sociedade educacional de santa catarina...

SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA

INSTITUTO SUPERIOR TUPY

MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA

ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE DIFERENTES SISTEMAS CAM NA

USINAGEM DE SUPERFÍCIES COMPLEXAS UTILIZANDO ALTAS

VELOCIDADES

MARCELO LUIS ARIAS

JOINVILLE

2009

MARCELO LUIS ARIAS

ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE DIFERENTES SISTEMAS CAM NA

USINAGEM DE SUPERFÍCIES COMPLEXAS UTILIZANDO ALTAS

VELOCIDADES

JOINVILLE

2009

Dissertação apresentada ao Programa de Pós -

Graduação em Engenharia Mecânica do Instituto

Superior Tupy, como requisito para a obtenção do

título de Mestre em Engenharia Mecânica.

Orientador : Prof. Dr. Adriano Fagali de Souza

ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE DIFERENTES SISTEMAS CAM

NA USINAGEM DE SUPERFÍCIES COMPLEXAS UTILIZANDO ALT AS

VELOCIDADES

MARCELO LUIS ARIAS

Dissertação defendida e aprovada em 30 de junho de 2009 pela banca

examinadora constituída pelos professores:

_________________________________________

Prof. Dr. Adriano Fagali de Souza (orientador)

Instituto Superior Tupy

_________________________________________

Prof. Dr Ulisses Borges Souto

Instituto Superior Tupy

_________________________________________

Prof. Dr. Alessandro Roger Rodrigues

Universidade Estadual Paulista Júlio De Mesquita Fi lho

AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, minha família.

A todos os amigos que contribuíram indiretamente nesta empreitada.

Silvio Benedito, Valter Vander de Oliveira, Ariel (USP), Ricardo Arai(USP), Rebello,

Julio Cesar Tomio, Marcelo Ribeiro, Ernesto Berkenbrock, Gilberto Zluhan, Écio.

Agradecimento especial ao Dr. Reginaldo Coelho pela possibilidade de realizar os

experimentos no OPF.

Claus da ferramentaria Young

Tiago Graciano (SOCIESC), Leandro (laboratorista do programa do mestrado)

Thais Pires pelo apoio e paciência.

Karla e João Sobral da Univille – Universidade da região de Joinville, pelo suporte

para obtenção das fotografias do corpo de prova.

Sandra Trapp

Sandvik Corromant

Aços Villares S.A.

Agradecimento mais que especial ao Dr. Adriano Fagali, pela orientação, pela

constante motivação para o término deste trabalho com êxito. Pela amizade

desenvolvida ao longo do desenvolvimento desta dissertação e pela enorme

dedicação ao tema desenvolvido.

RESUMO

ARIAS, Marcelo Luis. Análise do comportamento de diferentes sistemas CAM

na usinagem de superfícies complexas utilizando alt as velocidades. 2009.

Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Programa de Pós-graduação em

Engenharia Mecânica, Sociesc, Joinville, 2009.

Embora o processo de usinagem em altas velocidades se encontre, atualmente, em

um estágio evoluído de desenvolvimento, as tecnologias empregadas nem sempre

conseguem satisfazer as condições requeridas, principalmente na fabricação de

formas geométricas complexas, encontradas frequentemente na indústria de moldes

e matrizes. Uma das limitações encontra-se nas trajetórias de ferramenta geradas

pelos sistemas CAM, que, tradicionalmente, utiliza a interpolação linear de

segmentos de retas para descrevê-las. Essa metodologia repercute em severas

oscilações da velocidade de avanço durante a usinagem. Este trabalho estuda as

trajetórias calculadas por diferentes sistemas CAM disponíveis no mercado atual e a

influência na oscilação da velocidade de avanço. Poucos trabalhos são encontrados

na literatura sobre o tema. Foram realizados experimentos práticos com objetivo de

verificar o comportamento de cada sistema CAM na usinagem de superfícies

complexas com altas taxas de avanço e velocidade de corte. Uma análise

comparativa demonstra que as trajetórias calculadas por diferentes sistemas CAM

repercutem significativamente no tempo real de usinagem, com diferenças de mais

de 19% de um sistema para outro.

Palavras-chave: Sistemas CAM, trajetórias de ferramenta, usinagem em alta

velocidade.

