CENTRO DE USINAGEM PARA FUNDIÇÃO DE ALUMÍNIO

O Centro de Usinagem para Fundição de Alumínio: Fabricação de Precisão para Peças Fundidas Exigentes

 

Um centro de usinagem especializado para fundição de alumínio é a resposta tecnológica às crescentes exigências de precisão, complexidade e eficiência na indústria de manufatura moderna. Em setores como o automotivo, a engenharia mecânica e a engenharia elétrica, onde as peças de fundição de alumínio são indispensáveis devido à sua combinação de baixo peso, alta resistência e possibilidades de conformação complexas, estas máquinas CNC são o fator decisivo para uma produção confiável e econômica. Enquanto as peças brutas das fundições já possuem o contorno próximo da forma final, é o centro de usinagem que lhes confere a sua forma e funcionalidade definitivas através de processos de usinagem de alta precisão como fresamento, furação e rosqueamento. Este guia abrangente ilumina todas as facetas da usinagem da fundição de alumínio. Analisaremos os desafios específicos do material, descreveremos em detalhe as características tecnológicas das máquinas projetadas para ele, exploraremos as áreas de aplicação e ofereceremos uma perspetiva sobre o futuro desta tecnologia chave. O objetivo é criar uma compreensão profunda dos processos complexos por trás da fabricação de peças de fundição de alumínio de alta precisão.

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A evolução da usinagem de peças fundidas: Do rebarbamento manual à célula de fabricação automatizada

 

A usinagem de peças fundidas tem uma longa história, que vai desde o trabalho puramente manual até aos sistemas de fabricação totalmente automatizados e assistidos por robôs. O desenvolvimento reflete o desejo constante de maior precisão, tempos de ciclo mais rápidos e maior confiabilidade do processo.

 

Os primórdios: Trabalho manual e máquinas convencionais

 

Nos primórdios da fabricação industrial, o pós-processamento das peças fundidas era um processo tedioso e que exigia muita mão de obra.

• Rebarbamento e esmerilhamento manual: Rebarbas de fundição, canais de alimentação e massalotes eram removidos à mão com limas, cinzéis e esmerilhadoras. A qualidade dependia exclusivamente da habilidade e experiência do trabalhador e estava sujeita a flutuações significativas.

• Máquinas-ferramenta convencionais: Superfícies funcionais, furos e ajustes eram usinados em mandriladoras, fresadoras e tornos convencionais. Cada componente tinha que ser fixado e alinhado manualmente para cada etapa de trabalho. Isso não só era extremamente demorado, mas também uma fonte frequente de erros, o que levava a altas taxas de refugo.

 

A chegada da tecnologia NC e CNC

 

A introdução do controle numérico (NC) e mais tarde do controle numérico computadorizado (CNC) na segunda metade do século XX marcou um ponto de virada. Pela primeira vez, sequências de usinagem complexas podiam ser programadas e repetidas automaticamente. O centro de usinagem horizontal com um trocador de paletes estabeleceu-se como a máquina padrão para a produção em série de peças fundidas cúbicas. A capacidade de preparar um componente num palete fora da máquina enquanto outro está a ser usinado na área de trabalho reduziu drasticamente o tempo de inatividade improdutivo.

 

Especialização em fundição de alumínio

 

Com o avanço do alumínio como material de fundição preferido, especialmente na construção de veículos para redução de peso, os requisitos para a tecnologia das máquinas mudaram. As propriedades de usinagem da fundição de alumínio diferem fundamentalmente das do ferro fundido cinzento ou do aço fundido.

• Velocidades de corte mais altas: O alumínio permite e exige velocidades de corte significativamente mais altas para alcançar uma superfície limpa e para evitar a formação de arestas postiças.

• Formação de aparas diferente: A fundição de alumínio muitas vezes produz aparas longas e fluidas que exigem uma gestão eficaz das aparas para evitar o entupimento da área de trabalho.

• Desafios específicos: Inclusões de areia do processo de fundição ou uma pele de fundição dura impõem altas exigências à resistência ao desgaste das ferramentas.

