Trajetória da ferramenta no acabamento superficial e no tempo de usinagem para o fresamento do aço VP100


Este artigo apresenta a influência das estratégias Zig-Zag e espiral no acabamento superficial e no tempo de usinagem de uma peça. Para a operação de acabamento, foram escolhidos planos paralelos.


G. Reinke, R. B. Silva, W. G. Júnior, R. V. Arencibia e A. Piratelli Fo

Data: 26/07/2017

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Figura 1 – Percursos efetuados pela ferramenta a partir de um ponto: espiral (a), Zig-Zag (b) e contornos sucessivos (c)[10]

Com o intuito de resolver problemas na fabricação de peças em pequenos lotes e com geometrias complexas as indústrias estão investigando significativamente em sistemas CAD/ CAM e em novas máquinas-ferramenta. O CAM é utilizado para gerar programas de comando numérico em máquinas CNC, fazendo do uso de um software de projeto (CAD)[2,5]. Ele tem como objetivo a realização de três atividades principais: calcular as trajetórias para a movimentação da máquina, realizar a simulação da usinagem da peça e gerar programas CNC para máquinas específicas[12].

Nem sempre a trajetória da ferramenta, que determina o melhor acabamento superficial da peça, é a opção mais aconselhável. Isso devido aos custos de usinagem que ele pode agregar. Todavia, a trajetória mais recomendável a ser seguida pela ferramenta é aquela na qual é possível conciliar um menor tempo de usinagem com valores de rugosidade, dentro das especificações do projeto[7].

Figura 2 – Trajetória da ferramentaem função da tolerância[6]

Quanto maior a precisão do desenho feito no software, melhor será a precisão das trajetórias geradas por ele, determinando a qualidade da peça. Os limites da geometria da superfície e das condições de corte escolhidas devem ser levados em consideração para a escolha da trajetória mais adequada para a ferramenta[10].

Na figura 1 estão representadas as três estratégias mais comumente utilizadas para a geração da trajetória da ferramenta. Em todos os casos, a ferramenta dá início ao processo de usinagem no ponto denominado “inicial”, situado na parte inferior esquerda.

A figura 1a mostra a estratégia chamada espiral, na qual a ferramenta pode se movimentar do centro para a borda ou ao contrário, com trajetórias uniformemente espaçadas, muito usadas para a usinagem de cavidades. A figura 1b traz a estratégia Zig-Zag, sendo nela que a ferramenta descreve trajetórias paralelas, com afastamento constante. Já na figura 1 (c) está representada a estratégia de contornos sucessivos, que é semelhante ao percurso percorrido pela ferramenta na estratégia Zig-Zag. Neste caso, a ferramenta tem seu início sempre na face onde a usinagem foi iniciada[10].

Figura 3 – Tipos de interpolação[13]

A figura 2 apresenta outro parâmetro importante quanto à qualidade final da peça. Ela mostra a tolerância, que está relacionada com o comprimento que os segmentos terão para o cálculo da trajetória da ferramenta, determinando a exatidão com que o modelo CAD[11] será acompanhado.

A tolerância é dada pelo programador, sendo normalmente definida como inferior e superior. Dessa forma, o CAM aplica a faixa de tolerância ao modelo geométrico e, então, determina a trajetória da ferramenta. Percebe-se que a tolerância CAM relaciona-se diretamente com a precisão da trajetória. Quanto menor a tolerância, maior será a acomodação da trajetória da ferramenta sobre o modelo geométrico[7].

Dentro das trajetórias a serem seguidas, um fator importante é o tipo de interpolação que será usado. A interpolação é responsável pelo cálculo dos valores intermediários entre dois pontos da trajetória, dividindo-os em segmentos. Os tipos de interpolação são classificados em linear, circular e polinomial ou spline.

Figura 4 – Características superficiais da peça usinada[1]

Na linear, a trajetória da ferramenta é feita por meio de segmentos de retas que melhor se adaptam à tolerância (figura 3). Já na interpolação circular (figura 3), são utilizados arcos para uma melhor adaptação à faixa de tolerância, permitindo, dessa forma, trajetórias mais suaves. A polinomial ou spline, por sua vez, utiliza segmentos de curvas, baseados em modelos matemáticos que geram uma trajetória da ferramenta mais suave e também mais precisa dentro da faixa de tolerância aplicada ao modelo[13].

Superfícies perfeitas, ou seja, sem nenhum tipo de defeito, seja ele macrogeométrico (erros de forma como cilindricidade, circularidade, retilineidade ou textura secundária) ou microgeométrico (rugosidade da superfície), são apenas uma referência, como uma base para comparação, pois elas não existem.

de ser avaliada por parâmetros que levam em conta algumas características superficiais da peça, conforme mostrado na figura 4. Isso quer dizer o comprimento da rugosidade (1), o comprimento da ondulação (2), a amplitude das cristas (3), a amplitude da ondulação (4) e sua orientação (5)[1].