ABSTRACT

ARIAS, Marcelo Luis. Behavior of different CAM systems for high speed

machining of complexes surfaces. 2009. Dissertação (Mestrado em Engenharia) -

Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Sociesc, Joinville, 2009.

Although the machining process at high speeds are currently in an advanced stage of

development, the technologies employed can not always meet the required

conditions, mainly in the manufacture of complex geometric shapes, often

encountered in industry for molds and dies. One of the limitations is in the path of tool

generated by CAM systems. It is traditionally used the linear interpolation of

segments of straight lines to describe these trajectories. This approach reflected in

severe oscillations in the feed rate progress during machining. This study examines

the trajectories calculated for different CAM systems available on the market today,

and influence the oscillation of the speed progress. Few works are found in the

literature on the subject. Practical experiments were conducted in order to verify the

behavior of each CAM system in machining complex surfaces with high feed rate

advancement and rotation. A comparative analysis shows that the trajectories

calculated for different CAM systems significantly affect the actual time machine, with

differences of more than 19% of software to another.

Keywords : CAM systems, tool path generation, machining at high speeds.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Manufatura de produtos plásticos – Fonte ARIAS e SOUZA (2008).........16

Figura 2 - Operações booleanas – fonte BENEDITO (2009) ....................................24

Figura 3 – Edição de um ponto da superfície ............................................................25

Figura 4 - Bloco de matéria-prima - Fonte SOUZA(b) (2005) .....................................27

Figura 5 - Trajetórias de ferramenta para usinagem de bolsões – Fonte PATELOUP

et al (2004) .........................................................................................................27

Figura 6 - Geometria dos bolsões estudados - Fonte PATELOUP ET AL (2004) .....28

Figura 7- Principais estratégias de usinagem de acabamento – Fonte POWERMILL

...........................................................................................................................29

Figura 8 - Comparação entre estratégias de corte - Fonte: G. WEINERT E

GUTERMANN (2000).........................................................................................30

Figura 9 - Corpo de prova desenvolvido – Fonte Souza (2001)................................31

Figura 10 - Comparativo do tempo estimado com o tempo real de usinagem - Fonte

SOUZA (2007) ...................................................................................................32

Figura 11 - Método para pós-processamento de programas CNC – Fonte SOUZA

(2004).................................................................................................................34

Figura 12 - Determinação dos segmentos de reta dentro da faixa de tolerância

definida no sistema CAM – Fonte SOUZA e COELHO (2007)...........................35

Figura 13 - Interpolação linear e interpolação circular - Fonte SOUZA (2000)..........37

Figura 14 - Velocidade de avanço com interpolação linear (avanço de 3500 mm/min)

- Fonte SOUZA (2004) .......................................................................................37

Figura 15 - Velocidade de avanço com interpolação circular (avanço de 3500

mm/min.) - Fonte SOUZA (2004) .......................................................................38

Figura 16- Trajetória da ferramenta calculada por um sistema CAM.- Fonte ARIAS e

SOUZA (2008) ...................................................................................................41

Figura 17 - Cálculo das trajetórias de ferramenta. Fonte – ARIAS e SOUZA (2008) 42

Figura 18 - Malha de triângulos – Fonte CHEN E SHI (2008)...................................43

Figura 19 - Método paramétrico - Fonte MISRA et al (2008)....................................44

Figura 20 - Método drive surface - Fonte MISRA et al (2008)..................................44

Figura 21- Método com plano auxiliar - Fonte MISRA et al (2008)............................45

Figura 22- Algoritmo de Castelajau aplicado em uma curva de Bezier de grau 3 -

Fonte LEE (1998)...............................................................................................46

Figura 23 - Geração dos pontos da curva de Bezier de grau 2, usando-se o algoritmo

de Casteljau – Fonte CARVALHO (2009) ..........................................................47

Figura 24- Metodologia do offset inverso da ferramenta – FONTE MISRA et al (2008)

...........................................................................................................................48

Figura 25 - Cálculo do ponto CL – Fonte LEE (1998) ...............................................50

Figura 26 - Exemplo de uso da equação...................................................................50

Figura 27 - Número de pontos gerados na região estudada – fonte SOUZA et al

(2006).................................................................................................................52

Figura 28 - Perfil do corpo de prova Souza (2004)....................................................54