Estas características especiais levaram ao desenvolvimento de centros de usinagem especializados para a fundição de alumínio. Estas máquinas combinam a estabilidade e o alto torque necessários para a usinagem de estruturas fundidas com a alta velocidade e a dinâmica necessárias para uma usinagem eficiente do alumínio.

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Os desafios na usinagem de fundição de alumínio

 

A usinagem da fundição de alumínio é mais exigente do que a boa usinabilidade geral do alumínio poderia sugerir. Vários fatores devem ser dominados para garantir um processo estável e de alta qualidade.

 

Inomogeneidade do material e porosidade

 

As peças fundidas nunca são perfeitamente homogêneas. Durante o processo de solidificação, pequenas cavidades (poros de contração) ou porosidades podem formar-se no interior do componente. Se uma fresa encontrar uma dessas cavidades durante o corte, a pressão de corte muda abruptamente (corte interrompido). Isso pode levar a vibrações, um pior acabamento superficial e um maior desgaste da ferramenta. Uma estrutura de máquina rígida e que amortece as vibrações é crucial para minimizar esses efeitos.

 

Inclusões abrasivas e a pele de fundição

 

Especialmente nos processos de fundição em areia, as partículas de areia mais finas (carboneto de silício) podem ficar presas na camada superficial da peça fundida. Esta pele de fundição é extremamente dura e abrasiva. O primeiro corte que penetra esta camada impõe uma carga enorme na aresta de corte da ferramenta. Isso requer o uso de materiais de corte particularmente resistentes ao desgaste como o PCD (Diamante Policristalino) ou classes especiais de metal duro com revestimentos robustos.

 

Teor de silício nas ligas

 

A maioria das ligas de fundição de alumínio são ligas de alumínio-silício hipoeutéticas ou hipereutéticas (por exemplo, AlSi9Cu3). O teor de silício, que melhora a fundibilidade e a resistência, está presente na forma de cristais duros de Si na matriz de alumínio mais macia. Estes cristais atuam como grãos abrasivos na aresta de corte da ferramenta e levam a um desgaste abrasivo. Quanto maior o teor de silício (em ligas hipereutéticas > 12%), mais exigente é a usinagem.

 

Formação de aresta postiça

 

O alumínio tende a "colar" na aresta de corte da ferramenta sob pressão e temperatura. Forma-se uma chamada aresta postiça, que altera a geometria da aresta de corte, aumenta as forças de corte e pode arrancar partes da aresta de corte ao quebrar-se, danificando a superfície da peça. Uma refrigeração eficaz, altas velocidades de corte e superfícies de ferramenta extremamente lisas (canais polidos, revestimentos especiais) são necessárias para suprimir este efeito.

 

Gestão de aparas

 

A usinagem da fundição de alumínio gera um volume enorme de aparas, especialmente com altas taxas de remoção. Estas podem ficar presas na área de trabalho, bloquear o jato de refrigerante e perturbar o processo. Portanto, é essencial um sistema de gestão de aparas bem pensado com coberturas inclinadas na área de trabalho, potentes bombas de lavagem e um transportador de aparas confiável.

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O centro de usinagem ideal para a fundição de alumínio: Características técnicas

 

Uma máquina para a usinagem produtiva da fundição de alumínio é um sistema altamente especializado, projetado para enfrentar os desafios mencionados acima.

 

A estrutura da máquina: A estabilidade encontra a dinâmica

 

A base é uma estrutura de máquina extremamente rígida e que amortece as vibrações. Os centros de usinagem horizontais são frequentemente a primeira escolha para a produção em série de peças fundidas cúbicas.

• Orientação horizontal do fuso: A vantagem decisiva é a queda livre das aparas. As aparas caem diretamente sobre o transportador de aparas devido à gravidade e não podem permanecer na peça.

• Base da máquina: Uma base maciça de ferro fundido ou fundição mineral proporciona a estabilidade necessária para absorver as forças de corte e amortecer as vibrações.

• Trocador de paletes: Um trocador de paletes automático é essencial para a produção em série. Enquanto uma peça está a ser usinada na área de trabalho, o operador pode fixar a próxima peça bruta e remover a peça acabada no segundo palete fora da máquina. O tempo de inatividade improdutivo é assim reduzido ao mínimo.

