corte.

Compreender o torneamento e a maquinagem CNC

Qual é a relação entre torneamento e maquinagem CNC?

Os conceitos de torneamento CNC e de maquinagem estão intimamente relacionados entre si. A maquinagem é um termo geral que designa os processos de remoção de material que podem ser utilizados para produzir peças de várias formas, e o torneamento CNC é um dos principais processos no âmbito mais vasto da soluções personalizadas de usinagem CNC utilizado para fabricar peças principalmente cilíndricas.

A fresagem, a perfuração, a retificação, a maquinagem por descarga eléctrica e o torneamento são alguns dos métodos utilizados na maquinagem. Os diferentes processos têm funções diferentes, consoante a geometria e a função do componente.

Uma vez que muitos componentes industriais são simétricos em termos de rotação, a aplicação do torneamento CNC desempenha um papel fundamental na maquinação. Os processos de torneamento são utilizados para fabricar veios, pinos, acoplamentos, válvulas e casquilhos.

O CNC revolucionou o mundo da maquinação convencional. Atualmente, os sistemas CNC são utilizados para aumentar a eficiência dos processos de fabrico, minimizar o envolvimento humano e automatizar o movimento das ferramentas. Isto pode permitir aos fabricantes fabricar peças complexas de forma mais rápida e consistente.

Integração de torneamento e fresagem

Atualmente, muitos centros de torneamento CNC (Controlo Numérico Computorizado) são concebidos para realizar operações de torneamento e fresagem na mesma máquina. Estes sistemas multitarefa podem executar várias tarefas sem transferir a peça de uma máquina para outra.

O torneamento e a fresagem integrados significam que a peça de trabalho é fixada na mesma posição durante as operações de torneamento e fresagem, o que pode reduzir o tempo de preparação e melhorar a precisão dimensional. Isto também reduz os custos de fabrico e produção e aumenta a eficiência do fabrico e da produção.

Os sistemas de ferramentas activas permitem a rotação das ferramentas de corte para permitir a fresagem, perfuração e rosqueamento no centro de torneamento. Isto é particularmente útil para componentes complexos nas indústrias aeroespacial e automóvel.

Automação da maquinagem CNC

Um dos avanços mais significativos na tecnologia de torneamento e maquinagem CNC é a automatização. Os sistemas robóticos e os alimentadores automáticos de barras permitem que as máquinas funcionem sem a necessidade de monitorização e controlo humano.

Os sistemas de automação aumentam drasticamente a produtividade, minimizando os tempos de inatividade durante as operações de carga e descarga. De acordo com análises do setor, a integração de sistemas robóticos de carga e alimentadores automáticos de barras pode aumentar a taxa de utilização efetiva do fuso de uma máquina CNC em comparação com um sistema tradicional 40%-50% até mais de 80% ^[2]. Esta mudança não só maximiza o rendimento, como também melhora a segurança no local de trabalho, ao reduzir o contacto direto do operador com as peças móveis da máquina.

As tecnologias de fabrico inteligentes optimizam ainda mais o processo de maquinação CNC. Os sensores controlam o desempenho da máquina, o desgaste das ferramentas e os parâmetros de corte em tempo real. Estes dados permitem aos fabricantes prever as necessidades de manutenção e evitar períodos de inatividade indesejados.

Torneamento e maquinagem CNC de precisão

Uma das características distintivas da maquinagem CNC é a precisão. A tolerâncias As dimensões das máquinas de torneamento avançadas podem ser tão pequenas quanto mícrons, o que é adequado para indústrias de alto desempenho. Para aplicações críticas nos setores aeroespacial e médico, o torneamento CNC de alto desempenho consegue, de forma fiável, atingir Graus de tolerância IT5 a IT6 sob o ISO 286-1 padrão, mantendo frequentemente a precisão dimensional dentro de ±0,005 mm (5 micrómetros) ^[3].

A precisão dimensional é influenciada por vários fatores, tais como a rigidez da máquina, a qualidade das ferramentas de corte, os parâmetros de corte e a estabilidade térmica. Para garantir a precisão, a consistência é essencial na fabricação por usinagem de precisão.

Um acabamento superficial de qualidade é também um fator crucial. Os acabamentos finos reduzem o atrito, tornam-no esteticamente mais agradável e aumentam o desempenho dos componentes. Condições de corte e operações de acabamento optimizadas podem resultar em acabamentos extremamente suaves no torneamento CNC.

Quais são as tendências futuras no torneamento CNC?

O futuro do torneamento CNC está intimamente ligado aos avanços da automação e do fabrico digital. As tecnologias de IA e de aprendizagem automática estão a ser cada vez mais adoptadas no domínio dos sistemas de maquinagem.

Os sistemas de manutenção preditiva detectam potenciais problemas nas máquinas antes de estes ocorrerem, interpretando os dados da máquina. Isto irá diminuir o tempo de inatividade e aumentar a fiabilidade da produção.

Estão também a ser desenvolvidos sistemas de fabrico híbridos, que combinam o fabrico aditivo com o torneamento CNC. As peças de forma quase líquida produzidas com este tipo de sistema são impressas em 3D e depois maquinadas com precisão. A sustentabilidade está a emergir como um novo foco. Para minimizar o impacto ambiental, os fabricantes tencionam utilizar líquidos de refrigeração amigos do ambiente, máquinas energeticamente eficientes e materiais recicláveis.

A tecnologia de gémeos digitais continua a revolucionar as operações de torneamento CNC. As simulações de máquinas virtuais ajudam os fabricantes a otimizar os processos de maquinagem antes de fabricarem os produtos.

Conclusão

A precisão, a eficiência e a versatilidade do torneamento CNC fazem dele uma parte essencial dos processos de fabrico modernos. Este processo ajuda os fabricantes a criar peças cilíndricas de alta qualidade para várias aplicações, incluindo automóvel, aeroespacial, médica e eletrónica.

O processo de torneamento CNC é completado por vários processos rigorosamente controlados, que incluem a seleção de materiais, a elaboração de programas, o torneamento e a verificação da qualidade. São agora possíveis várias operações numa única configuração em centros de torneamento avançados, o que leva a uma maior produtividade e precisão.

A automação, as tecnologias de fabrico inteligentes e os sistemas de ferramentas avançados estão a impulsionar ainda mais a evolução do torneamento e maquinagem CNC. Estas inovações permitem aos fabricantes produzir componentes com maior rapidez, precisão e eficiência.

Referências

[1] Ezugwu, E. O., & Wang, Z. M. (1997). Ligas de titânio e a sua usinabilidade — uma revisão. Revista de Tecnologia de Processamento de Materiais, 68(3), 262-274. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(96)00030-1

[2] Federação Internacional de Robótica (IFR). (2023). Relatório «World Robotics 2023»: Robôs industriais a adaptarem-se à produção automatizada. https://ifr.org/worldrobotics/

[3] Organização Internacional de Normalização. (2010). ISO 286-1:2010 Especificações geométricas de produtos (GPS) — Sistema de códigos ISO para tolerâncias em dimensões lineares — Parte 1: Bases das tolerâncias, desvios e ajustes. https://www.iso.org/standard/42079.html