Sebenta · Maquinar com CNC, peças e componentes com superfícies tridimensionais

Introdução

Esta sebenta ensina a maquinar peças e componentes com superfícies tridimensionais em máquinas CNC, do modelo digital ao código que corre na máquina real. É a continuação natural da maquinagem CNC plana: aqui a peça deixa de ser um painel com furos, rasgos e contornos e passa a ter relevos, curvas, concordâncias e, por vezes, zonas que só se alcançam inclinando a ferramenta, com interpolação a 5 eixos.

Pensa num braço de cadeira em faia, numa moldura esculpida, num tampo com uma concavidade para a mão, no painel de uma porta com almofada em relevo ou numa forma orgânica de mobiliário de autor. Nenhuma destas peças se descreve com "contornar a 18 mm de profundidade". Descrevem-se com um modelo digital de superfícies, e é o software de CAM que transforma esse modelo em milhares (às vezes centenas de milhares) de pequenos movimentos da ferramenta.

O percurso segue o fluxo profissional real:

1. Parte de um modelo digital com superfícies tridimensionais e verifica-o.
2. Posiciona o componente no espaço de maquinagem virtual e define o bruto.
3. Configura as ferramentas e aplica as operações de CAM (desbaste, semiacabamento, acabamento), escolhendo a estratégia certa para cada zona.
4. Simula o resultado e deteta colisões e material por remover.
5. Pós-processa o programa para o código da máquina e verifica-o.
6. Termina na máquina: montagem das ferramentas, montagem do molde de fixação, fixação do material e maquinagem, com todas as normas de segurança e de qualidade.

Objetivos de aprendizagem (referencial): aplicar ferramentas de CAM aos modelos digitais com superfícies tridimensionais de peças e componentes; elaborar programas CNC para a sua maquinagem; executar essas peças em máquinas CNC de acordo com as especificações definidas, cumprindo as normas de segurança e saúde no trabalho.

Como estudar esta sebenta. Cada capítulo tem a matéria, pelo menos uma tabela ou lista de decisão e, quase sempre, um exemplo resolvido passo a passo. As contas (velocidade de corte, avanço por dente, altura de crista, tolerância, força de vácuo, tempo de ciclo) são simples, mas refaz cada uma na calculadora: é assim que se ganha o sentido das ordens de grandeza que evita erros na oficina.

1. O centro de trabalho com CNC e a maquinagem 3D

Um centro de trabalho com CNC (comando numérico computorizado) é uma máquina que executa, de forma automática e repetível, as instruções de um programa: desloca uma ou mais ferramentas segundo eixos controlados e remove material da peça com precisão. No mobiliário e na carpintaria, os equipamentos mais comuns são:

• Fresadora CNC (muitas vezes de pórtico, com mesa plana): corte, contorno, cavidades e superfícies.
• Multifuradora CNC: especializada em furação (cavilhas, ferragens, dobradiças), com pouca ou nenhuma capacidade de maquinar superfícies 3D.
• Centro de trabalho multifunções: combina furação, fresagem, serra e, nos modelos com cabeça de 5 eixos, maquinagem de superfícies inclinadas e tridimensionais.

Características técnicas que importam para a maquinagem 3D

Ao ler a ficha técnica de uma máquina (ou o seu manual), um técnico de CNC procura sobretudo estes pontos:

A última linha é muitas vezes esquecida. Uma trajetória de acabamento 3D é feita de segmentos muito curtos; a máquina tem de acelerar e travar constantemente, e o tempo real de ciclo é quase sempre maior do que o tempo "teórico" calculado com o avanço programado.

Tipos de aplicação de maquinagem

• Corte e contorno: recorta o perímetro de peças planas.
• Furação e fresagem de cavidades: furos, rasgos, encaixes, rebaixos de paredes retas.
• Maquinagem de superfícies tridimensionais: relevos, molduras curvas, concavidades, formas orgânicas, peças de cadeiras e sofás, esculturas em madeira.
• Maquinagem de superfícies inclinadas e faces laterais: chanfros, furos inclinados, rasgos em faces não paralelas à mesa (típico das máquinas de 5 eixos).
• Maquinagem combinada: várias operações no mesmo ciclo, sem reposicionar a peça, o que evita erros de reposicionamento.

Onde se usa a maquinagem 3D na madeira

• Mobiliário de assento: braços, pernas e costas de cadeiras com dupla curvatura.
• Mobiliário de autor e peças de design: tampos com formas orgânicas, puxadores esculpidos.
• Portas e frentes: almofadas em relevo, molduras de perfil variável.
• Decoração e restauro: réplicas de talha, ornamentos, painéis decorativos.
• Modelos e moldes: moldes para prensagem de contraplacado curvo, modelos para fundição, maquetas.

2. Peças e componentes com superfícies tridimensionais

Uma peça com superfície tridimensional tem uma geometria cuja altura (Z) varia de forma contínua quando se percorre o plano XY, ao contrário de uma peça plana ou de uma cavidade de paredes retas e fundo plano. Pode ser maquinada de três formas:

Os dois eixos rotativos variam conforme a máquina: nos centros de trabalho de madeira com cabeça de 5 eixos é frequente a cabeça rodar em torno de Z (eixo C) e inclinar em torno de um eixo horizontal (A ou B); noutras máquinas é a mesa que roda ou bascula. O manual da máquina diz quais são e qual a sua amplitude.

O que a maquinagem a 3 eixos não consegue fazer

Com a ferramenta sempre vertical há três limitações clássicas:

1. Contrassaídas (ângulos negativos): zonas "por baixo" de uma aba, que não se veem de cima. A 3 eixos a ferramenta nunca lá chega; ou se inclina a ferramenta (5 eixos), ou se vira a peça e se maquina em duas fixações.
2. Paredes altas e cavidades profundas: a ferramenta vertical alcança uma parede quase vertical, mas precisa de um comprimento livre grande; uma ferramenta longa e fina vibra, deflete e deixa mau acabamento, e o porta-ferramenta pode bater no bordo da cavidade. Inclinar a ferramenta permite usar uma ferramenta mais curta e mais rígida.
3. O centro da fresa esférica: numa fresa de ponta esférica, o ponto exatamente no eixo roda sem se deslocar, ou seja, com velocidade de corte nula. A 3 eixos, em zonas planas ou quase horizontais, é precisamente esse ponto que corta: a madeira é esmagada e "queimada" em vez de ser cortada. Inclinar a ferramenta alguns graus tira o centro da zona de contacto (ver o exemplo resolvido no capítulo 6).

A decisão, zona a zona

Regra de ouro: escolhe-se o modo mais simples que a geometria permita. A interpolação a 5 eixos contínua é poderosa, mas aumenta o tempo de programação, o tempo de simulação e o risco de colisão.

Exemplo resolvido · escolher o modo de maquinagem

Uma peça de mobiliário tem, na face superior, um relevo decorativo de curvas suaves e, numa face lateral, uma moldura com uma aba saliente por baixo da qual há um sulco (contrassaída).

1. Relevo da face superior: as inclinações são moderadas, não há contrassaídas e a profundidade máxima é de 15 mm. Uma fresa esférica curta chega a todo o lado. Decisão: 3 eixos.
2. Sulco sob a aba: visto de cima, o sulco fica escondido pela aba. A ferramenta vertical não o alcança. Decisão: 5 eixos (inclinar a ferramenta para entrar por baixo da aba) ou, se a máquina não o permitir, segunda fixação com a peça rodada.
3. Resultado: a peça é programada em operações distintas, cada uma com o modo mais adequado à sua geometria, e todas são simuladas em conjunto antes de maquinar.

Escolher o modo certo para cada zona poupa tempo de programação e reduz o risco de colisão.

3. O espaço de maquinagem virtual: eixos e coordenadas

O espaço de maquinagem virtual é a representação, dentro do software CAM, do volume onde a ferramenta se pode mover, com a máquina, a mesa, o molde, o bruto e a peça. Para lá dentro tudo bater certo com a máquina real, é preciso dominar a convenção de eixos.

A convenção dos eixos (ISO 841)

As máquinas CNC seguem a convenção da norma ISO 841: um sistema cartesiano de mão direita.