Figura 29 - Fixação do corpo de prova......................................................................55

Figura 30 - Centro de usinagem vertical HERMLE....................................................58

Figura 31 - Centro de usinagem FEELER.................................................................58

Figura 32- Estratégia de usinagem em passes paralelos unidirecionais...................60

Figura 33 - Análise do número de linhas...................................................................63

Figura 34 - Tempos obtidos nos diferentes sistemas CAM na usinagem em alta

velocidade ..........................................................................................................64

Figura 35 - Variação percentual do tempo de usinagem...........................................66

Figura 36 - Variação da taxa de avanço em todos os sistemas CAM .......................67

Figura 37 - Média e desvio-padrão do avanço na região 1 .......................................68

Figura 38 - Tamanho do segmento de reta na região 1 ............................................69

Figura 39 - Média do tamanho do segmento de reta na região 1..............................70

Figura 40 - Média do avanço na região 2..................................................................71



Figura 43 - Média de avanço na região 3..................................................................74




Figura 47- Tamanho do segmento de reta na região 4 .............................................78

Figura 48 - Média do tamanho de segmento de reta na região 4..............................79




Figura 52 - Regiões onde foram verificados os erros das trajetórias ........................84

Figura 53 - Comportamento dos sistemas CAM em regiões de usinagem ascendente

...........................................................................................................................85

Figura 54 - Comportamento dos sistemas CAM em regiões de usinagem

descendente.......................................................................................................86

Figura 55 - Média e desvio do padrão da rugosidade ...............................................87

Figura 56 – Tempo de usinagem X Número de linhas do programa CNC ................88

ABREVIAÇÕES E SIGLAS

CAD – Desenho (projeto) auxiliado por computador

CAM – Manufatura auxiliada pelo computador

CNC – Comando Numérico computadorizado

HSC – Usinagem em alta velocidade (High Speed Cutting)

CLF - cutter location file

CC - Cutter Contact

CL - Cutter Location

DIN - Deutsches Institut für Normung. (Instituto alemão de normas técnicas)

IGES - Initial Graphics Exchange Specification

AISI - American Iron and Steel Institute

HRc - Dureza Rockwell

OPF - Otimização dos Processos de Fabricação

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO E CONTEXTUALIZAÇÃO ...................... ..................................15

1.1 OBJETIVOS GERAIS.....................................................................................18

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..........................................................................18

1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO .......................................................................19

2 REVISÃO DA LITERATURA.............................. ...............................................20

2.1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE MOLDES E MATRIZES ......................20

2.2 PRINCIPAIS CONSIDERAÇÕES SOBRE OS SISTEMAS CAD....................22

2.2.1 – Modelamento em sólidos .........................................................................23

2.2.2 – Modelamento de superfícies ....................................................................24

2.3 CONCEITOS APLICADOS AOS SISTEMAS CAM ........................................25

2.3.1 Operação de desbaste calculada pelo CAM...............................................26

2.3.2 Operações de acabamento calculadas pelos sistemas CAM .....................28

2.3.3 Simulação da usinagem..............................................................................32

2.3.4 Pós-processamento ....................................................................................33

2.4 MÉTODOS DE INTERPOLAÇÃO DA TRAJETÓRIA DA FERRAMENTA......34

2.5 CÁLCULO DA TRAJETÓRIA DA FERRAMENTA..........................................40

2.5.1 Conceitos gerais sobre as trajetórias..........................................................40

2.5.2 Métodos para cálculo do ponto de contato ferramenta-peça ......................42

2.5.3 Métodos para cálculo dos pontos do programa CNC..................................49

2.5.4 Estudo base para desenvolvimento da dissertação....................................52

3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL.......................... .......................................54

3.1 CORPO DE PROVA.......................................................................................54

3.2 PROCEDIMENTOS PARA GERAÇÃO DOS PROGRAMAS CNC.................56

3.2.1 Movimentações de posicionamento da ferramenta.....................................56

3.2.2 Ferramenta e parâmetros de usinagem empregados .................................56

3.3 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS.....................................................................57

3.3.1 Centros de usinagem..................................................................................57

3.3.2 Aquisição da velocidade de avanço em tempo real ....................................59

3.3.3 Sistemas CAM avaliados ............................................................................59

3.3.4 Estratégias de usinagem.............................................................................60

3.4 ANÁLISES REALIZADAS...............................................................................61

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES............................ ...........................................63

