Maquinagem em 5 eixos: quando é realmente necessária?

Uma máquina de maquinagem clássica desloca a ferramenta segundo três eixos lineares, X, Y e Z. Uma máquina de 5 eixos acrescenta dois eixos de rotação, frequentemente designados A, B ou C, suportados pela mesa, pelo fuso ou por ambos: fala-se de cinemática mesa-mesa, cabeçote-mesa ou cabeçote-cabeçote. Estas rotações orientam a peça em relação à ferramenta, ou a ferramenta em relação à peça.

Por trás do mesmo termo escondem-se dois modos de trabalho, e a diferença de custo é importante.

• 3+2 eixos (5 eixos posicional): os eixos de rotação colocam a peça numa orientação e bloqueiam-se, e a maquinagem faz-se depois em três eixos. Acede-se assim a várias faces e a planos inclinados numa única fixação.
• 5 eixos contínuos (simultâneos): os cinco eixos movem-se em conjunto durante o corte, para seguir superfícies complexas mantendo a ferramenta numa orientação favorável.

O glossário detalha a noção. Retenha sobretudo que muitas peças ditas «de 5 eixos» se fazem em 3+2 e não exigem a cinemática simultânea, mais cara de programar.

• Menos fixações. As faces são maquinadas na mesma fixação: o tempo de manuseamento e de afinação diminui, e o erro de reposicionamento entre duas fixações desaparece.
• Melhores relações entre faces. Furos oblíquos, planos inclinados e posições relativas ficam coerentes entre si, sem retoma, desde que a máquina esteja corretamente calibrada.
• Ferramentas mais curtas. Inclinando a peça ou a ferramenta, alcança-se uma zona profunda com uma ferramenta menos comprida, portanto mais rígida, que vibra menos e deixa um melhor acabamento de superfície.
• Melhores condições de corte. Numa superfície complexa, inclinar uma fresa de ponta esférica evita cortar com o centro, onde a velocidade de corte é nula.
• Acesso a formas impossíveis em três eixos: ângulos de saída negativos, pás, formas esculpidas.
• Menos risco de deformação e de refugo. Uma peça retomada várias vezes pode deformar-se ou ser mal reposicionada; uma única fixação limita estes riscos.
• Peças monolíticas. Uma peça maquinada a partir de bloco maciço pode substituir uma montagem de vários elementos, com menos fixações e folgas.

Em contrapartida, os 5 eixos não são, por natureza, mais precisos do que uns bons 3 eixos. A precisão vem da máquina, da sua calibração, da fixação, da ferramenta e do controlo, não do número de eixos.

Nem todas as máquinas de 5 eixos servem para todas as peças. Coexistem três cinemáticas.

• Mesa-mesa: um berço basculante suporta uma mesa rotativa, e o fuso permanece vertical. Muito difundida nos centros verticais, convém a peças pequenas e médias.
• Cabeçote-mesa: o fuso inclina-se, a mesa roda. Convém melhor a peças pesadas ou volumosas.
• Cabeçote-cabeçote: as duas rotações são suportadas pelo fuso e a peça permanece fixa. Encontra-se em peças grandes, nomeadamente na aeronáutica.

Cada cinemática tem os seus limites: curso dos eixos de rotação, risco de colisão entre a ferramenta, o seu porta-ferramentas, a fixação e a peça, rigidez da mesa basculante. A oficina simula-os em CAM antes da maquinagem e verifica muitas vezes a posição dos eixos de rotação por apalpação na máquina. Convém, por isso, comunicar-lhe a massa e as dimensões da peça: uma peça ligeiramente demasiado grande para a mesa basculante não se resolve com a programação, é uma questão de máquina, não de afinação.

Os 5 eixos contínuos impõem-se quando a geometria o exige ou quando a ferramenta não consegue alcançar a superfície de outro modo. Exemplos correntes:

• pás, turbinas, hélices e rotores de bombas, cujas superfícies complexas se seguem com a fresa;
• peças estruturais monolíticas da aeronáutica e do setor espacial, com cavidades inclinadas e paredes finas;
• implantes e instrumentos para o setor médico, com formas orgânicas;
• peças de forma livre para a ótica, o luxo ou o design, em que o aspeto de superfície conta tanto como a cota;
• cavidades de moldes, com cavidades profundas e superfícies polidas;
• blocos hidráulicos e coletores com furos oblíquos;
• peças aligeiradas num único bloco para a robótica e a competição.