• Estende a mão direita: o polegar aponta para +X, o indicador para +Y e o médio para +Z.
• O eixo Z é sempre o eixo da ferramenta (o eixo do fuso). Nos centros de trabalho de mobiliário, com a ferramenta na vertical, Z é vertical.
• O sentido +Z é o que afasta a ferramenta da peça. Por isso as profundidades de corte são, em regra, valores de Z negativos quando o zero peça está na face superior.
• X é, em regra, o eixo de maior curso, e Y completa o triedro.
• Os eixos rotativos A, B e C rodam, respetivamente, em torno de X, de Y e de Z. O sentido positivo segue também a mão direita: com o polegar a apontar para o sentido positivo do eixo linear, os dedos fechados indicam o sentido positivo da rotação.

A convenção é da norma, mas o fabricante escolhe quais dos rotativos a máquina tem e onde estão (na cabeça ou na mesa). Confirma sempre no manual.

Zero máquina, zero peça e ponto controlado

• Zero máquina: ponto de referência fixo, definido pelo fabricante. A máquina encontra-o na referenciação ao arrancar.
• Zero peça (origem da peça): ponto definido para cada trabalho, normalmente num canto ou no centro do bruto, na face superior ou na face da mesa. Em linguagem ISO é chamado por uma função de origem (por exemplo G54); nos softwares dos fabricantes de máquinas para madeira tem outros nomes e formas de definir.
• Ponto controlado da ferramenta: o CAM pode calcular a trajetória da ponta da ferramenta ou do centro da esfera de uma fresa esférica. O comando da máquina tem de estar a controlar o mesmo ponto, ou toda a superfície sai deslocada de um raio em Z.

Todas as coordenadas de uma trajetória são medidas a partir do zero peça. Um erro no zero peça desloca toda a maquinagem, com risco de colisão ou de peça inutilizada. Nas máquinas de 5 eixos, a posição do centro de rotação dos eixos rotativos (e o comprimento da ferramenta a partir dele) também tem de estar corretamente calibrada: é a partir desses valores que o comando calcula onde está a ponta da ferramenta quando a cabeça inclina. Muitos comandos têm uma função de controlo do ponto central da ferramenta (frequentemente chamada TCP ou RTCP) que faz essa compensação automaticamente; sem ela, o programa tem de ser calculado para a geometria exata da cabeça.

Confirmar o zero peça, e a calibração dos eixos rotativos, antes de correr qualquer programa. É uma verificação obrigatória, não opcional.

Exemplo resolvido · ler coordenadas no espaço virtual

Um bruto de 500 × 250 × 40 mm (X × Y × Z) tem o zero peça no canto frontal esquerdo da face superior. No modelo, o ponto mais fundo de uma concavidade está a 180 mm do bordo esquerdo, a 125 mm do bordo frontal e a 22 mm abaixo da face superior do bruto.

1. X: 180 mm a partir do canto esquerdo, no sentido positivo: X = 180.
2. Y: 125 mm a partir do bordo frontal: Y = 125 (a meio da largura, 250 / 2 = 125, o que confirma a leitura).
3. Z: 22 mm abaixo da face superior, e +Z afasta-se da peça, logo Z = -22.
4. Ponto controlado: se o acabamento for feito com uma fresa esférica de 10 mm de diâmetro (raio 5 mm) e o comando controlar o centro da esfera, o centro fica a um raio acima da ponta: Z = -22 + 5 = -17. Se controlar a ponta, Z = -22.
5. Verificação de ordem de grandeza: a face da mesa está em Z = -40. O ponto mais fundo da concavidade (Z = -22) fica 18 mm acima da mesa. Coerente.

O mesmo ponto físico tem, portanto, coordenadas diferentes consoante o ponto controlado. É por isso que o CAM, o pós-processador e o comando têm de estar de acordo.

4. Visualizar o espaço de maquinagem virtual

O software CAM oferece várias formas de ver o resultado previsto antes de maquinar. Aplicar bem estas opções de visualização é uma aptidão própria desta UC: quem não vê, não deteta.

Opções de visualização

• Vistas normalizadas: de cima (planta), de frente, lateral e isométrica. A vista de cima mostra bem a cobertura de uma estratégia; a de frente mostra os patamares de desbaste.
• Vista 3D navegável: rodar, aproximar e afastar o modelo e a trajetória com o rato.
• Modos de representação: sólido sombreado, arestas visíveis, transparência. A transparência do bruto deixa ver a peça "dentro" dele.
• Mostrar e esconder camadas: peça, bruto, molde, grampos, trajetórias de cada operação. Esconder o que não interessa torna o erro visível.
• Cores por tipo de movimento: nas trajetórias, os movimentos rápidos, de corte, de entrada e de saída aparecem em cores diferentes. Um rápido que atravessa a peça salta logo à vista.
• Simulação da remoção de material: a peça "esculpe-se" no ecrã à medida que a ferramenta avança, com a máquina completa ou só com a ferramenta.
• Comparação com o modelo: o software pinta a peça simulada com uma escala de cores que mostra onde há material a mais (resto) ou a menos (corte excessivo) face à superfície teórica.
• Vistas em corte (secção): corta o modelo virtualmente para inspecionar o interior de cavidades e medir espessuras.
• Medição no ecrã: distâncias, ângulos, raios de curvatura mínima (útil para escolher o diâmetro máximo da fresa).

O material remanescente (resto)

Depois de simular, o software assinala o resto, as zonas que a ferramenta usada não conseguiu alcançar:

• Resto previsto: zonas mais estreitas do que a ferramenta ou cantos com raio menor do que o raio da fresa; exigem uma ferramenta mais pequena (operação de resto) ou um acabamento adicional.
• Resto inesperado: normalmente sinal de erro de configuração, limites mal definidos, orientação errada da ferramenta ou estratégia mal escolhida.

O relatório de resto orienta a sequência de operações: desbaste, semiacabamento, acabamento e, se preciso, resto, cada uma a reduzir o material que falta até ao detalhe pretendido.

Exemplo resolvido · qual o maior diâmetro de fresa para um canto côncavo

Na vista do modelo, a medição de curvatura mostra que o menor raio côncavo de uma concavidade é de 4 mm.

1. Uma fresa só reproduz um canto côncavo se o seu raio for menor ou igual ao raio do canto.
2. Raio máximo da fresa = 4 mm, logo diâmetro máximo = 8 mm.
3. Na prática escolhe-se uma fresa ligeiramente menor (por exemplo esférica de 6 mm, raio 3 mm) para a ferramenta não "abraçar" o canto e aumentar de repente o contacto, o que provoca vibração e marcas.
4. Uma fresa de 10 mm (raio 5 mm) deixaria resto no canto: é um resto previsto.

5. Do modelo digital ao CAM: fluxo de trabalho

Aplicar ferramentas de CAM a um modelo digital com superfícies tridimensionais segue sempre a mesma sequência:

1. Importar o modelo 3D (superfície ou sólido) para o software CAM.
2. Verificar a geometria: superfícies fechadas, sem falhas, sobreposições nem normais invertidas.
3. Posicionar o componente no espaço de maquinagem e definir o bruto (stock).
4. Escolher as operações de CAM e as ferramentas.
5. Calcular as trajetórias e simular, com deteção de colisões.
6. Pós-processar e gerar o programa CNC.
7. Preparar a máquina e maquinar.

O CAD (desenho assistido por computador) cria ou recebe o modelo geométrico; o CAM (fabrico assistido por computador) transforma esse modelo em trajetórias de ferramenta e, depois, em código CNC. No mobiliário e carpintaria é comum trabalhar em pacotes que integram CAD e CAM na mesma aplicação. Muitos centros de trabalho para mobiliário (por exemplo de fabricantes como Biesse, SCM ou Homag) programam-se sobretudo no software próprio do fabricante, e não diretamente em código ISO; para superfícies 3D é frequente usar um CAM geral e importar as trajetórias no software da máquina através de um pós-processador adequado.

Formatos de ficheiro e tipos de modelo

Verificar a geometria

• Superfícies abertas ou com folgas entre elas: a ferramenta "cai" pelo buraco na simulação.
• Superfícies sobrepostas ou duplicadas: trajetórias com saltos e marcas.
• Normais invertidas (o software não sabe qual é o lado "de fora"): a ferramenta maquina pelo lado errado.
• Escala e unidades: um modelo em polegadas importado como milímetros fica 25,4 vezes mais pequeno.
• Raios mínimos côncavos e ângulos de inclinação das paredes: condicionam as ferramentas e o modo de maquinagem.

Um modelo mal verificado no início do fluxo gera trajetórias erradas mais tarde. A verificação da geometria não é um passo opcional: é o que evita retrabalho nas etapas seguintes.

