Resgate histórico sobre a usinagem: CNC e seus processos

Resgate histórico sobre a usinagem: CNC e seus processos

No setor industrial, o sistema CNC (do inglês Computer Numeric Control) ou em português Comando Numérico Computadorizado é amplamente utilizado a nível mundial.

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O sistema permite o controle simultâneo de vários eixos, através de uma lista de movimentos, escrita num código específico (código G).

Sua aplicação ocorre através de máquinas automatizadas, tais como: tornos CNC, máquinas de moagem ou fresadora CNC, empilhadeiras, máquinas ferramentas, cortadeiras, prensas, dentre outras.

A introdução do CNC na indústria mudou radicalmente os processos industriais, o que elevou consideravelmente a qualidade dos produtos e dos serviços oferecidos pelas indústrias.

Os principais ganhos foram: facilidade na fabricação de estruturas 3D, redução do retrabalho, diminuição do desperdício e do número de erros humanos, o que consequentemente aumenta o lucro das empresas.

Associado aos já citados ganhos, as linhas de montagem também ganharam agilidade e flexibilidade em curtos períodos de tempo.

Consequentemente, diante desse cenário, a demanda por bons programadores CNC aumenta cada vez mais, devido a extensas aplicações que às máquinas CNC permitem, além da constante ascensão e inovação no setor.

De acordo com o especialista Moisés Henriques, da empresa Papo CNC, atuante no mercado há 15 anos, “é importante que o profissional se qualifique e se atualize frequentemente”.

Ainda acrescenta que um excelente programador de CNC, precisa escolher bons cursos e escolas referências, associado a mentores profissionais, que os guiarão por esse mercado que exige profissionais de excelência.

Para aqueles profissionais que desejam se inserir “do zero” na área de Usinagem, utilizando o CNC ou para aqueles que já estão no ramo de atuação é importante, conhecer o contexto histórico e os rumos que a tecnologia CNC toma ao longo do tempo.

Para que o profissional consiga estar sempre preparado, para atuar de maneira proativa em todo o processo, ciente dos avanços tecnológicos e desafios.

Nesse sentido, o presente artigo tem como objetivo trazer o contexto histórico da usinagem CNC, as principais máquinas utilizadas e quais são as tecnologias atuais disponíveis, mais utilizadas.

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Conceito de usinagem e o contexto da máquinas CNC

A usinagem pode ser definida como um processo mecânico de desgaste da matéria bruta (ou matéria-prima) que dará origem a uma peça de um determinado formato específico.

A usinagem desempenha importantes funções com relação à elaboração de peças, além de possibilitar as mais diversas aplicações, sendo por isso utilizada mundialmente.

É por meio da usinagem que a transformação da matéria-prima em peças funcionais torna-se possível, para os diversos segmentos industriais.

Nesse contexto, as máquinas CNC podem ser utilizadas em operações de usinagem que inclui, por exemplo, corte ou queima de plasma, perfuração, corte a laser, formação e soldagem, dentre outras aplicações.

A usinagem CNC se dá através de uma máquina controlada por comandos numéricos, ou seja, por um processo de fabricação que utiliza computadores para automatizar máquinas e ferramentas em diversas etapas de produção.

Dentre as áreas do conhecimento que utilizam CNC pode-se citar a: industrial Naval, automobilística, eletrônica, aeroespacial, indústria metalúrgica, eletrodomésticos, eletrônicos, área médica e cirúrgica, dentre outras.

Contexto histórico da usinagem CNC

Desde as antigas civilizações, o homem busca aperfeiçoar, simplificar e automatizar o seu trabalho através da utilização de diferentes matérias-primas para a realização do seu trabalho.

No entanto, à medida que a tecnologia avança, os trabalhos físicos braçais vão sendo cada vez mais racionalizados e automatizados.

Na área agrícola, por exemplo, os trabalhos braçais e pesados em que se utilizavam a enxada, por exemplo, foram substituídos por sofisticadas máquinas e tratores.

As primeiras máquinas voltadas para o processo de usinagem de materiais surgiram no século XIX, época em que o aço rápido fora desenvolvido.

Através de uma máquina de torno, algumas peças já eram produzidas por rotação e delineadas de forma personalizada.

Em 1906 surgiu o primeiro torno com motor, que anos mais tarde (1925) passou por melhorias tornando o processo mais rápido e eficaz, dando origem ao torno elétrico (Figura 01).

Processos envolvendo pesquisas para melhoria dos produtos, conforme já mencionadas, continuaram ocorrendo e tiveram como aliadas as primeiras máquinas CN associadas ao desenvolvimento de computadores.

Tal fato ocorreu em diversas áreas, que com a chegada da segunda guerra mundial se intensificou essa busca. Junto com a segunda guerra veio às necessidades de evolução nos processos industriais, uma vez que a demanda por aviões, tanques, barcos, navios, armas, caminhões, aumentaram consideravelmente, e tudo isso ocorrendo, numa alta escala de produção e precisão.