 

O trem de força: Potência e velocidade em harmonia

 

Ao contrário da usinagem puramente HSC de material de alumínio maciço, onde a velocidade do fuso é a prioridade, a usinagem de peças fundidas requer um compromisso entre a velocidade e o torque.

• O fuso motor: São utilizados fusos motor que podem atingir tanto altas velocidades (tipicamente de 12.000 a 18.000 RPM) para o acabamento e a furação de pequenos diâmetros, como fornecer um alto torque na faixa de velocidade baixa e média para o desbaste ou a furação de grandes diâmetros.

• Potentes acionamentos de eixo: Servomotores digitais com altos valores de aceleração garantem tempos de posicionamento curtos e permitem altas velocidades de avanço para minimizar os tempos de ciclo.

 

Tecnologia de ferramentas e fixação

 

• Magazine de ferramentas: Um grande magazine de corrente ou de roda com 60, 80 ou mais alojamentos para ferramentas é necessário para acomodar a multiplicidade de ferramentas necessárias (fresas de desbaste, fresas de acabamento, fresas frontais, brocas, alargadores, machos, ferramentas especiais) e para permitir uma operação flexível e não tripulada.

• Porta-ferramentas: A interface HSK (cone de haste oca) estabeleceu-se aqui como o padrão. Oferece alta rigidez, excelente concentricidade e é adequada tanto para altas velocidades como para a transmissão de altos torques.

• Dispositivos de fixação: Para a produção em série são utilizados dispositivos de fixação hidráulicos. Estes são adaptados com precisão ao contorno da peça fundida. A peça bruta é posicionada de forma precisa e repetível através de pontos de fixação e superfícies de contato definidos (muitas vezes uma configuração 3-2-1) e fixada com uma pressão alta mas controlada para evitar a deformação do componente.

A nossa expertise abrangente, baseada em inúmeras instalações bem-sucedidas em clientes, permite-nos realizar cada inspeção de máquina com a máxima meticulosidade para garantir tanto os mais altos padrões de qualidade quanto a total conformidade com as regulamentações de segurança CE. A inspeção da hidráulica de fixação e o correto funcionamento do trocador de paletes é uma parte integrante das nossas auditorias de segurança e qualidade.

 

Sistema de refrigerante e gestão de aparas

 

Um potente sistema de lubrificante refrigerante é essencial para a usinagem de peças fundidas.

• Refrigerante através do fuso (TSC): O refrigerante é alimentado a alta pressão (20 a 70 bar) através do fuso e da ferramenta diretamente para a aresta de corte. Isso garante uma refrigeração ótima, quebra as aparas e as evacua de forma confiável de furos e bolsas profundos.

• Refrigerante de inundação: Bicos adicionais na área de trabalho lavam as aparas das coberturas e da fixação em direção ao transportador de aparas.

• Transportador de aparas e sistemas de filtragem: Um robusto transportador de correia de dobradiça ou de raspador transporta as aparas para fora da máquina. Um sistema de filtragem de vários estágios limpa o refrigerante de aparas e partículas finas para garantir um alto acabamento superficial e para prolongar a vida útil do refrigerante.

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Indústrias e exemplos de aplicação: Onde a fundição de alumínio é usinada

 

As áreas de aplicação para peças de fundição de alumínio usinadas com precisão são extremamente diversas e encontram-se em muitas indústrias chave.

 

Indústria automotiva: O maior utilizador

 

A pressão para a redução de peso para diminuir as emissões de CO2 e aumentar a autonomia dos veículos elétricos tornou a fundição de alumínio o material padrão para muitos componentes.

• Trem de força: Cabeçotes, cárteres, carcaças da transmissão e campânulas da embreagem são tipicamente fundidos em ligas de AlSi e acabados em centros de usinagem. Aqui, as superfícies de vedação devem ser fresadas, os cilindros finamente mandrilados (brunidos) e inúmeras roscas cortadas para os acessórios.

• Chassis: Suportes de eixo, mangas de eixo e cúpulas dos amortecedores são muitas vezes projetados como complexas peças fundidas ou forjadas e requerem uma usinagem de alta precisão dos pontos de conexão e de rolamento.