Posicionar os componentes virtuais no espaço de maquinagem

Antes de calcular as operações é preciso posicionar corretamente o componente virtual:

• Escolher a orientação da peça: a face com mais superfície 3D virada para a ferramenta, as contrassaídas minimizadas e o fio da madeira no sentido pedido pelo desenho (em maciço, o comprimento das peças segue o fio).
• Alinhar o modelo com o bruto, deixando sobrematerial à volta e margem suficiente para a fixação (patilhas, zonas de aperto, pontes).
• Colocar o zero peça do modelo exatamente no ponto que vai servir de referência na máquina (um canto do bruto, um pino de referência do molde).
• Em peças com várias faces a maquinar, planear a ordem das faces e das fixações antes de programar.
• Colocar o molde e os grampos no espaço virtual, com as suas dimensões reais, para a simulação os considerar.

6. Ferramentas para superfícies 3D: configurar, personalizar e criar

Cada operação de CAM 3D precisa de uma ferramenta configurada com rigor, porque o software calcula a trajetória a partir da geometria da ferramenta que lhe é dada. Se a ferramenta virtual não for igual à real, a peça real não é igual à simulada.

Tipos de fresa para superfícies tridimensionais

A fresa de topo esférico é a escolha típica para acabamento em superfícies curvas porque se adapta à curvatura em qualquer inclinação. Mas atenção: entre duas passadas vizinhas fica sempre uma pequena crista (scallop) de material; a altura dessa crista depende do raio da fresa e do passo lateral (capítulo 8). Não há fresa que "não deixe marca": há passos laterais que deixam cristas pequenas o suficiente.

Materiais do cortante

• Aço rápido (HSS): barato e com gume muito afiado; desgasta-se depressa em madeiras duras e muito depressa em derivados com cola e em melamínicos.
• Metal duro (HM): a escolha corrente em CNC para madeira maciça e derivados; aguenta mais calor e desgaste.
• Diamante policristalino (PCD): gumes de diamante sintético; duração muito grande em aglomerado, MDF e painéis melamínicos, onde as colas e as partículas desgastam depressa o metal duro. Mais caro e mais frágil ao choque.

Hélice das fresas helicoidais

• Corte ascendente: a hélice sobe a apara (boa evacuação, sobretudo em cavidades), mas pode lascar a face de cima.
• Corte descendente: empurra a apara para baixo; bom acabamento na face de cima, pode lascar em baixo e evacua pior.
• Compressão: a zona de baixo é ascendente e a de cima descendente; usada no corte em espessura total de painéis melamínicos de duas faces, para não lascar nenhuma delas.

Nas superfícies 3D, em que se corta sobretudo com a ponta e com pouca profundidade, a hélice pesa menos do que no contorno de painéis, mas a evacuação da apara em cavidades fundas continua a favorecer o corte ascendente no desbaste.

Parâmetros que a ferramenta tem de ter no software

• Tipo e diâmetro (e raio de canto ou raio da esfera).
• Comprimento de corte (a parte com gume) e comprimento livre (a parte que sai do porta-ferramenta sem aumentar de diâmetro).
• Diâmetro da haste e comprimento total saliente.
• Porta-ferramenta (cone e pinça) com as suas dimensões reais, para o cálculo de colisões.
• Número de dentes (z) e material do cortante.
• Parâmetros de corte recomendados: rotação, avanço, profundidade e passo lateral.
• Rotação máxima admissível (n max) gravada na ferramenta. As ferramentas para madeira trazem gravada a rotação máxima (a norma europeia EN 847-1 exige-o); nunca se excede, nem no software nem na máquina.

Personalizar ferramentas quando o catálogo não chega

Quando a biblioteca do software não tem a ferramenta exata usada na oficina:

1. Criar a ferramenta no software com as medidas reais: diâmetro, raio, ângulo, comprimentos.
2. Associar o porta-ferramenta e o comprimento total, para o cálculo de colisão ser correto.
3. Associar os parâmetros de corte de referência (rotação, avanço, passo lateral e profundidade para desbaste e acabamento).
4. Guardar na biblioteca de ferramentas do projeto, com um nome claro, e com o mesmo número de posição que vai ter no armazém da máquina.
5. Confirmar com o catálogo do fabricante e, fisicamente, com a aparelhagem de medição (paquímetro, aparelho de pré-ajuste ou apalpador da máquina).

Uma ferramenta mal medida no software é uma colisão à espera de acontecer, porque a simulação vai confiar num valor que não corresponde à realidade. Uma fresa que já foi reafiada, por exemplo, tem um diâmetro ligeiramente menor do que o de catálogo.

Criar no CAD-CAM ferramentas específicas

Algumas peças 3D pedem ferramentas que não existem em catálogo standard: uma fresa de perfil feita por encomenda para uma moldura, uma cónica com ângulo especial, uma fresa de forma para um boleado assimétrico. Nesses casos:

1. Desenha-se o perfil da ferramenta no CAD (meia secção, do eixo para fora), com as cotas do desenho do fabricante da ferramenta.
2. O software de CAM usa esse perfil como ferramenta de forma: gira o perfil em torno do eixo para obter o sólido da ferramenta.
3. Define-se o ponto de referência (ponta ou outro ponto do perfil) e os comprimentos de fixação.
4. Simula-se uma passagem de teste: a secção maquinada tem de reproduzir exatamente o perfil pretendido.

A mesma técnica serve para o caminho inverso: quando se conhece o perfil que a peça precisa, desenha-se o perfil da ferramenta que o reproduz e envia-se ao fabricante como especificação.

Velocidade de corte e avanço por dente

Na madeira, a velocidade de corte dá-se habitualmente em metros por segundo:

vc (m/s) = π × D × n / 60 000 (D em mm, n em rpm)

Para obter m/min, basta multiplicar por 60 (ou usar π × D × n / 1000).

O avanço por dente (a espessura de apara que cada gume tira) é:

fz (mm) = F / (n × z) (F em mm/min, n em rpm, z = número de dentes)

Um avanço por dente demasiado baixo faz o gume "raspar" em vez de cortar: aquece, queima a madeira e gasta a ferramenta mais depressa. Demasiado alto sobrecarrega a ferramenta, arranca fibras e pode partir fresas finas. Os valores de referência vêm do catálogo do fabricante da ferramenta, para cada material.

Exemplo resolvido · velocidade de corte e avanço por dente

Fresa de topo plano em metal duro, D = 12 mm, z = 2, n = 18 000 rpm, avanço F = 10 m/min.

1. vc = π × 12 × 18 000 / 60 000 = 678 584 / 60 000 ≈ 11,3 m/s (cerca de 679 m/min).
2. F em mm/min: 10 m/min = 10 000 mm/min.
3. fz = 10 000 / (18 000 × 2) = 10 000 / 36 000 ≈ 0,28 mm por dente.
4. Se o avanço baixasse para 3 m/min sem mexer na rotação: fz = 3000 / 36 000 ≈ 0,08 mm. O gume passa a raspar: risco de queimar.
5. Correção possível: manter F = 3 m/min mas baixar a rotação para 6000 rpm dá fz = 3000 / 12 000 = 0,25 mm (e vc ≈ 3,8 m/s). O mais comum, porém, é manter a rotação e subir o avanço, até ao limite que a máquina consegue cumprir nas trajetórias 3D.

Exemplo resolvido · o centro da fresa esférica

Fresa esférica D = 6 mm (raio R = 3 mm), n = 18 000 rpm, a acabar uma zona horizontal de uma superfície.

1. Diâmetro total: vc = π × 6 × 18 000 / 60 000 ≈ 5,65 m/s. Mas este valor só vale no "equador" da esfera.
2. Ferramenta vertical, zona horizontal: o ponto de contacto é a ponta da esfera, no eixo. Diâmetro efetivo = 0, logo vc = 0. A ponta esmaga as fibras em vez de as cortar.
3. Ferramenta inclinada 15°: o ponto de contacto afasta-se do eixo R × sen 15° = 3 × 0,259 ≈ 0,78 mm. Diâmetro efetivo ≈ 1,55 mm, e vc = π × 1,55 × 18 000 / 60 000 ≈ 1,46 m/s.
4. Ferramenta inclinada 30°: distância ao eixo = 3 × 0,5 = 1,5 mm, diâmetro efetivo = 3 mm, vc ≈ 2,83 m/s.
5. Conclusão: é esta a razão por que, em acabamentos de qualidade com fresa esférica, se inclina a ferramenta (a 3+2 ou em 5 eixos contínuos). A 3 eixos, uma alternativa é orientar a peça ou a estratégia para que as zonas mais horizontais sejam acabadas com uma fresa tórica ou de topo plano.