Estas peças são muitas vezes maquinadas a partir de bloco maciço, com forte remoção de material: o tempo de corte pesa então muito no preço. O 3+2 basta, por seu lado, para grande parte das caixas, suportes e cárteres cujas faces têm orientações diferentes mas permanecem planas, com alguns furos oblíquos.

Um centro de 5 eixos custa mais na compra e na manutenção: a sua taxa horária é mais elevada. A título indicativo, o guia sobre o preço da maquinagem CNC refere cerca de 45 a 80 € sem IVA por hora em 3 eixos e cerca de 80 a 150 € sem IVA em 5 eixos. Mas o preço de uma peça não se lê apenas à hora.

Dois efeitos opõem-se. Por um lado, a taxa mais elevada e uma programação mais longa (trajetórias, simulação de colisões) pesam nos custos fixos. Por outro, uma única fixação elimina afinações, fixações dedicadas e retomas, o que pode reduzir o tempo total. Numa peça de cinco faces, isto dá muitas vezes vantagem aos 5 eixos. Numa peça plana de uma ou duas faces, só acrescenta custo.

• Os 5 eixos saem muitas vezes mais baratos para uma peça de quatro ou cinco faces, para uma série curta em que cada fixação adicional pesa muito, ou quando tolerâncias de posição entre faces seriam difíceis de cumprir em várias fixações.
• Saem mais caros para uma peça prismática numa ou duas faces, para uma grande série em que uma fixação dedicada em três eixos se amortiza, ou quando o tempo de máquina domina tudo o resto.

O tamanho e a massa também contam: o diâmetro admissível na mesa basculante e a sua carga máxima limitam as peças que se podem tratar. Como em qualquer maquinagem, a quantidade reparte os custos fixos: veja como se calcula um orçamento.

• Passar para 3+2: se as faces são planas e as superfícies inclinadas são planos, a maquinagem posicional basta.
• Acrescentar um quarto eixo: um eixo rotativo num centro vertical, ou uma máquina de fuso horizontal com indexação, cobre bem as peças de quatro faces.
• Várias fixações em três eixos, com posicionamentos precisos (pinos, dispositivo dedicado): numa série média, uma fixação bem concebida pode custar menos do que tempo de 5 eixos, desde que se aceite um controlo da posição entre faces.
• Redesenhar a peça: suprimir uma contrassaída, substituir um furo oblíquo por um furo reto, dividir a peça em vários elementos montados.
• Combinar processos: pré-forma de fundição ou de forja, ou peça impressa em metal, e depois maquinagem apenas das superfícies funcionais; veja impressão 3D ou maquinagem CNC.
• O torneamento-fresagem para uma peça de revolução com funções fresadas: veja torneamento automático ou torneamento CNC.

Em caso de dúvida, peça à oficina que oriente duas variantes: uma solução em 3+2 ou em várias fixações, uma solução em 5 eixos contínuos. A diferença de preço esclarece a escolha e permite-lhe decidir com conhecimento de causa.

• Um desenho cotado e um ficheiro STEP, com o índice de revisão.
• As faces e funções críticas: cotas de posição entre faces, referências de posicionamento, cotagem GPS se a utilizar.
• A pré-forma: barra, placa, peça forjada, fundida ou impressa.
• O material, o seu estado e o eventual certificado.
• As quantidades, com escalões, para medir o peso dos custos fixos.
• As tolerâncias, a rugosidade e o controlo esperado: indique se é pedido um relatório de medição, pois o controlo de furos oblíquos e de faces inclinadas mobiliza uma máquina de medição tridimensional.
• As zonas de fixação aceitáveis e as marcas toleradas.

Descreva a função em vez de impor o processo: se considera que são necessários 5 eixos, diga porquê e deixe a oficina propor a solução mais barata entre 3+2 e 5 eixos contínuos. Na Meaflow, publicar um pedido é gratuito e sem comissão: várias oficinas de maquinagem CNC podem enviar-lhe a sua proposta, que compara antes de trocar mensagens.