• Mobilidade elétrica: Grandes e complexas caixas de bateria (bandejas de bateria) são frequentemente fabricadas como construções fundidas ou de perfis extrudados. A usinagem inclui o fresamento frontal das superfícies de vedação, a criação de canais de refrigeração e a furação de centenas de roscas de montagem.

• Componentes estruturais: Nós em carrocerias de estrutura espacial (por exemplo, nós do pilar A) são fabricados como complexas peças fundidas que depois devem ser usinadas com precisão.

 

Engenharia mecânica geral

 

Na engenharia mecânica, as peças de fundição de alumínio são utilizadas pelas suas boas propriedades de amortecimento e pela capacidade de realizar geometrias complexas.

• Carcaças: Carcaças de caixas de velocidades, carcaças de bombas ou carcaças de motores elétricos.

• Componentes de robôs: Segmentos de braço ou articulações para robôs industriais são projetados como peças fundidas leves mas rígidas.

• Construção de fixações: Corpos base para fixações complexas são frequentemente feitos de fundição de alumínio.

 

Engenharia elétrica e eletrónica

 

A boa condutividade térmica do alumínio torna-o o material ideal para componentes de dissipação de calor.

• Dissipadores de calor: Dissipadores de calor complexos e com aletas para eletrónica de alto desempenho, LEDs ou conversores de frequência são muitas vezes fundidos e depois as superfícies de montagem são fresadas com precisão.

• Carcaças para tecnologia de controlo: Carcaças robustas e estanques a interferências eletromagnéticas para controlos industriais.

Com base na nossa profunda experiência em numerosos projetos de clientes, garantimos que as verificações de serviço e segurança sempre atendam aos critérios mais rigorosos de qualidade e segurança operacional em conformidade com as normas CE. Isto é particularmente importante na produção em série, como na indústria automotiva, onde as falhas das máquinas podem levar diretamente a dispendiosas paragens de produção.

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Viabilidade económica: Um investimento em tempo de ciclo e qualidade

 

A decisão por um centro de usinagem para fundição de alumínio é um investimento que se paga principalmente através da redução dos custos unitários e da garantia de uma alta qualidade constante.

 

Custos de investimento vs. custos operacionais

 

Os custos de investimento (CAPEX) para um centro de usinagem horizontal com um trocador de paletes e vastos periféricos são substanciais e estão tipicamente na faixa de seis a sete dígitos em euros. Os custos operacionais (OPEX) consistem em:

• Custos de pessoal: Embora a operação seja altamente automatizada, são necessários operadores, ajustadores e programadores qualificados.

• Custos de energia: Altas cargas conectadas para o fuso, os acionamentos e a hidráulica.

• Custos de ferramentas: Os custos das ferramentas de PCD, em particular, são altos, mas isso é relativizado pela sua vida útil extremamente longa.

• Custos de manutenção e conservação: O serviço regular é essencial para manter a precisão e a disponibilidade.

 

A chave para o ROI: Minimizar o tempo de ciclo

 

Na produção em série em grande escala, o tempo de ciclo, ou seja, o tempo de peça acabada a peça acabada, é a métrica decisiva. O retorno sobre o investimento (ROI) é alcançado através da minimização consistente deste tempo de ciclo.

• Redução do tempo principal: O uso de ferramentas otimizadas (por exemplo, fresas frontais de PCD de múltiplos gumes), altas velocidades de corte e avanços encurta o tempo de usinagem puro.

• Redução do tempo de inatividade: Este é o maior fator de alavancagem. Uma troca rápida de paletes (muitas vezes menos de 10 segundos), uma troca rápida de ferramentas automática e altas velocidades de avanço rápido dos eixos reduzem os tempos improdutivos ao mínimo.

• Alta disponibilidade: Um design de máquina robusto e de baixa manutenção e um serviço confiável garantem alta disponibilidade técnica e evitam dispendiosas paragens.

• Baixa taxa de refugo: Um processo projetado para ser confiável com monitoramento automático de ferramentas e processos leva a uma produção sem defeitos e evita os custos de refugo e retrabalho.

A segurança e a longevidade dos sistemas são a nossa principal prioridade. É por isso que a nossa longa experiência em projetos é incorporada em cada inspeção para garantir uma qualidade de primeira classe e o cumprimento consistente de todas as normas de segurança CE. Uma máquina confiável e corretamente mantida é a base para uma produção económica.