7. Comandos de CAM 3D

O software organiza o trabalho numa árvore de comandos. Os nomes mudam de software para software, mas os tipos de comandos são sempre os mesmos, e distingui-los é uma das aptidões desta UC:

Sobrematerial

O sobrematerial (stock to leave) é a espessura de material que uma operação deixa, de propósito, sobre a superfície final:

• O desbaste deixa, tipicamente, alguns décimos de milímetro a cerca de 1 mm, conforme a peça e a ferramenta.
• O semiacabamento deixa uma camada fina e uniforme, para o acabamento cortar sempre a mesma espessura.
• O acabamento trabalha com sobrematerial zero (ou um valor negativo/positivo muito pequeno quando se quer compensar um desgaste ou uma folga de montagem).

A madeira mexe com a humidade: numa peça maciça com muito material a remover, deixar o semiacabamento e o acabamento para depois de a peça "assentar" algumas horas reduz empenos na peça final.

Tolerância de cálculo (cordal)

O software aproxima as superfícies curvas por segmentos de reta. A tolerância de cálculo é o desvio máximo aceite entre esses segmentos e a superfície teórica (o chamado erro cordal):

• Tolerância menor: segmentos mais curtos, superfície mais fiel, programa maior e cálculo mais demorado.
• Tolerância maior: programa mais pequeno, mas a superfície pode mostrar facetas.

Para um arco de raio ρ aproximado por segmentos de comprimento L, o desvio é aproximadamente e ≈ L² / (8 × ρ), ou seja L ≈ √(8 × ρ × e).

Exemplo resolvido · tolerância e tamanho do programa

Uma concavidade tem raio de curvatura ρ = 50 mm.

1. Tolerância 0,1 mm: L ≈ √(8 × 50 × 0,1) = √40 ≈ 6,3 mm por segmento.
2. Tolerância 0,01 mm: L ≈ √(8 × 50 × 0,01) = √4 = 2,0 mm por segmento.
3. Comparação: dividir a tolerância por 10 encurta os segmentos cerca de 3,2 vezes (√10) e, portanto, multiplica o número de pontos, e o tamanho do programa, por cerca de 3.
4. Regra prática: a tolerância de cálculo deve ser bem menor do que a tolerância pedida no desenho e do mesmo nível da altura de crista pretendida. Na madeira, que depois é lixada, não faz sentido exigir tolerâncias de centésimas num desbaste.

Ordem de comandos numa operação típica

1. Escolher a estratégia de maquinagem (capítulo 8).
2. Selecionar a ferramenta já configurada.
3. Definir a geometria e os limites (o que se maquina e até onde).
4. Definir sobrematerial, tolerância, passo lateral e profundidade.
5. Definir os parâmetros de corte (rotação e avanço).
6. Definir a direção de maquinagem e o sentido de corte (concordante ou discordante).
7. Definir as ligações: altura de segurança, entradas e saídas.
8. Calcular e inspecionar visualmente a trajetória.
9. Simular, com verificação de colisões ativada.

Sentido de corte. No corte concordante (em inglês climb), o gume entra na madeira do lado da apara mais grossa e o sentido de rotação acompanha o sentido do avanço no ponto de contacto; no discordante, o gume entra na apara mais fina, contra o avanço. Com rotação horária da ferramenta, contornar o exterior de uma peça com a ferramenta à esquerda do percurso dá corte concordante. Na madeira, o sentido que dá melhor acabamento depende da orientação do fio em cada zona: o concordante tende a reduzir o arrancamento de fibras em muitos casos, mas nas curvas o fio muda de direção e a escolha deve confirmar-se com um ensaio numa sobra do mesmo material.

8. Estratégias de maquinagem para superfícies tridimensionais

Selecionar a estratégia é uma decisão técnica, não um hábito. A regra geral é: desbastar depressa e com segurança, semiacabar para uniformizar, acabar com a estratégia que melhor se adapta à inclinação de cada zona.

Estratégias de desbaste

• Desbaste por patamares (níveis Z constantes): a ferramenta remove o material em camadas horizontais sucessivas, como curvas de nível. Rápido e robusto; deixa "degraus" na superfície, que o semiacabamento remove.
• Desbaste adaptativo (ou de carga constante): a trajetória é calculada para manter aproximadamente constante o ângulo de contacto da ferramenta com o material; permite maior profundidade de corte com menor passo lateral, com menos esforço e desgaste.
• Desbaste de resto: com uma ferramenta mais pequena, remove só o material que a ferramenta anterior não alcançou (usa o bruto residual da operação anterior).

Degraus do desbaste. Com uma profundidade por patamar de 5 mm, numa parede inclinada fica um degrau de até 5 mm de altura. O sobrematerial do desbaste e o semiacabamento servem precisamente para que o acabamento não tenha de cortar de repente essa altura toda.

Semiacabamento

O semiacabamento deixa uma sobreespessura uniforme sobre toda a superfície. Usa, em regra, uma fresa esférica ou tórica maior do que a do acabamento e um passo lateral mais largo. O acabamento seguinte já não encontra degraus: corta sempre a mesma espessura, e a ferramenta trabalha com esforço constante.

Estratégias de acabamento

Estratégias combinadas por inclinação. Os softwares de CAM permitem dividir a superfície por ângulo de inclinação: por exemplo, paralela nas zonas com inclinação até cerca de 40 a 50° e níveis constantes nas mais íngremes, com uma pequena sobreposição entre as duas para não ficar marca na fronteira.

Direção da passada e fio da madeira. Sempre que a geometria o permita, orienta-se a estratégia paralela ao longo do fio: as cristas ficam na direção das fibras e o lixamento posterior é mais fácil e mais rápido.

Altura de crista (scallop)

Com uma fresa esférica de raio R e um passo lateral s (distância entre passadas vizinhas, medida numa superfície plana e horizontal), fica entre passadas uma crista de altura:

h = R - √(R² - (s/2)²)

Para passos pequenos em relação ao raio, a fórmula aproxima-se por h ≈ s² / (8 × R), e o passo necessário para uma crista pretendida é s ≈ √(8 × R × h).

Exemplo resolvido · altura de crista e passo lateral

Fresa esférica D = 6 mm (R = 3 mm).

1. Passo s = 1 mm: h = 3 - √(9 - 0,25) = 3 - √8,75 = 3 - 2,9580 = 0,042 mm.
2. Passo s = 0,5 mm: h = 3 - √(9 - 0,0625) = 3 - 2,9896 = 0,010 mm. Metade do passo, cerca de um quarto da crista (a crista varia com o quadrado do passo).
3. Crista pretendida 0,02 mm: s ≈ √(8 × 3 × 0,02) = √0,48 ≈ 0,69 mm. Verificação exata: h = 3 - √(9 - 0,119) = 3 - 2,9801 ≈ 0,020 mm. Confere.
4. Fresa maior, mesmo passo: esférica D = 12 mm (R = 6 mm) com s = 1 mm dá h = 6 - √(36 - 0,25) = 6 - 5,9791 ≈ 0,021 mm, metade da crista da fresa de 6 mm. Uma fresa maior permite um passo maior para a mesma crista, desde que caiba nos raios côncavos da peça.
5. Nas paredes inclinadas, com estratégia paralela, o passo medido sobre a superfície é maior do que o passo programado, e a crista real cresce. É por isso que se combinam estratégias por inclinação.

9. Aplicar operações de CAM na prática

Aplicar operações de CAM para a maquinagem CNC de componentes com superfícies tridimensionais é a competência central desta UC. Na prática significa:

• Encadear desbaste, semiacabamento, acabamento e resto, cada operação com a ferramenta e a estratégia adequadas.
• Ajustar o sobrematerial deixado entre operações, para nenhuma delas exigir mais do que consegue remover com qualidade.
• Usar o bruto residual de cada operação como ponto de partida da seguinte, para não "cortar ar".
• Verificar a cobertura: nenhuma zona da superfície fica sem trajetória associada.
• Documentar a sequência de operações numa folha de processo, para poder repetir o trabalho.