4.1 TAMANHO DOS PROGRAMAS CNC............................................................63

4.2 TEMPO DE USINAGEM.................................................................................64

4.3 VARIAÇÃO DA TAXA DE AVANÇO...............................................................66

4.3.1 Resultados obtidos na Região 1 .................................................................68





4.4 ANÁLISE DOS ERROS DAS TRAJETÓRIAS................................................84

4.5 AVALIAÇÃO DA QUALIDADE SUPERFICIAL ...............................................87

4.6 SÍNTESE DOS RESULTADOS ......................................................................88

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS............................... ................................................90

5.1 CONCLUSÕES ..............................................................................................90

5.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS..............................................93

REFERÊNCIAS.........................................................................................................94

Capítulo 1 Introdução e Contextualização 15

1 INTRODUÇÃO E CONTEXTUALIZAÇÃO

A indústria automobilística, segundo Fallböhmer et al (1996), é a maior cliente

dos fabricantes de moldes e matrizes, seguidas pela indústria eletrônica e a de

eletrodomésticos. Os autores ainda apontam que mais de 60% do tempo de

fabricação de um molde ou de uma matriz é consumido na fabricação das partes

funcionais, que incluem superfícies complexas.

Segundo Daré (2000) a utilização de produtos de plástico tem crescido de

forma significativa nos últimos anos, sendo responsável por cerca de 35% do

consumo de polímeros produzidos no país. Com isso nota-se a necessidade do

constante desenvolvimento de tecnologias relacionadas à fabricação de moldes e

matrizes.

Conforme Boujelbene (2004), a fabricação do molde representa um custo de

30% na fabricação de um produto plástico. A redução no custo de manufatura do

molde representaria um significativo ganho para a indústria que utiliza produtos

plásticos.

Segundo Guzel e Lazoglu (2003), atualmente, encontram-se várias

ineficiências durante a fabricação de moldes e matrizes contendo formas complexas

mesmo em empresas que possuem tecnologia de ponta para esse processo de

fabricação.

O processo de fabricação desses moldes é bastante complexo e definido por

várias etapas distintas. Arias e Souza (2008) ilustram, na Figura 1, a cadeia

produtiva e as etapas de fabricação de moldes e matrizes com destaque para o

fresamento.


Figura 1 - Manufatura de produtos plásticos – Fonte ARIAS e SOUZA (2008)

Dentro dessa cadeia de fabricação de moldes e matrizes, alguns processos

são críticos em função da complexidade geométrica do produto. De acordo com

Löttgen (2003), dentre todos os processos de usinagem de moldes, a eletroerosão e

o fresamento são os mais utilizados, ambos são amplamente empregados para

gerar cavidades com superfícies complexas.

No processo de fresamento, a tecnologia HSC (High Speed Cutting) vem

sendo amplamente utilizada pela indústria de moldes e matrizes. Os parâmetros de

corte na usinagem HSC são, aproximadamente, dez vezes superiores aos

parâmetros convencionais de usinagem (SCHULZ, 1996). Segundo Toh (2005), a

usinagem em alta velocidade de corte caracteriza-se pela utilização de ferramentas

com diâmetro menor ou igual a 10 mm e utilização de rotações maiores ou iguais a

10000 RPM.

Pasini e Zeilmann (2004) observaram que cavidades fabricadas em HSC

apresentaram menor desgaste durante sua utilização e uma vida útil e produtividade

maior em relação à mesma cavidade fabricada por eletroerosão. Desse modo,

concluíram que a aplicação do processo HSC, em substituição ao processo de

eletroerosão, gerou ganhos.

CAD/CAM Máquina / CNC Etapas do processo de usinagem

Processos de fresamento

Manufatura de produtos plásticos que utilizam ferramen tais

Desenvolvimento de

Produto

Ciência dos materiais Fabricação do

ferramental

Processos de

transformação

Inspeção e

Certificação

Projeto do ferramental

Cadeia de Manufatura

Eletro-erosão Torneamento Retificação Fresamento Processos de usinagem

Desbaste Alívio de cantos Pré-acabamento Acabamento

Polimento Ajustes Usinagem Processos de fabricação

Inspeção


Porém, segundo Souza (2004), o desenvolvimento da tecnologia HSC pelas

indústrias, isoladamente, se torna inviável, pois não se trata apenas de um eixo

árvore e servomotores trabalhando em alta velocidade, mas de uma nova concepção

do processo de fabricação. Para Lux (1999), no campo de fabricação de moldes, há

um crescente aumento do processo de fresamento em altas velocidades para

usinagem de aços endurecidos.