O avanço e a geometria da aresta são condições de corte que também influenciam a rugosidade. Quando há um aumento no avanço, a rugosidade piora devido às relações geométricas com o raio de ponta da ferramenta[4].

O tempo de usinagem e a qualidade superficial estão diretamente relacionados com a estratégia da trajetória da ferramenta, devendo-se considerar alguns aspectos, como o tipo de movimento (Zig-Zag ou espiral), a orientação da trajetória da ferramenta e os movimentos de entrada e saída do material. Algumas estratégias mudam o sentido, fazendo com que a máquina acelere e desacelere várias vezes durante a usinagem, aumentando, dessa forma, o tempo do processo[11].

Material e metodologia

Figura 5 – Centro de usinagem Discovery 760 (a), pastilha de metal duro com revestimento de TiAlN (b), detalhe da fresa de ponta esférica (c) e dados geométricos do inserto (d)

Os ensaios foram realizados em um centro de usinagem CNC, modelo Discovery 760, fabricado pela Romi, com potência de 11 kW e rotação máxima de 10.000 rpm (figura 5). A máquina é equipada com CNC Siemens Simumerk 810D, com alta capacidade de processamento e 2,5 MB de memória disponível para armazenagem de programas.

As ferramentas utilizadas para os testes foram pastilhas de metal duro de ponta esférica (ball-nose) com revestimento de TiAlN, as quais possuem espessura (s) = 3,97 mm e comprimento (l) = 20 mm (figura 6). As pastilhas foram montadas em um porta-fresa de especificação R216-20T1020, com 20 mm de diâmetro, 185 mm de comprimento e rotação máxima de 6.000 rpm (figura 6). Foi utilizado um par de ferramentas novas para cada condição.

Foi importada do programa SolidWorks (Dassult Systémes) para o TopSolid CAD (Missler Software) uma peça de forma esférica, semelhante a uma lente de projetor. Em seguida, utilizou-se a plataforma do TopSolid CAM (figura 6), para a geração do código G. Nessa etapa, foram escolhidos os parâmetros de corte (ferramenta, máquina, estratégia e tolerância), para as condições de desbaste e acabamento (tabela 1).

Figura 6 – Dados geométricos da peça (a), tela do programa TopSolidCAD com o projeto do molde da lente (b), tela do programa TopSolid CAM (c) e peça bruta (d)

O material utilizado na peça foi o aço VP100, indicado para a fabricação de moldes de injeção de plástico. Ele é fabricado pela Villares Metals, com dureza de 32 HRC, e cortado em blocos com as seguintes dimensões: 100 mm de comprimento, 100 mm de largura e 42 mm de altura. O aço VP100 é considerado de média usinabilidade, boa polibilidade e soldabilidade e moderada resistência mecânica.

As variáveis de saída avaliadas foram a rugosidade superficial (desvio aritmético médio do perfil, Ra, e altura máxima do perfil, Rz) e o tempo de usinagem. Para realizar a medição da rugosidade superficial, foi selecionado um interferômetro Talysurf CLI 2000, do fabricante Taylor Hobson, e empregado o modo de medição por luz branca (modo CLA), que permite uma resolução vertical de 0,01 μm (figura 7).

Neste caso, foi considerada uma área de 1 mm2. Nesta medição, utilizou-se um espaçamento entre pontos de 0,5 μm e entre linhas de 2 μm. Foram coletados 501 perfis de rugosidade. A velocidade de medição foi definida em 200 μm/s, resultando num tempo de medição aproximado de 26 minutos/ peça.

Figura 7 – Interferômetro Talysurf CLI 2000

O comprimento de amostragem foi de 0,25 mm, sendo aplicado o filtro de Gauss. Para determinar o valor numérico de ambos os parâmetros de rugosidade, foi indicada a média dos valores de cinco perfis. Os tempos de usinagem foram obtidos com base nos dados do programa CNC, gerado pelo software TopSolid CAM.

Resultados e discussões

Na tabela 2 e na figura 8 são apresentados os valores de rugosidade em função de cada estratégia. Na figura 7 ainda são mostradas as fotos das peças após a usinagem de acabamento.

A incerteza expandida (U), associada à medição dos parâmetros de rugosidade Ra e Rz de ambas as peças, é mostrada na tabela 3. Nela, vef representa o grau de liberdade efetivo da medição e k, o fator de abrangência.

Na tabela 3, observa-se que a incerteza expandida, associada à medição de Ra, assume valores de 0,16 μm e 0,15 μm para as peças 1 e 2, respectivamente, enquanto para o Rz é de 1,02 e 1,44 μm.

Na figura 8, é possível ver que os valores de Ra estão abaixo de 0,6 μm para as duas estratégias empregadas. Os valores foram ligeiramente menores quando se empregou a estratégia Zig-Zag, tanto para o parâmetro Ra , quanto para Rz. Esses são valores típicos de operações de fresamento de acabamento de moldes, quando os parâmetros são corretamente selecionados.