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Tendências futuras: O centro de usinagem inteligente e flexível

 

Os requisitos para a usinagem de peças fundidas estão em constante evolução. O tamanho dos lotes está a diminuir, a diversidade de variantes está a aumentar e os requisitos de qualidade estão a aumentar. A tecnologia das máquinas deve responder a isso.

 

Indústria 4.0 e a fábrica conectada

 

O centro de usinagem está a tornar-se um componente inteligente da fábrica digital.

• Cadeia de processos digital: Os dados do projeto CAD e da simulação de fundição fluem diretamente para a programação CAM e a simulação da máquina.

• Análise de dados em tempo real: A máquina regista permanentemente os dados do processo (forças de corte, temperaturas, vibrações) e envia-os para sistemas MES de nível superior. Estes dados são utilizados para monitorizar e otimizar o processo.

• Manutenção preditiva: Os algoritmos analisam os dados de estado da máquina (por exemplo, as vibrações dos rolamentos do fuso) e preveem o momento ideal para a manutenção para evitar falhas não planeadas.

 

Flexibilidade através da automação

 

A interligação rígida das máquinas está a ser substituída por soluções de automação flexíveis.

• Células de fabricação assistidas por robô: Os robôs industriais assumem o carregamento e descarregamento das máquinas. Podem ser reprogramados de forma flexível para diferentes componentes e permitem a automação mesmo com tamanhos de lote menores.

• Etapas de processo integradas: Operações adicionais como o rebarbamento com robôs, a lavagem das peças ou o controlo de qualidade através de tecnologia de medição 3D são integradas diretamente na célula automatizada.

 

Novos materiais e estratégias de usinagem

 

Novas ligas de alumínio ainda mais leves e mais resistentes e materiais compósitos (por exemplo, peças de fundição de alumínio reforçadas com matriz metálica) apresentarão novos desafios para a usinagem. Estratégias de usinagem como a usinagem a seco ou a usinagem criogénica com nitrogénio líquido ganharão mais importância para melhorar a sustentabilidade e aumentar o desempenho.

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FAQ – Perguntas Frequentes sobre a Usinagem de Fundição de Alumínio

 

 

Pergunta 1: Por que um centro de usinagem horizontal é frequentemente mais adequado para peças fundidas do que um vertical?

 

A principal vantagem de um centro de usinagem horizontal reside na queda livre das aparas. Com um fuso horizontal, as aparas geradas durante a usinagem caem devido à gravidade e podem ser removidas diretamente por um transportador de aparas. Num centro vertical, as aparas podem permanecer na peça e na fixação, o que pode perturbar o processo, dificultar a refrigeração e prejudicar a qualidade da superfície. Além disso, os centros horizontais são frequentemente equipados de série com um trocador de paletes para a produção em série.

 

Pergunta 2: O que é PCD e por que é usado para a usinagem de fundição de alumínio?

 

PCD significa Diamante Policristalino. É um material de corte sintético e extremamente duro. Para a usinagem de ligas de fundição de alumínio com alto teor de silício, o PCD é frequentemente a única solução económica. Os duros cristais de silício na liga desgastariam muito rapidamente uma aresta de corte de metal duro normal. Uma aresta de corte de PCD é significativamente mais resistente ao desgaste e atinge uma vida útil muito mais longa com estes materiais, o que reduz drasticamente os custos das ferramentas por componente, especialmente na produção em série em grande escala.

 

Pergunta 3: O que é um dispositivo de fixação hidráulico e por que é necessário?

 

Um dispositivo de fixação hidráulico é um dispositivo de fixação especialmente projetado para um componente específico, que fixa a peça fundida com elementos de fixação de acionamento hidráulico (cilindros, grampos oscilantes). É necessário porque as peças fundidas muitas vezes têm contornos complexos e de forma livre e não podem ser simplesmente fixadas num torno padrão. O dispositivo define uma posição exata e repetível da peça no espaço da máquina através de pontos de contato fixos e a fixa de forma segura, mas sem a deformar, para que todas as operações de usinagem possam ser realizadas dentro da tolerância exigida.

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