Identificar as operações e a sua sequência

A sequência típica para uma peça 3D é:

1. Faces de referência e esquadrejamento do bruto, se ainda não vier esquadrejado.
2. Desbaste com fresa grande (topo plano ou tórica), por patamares ou adaptativo.
3. Desbaste de resto com fresa mais pequena, se houver zonas estreitas.
4. Semiacabamento com fresa esférica ou tórica, sobrematerial uniforme.
5. Acabamento com fresa esférica, estratégia por zona.
6. Resto de acabamento (cantos e vales) com fresa esférica pequena.
7. Contorno final e separação da peça (corte das patilhas ou pontes), quase sempre no fim, para a peça ficar presa ao bruto enquanto se maquina.

Exemplo resolvido · folha de processo de um braço de cadeira

Peça: braço de cadeira em faia maciça, 520 × 90 × 45 mm, face superior com dupla curvatura. Bruto: 560 × 110 × 50 mm, fixado sobre molde com vácuo. Máquina de 5 eixos com cabeça, mas a face superior não tem contrassaídas.

Verificação da crista da operação 3: R = 5 mm, s = 0,8 mm, (s/2)² = 0,16; √(25 - 0,16) = √24,84 = 4,9840; h = 5 - 4,9840 = 0,016 mm. É uma crista que desaparece com um lixamento fino.

Porque não se fez a face superior a 5 eixos? Porque não há contrassaídas e as inclinações são moderadas: 3 eixos chega, com menos risco. Os 5 eixos da máquina podem ser usados noutra operação (por exemplo, furos inclinados para as cavilhas de ligação à perna), em modo 3+2.

Exemplo resolvido · estimar o tempo de uma passagem paralela

Área a acabar: 400 × 200 mm (vista de cima), passadas ao longo dos 400 mm, passo s = 0,7 mm, avanço F = 4000 mm/min, fresa esférica D 6 mm.

1. Número de passadas: 200 / 0,7 = 285,7, logo 286 intervalos e 287 passadas.
2. Comprimento de corte: 287 × 400 mm = 114 800 mm, mais as ligações laterais 286 × 0,7 ≈ 200 mm; total ≈ 115 000 mm.
3. Tempo teórico: 115 000 / 4000 ≈ 28,8 min.
4. Crista obtida: h = 3 - √(9 - 0,1225) = 3 - 2,9795 ≈ 0,020 mm.
5. Realidade: acelerações e travagens em cada ponto e nas inversões aumentam este tempo; é normal o tempo real ser visivelmente maior. A simulação com a dinâmica da máquina dá uma estimativa melhor.
6. Comparação: com s = 1,4 mm (o dobro), o tempo cai para cerca de metade (≈ 14,4 min), mas a crista sobe para h = 3 - √(9 - 0,49) = 3 - 2,9172 ≈ 0,083 mm, cerca de 4 vezes mais. É um compromisso entre tempo de máquina e tempo de lixamento.

10. Trajetórias de ferramenta, simulação e programa CNC

A trajetória da ferramenta é o percurso exato que o ponto controlado da ferramenta (ponta ou centro da esfera) descreve durante o trabalho. Estabelecer a trajetória é mais do que "por onde corta":

• Movimentos de corte, ao avanço programado.
• Movimentos rápidos, a uma altura de segurança acima de tudo o que existe na mesa (peça, bruto, molde, grampos).
• Entradas e saídas: em rampa, em hélice ou em arco, para a ferramenta não mergulhar a direito no material (as fresas de topo plano sem corte ao centro não furam).
• Ligações entre passadas: pela superfície, quando é seguro, ou subindo à altura de segurança.
• Nas trajetórias a 5 eixos, a orientação da ferramenta em cada ponto: fixa, inclinada de um ângulo em relação à normal da superfície, ou a seguir uma curva de guia, sempre dentro dos limites de rotação da cabeça.

Simular a maquinagem

Simular é reproduzir no computador o corte completo, antes de o correr na máquina real:

1. A simulação mostra a remoção de material passo a passo, ao ritmo definido.
2. Deteta colisões, interferências, cortes excessivos e zonas de resto.
3. Permite medir tempos de ciclo e comparar estratégias antes de decidir a definitiva.
4. Na simulação da máquina completa, vê-se também a cabeça, os rotativos e os limites de curso.
5. Só depois de uma simulação limpa se deve avançar ao pós-processamento.

Há dois níveis de simulação: a do CAM (a partir das trajetórias) e a do código (a partir do programa já pós-processado, no CAM, num simulador de código ou no próprio comando). A segunda apanha erros do pós-processador que a primeira não vê.

Em interpolação a 5 eixos, o risco de colisão é muito maior do que a 3 eixos: a simulação deixa de ser um extra e passa a ser uma etapa indispensável do processo.

Elaborar o programa CNC: o que lá está dentro

Mesmo quando o programa é gerado pelo CAM, o técnico tem de saber lê-lo. Em código ISO (norma ISO 6983, o chamado código G), as funções mais usadas são:

Nas trajetórias 3D o CAM gera quase só G01 com X, Y e Z a mudar em todos os blocos: a superfície é aproximada por milhares de pequenos segmentos (daí a importância da tolerância). Nas trajetórias a 5 eixos, cada bloco traz também os valores dos rotativos (por exemplo A e C).

Exemplo resolvido · ler um excerto de programa

Excerto ilustrativo em código ISO (a sintaxe exata varia com o comando; muitos centros de mobiliário usam o formato do software do fabricante). Zero peça no canto frontal esquerdo da face superior do bruto; fresa esférica D 6, ponto controlado na ponta.

O2089 (ACABAMENTO RELEVO)
G21 G17 G90 G40
T3 M06 (ESFERICA D6 HM Z2)
G54
S18000 M03
G00 X20. Y40.
G43 H3 Z15.
G01 Z-2.4 F1500
G01 X20.7 Z-2.52 F4000
G01 X21.4 Z-2.61
G00 Z15.
M05
M30

1. G21: unidades em milímetros. G17: plano XY. G90: coordenadas absolutas. G40: sem compensação de raio (em 3D o CAM já calcula a trajetória da ferramenta).
2. T3 M06: troca para a ferramenta 3. O comentário confirma que é a esférica D 6 em metal duro com 2 dentes, a mesma do CAM.
3. G54: ativa a origem da peça. S18000 M03: 18 000 rpm, rotação horária.
4. G00 X20. Y40.: rápido até acima do ponto inicial. G43 H3 Z15.: aplica a compensação de comprimento da ferramenta 3 e desce em rápido até 15 mm acima da face superior (Z positivo, fora da peça).
5. G01 Z-2.4 F1500: entra no material, a avanço reduzido, até 2,4 mm abaixo da face superior.
6. Dois blocos G01 avançam 0,7 mm em X cada um e descem em Z, a 4000 mm/min: é a superfície curva a ser seguida por pequenos segmentos.
7. G00 Z15.: sai em rápido para a altura de segurança. M05: pára o fuso. M30: fim de programa.
8. Verificação de coerência: o Z mais fundo (-2,61) é compatível com um relevo pouco profundo; se o desenho indicasse um relevo de 20 mm de profundidade, algo estaria errado (origem em Z trocada, ponto controlado diferente, ou programa de outra peça).

11. Deteção de colisões

Uma colisão ocorre quando uma parte da máquina ou da ferramenta que não devia tocar em nada toca na peça, no bruto, no molde ou na fixação, ou quando a ferramenta corta onde não devia. Distingue-se do corte, que é o contacto previsto do gume com o material a remover.

Tipos de colisão

• Ferramenta vs peça (corte excessivo): o gume entra na superfície final, por exemplo num movimento rápido ou numa ligação mal definida.
• Haste ou porta-ferramenta vs peça ou molde: comum em paredes altas e cavidades profundas, onde a haste ou o porta-ferramenta, mais largos do que a zona de corte, batem antes de a ponta chegar ao fundo.
• Cabeça, eixos rotativos ou agregados vs mesa, grampos, ventosas ou moldes: sobretudo nos movimentos de orientação a 5 eixos e nos rápidos entre operações.
• Ferramenta vs elementos de fixação: grampos, parafusos ou ventosas mal posicionados ou não modelados.
• Limites de curso: não é um choque físico, mas a máquina pára com alarme a meio da peça porque a trajetória pede uma posição ou um ângulo fora do alcance.