Figura 8 – Parâmetros Ra e Rz, em função das condições de corte

Figura 9 – Peças acabadas: desbaste espiral/acabamento em planos paralelos (a), desbaste Zig-Zag/acabamento em planos paralelos (b)

Pesquisadores[3] investigaram a influência das condições de corte no acabamento durante o fresamento em aço endurecido com fresa ball nose. Foram considerados alguns parâmetros para o fresamento como, por exemplo a tolerância, a velocidade de corte, o passo lateral e a profundidade de corte na usinagem de um aço VP50. Foi verificado que os valores de rugosidade se mantiveram dentro da faixa de 0,38 μm e 0,72 μm, os quais estão próximos aos obtidos nesse trabalho[3].

Quando se trata de moldes e matrizes, as exigências por produtos injetados de melhor qualidade superficial (Ra normalmente menor que 0,1 μm na superfície do molde) tem provocado um aumento na dificuldade do monitoramento do acabamento superficial[9].

Na tabela 4, são mostrados os tempos de usinagem em função de cada estratégia para a condição de desbaste e também da etapa de acabamento, além do tempo total. Nesta tabela também estão registrados o número de linhas para cada programa, incluindo os processos de desbaste e de acabamento.

Observa-se que o tempo para a usinagem das peças na condição de acabamento foi o mesmo, já que houve alteração de estratégia apenas para a condição de desbaste. O tempo de usinagem dispendido para a confecção da superfície, quando se empregou a estratégia espiral, foi aproximadamente 14% menor do que o observado na estratégia Zig-Zag.

Já em relação ao número de linhas do programa, ele foi cerca de 58% menor (mais do que a metade) para a estratégia espiral. Sobre o número de linhas, pode-se dizer que a estratégia que faz mais uso da interpolação linear, que é o caso do Zig-Zag, conterá um maior número de segmentos e, consequentemente, um maior número de linhas.

Conclusão

Referências

  1. Camargo, R.: Rugosidade superficial nas operações de torneamento. SENAI Santa Bárbara D’Oeste (SP), 2002.
  2. Costa, D. D.; Volpato, N.: Usinagem de formas complexas empregando a técnica de fatiamento. 4o Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação (Cobef), São Pedro (SP), 2007.
  3. Da Silva, R. B.; Costa, G. G. S.; Duarte, R. F.: Influências das condições de corte no acabamento e tempo de usinagem durante o fresamento em aço endurecido com fresa ball nose. 6o Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação (Cobef), Caxias do Sul (RS), 2011.
  4. Ferraresi, D.: Fundamento da usinagem dos metais. 9a ed., 751 p., Edgard Blücher, São Paulo (SP), 1977.
  5. Figueira, R. J. C. M.: CAD/ CAE/CAM/CIM, licenciatura em computadores e sistemas. Instituto Tecnológico do Porto, Portugal, 2003.
  6. Helleno, A. L.; Schützer, K.: Fatores que Influenciam a usinagem de moldes e matrizes com altas velocidades. Revista de Ciência & Tecnologia, v.12, no 23, p. 7-14, 2004.
  7. Lasemi, A.; Xue, D.; Gu, P.: Recent development in CNC machining of freeform surfaces: a state-ofthe-Art review. Computer Aided Design (42), p. 641-654, 2010.
  8. Monreal, M.; Rodriguez, C. A.: Influence of tool path strategy on the cycle time of high-speed milling. Computer Aided-Design, v. 35, no 4, p. 395-401, Londres, 2003.
  9. Ramos, C. A. D.; Machado, A. R.: Usinagem de moldes e matrizes. 8o Colóquio de Usinagem, PUCMG, Belo Horizonte (MG), 2002.
  10. Rodrigues, M. A.: Desgaste das ferramentas de corte e do acabamento superficial a partir de diferentes estratégias CAD/ CAM. Revista Máquinas e Metais, Aranda Editora, Ano XLV, no 516, p.112-141, 2009.
  11. Souza, A. F.; Coelho, R. T.: Tecnologia CAD/CAM – Definições e estado de arte visando auxiliar sua implantação em um ambiente fabril. 23o Encontro Nacional de Engenharia de Produção, Ouro Preto (MG), 2003.
  12. Souza, A. F.; Ulbrich C. B. L.: Engenharia integrada por computador e sistemas CAD/CAM/ CNC – Princípios e aplicações. Artliber Editora, 336 p., São Paulo (SP), 2009.
  13. Schützer, K.; Helleno, A. L.: Redução do tempo de fabricação na manufatura de moldes e matrizes através do estudo nas metodologias de interpolação da trajetória da ferramenta. Universidade Metodista de Piracicaba (Unimep), Piracicaba (SP), 2003.