O princípio de localização 3-2-1 no projeto de gabaritos e dispositivos

Se alguma vez segurou duas peças acabadas da mesma produção e reparou que os orifícios não estão alinhados, o problema está quase sempre relacionado com a forma como a peça de trabalho foi colocada no gabarito. O princípio 3-2-1 é a base que corrige esse problema. É a regra que todos os engenheiros de fixação aprendem primeiro, e é a razão pela qual um gabarito corretamente concebido pode produzir 10.000 peças idênticas seguidas.

Este guia explica o que é o princípio 3-2-1, porque é que utiliza exatamente seis pontos, como aplicá-lo a peças reais e os erros de conceção que arruínam silenciosamente a precisão no chão de fábrica.

O que significa o princípio 3-2-1 em linguagem simples

O princípio 3-2-1 afirma que uma peça de trabalho pode ser totalmente localizada no espaço utilizando seis pontos de contacto colocados em três faces: três pontos na face primária, dois na face secundária e um na face terciária. Estes seis contactos removem os seis graus de liberdade da peça, o que significa que esta não se pode mover em qualquer direção sem ser levantada do gabarito.

Parece simples, mas a colocação desses seis pontos é o que separa um gabarito de precisão de um que produz sucata.

Os seis graus de liberdade

Cada objeto rígido no espaço 3D pode mover-se de seis maneiras:

• Translação ao longo do eixo X (para a frente e para trás)
• Translação ao longo do eixo Y (esquerda e direita)
• Translação ao longo do eixo Z (para cima e para baixo)
• Rotação em torno do eixo X (inclinação)
• Rotação em torno do eixo Y (guinada)
• Rotação em torno do eixo Z (roll)

Para maquinar uma peça com precisão, todos estes seis movimentos têm de ser controlados. Se um deles for deixado livre, a peça deslocar-se-á sob a ação das forças de corte e a posição do furo será desviada. O método 3-2-1 controla todos os seis com o número mínimo de pontos de contacto, o que é mecânica e matematicamente eficiente.

Como funciona cada conjunto de pontos

Os 3 pontos da face primária

A face primária é a superfície maior e mais plana da peça. Três pontos sobre esta face definem um plano. Quando a peça assenta sobre estes três pontos, são eliminados três graus de liberdade:

• Translação em Z (a peça não pode mover-se para baixo através dos contactos)
• Rotação em torno de X (a peça não pode ser projectada para a frente ou para trás)
• Rotação em torno de Y (a peça não pode guinar de um lado para o outro)

Os três pontos devem formar um triângulo o mais largo possível. Quanto mais afastados estiverem, mais estável será a peça. Os engenheiros chamam a isto o “triângulo de estabilidade”, que deve cobrir sempre a área diretamente por baixo das forças de corte.

Os 2 pontos da face secundária

A face secundária é o lado mais comprido da peça de trabalho. Dois pontos desta face definem uma linha. Empurrar a peça contra estes dois contactos remove mais dois graus de liberdade:

• Translação em Y (a peça não pode deslizar lateralmente contra a parede)
• Rotação em torno de Z (a peça não pode rodar em torno do seu eixo vertical)

Os dois pontos devem ser espaçados o mais possível ao longo da face secundária, pela mesma razão de estabilidade.

O 1 ponto na face terciária

A face terciária é a extremidade mais curta da peça de trabalho. Um único ponto aqui pára o último grau de liberdade: a translação em X. Com uma paragem final, a peça não tem mais para onde se mover.

Seis contactos. Seis graus de liberdade bloqueados. A peça de trabalho está totalmente localizada.

Uma forma visual de o compreender

Coloque um livro sobre a sua secretária. A secretária dá-lhe três pontos de contacto ao longo da parte inferior (os quatro cantos de um livro nunca tocam todos numa superfície de secretária ligeiramente imperfeita, razão pela qual três são suficientes). Deslize o livro até que a sua extremidade longa encoste à parede traseira. Agora, o livro tem mais dois contactos. Empurre uma extremidade curta contra a parede lateral. Um último contacto. O livro está agora totalmente localizado. Não o pode empurrar ou rodar sem o levantar.

Este é o princípio 3-2-1. A secretária, a parede traseira e a parede lateral estão a fazer o trabalho de um corpo de fixação.

Aplicação do 3-2-1 a um gabarito de perfuração real

Suponha que precisa de fazer quatro furos de montagem num suporte retangular de alumínio. O suporte mede 100 mm de comprimento, 50 mm de largura e 10 mm de espessura. Cada furo tem uma tolerância de posição de ±0,05 mm.

Eis o aspeto da disposição 3-2-1:

1. Face primária: A face inferior de 100 mm por 50 mm assenta em três almofadas maquinadas no interior do dispositivo. As almofadas formam um triângulo que cobre 80% da área de cobertura da peça.
2. Face secundária: O lado com 100 mm de comprimento é pressionado contra dois pinos de fixação afastados 70 mm.
3. Face terciária: A extremidade curta de 50 mm toca num batente ajustável.

Um grampo de alternância aplica pressão para baixo e lateral para manter o suporte firmemente assente contra os seis contactos. O perfurar os casquilhos no dispositivo estão pré-posicionados para corresponder aos quatro locais de furo necessários.

Todos os suportes que entram neste dispositivo tocam nos mesmos seis pontos, pelo que todos os suportes saem com os furos no mesmo sítio. É isso que significa repetibilidade na produção.