Prevenir e detetar

• Introduzir no software as dimensões reais da ferramenta, da haste e do porta-ferramenta.
• Modelar os moldes, ventosas e grampos na simulação, e não só a peça.
• Definir alturas de segurança acima do ponto mais alto de tudo o que está na mesa.
• Pedir ao CAM uma folga (distância mínima) entre a haste e porta-ferramenta e a peça; o software avisa ou inclina a ferramenta para manter essa folga.
• Correr a simulação da máquina completa nas operações a 5 eixos.
• Depois de corrigir uma colisão, simular de novo tudo: uma alteração pode criar um problema novo noutro ponto.

Exemplo resolvido · analisar uma colisão

A simulação assinala uma colisão entre o porta-ferramenta e o bordo de uma cavidade de 40 mm de profundidade, numa operação de acabamento com fresa esférica D 8 mm. A ferramenta tem 35 mm de comprimento livre (desde a ponta até ao porta-ferramenta); o porta-ferramenta tem 40 mm de diâmetro.

1. Confirmar os dados: comprimento livre e porta-ferramenta no software iguais aos reais (medidos). Estão.
2. Comprimento livre necessário: profundidade da cavidade mais uma folga de segurança, por exemplo 5 mm: 40 + 5 = 45 mm. A ferramenta tem 35 mm: faltam 10 mm. A colisão é real.
3. Opção A, ferramenta mais comprida: montar a mesma fresa com 45 a 50 mm de comprimento livre. Problema: com diâmetro 8 mm, uma ferramenta longa flete e vibra; reduz-se o avanço e o passo.
4. Opção B, inclinar a ferramenta (3+2 ou 5 eixos), afastando o porta-ferramenta do bordo e mantendo a ferramenta curta e rígida. Requer simulação da máquina completa.
5. Opção C, cónica com ponta esférica: mais rígida em comprimentos grandes, com a haste afastada da parede.
6. Recalcular e simular de novo, confirmando que a colisão desaparece e que não surge nenhuma nova.

Detetar uma colisão no computador custa segundos; detetá-la na máquina real custa ferramentas, peças, avarias e, no pior caso, um acidente.

12. Pós-processamento e geração do código CNC

O pós-processador converte as trajetórias calculadas no CAM no código CNC específico da máquina de destino:

• Cada fabricante e cada comando tem a sua sintaxe e as suas funções especiais.
• O pós-processador traduz coordenadas, avanços, rotações, trocas de ferramenta, origens e funções especiais para essa sintaxe.
• Nas máquinas de 5 eixos, o pós-processador também converte a orientação da ferramenta nos ângulos dos eixos rotativos daquela cinemática concreta, e escolhe entre soluções equivalentes (a mesma orientação pode ser obtida com ângulos diferentes).
• Um pós-processador errado gera um programa que a máquina não interpreta corretamente, mesmo que a simulação no CAM estivesse certa.

O pós-processador é normalmente fornecido pelo revendedor do CAM ou do software da máquina, e é configurado uma vez para cada máquina. Não se altera "à experiência": uma alteração mal feita afeta todos os programas que se gerarem a seguir.

Verificar o código gerado

Antes de correr o programa na máquina:

• Ler o cabeçalho: nome do programa, lista de ferramentas com número, tipo, diâmetro e comprimento esperados.
• Confirmar as unidades: milímetros ou polegadas; um erro aqui multiplica ou divide todas as cotas por 25,4.
• Confirmar a origem chamada e o ponto controlado.
• Confirmar valores extremos: menor Z (profundidade máxima), maiores X e Y, rotação máxima pedida (nunca acima da n max da ferramenta), ângulos dos rotativos dentro dos limites.
• Correr uma simulação do código (no CAM, num simulador ou no próprio comando).
• Guardar o programa com um nome claro, associado ao desenho, à versão e ao molde correspondentes.

Exemplo resolvido · verificar extremos

Um programa para uma peça de 30 mm de espessura final, com zero na face superior de um bruto de 35 mm, mostra no resumo: Z mínimo = -33,0; S máximo = 24 000 rpm; ferramenta T5 com n max gravada de 18 000 rpm.

1. Z mínimo: -33 mm num bruto de 35 mm fica 2 mm acima da face da mesa. Se o contorno final devesse atravessar a peça, a peça ficaria presa por 2 mm de pele, o que pode ser intencional (pele para o vácuo segurar). Confirmar com a folha de processo.
2. Rotação: 24 000 rpm é superior à rotação máxima gravada na T5 (18 000 rpm). Erro grave: o programa não pode correr assim. Corrige-se a rotação na operação do CAM (não à mão no código) e gera-se de novo o programa.
3. Registo: anota-se a não conformidade e a causa (ferramenta com parâmetros de corte errados na biblioteca), e corrige-se a biblioteca para não voltar a acontecer.

13. Montagem e configuração das ferramentas na máquina

Depois de validado o programa, é preciso preparar a máquina física. Executar a montagem e configurar as ferramentas é uma aptidão do referencial.

Componentes do conjunto ferramenta

• Cone do porta-ferramenta: a interface com o eletromandril (nos centros de trabalho para madeira é comum o cone HSK; confirma o tipo no manual da máquina).
• Pinça e porca (sistemas de pinças normalizados), ou mandril de aperto hidráulico ou por contração, para fresas de haste cilíndrica.
• Ferramenta: fresa com a haste do diâmetro da pinça.

Procedimento

1. Selecionar as ferramentas físicas correspondentes às usadas no CAM, confirmando tipo, diâmetro, material e n max.
2. Inspecionar cada ferramenta: gumes lascados, desgaste, resina acumulada, haste marcada. Ferramenta danificada não se monta.
3. Limpar o cone, a pinça e a haste; sujidade provoca excentricidade (a ferramenta "bate") e marcas na peça.
4. Montar a fresa na pinça com o comprimento livre definido no CAM e a haste suficientemente metida na pinça (segue o mínimo indicado pelo fabricante da ferramenta ou da pinça). Apertar com a chave e o binário corretos, com o porta-ferramenta num suporte de aperto, nunca na máquina.
5. Medir o comprimento real (e, se possível, o diâmetro) com o aparelho de pré-ajuste ou o apalpador da máquina, e introduzir os valores na tabela de ferramentas do comando.
6. Colocar a ferramenta na posição do armazém correspondente ao número usado no programa.
7. Confirmar que a ferramenta física corresponde à configurada no software, em diâmetro, tipo e comprimento.

Uma diferença entre a ferramenta simulada e a ferramenta montada é uma das causas mais comuns de peça estragada, porque o programa foi calculado para outras dimensões. Se o comprimento medido for 2 mm maior do que o registado no comando, a ferramenta corta 2 mm mais fundo em toda a peça.

Exemplo resolvido · efeito de um erro de comprimento

Uma fresa esférica foi reafiada e ficou 0,6 mm mais curta, mas o comprimento na tabela do comando não foi atualizado.

1. O comando julga que a ponta está 0,6 mm mais abaixo do que realmente está.
2. Resultado: toda a superfície de acabamento fica 0,6 mm acima da cota (material a mais).
3. Numa superfície com sobrematerial de acabamento de 0,3 mm, a ferramenta nem sequer toca em algumas zonas: a peça sai com as marcas do semiacabamento.
4. Correção: medir de novo e atualizar a tabela; registar a reafiação na ficha da ferramenta.

Utilizar sempre os equipamentos de proteção individual (EPI) adequados durante a montagem (as fresas cortam mesmo paradas: luvas de proteção contra cortes só para manusear ferramentas com a máquina parada, nunca junto de ferramentas em rotação) e seguir os manuais da máquina e de programação, que têm sempre a última palavra em procedimentos específicos do equipamento usado.

14. Moldes e fixação dos componentes

Peças com superfícies tridimensionais raramente assentam de forma estável apenas na mesa da máquina: depois de maquinada uma face curva, já não há uma face plana para apoiar, e as forças de corte tendem a deslocar a peça. Por isso é frequente precisar de um molde de fixação (também chamado gabarito ou dispositivo de fixação) dedicado.

Desenvolver o molde

• O molde reproduz o negativo de parte da peça (um "berço"), ou usa apoios pontuais, para a segurar sem balançar.
• Deve permitir acesso da ferramenta a todas as zonas a maquinar, sem obstruir, e sem obrigar a cabeça a colidir com ele nos movimentos a 5 eixos.
• Tem de resistir às forças de corte sem deformar nem deslocar a peça.
• Deve ter referências claras (batentes, pinos, cantos maquinados) para a peça entrar sempre na mesma posição, e para o molde entrar sempre na mesma posição na mesa.
• É modelado no CAD, entra na simulação como elemento de fixação e é, muitas vezes, também maquinado no CNC, com o mesmo zero peça que a peça, o que garante a coincidência.
• Os materiais correntes são o MDF e o contraplacado (estáveis e fáceis de maquinar), por vezes com zonas de borracha ou juntas para vedação do vácuo e para não marcar a peça.