O momento histórico da época dependia do desenvolvimento de máquinas automáticas, que conseguissem aumentar a produção, a precisão e a qualidade para peças.

Os desafios eram grandes, mas com eles vieram às pesquisas por melhorias nos processos, onde a partir de então, surgiu à máquina comandada numericamente (CN).

As primeiras pesquisas nesta área surgiram em 1949 (Figura 01), tendo como pesquisador principal, o engenheiro estadunidense, John Thoren Parsons, o laboratório de Servomecanismo do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), juntamente com a união da Força Aérea Norte-americana (U.S. Air Force) e a empresa Parsons Corporation of Traverse City, Michigan.

Surgiu então naquela época uma fresadora de três eixos, a Hydrotel, da Cincinnati Milling Machine Company, como alvo das novas experiências.

Os comandos e controles convencionais foram substituídos pelo CN, dotado de leitora de fita de papel perfurado, unidade de processamento de dados e servomecanismo nos eixos.

Em 1952, a demonstração prática da máquina foi viável, ao passo que, em 1953 publicou-se o relatório final do novo sistema.

Graças a todos os avanços e revoluções já citados, que a Força Aérea Norte-americana teve seu pleno desenvolvimento, com peças complexas e de grande precisão, que puderam ser empregadas e otimizadas nos processos de fabricação das aeronaves.

Adicionalmente, os aviões a jato de uso militar, passaram a ser produzidos de maneira mais rápida, reduzindo-se os prazos de entrega do produto e consequentemente, a aplicação do CN na área da aeronáutica foi só aumentando.

Importantes conquistas e melhorias nos processos continuaram ocorrendo, inclusive em 1956, surgiu o trocador automático de ferramentas e em 1958, os equipamentos com controle de posicionamento ponto-a-ponto e a geração contínua de contornos.

A partir de 1957, os Estados começaram a investir nas máquinas comandadas por CN, atualmente conhecidas como CNC (Figura 01).

As máquinas CNC revolucionaram o mercado, fazendo com que o número de fabricantes aumentasse consideravelmente.

Por outro lado, começaram a surgir os primeiros problemas, já que não havia ainda uma linguagem padronizada e universal.

Consequentemente, se uma empresa tivesse mais de uma máquina, que fosse fabricada por diferentes fornecedores, ela acabava tendo um aumento considerável nos seus custos de fabricação, pois muitas vezes tinha que ter uma equipe técnica especializada para cada tipo máquina adquirida.

A linguagem de comunicação das maquinas CNC começou a ser padronizado partir de 1958 (Figura 01), através da Eletronic Industries Association (EIA), dentre elas surgiu a ASCII, APT (Automatically Programed Tools), desenvolvida pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts, dentre outras. Desde então, muitas outras surgiram e foram desenvolvidas, como AutoPrompt (Automatic Programming of Machine Tools), ADAPT, Compact II.

Como os primeiros comandos que surgiram eram grandes, eles tiveram que passar por uma revolução, onde a partir desta problemática surgiu o circuito integrado, que permitiu uma considerável redução no tamanho físico dos comandos e um aumento na capacidade de armazenamento.

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O que aconteceu com relação à usinagem em outros países?

No Reino Unido, a aplicação prática dessas máquinas surgiu a partir de 1958, assim como na Alemanha. A Itália também acompanhou e têm tido um grande avanço e desenvolvimento, produzindo atualmente máquinas ferramentas com um elevado nível.

O Japão também desde então, tem se destacado e investido bastante nesse campo, de maneira sólida e audaciosa, tendo, neste momento, índices de produção elevadíssimos.

Contexto brasileiro frente à tecnologia de usinagem CNC

Caro leitor, você já deve estar se perguntando, onde entra o Brasil nessa história? Somente a partir de 1967 (Figura 01), que às primeiras máquinas CN chegaram aqui, vindas dos Estados Unidos. No início da década de 70, é que surgem as primeiras máquinas CNC.

Após esse período, começa inclusive a surgir às primeiras máquinas de fabricação nacional. A partir daí, observa-se uma evolução contínua e notável, concomitantemente com os computadores em geral, fazendo com que os comandos (CNC) mais modernos empregassem em seu conceito físico (hardware) a tecnologia de última geração.

Com isso, a confiabilidade nos componentes eletrônicos aumentou, aumentando consequentemente a confiança em todo sistema.

Tipos de processos de usinagem CNC

Os processos de fabricação podem ser classificados em três categorias, processos de união, formação e remoção de materiais. A usinagem é um processo de remoção de material que ocorre sob a forma de cavaco.