Para a utilização dessa tecnologia, são necessárias máquinas com maior poder

de aceleração e desaceleração, maior rotação no eixo-árvore, ferramentas

adequadas ao processo, novas estratégias de usinagem, maior eficiência dos

sistemas CAD/CAM, enfim todos os fatores relacionados à usinagem.

De acordo com Geist (1999), na aplicação da HSC para fabricação de moldes

e matrizes, o aumento da taxa de avanço é tão importante quanto o aumento da

velocidade de corte. A elevada frequência dos eixos-árvore, em combinação com

altas taxas de avanço, é uma caracterização precisa da HSC para a manufatura de

moldes e matrizes.

A velocidade de corte, juntamente com o diâmetro da ferramenta, define a

rotação de trabalho do eixo-árvore. A rotação define, juntamente com o avanço por

aresta e o número de arestas de corte, a velocidade de avanço da usinagem.

Contudo Souza (2001) e Schutzer, Helleno (2007) verificam, através de

experimentos, que a taxa de avanço sofre severas oscilações ao longo de trajetórias

complexas. Um dos fatores geradores dessas oscilações da taxa de avanço está

relacionado com os métodos de interpolação de ferramenta ao longo da trajetória

usinada. Um método amplamente utilizado para interpolação da trajetória da

ferramenta é a geração de segmentos de reta ao longo do perfil usinado. O usuário

do sistema CAM define a geometria da peça, bem como a banda de tolerância de

usinagem. Segundo Souza (2001), na interpolação linear, o sistema CAM determina

a trajetória da ferramenta através de segmentos de retas que melhor se adaptam à

faixa de tolerância utilizada.

Na tecnologia HSC, em que as exigências com a velocidade são maiores, o

método de interpolação linear começa a gerar diversas limitações, principalmente

quanto ao avanço de usinagem e à exatidão do modelo geométrico (SOUZA 2000).


Nesse contexto, o presente trabalho apresenta um estudo sistemático das

trajetórias geradas por diferentes sistemas CAM para usinagem de superfícies

complexas envolvidas na fabricação de moldes e matrizes. Como relata Souza et al

(2006), diferenças entre trajetórias calculadas por diferentes sistemas CAM podem

ser observadas, contudo, apesar do significativo impacto das trajetórias no tempo de

usinagem e na qualidade superficial, poucos estudos relacionados podem ser

encontrados.

1.1 OBJETIVOS GERAIS

Este trabalho tem por objetivo geral desenvolver o conhecimento sobre a

geração de trajetórias de ferramentas calculadas por sistemas CAM e observar o

comportamento de diferentes sistemas CAM no cálculo de trajetórias para a

usinagem de formas complexas. São realizados experimentos de usinagem e uma

análise criteriosa sobre as trajetórias geradas.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Este trabalho tem por objetivos específicos:

a) Realizar levantamento bibliográfico sobre os temas relevantes ao estudo;

b) Realizar estudo das tecnologias envolvidas na fabricação de superfícies

complexas;

c) Definir um corpo de prova que apresente a usinagem de moldes e matrizes;

d) Desenvolver a programação de usinagem de desbaste ao acabamento do

corpo de prova;

e) Desenvolver a usinagem de acabamento do corpo de prova em 5 diferentes

sistemas CAM;

f) Verificar o tempo real de usinagem;


g) Analisar as trajetórias de ferramenta;

h) Verificar a qualidade superficial do corpo de prova.

1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO

Este trabalho divide-se em cinco capítulos, brevemente descritos a seguir, além

das referências.

� Capítulo 1 – Introdução e contextualização – Apresenta o cenário da indústria

de moldes e matrizes, os principais processos relevantes para fabricação, a

tecnologia de usinagem em alta velocidade bem como os objetivos propostos

para realizar o trabalho.

� Capítulo 2 – Revisão da literatura – São apresentadas as principais

tecnologias e ciências envolvidas nesse trabalho, especificações e

características.