Formas de fixar a peça ao molde

A força do vácuo

A força de fixação por vácuo é, teoricamente, a depressão (diferença entre a pressão atmosférica e a pressão por baixo da peça) vezes a área útil onde a depressão atua:

F (N) = depressão (Pa) × área (m²), com 1 bar = 100 000 Pa = 100 kPa.

Exemplo resolvido · força numa ventosa e numa peça pequena

1. Ventosa de 120 × 120 mm, depressão de 0,8 bar = 80 kPa = 80 000 Pa. Área = 0,120 × 0,120 = 0,0144 m². Força = 80 000 × 0,0144 ≈ 1150 N (cerca do peso de uma massa de 117 kg).
2. Peça pequena de 60 × 40 mm sobre o mesmo vácuo: área = 0,060 × 0,040 = 0,0024 m². Força = 80 000 × 0,0024 = 192 N, seis vezes menos.
3. Leitura: peças pequenas têm pouca área e pouca força de fixação. Com uma fresa grande e um avanço alto, a força de corte pode arrancar a peça. Soluções: patilhas ligadas ao bruto, molde com parafusos ou grampos, passadas mais leves no contorno final.
4. Na prática, a força real é menor do que a teórica: fugas pela junta, madeira porosa ou com fendas, área útil menor do que a ventosa. Por isso se trabalha com margem de segurança e se confirma a fixação empurrando a peça à mão antes de arrancar.

A depressão disponível depende da bomba de vácuo e do estado das juntas; o ar comprimido que aciona grampos e cilindros vem da rede de ar comprimido da oficina, tipicamente a alguns bar (6 a 7 bar é comum), mas manda sempre o fabricante da máquina.

Montar o molde e fixar o material

1. Montar o molde na mesa da máquina, na posição e orientação previstas no programa, usando as referências (batentes, pinos, cotas a partir do zero máquina).
2. Fixar o molde à mesa (vácuo, parafusos, grampos), e confirmar que não se mexe.
3. Fixar sobre o molde o material a maquinar (madeira ou outro), com o meio previsto: ventosas, vácuo no molde, grampos ou parafusos.
4. Confirmar que a fixação é firme e que nada (grampos, cabeças de parafuso, tubos de vácuo) fica na zona da trajetória ou do movimento da cabeça.
5. Verificar o zero peça real face ao definido no programa (por apalpação ou por medição a partir das referências do molde), antes de arrancar.

Um molde mal concebido, ou mal verificado na simulação, compromete a peça inteira por melhor que seja o programa CNC.

15. Segurança, saúde no trabalho e normas da qualidade

Cumprir as normas de segurança e saúde no trabalho é um critério de desempenho desta UC, tão importante como o resultado técnico.

O quadro legal, em linhas gerais

• A utilização das máquinas no trabalho está sujeita aos requisitos mínimos de segurança e saúde dos equipamentos de trabalho (Decreto-Lei n.º 50/2005): a máquina tem de estar em bom estado, com proteções e comandos de paragem, e os trabalhadores têm de ter formação para a usar.
• A colocação no mercado das máquinas novas segue a Diretiva Máquinas, transposta pelo Decreto-Lei n.º 103/2008: marcação CE, declaração de conformidade e manual de instruções em português. O novo Regulamento (UE) 2023/1230, relativo às máquinas, substitui a diretiva e aplica-se a partir de 20 de janeiro de 2027.
• O pó de madeira dura é um agente cancerígeno reconhecido. A Diretiva (UE) 2017/2398 fixou para ele um valor-limite de exposição profissional de 2 mg/m³ (medido em 8 horas) a partir de 18 de janeiro de 2023 (antes era 3 mg/m³).
• O ruído das máquinas de madeira é, em regra, elevado; a legislação do ruído no trabalho obriga a avaliar a exposição e a disponibilizar e usar proteção auditiva a partir de certos níveis.

Proteções da máquina

Os centros de trabalho CNC têm proteções que impedem o acesso à zona perigosa durante o ciclo: tapetes sensíveis, barreiras ou cortinas de luz, para-choques na cabeça, resguardos e portas com encravamento, e botões de paragem de emergência bem acessíveis. Estas proteções nunca se anulam nem se contornam, e testam-se de acordo com o manual.

Regras de trabalho

• Antes de arrancar: verificar fixação, ferramentas montadas (e as suas n max), zero peça, simulação sem colisões, proteções operacionais e aspiração ligada.
• Primeira execução: correr com o avanço reduzido pelo seletor do comando, acompanhando o início de cada operação, com a mão perto da paragem.
• Durante: nunca entrar na área de trabalho com a máquina em ciclo; não retirar aparas com as mãos junto da ferramenta; manter distância de segurança.
• Depois: parar a máquina em segurança e remover a peça só com o fuso parado e a máquina em condição segura.
• Não usar luvas soltas, adornos, cabelo solto nem roupa larga junto de ferramentas em rotação.

Equipamentos de proteção individual (EPI)

A proteção coletiva vem primeiro: a captação do pó na origem (coifa de aspiração da cabeça ligada à instalação de aspiração) é a medida principal contra o pó; a máscara complementa-a. A limpeza faz-se com aspirador, nunca com ar comprimido, que põe o pó fino em suspensão.

Normas da qualidade

A qualidade aplica-se ao produto e ao processo:

• Produto: a peça tem de cumprir as especificações técnicas do trabalho: cotas, forma da superfície, acabamento, ausência de defeitos (arrancamento de fibras, queimaduras, marcas de vibração, lascas).
• Controlo: medição com a aparelhagem de medição (fita métrica, paquímetro, esquadro, comparador), gabaritos de perfil (moldes de controlo com o negativo da secção) e comparação visual e ao tato com uma peça de referência aprovada.
• Primeira peça: numa série, a primeira peça é controlada por completo antes de continuar.
• Registo: não conformidades, causas e correções, para o processo melhorar na peça seguinte.
• Processo: ferramentas certas e inspecionadas, folha de processo documentada, programas com versão e nome claro, verificação sistemática. Nas empresas com sistema de gestão da qualidade (por exemplo segundo a ISO 9001) estes registos são obrigatórios.

Qualidade e segurança cumprem-se em simultâneo, do CAM à peça montada, e não são fases separadas do trabalho.

Exemplo resolvido · controlo de uma peça 3D

Braço de cadeira com tolerância de ±0,5 mm no comprimento e superfície controlada com gabarito de perfil em três secções.

1. Comprimento medido: 520,3 mm para 520 mm nominal. Desvio +0,3 mm, dentro de ±0,5 mm: conforme.
2. Gabarito na secção central: folga de luz visível de cerca de 1 mm numa zona. Causa provável: a fixação cedeu durante o acabamento, ou a peça empenou depois do desbaste.
3. Investigação: verificar a fixação (vácuo, juntas) e a humidade da madeira; comparar com o resultado da simulação na mesma secção.
4. Registo: não conformidade anotada com a causa encontrada e a ação (por exemplo, deixar a peça assentar entre desbaste e acabamento, ou reforçar a fixação).

Erros comuns

• Usar interpolação a 5 eixos sem necessidade, aumentando o risco de colisão e o tempo de programação sem ganho real numa geometria que a 3 eixos resolveria.
• Julgar que uma parede quase vertical exige 5 eixos: a 3 eixos a ferramenta alcança-a com a estratégia de níveis constantes, desde que o comprimento livre chegue; o que a 3 eixos não se alcança são as contrassaídas.
• Acabar zonas horizontais com o centro da fresa esférica, onde a velocidade de corte é nula, e culpar a madeira pelas queimaduras.
• Escolher o passo lateral "a olho", sem calcular a altura de crista; ou esquecer que a crista cresce com o quadrado do passo.
• Confiar no valor de catálogo da ferramenta sem a medir fisicamente, gerando cálculos de colisão e cotas errados.
• Programar uma rotação acima da n max gravada na ferramenta.
• Saltar o semiacabamento em peças complexas, forçando o acabamento a remover os degraus do desbaste de uma vez.
• Pedir tolerâncias de cálculo muito finas em todas as operações, gerando programas enormes sem ganho visível (e o contrário: tolerâncias largas no acabamento, com facetas visíveis).
• Simular só a trajetória de uma operação, ignorando a interação entre operações sucessivas e o bruto residual.
• Esquecer a haste e o porta-ferramenta na verificação de colisões, considerando apenas a zona de corte da fresa.
• Simular sem o molde e os grampos modelados.
• Usar o pós-processador errado, gerando código incompatível com o comando real da máquina.
• Montar a ferramenta certa mas esquecer de atualizar o comprimento na tabela de ferramentas do comando.
• Confiar na fixação "a olho", sem confirmar fisicamente que a peça não se move; sobretudo em peças pequenas no vácuo.
• Separar a peça do bruto cedo demais, perdendo a fixação antes do acabamento.
• Limpar o pó com ar comprimido em vez de aspirar.