Adicionalmente, pode-se dividir o processo de usinagem em duas categorias de acordo com a energia empregada para remoção do material: a convencional e a não convencional.

Na usinagem convencional, o material é removido por meio do cisalhamento devido à ação de uma ferramenta de corte.

São exemplos de processos convencionais de usinagem: torneamento, fresamento, furação, alargamento, rosqueamento, retificação, brochamento, dentre outros.

Já processos não convencionais, empregam outras modalidades de energia para remover o material tais como: ultrassom, laser, plasma, fluxo abrasivo, reações químicas ou eletroquímicas, feixe de elétrons, dentre outros.

Usinagem de maneira convencional

Os principais exemplos de processos convencionais de usinagem podem ser classificados em:

  • Torneamento: cria formas geométricas em peças utilizando um torno mecânico;
  • Fresamento: utilizado para criar engrenagens e estriados através de uma máquina de fresa caracol;
  • Furação: utilizado para abrir, alargar ou fazer furos em peças;
  • Aplainamento: realiza cortes com movimentos alternados na peça;
  • Mandrilamento: alarga os furos já realizados de acordo com o propósito da peça;
  • Retificação: corrige as irregularidades que as peças apresentam em sua superfície, oferecendo a peça um acabamento tanto fino quanto exato, das dimensões que são necessários para a execução de determinada atividade.

Usinagem não convencional

Os processos de usinagem estão em constante aperfeiçoamento e atualização, o que permitiu que novos processos surgissem nas últimas décadas, os processos não convencionais.

Tais processos surgiram como uma alternativa ao processo tradicional ou para complementá-lo, trazendo como benefícios uma maior precisão, menor consumo energético e/ou redução de resíduos contaminantes.

Os processos não convencionais mais amplamente utilizados são:

  • Roller Burnishing: referido como acabamento superficial, no qual rolos de aço endurecido e altamente polidos são colocados em contato com uma peça mais macia. Os rolos quando colocado em contato com o material exerce uma pressão, que excede o ponto de escoamento do material da peça ou componente, que faz com que a superfície seja deformada plasticamente. O resultado é um acabamento espelhado e uma superfície endurecida de qualidade superior;
  • Usinagem a laser: pode ser utilizada em materiais com elevado grau de dureza e fragilidade, que quando aplicado verifica-se que a alta densidade de energia do feixe do laser promove a fusão e evaporação destes, em função do elevado gradiente térmico gerado;
  • Usinagem eletroquímica: processo em que a remoção do material ocorre por reação química (eletrólise) a nível atômico, com dissolução anódica controlada;
  • Usinagem Híbrida: utilizado para a recuperação de peças ou moldes, com a adição de materiais nas partes desgastadas, seguida da operação de usinagem. É um processo que une a usinagem tradicional com o sistema de manufatura aditiva;
  • Usinagem por jato d’água: utilizado para o corte de perfis em chapas, que consiste na aplicação de jatos de água com grande pressão sobre o material a ser trabalhado. Esse sistema possibilita uma alta resolução, com cortes perfeitos e precisos, não gera calor e nem resíduos contaminantes;
  • Usinagem por plasma: eficiente em cortes em aços estruturais de até 30 mm, verticais e em chanfros, utiliza para tal o arco transferido confinado para cortar metais, a partir de alta voltagem e alta pressão do ar estabelecendo uma corrente direta na qual o eletrodo é conectado ao pólo negativo e a peça de trabalho ao pólo positivo;
  • Usinagem por ultrassom: pode ser aplicado tanto em materiais frágeis quanto nos de grande dureza, que por intermédio da vibração da ferramenta em conjunto com líquido abrasivo, consegue-se eliminar o sobremetal de peças e componentes.
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Principais ferramentas de usinagem utilizando CNC

As maquinas permitem que os processos aconteçam de maneira rápida, precisa, com alta eficiência e qualidade.

Para realizar um bom trabalho de usinagem, é preciso conhecer as principais ferramentas e máquinas. As mais comumente utilizadas são:

  • Fresadoras CNC;
  • Torno mecânico;
  • Torno CNC;
  • Retífica cilíndrica;
  • Máquina de corte a laser;
  • Máquina de corte a seco;
  • Centro de usinagem.

Considerações finais

A usinagem está presente em praticamente todos os processos de produção das principais indústrias mundiais. Somado a isso, sabe-se que a maior parte dos produtos industrializados disponíveis no mercado, até mesmo no nosso cotidiano, em alguma das suas etapas de produção, passa por algum processo de usinagem.

Nesse sentido, com o presente artigo foi possível resgatar os conceitos básicos, históricos e a evolução das máquinas CNC, no sentindo de conscientizar os profissionais, programadores e aspirantes da profissão, que a atualização do conhecimento sobre o tema deve ser constante, pois a área é bem dinâmica e exige dos profissionais uma constante atualização.

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