� Capítulo 3 – Procedimento experimental – Descreve-se cada etapa do

experimento na respectiva ordem de execução, são apresentados os critérios

para análise do problema, bem como os recursos empregados no trabalho.

� Capítulo 4 – Análise dos resultados – São analisados os resultados obtidos

nos experimentos e realizadas as devidas comparações entre os sistemas

CAM analisados.

� Capítulo 5 – Conclusões – Descrevem-se as conclusões finais do trabalho. Os

aspectos importantes são evidenciados, além de sugestões para futuros

trabalhos.

� Referências – Contém todas as referências bibliográficas deste trabalho.

Capítulo 2 Revisão Bibliográfica 20

2 REVISÃO DA LITERATURA

De forma geral, são apresentados os conceitos principais sobre a fabricação de

moldes e matrizes, sistemas CAD/CAM e cálculo de trajetórias de ferramenta.

Estudos científicos mais específicos aos sistemas CAM também estão registrados

neste capítulo.

2.1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE MOLDES E MATRIZES

Dentro deste estudo, é apresentado um detalhamento do processo de

fabricação de cavidades, que é o principal componente de um molde. Segundo Fu

(2008), os produtos são formados por meio do preenchimento das cavidades,

espaços que ficam entre o núcleo e o bloco, também denominado de macho e

cavidade. De acordo com a complexidade da peça, é possível utilizar vários recursos

para se ter a moldabilidade e desmoldagem do produto.

A usinagem da cavidade visa à máxima aproximação da peça usinada ao

modelo gerado no CAD. Essa etapa é normalmente realizada em fresadoras CNC,

com programas gerados em um sistema CAM, a partir de um modelo CAD. O

processo de fabricação é bastante complexo e possui algumas operações básicas

como:

� Desbaste

Lee (1998) afirma que existem dois tipos de processo de desbaste. Um

processo é utilizado quando o material bruto apresenta geometria próxima da

geometria final, nessa situação, o desbaste é calculado realizando um offset da

geometria final, da mesma forma que a operação de acabamento é calculada. O

segundo processo ocorre quando o desbaste é realizado em um bloco bruto, nesse

caso, determinada espessura do material bruto é removida camada por camada,

cuja trajetória é calculada como um bolsão.

No desbaste, a ferramenta trabalha em dois eixos e meio, isto é, um

incremento em um eixo – normalmente o eixo Z – e a realização da trajetória nos


outros dois eixos. Segundo Souza et al (2008), essa é a operação inicial do

processo de usinagem e tem por finalidade remover, de forma eficiente, a maior

quantidade de material antes de atingir a forma geométrica final.

� Alívio de cantos

O alívio de cantos consiste em uma usinagem posterior ao desbaste para

redução do diâmetro da ferramenta. O diâmetro da ferramenta de desbaste resulta

em um raio nas arestas das cavidades, logicamente esses raios são iguais ao raio

da ferramenta. Além de raios nos cantos das cavidades, algumas regiões mais

detalhadas da peça não são usinadas na operação de desbaste devido ao raio da

ferramenta utilizada.

Para a redução do raio nas arestas das cavidades e para que a usinagem

atinja áreas de maior detalhe do produto, é necessária a utilização de uma

ferramenta com menor diâmetro.

� Pré–acabamento

As etapas de desbaste e alívio de cantos são operações em dois eixos e meio,

que resultam em degraus no modelo usinado. Para realizar o acabamento no

modelo, é necessária a remoção dos degraus que resultam em volumes não

constantes no processo de acabamento e implicam pressões de corte diferenciadas,

prejudicando o acabamento superficial da peça.

� Acabamento

A operação de acabamento visa remover o sobremetal proveniente da

operação de desbaste, alívio de cantos e pré-acabamento. Essa operação é feita em

uma usinagem em 3 eixos e com parâmetros de corte adequados ao acabamento.

Tendo definida a operação a ser realizada, os sistemas CAM oferecem grande

variedade de estratégias de usinagem que definem as trajetórias da ferramenta,

sendo que cada estratégia realiza um cálculo diferenciado para o processo.


� Eletroerosão

O processo de eletroerosão é aplicado após o fresamento em regiões

específicas da cavidade, como rebaixos quadrados, áreas onde a ferramenta de

corte utilizada no fresamento não atinge. Outra aplicação é em materiais de elevada

dureza.