Glossário

• 3+2 eixos (indexado, posicionado): os eixos rotativos posicionam a ferramenta ou a peça numa orientação fixa e a maquinagem faz-se depois a 3 eixos.
• Altura de crista (scallop): altura do material que fica entre duas passadas vizinhas de uma fresa esférica ou tórica.
• Altura de segurança: cota Z acima de tudo o que está na mesa, onde se fazem os movimentos rápidos.
• Bruto (stock): material de partida onde a peça vai ser maquinada. Bruto residual: o que resta depois de uma operação.
• CAM: fabrico assistido por computador; transforma o modelo digital em trajetórias de ferramenta e código CNC.
• Colisão: contacto indevido entre ferramenta, haste, porta-ferramenta ou cabeça e a peça, o molde ou a fixação.
• Contrassaída: zona de uma peça que fica escondida quando vista na direção da ferramenta, e que a 3 eixos não se alcança.
• Corte concordante e discordante: relação entre o sentido de rotação da ferramenta e o sentido de avanço, que influencia o acabamento.
• Desbaste: operação que remove rapidamente o excesso de material, sem se preocupar com o acabamento fino.
• Estratégia de maquinagem: forma como a trajetória cobre a superfície (patamares, paralela, níveis constantes, espiral, radial, offset, resto).
• Fresa esférica (ponta esférica): fresa com a ponta em meia esfera; a ferramenta típica de acabamento 3D.
• Interpolação a 5 eixos: movimento simultâneo dos três eixos lineares e dois rotativos, com a orientação da ferramenta a variar ao longo da trajetória.
• Molde de fixação: dispositivo que segura a peça durante a maquinagem, muitas vezes com o negativo da sua forma.
• n max: rotação máxima admissível gravada na ferramenta.
• Passo lateral: distância entre passadas vizinhas.
• Pós-processador: programa que converte as trajetórias do CAM no código CNC da máquina de destino.
• Resto: material remanescente que uma operação não conseguiu remover.
• Semiacabamento: operação intermédia que deixa uma sobreespessura uniforme antes do acabamento final.
• Sobrematerial: espessura de material que uma operação deixa, de propósito, sobre a superfície final.
• Tolerância de cálculo (cordal): desvio máximo aceite entre os segmentos da trajetória e a superfície teórica.
• Waterline (níveis constantes): estratégia de acabamento por contornos horizontais, própria para paredes íngremes.
• Zero peça: ponto de referência definido para cada trabalho, a partir do qual se medem as coordenadas do programa.
• EPI: equipamento de proteção individual.

Síntese

Maquinar peças com superfícies tridimensionais segue sempre a mesma ordem: modelo digital verificado, componente posicionado no espaço de maquinagem (eixos segundo a regra da mão direita, Z no eixo da ferramenta, zero peça bem definido), ferramentas configuradas com as medidas reais, operações de CAM encadeadas (desbaste, semiacabamento, acabamento, resto) com a estratégia certa para cada inclinação, passo lateral calculado pela altura de crista e tolerância adequada, trajetórias calculadas e simuladas com deteção de colisões e de resto, pós-processamento para o código da máquina e verificação dos extremos, montagem de ferramentas, molde e material na máquina real, e maquinagem com segurança e controlo da qualidade. A interpolação a 5 eixos entra apenas quando a geometria o exige: contrassaídas, zonas fundas onde a ferramenta vertical seria longa demais, ou acabamentos em que convém tirar o centro da fresa esférica do contacto. Tomar bem essa decisão, e simular sempre antes de cortar, é o que separa um processo profissional de um processo arriscado.

Exercícios resolvidos

1. Uma peça tem, numa face lateral, um sulco escondido por baixo de uma aba (visto de cima não se vê). Que modo de maquinagem se justifica e porquê?

Resolução: é uma contrassaída. A 3 eixos a ferramenta, sempre vertical, nunca lá chega. Justifica-se a interpolação a 5 eixos (ou um posicionamento 3+2, se uma única inclinação bastar), inclinando a ferramenta para entrar por baixo da aba; em alternativa, uma segunda fixação com a peça rodada.

2. Que diferença há entre resto previsto e resto inesperado, depois de simular uma operação de desbaste?

Resolução: o resto previsto corresponde a zonas mais estreitas do que a ferramenta ou a cantos com raio menor do que o seu, que por conceção ficam para uma ferramenta mais pequena ou para o acabamento; o resto inesperado é sinal de um erro (limites mal definidos, orientação errada da ferramenta, estratégia mal escolhida) e deve ser investigado antes de avançar.

3. Uma fresa esférica D 8 mm acaba uma superfície com passo lateral de 1,2 mm. Qual é a altura de crista? E que passo daria 0,02 mm?

Resolução: R = 4 mm; (s/2)² = 0,6² = 0,36; h = 4 - √(16 - 0,36) = 4 - √15,64 = 4 - 3,9547 ≈ 0,045 mm. Para h = 0,02 mm: s ≈ √(8 × 4 × 0,02) = √0,64 = 0,8 mm. Confirmação: h = 4 - √(16 - 0,16) = 4 - 3,9799 ≈ 0,020 mm.

4. Uma fresa D 10 mm, z = 2, roda a 16 000 rpm com avanço de 6 m/min. Calcula vc e fz e comenta.

Resolução: vc = π × 10 × 16 000 / 60 000 ≈ 8,4 m/s. fz = 6000 / (16 000 × 2) = 6000 / 32 000 ≈ 0,19 mm. É um avanço por dente razoável para acabamento em madeira; confirmar sempre com os valores do fabricante da ferramenta para o material concreto.

5. A simulação assinala uma colisão entre o porta-ferramenta e a parede de uma cavidade profunda. Qual é a causa mais provável e como se corrige?

Resolução: a ferramenta não tem comprimento livre suficiente para a profundidade da cavidade (profundidade mais folga). Corrige-se com uma ferramenta de maior comprimento livre (reduzindo avanço e passo por causa da flexão), com uma fresa cónica mais rígida, ou inclinando a ferramenta (3+2 ou 5 eixos) para afastar o porta-ferramenta; depois recalcula-se e simula-se tudo de novo.

6. Uma peça de 50 × 50 mm é fixada por vácuo com depressão de 0,7 bar. Qual é a força teórica de fixação? É muita ou pouca?

Resolução: área = 0,050 × 0,050 = 0,0025 m²; depressão = 70 000 Pa; F = 70 000 × 0,0025 = 175 N teóricos, menos na realidade. É pouca para um desbaste com fresa grande: convém usar patilhas ligadas ao bruto, parafusos ou grampos, ou passadas leves.

7. Um programa CNC gerado com o pós-processador de outra máquina foi carregado no comando. Que problema é de esperar?

Resolução: o comando pode recusar o programa ou, pior, interpretá-lo de forma diferente da prevista (funções, origens, ângulos dos rotativos), gerando movimentos incorretos mesmo com a simulação do CAM certa. O pós-processador tem de corresponder à máquina e ao comando de destino, e o código deve ser simulado depois de gerado.

8. Antes de correr um programa numa peça com molde de fixação dedicado, que verificações finais se fazem?

Resolução: molde montado na posição e orientação do programa e bem preso à mesa; material bem fixo e sem grampos, parafusos ou tubos no caminho da ferramenta ou da cabeça; zero peça real igual ao do programa; ferramentas certas, medidas e com n max acima da rotação pedida; simulação (com molde e grampos modelados) sem colisões; proteções e aspiração operacionais; EPI; primeira execução com avanço reduzido.