Reduza Custos de Usinagem CNC com Projeto Inteligente de Peças

RESUMO

A otimização do projeto de peças para reduzir custos de usinagem depende da aplicação dos princípios de Projeto para Usinabilidade (DFM). Isso envolve a simplificação da geometria da peça, o acréscimo de raios generosos nos cantos internos, o uso de tamanhos padrão para furos e roscas, e a especificação de tolerâncias amplas sempre que possível. A seleção de materiais economicamente viáveis e altamente usináveis também é uma estratégia essencial para minimizar o tempo de máquina, a complexidade e o custo geral.

Os Princípios Fundamentais do Projeto para Usinabilidade (DFM)

Antes de analisar alterações específicas de design, é fundamental compreender a estratégia básica por trás da redução de custos: Design para Usinagem (DFM). O DFM é o processo de projetar intencionalmente componentes para que possam ser fabricados da maneira mais eficiente e simples possível. O objetivo é minimizar não apenas o tempo que uma peça passa em uma máquina CNC, mas também a complexidade de todo o processo de produção, desde a configuração inicial até o acabamento final. Cada decisão tomada durante a fase de projeto tem um impacto direto e muitas vezes significativo no custo final.

Os princípios fundamentais do DFM giram em torno de dois objetivos principais: reduzir o tempo de usinagem e minimizar o número de operações. O tempo de usinagem é frequentemente o principal fator de custo, portanto, projetos que permitam velocidades de corte mais altas e menos passes serão sempre mais econômicos. Isso pode ser alcançado escolhendo materiais com alta usinabilidade ou projetando características que possam ser criadas com ferramentas maiores e mais robustas. Conforme detalhado em um guia de Protolabs Network , mesmo pequenos ajustes, como aumentar um raio de canto, podem permitir que uma máquina funcione mais rapidamente e com maior eficiência.

Igualmente importante é minimizar o número de configurações da máquina. Uma configuração refere-se a cada vez que uma peça precisa ser reposicionada ou refixada manualmente para acessar diferentes faces. Cada configuração acrescenta custos de mão de obra e introduz potenciais erros. Uma peça complexa com detalhes em todos os seis lados poderia exigir seis configurações separadas, aumentando drasticamente seu custo em comparação com uma peça mais simples onde todos os detalhes possam ser usinados a partir de uma única direção. Uma estratégia-chave de DFM é, portanto, projetar peças que possam ser concluídas com o menor número possível de configurações, idealmente apenas uma.

Principais Otimizações Geométricas para Reduzir Custos

A geometria de uma peça é um dos fatores mais significativos que influenciam seu custo de usinagem. Formas complexas, cavidades profundas e detalhes delicados exigem mais tempo, ferramentas especializadas e manuseio cuidadoso, o que aumenta o preço. Ao realizar otimizações estratégicas na geometria da peça, os engenheiros podem obter economias substanciais sem comprometer a funcionalidade.

• Adicione raios generosos aos cantos internos. Todas as ferramentas de fresagem CNC são redondas, o que significa que deixam naturalmente um raio em qualquer canto interno. Tentar criar um canto vivo ou com raio muito pequeno exige uma ferramenta de diâmetro reduzido, que deve se movimentar lentamente e realizar múltiplas passagens, aumentando o tempo de máquina. Uma regra simples é projetar os raios internos com pelo menos um terço da profundidade da cavidade. Como Explica a Protocase , utilizar os maiores raios possíveis melhora o acabamento superficial e reduz os custos, permitindo o uso de ferramentas de corte maiores e mais estáveis.
• Limite a profundidade de cavidades e bolsos. Usinar cavidades profundas é desproporcionalmente caro. Ferramentas de corte padrão têm um comprimento de corte limitado, sendo normalmente eficazes até uma profundidade de cerca de 2 a 3 vezes o seu diâmetro. Embora cortes mais profundos sejam possíveis, eles exigem ferramentas especializadas e mais longas, que são menos rígidas e precisam operar em velocidades mais baixas para evitar vibração e quebra. A Fictiv recomenda manter a profundidade de corte dentro de cinco vezes o diâmetro da ferramenta para fresas, garantindo um bom acabamento e menor custo.
• Evite paredes finas. Paredes com espessura inferior a 0,8 mm para metal ou 1,5 mm para plástico são propensas a vibração, empenamento e quebra durante a usinagem. Para produzir essas características com precisão, o operador deve realizar múltiplas passagens lentas com pequena profundidade de corte. A menos que seja absolutamente necessário para o funcionamento da peça, projetar paredes mais espessas e rígidas tornará a peça mais estável e significativamente mais barata de produzir.
• Simplifique e consolide características. A complexidade de um projeto impacta diretamente o custo. Peças simétricas são mais fáceis de usinar, e reduzir o número total de características únicas minimiza a necessidade de troca de ferramentas. Se uma peça possui características complexas, como rebaixos ou furos em múltiplas faces, considere se o projeto pode ser dividido em vários componentes mais simples, que possam ser usinados facilmente e depois montados. Essa abordagem frequentemente se mostra mais econômica do que usinar uma única peça altamente complexa, que exija uma máquina de 5 eixos e dispositivos personalizados.