Quando é necessário alterar o 3-2-1

Peças de trabalho finas ou flexíveis

Um painel de chapa metálica com 1,5 mm de espessura dobrar-se-á sob a pressão da perfuração. Os contactos 3-2-1 continuam a ser os contactos de localização, mas adiciona almofadas de apoio extra sem localização por baixo da zona de corte. Estas almofadas apenas suportam a peça. Não a constrangem, o que evita uma definição excessiva da posição.

Peças de trabalho cilíndricas

As peças redondas não têm três faces planas, pelo que um V-block substitui o plano primário. O bloco em V entra em contacto com o cilindro ao longo de duas linhas (que, em conjunto, actuam como os três pontos primários), e um segundo bloco em V ou batente final trata da localização axial. O princípio mantém-se inalterado. Apenas a geometria se adapta.

Peças fundidas com superfícies rugosas

A localização contra uma superfície como fundida introduz variações porque cada fundição tem um perfil de superfície ligeiramente diferente. A solução consiste em maquinar primeiro três pequenas “almofadas localizadoras” na peça fundida e depois utilizar essas almofadas acabadas como contactos 3-2-1 em todas as fixações a jusante. A isto chama-se “maquinar para um localizador” e é uma prática comum nas fundições que fornecem lojas CNC.

Cinco erros que arruínam um jogo 3-2-1

1. Colocação dos três pontos principais demasiado próximos uns dos outros. Um triângulo de estabilidade estreito permite que a peça balance quando são aplicadas forças de corte. Espalhe os pontos.
2. Acrescentar contactos de localização adicionais “só por segurança”.” Um sétimo contacto cria uma peça com excesso de tensão. Os contactos lutarão entre si e a peça assentará de forma diferente sempre que for carregada. Utilize o mínimo.
3. Localização contra uma superfície rugosa ou não maquinada. A repetibilidade depende do facto de a superfície de localização ser consistente. Se a sua face primária tiver uma tolerância de planicidade de ±0,5 mm, as suas posições de furo herdarão esse erro.
4. Ignorando a direção de aperto. A força de fixação tem de empurrar a peça para os contactos de localização, e não para fora deles. Um grampo que levante a peça de uma almofada primária torna toda a configuração 3-2-1 sem sentido.
5. Utilização de pinos idênticos para os localizadores primário e secundário. Os dois pinos secundários devem ser um pino fixo (redondo) e um pino de diamante (ou aliviado). Isto evita que a peça fique presa se a face secundária tiver uma ligeira variação dimensional.

O princípio 3-2-1 e GD&T

Quando o 3-2-1 é aplicado a uma peça que tem indicações GD&T (Geometric Dimensioning and Tolerancing), a face primária torna-se o ponto de referência primário (A), a face secundária torna-se o ponto de referência secundário (B) e a face terciária torna-se o ponto de referência terciário (C). A fixação reproduz fisicamente a estrutura de referência do ponto de referência que o projetista especificou no desenho. Esta é a ligação entre a impressão de engenharia e o chão de fábrica, e é o que faz com que os resultados da inspeção correspondam à intenção do desenho.

Como a Yicen aplica o princípio 3-2-1

Todos os gabaritos e dispositivos personalizados construídos na Yicen Precision começam com uma revisão de pontos de referência em relação ao desenho da peça, seguida de um esboço de layout 3-2-1 antes de iniciar qualquer modelagem. As almofadas de localização são maquinadas com uma tolerância de planicidade de 0,005 mm ou superior, e as posições dos pinos são inspeccionadas numa máquina de medição por coordenadas (CMM) antes de o dispositivo ser libertado para produção. Para peças que requerem layouts modificados (peças redondas, chapas finas, operações de várias fases), os nossos engenheiros de fixação documentam o desvio da norma 3-2-1 e a razão para tal. Essa documentação é enviada ao cliente com o dispositivo de fixação para que a intenção do projeto nunca se perca.

Se a sua equipa estiver a deparar-se com desvios na posição do furo, resultados de inspeção inconsistentes ou taxas de refugo que aumentam durante um longo período de produção, a causa principal está quase sempre na fixação. Fale com a nossa equipa de engenharia de gabaritos e dispositivos sobre a revisão da sua configuração atual.

Perguntas mais frequentes

O princípio 3-2-1 é o mesmo que o princípio da localização em 6 pontos? Sim, são dois nomes para o mesmo conceito. “Localização de 6 pontos” refere-se ao número total de contactos. “3-2-1” refere-se à forma como esses contactos estão distribuídos pelas três faces.

É possível utilizar o princípio 3-2-1 para peças redondas? Sim, com uma modificação. Um bloco em V substitui o plano primário e fornece dois dos contactos de localização ao longo de um único eixo. O total continua a ser de seis graus de liberdade controlados.

Qual é a diferença entre localização e fixação? Os pontos de localização definem a posição da peça. A força de fixação mantém a peça contra esses pontos de localização. As duas funções estão sempre separadas num dispositivo de fixação bem concebido. Um grampo nunca deve atuar como um localizador.

Quantos grampos são necessários numa fixação 3-2-1? No mínimo, um grampo posicionado de modo a que o seu vetor de força empurre a peça para os contactos de localização. A maioria dos dispositivos de produção utiliza dois ou três grampos para distribuir a força de fixação e resistir à reação de corte.

E se a minha peça não tiver três faces planas? Nesse caso, a peça não pode ser localizada com um esquema 3-2-1 básico. Ou precisa de um esquema de localização personalizado (blocos em V, ninhos contornados, mandris de vácuo) ou precisa de uma operação de preparação que maquine primeiro superfícies de localização planas na peça.

Para mais informações sobre esta categoria mais vasta, consulte o nosso guia completo: Gabaritos de perfuração: Tipos, aplicações e projeto de engenharia.