Estratégias Inteligentes para Tolerâncias, Roscas e Furos

Embora grandes características geométricas sejam fatores de custo evidentes, detalhes pequenos como tolerâncias, roscas e furos podem ter um impacto inesperadamente grande no preço final. Essas características muitas vezes exigem precisão, ferramentas especializadas ou operações adicionais na máquina. Aplicar estratégias inteligentes de projeto a esses elementos é um passo crítico para otimizar uma peça visando uma fabricação economicamente eficiente.

As tolerâncias definem o desvio aceitável para uma dimensão específica. Embora tolerâncias rigorosas sejam por vezes necessárias em interfaces críticas, devem ser especificadas com parcimônia. Quanto mais apertada a tolerância, maior o tempo, cuidado e inspeção exigidos, o que aumenta exponencialmente o custo. Conforme explicado por MakerVerse , tolerâncias excessivamente rigorosas podem levar ao aumento do desgaste das ferramentas, tempos de ciclo mais longos e maior taxa de refugo. Para características não críticas, recorrer à tolerância padrão da máquina (tipicamente ±0,125 mm) é suficiente e muito mais econômico.

Da mesma forma, furos e roscas devem ser projetados com a padronização em mente. Utilizar diâmetros padrão de brocas para furos é muito mais econômico do que especificar um diâmetro não padronizado, o que exigiria uma fresa para criar lentamente o furo. No caso de roscas, seu comprimento deve ser limitado. Uma penetração da rosca além de 1,5 vez o diâmetro do furo oferece pouca resistência adicional, mas aumenta significativamente o custo. Para furos cegos, também é importante projetar uma seção sem rosca na parte inferior, proporcionando folga para a macho e reduzindo o risco de quebra.

Escolha de Materiais e Acabamentos para Eficiência de Custo

A escolha do material e do acabamento superficial necessário são considerações finais e cruciais no controle dos custos de usinagem. Essas decisões afetam tanto o custo do material bruto quanto o tempo necessário para usinar a peça. Um material barato para comprar, mas difícil de usinar, pode acabar sendo mais caro do que uma alternativa mais cara, porém mais fácil de usinar.

A classificação de usinabilidade de um material descreve com que facilidade ele pode ser cortado. Materiais mais macios, como o alumínio 6061 e plásticos como o POM (Delrin), possuem excelente usinabilidade, permitindo cortes em alta velocidade e tempos de ciclo mais curtos. Em contraste, materiais mais duros, como o aço inoxidável ou o titânio, são mais difíceis de cortar, exigindo velocidades mais baixas e causando maior desgaste das ferramentas, o que duplica ou triplica o tempo de usinagem. Portanto, a menos que sejam necessárias as propriedades específicas de uma liga de alta resistência, escolher um material mais usinável é uma estratégia altamente eficaz para redução de custos.

Outra área para otimização é considerar o processo de fabricação da própria matéria-prima. O uso de uma peça bruta próxima da forma final, criada por meio de um processo como a forjagem, pode reduzir significativamente a quantidade de material que precisa ser removida por usinagem, economizando tempo e reduzindo desperdícios. Para aqueles no setor automotivo, por exemplo, explorar opções de especialistas nesta área pode ser benéfico. Para componentes automotivos robustos e confiáveis, você pode investigar o serviços personalizados de forjaria da Shaoyi Metal Technology , que se especializa em forjamento a quente de alta qualidade para a indústria.

Finalmente, as especificações de acabamento superficial devem ser cuidadosamente consideradas. O acabamento padrão "usinado" é a opção mais econômica. Solicitar acabamentos mais suaves exige passagens adicionais de usinagem ou operações secundárias, como jateamento com esferas ou polimento, cada uma acrescentando custos. Especificar acabamentos diferentes em várias superfícies da mesma peça é ainda mais caro, pois envolve mascaramento e múltiplos processos. Aplicar um acabamento específico apenas onde for funcionalmente necessário é uma maneira simples, porém eficaz, de reduzir custos.

Perguntas Frequentes

1. Como reduzir o custo de usinagem CNC?

Reduzir os custos de usinagem CNC envolve uma combinação de otimização de projeto, seleção de materiais e simplificação de processos. As principais estratégias incluem:

• Simplificar a Geometria: Evite curvas complexas, cavidades profundas e paredes finas.
• Adicionar Raios nos Cantos: Utilize os maiores raios possíveis nos cantos internos para permitir usinagem mais rápida.
• Usar Recursos Padrão: Projetar furos e roscas com dimensões padrão para evitar a necessidade de ferramentas personalizadas.
• Afolgar Tolerâncias: Especifique tolerâncias rigorosas apenas em características críticas onde a funcionalidade dependa disso.
• Escolha Materiais Usináveis: Selecione materiais como o Alumínio 6061, que podem ser cortados rapidamente.
• Minimizar Montagens: Projete peças de modo que todas as características possam ser acessadas com o menor número possível de orientações na máquina.

2. Quais são as considerações de projeto para o design de peças usinadas?

As principais considerações de projeto para peças usinadas concentram-se em garantir a fabricabilidade e a relação custo-benefício. Isso inclui avaliar a geometria da peça quanto à simplicidade e acessibilidade pelas ferramentas de corte. Os projetistas devem considerar as limitações do processo de usinagem, como a impossibilidade de criar cantos internos perfeitamente vivos. Outras considerações importantes incluem a seleção de materiais com base nos requisitos funcionais e na usinabilidade, a aplicação adequada de tolerâncias e o projeto de recursos como furos e roscas conforme especificações padrão. Por fim, os projetistas devem buscar minimizar o número de configurações da máquina necessárias para concluir a peça.