Esse processo é demasiadamente lento, por isso deve ser evitado ao máximo

no processo de fabricação de moldes e matrizes.

� Polimento

O polimento é utilizado para remover marcas de usinagem do processo de

fresamento e de eletroerosão, visto que o produto não pode apresentá-las. Esse

processo também é lento e, segundo Souza et al (2008), pesquisas apontam que o

processo de polimento consome 38% dos custos de fabricação do molde. Os

autores concluem que pesquisas para redução desse custo têm futuro promissor.

2.2 PRINCIPAIS CONSIDERAÇÕES SOBRE OS SISTEMAS CAD

A sigla CAD, proveniente da expressão inglesa, Computer Aided Design,

pode ser traduzida em desenho como modelamento ou projeto assistido por

computador.

O CAD é um software gráfico para uso de projetos em várias áreas de

atuação, pode ser empregado em projetos para setores de engenharia mecânica,

elétrica e civil. Pode também ser utilizado por arquitetos, em desenhos de plantas e

fachadas, e por designers, para desenvolvimento de novos produtos.

Segundo Souza(c) (2005), as primeiras aplicações de computadores para

auxiliar as etapas de engenharia tiveram início na década de 50, pelo Instituto

Tecnológico de Massachutts.

Os softwares daquela época eram bastante limitados, comparados com os

atuais, porém já apresentaram grandes vantagens comparadas aos desenhos de

pranchetas.


Segundo Foggiatto et al (2008), os sistemas CAD 2D foram projetados para

suprir a deficiência existente no desenho manual, que era um processo moroso e de

difícil reaproveitamento de dados. Com o avanço das plataformas CAD, o desenho

2D torna-se ultrapassado para várias aplicações industriais. Hoje, as plataformas

CAD apresentam forte desenvolvimento nas ferramentas para modelamento

tridimensional (3D).

2.2.1 – Modelamento em sólidos

A técnica de modelamento sólido pode ser feita de duas formas: a) com a

utilização das formas primitivas, como: cubo, cilindros, esferas; b) através de perfis

em formas de arame. Para modelagem de sólidos mais complexos, é possível a

utilização de comandos baseados em operações booleanas.

Para melhor entendimento da técnica de modelamento sólida, a Figura 2

mostra uma sequência de operações conhecidas como booleanas. São executadas

adição e subtração ao sólido. Uma vantagem relevante dos sólidos em relação à

superfície é a árvore de construção ao lado do sólido. Pela sequência de construção,

nota-se claramente a união e subtração dos sólidos da parte superior da Figura 2.

(FOGGIATTO et al, 2008 e LEE, 1998).


Figura 2 - Operações booleanas – fonte BENEDITO (2009)

Segundo Rutkauskas (2005), esse tipo de modelamento pode ser

parametrizado, ou seja, podem ser alterados através de associações e expressões,

basta uma única alteração em um parâmetro e a peça é totalmente atualizada.

Segundo Silva (2006), um modelo sólido pode ser carregado num ambiente CAM e

rapidamente analisado através de algoritmos de reconhecimento de características.

2.2.2 – Modelamento de superfícies

Os modeladores de superfícies utilizam formulações matemáticas mais

complexas, o que permite o modelamento de produtos e formas mais elaboradas. De

acordo com Rutkauskas (2005), esse tipo de modelamento, geralmente, não é

paramétrico, ou seja, conforme definido anteriormente, não é possível alterar a peça

apenas modificando um parâmetro ou uma determinada medida da peça.

Uma vantagem significativa dos modeladores de superfícies é a facilidade de

edição de um ponto qualquer ao longo da superfície. A Figura 3 apresenta a edição


de um ponto ao longo de uma superfície criada a partir de uma forma geométrica

primitiva. No exemplo, um ponto ao longo da esfera foi editado através dos vetores.

Figura 3 – Edição de um ponto da superfície

Algumas diferenças básicas entre os dois processos de modelamento podem

ser destacadas como:

� Os modeladores de sólidos criam modelos com volume, já os de superfície

geram apenas uma casca dos modelos.

� Dentro dos modeladores de superfícies, um ponto dentro da superfície pode

ser facilmente editado, conforme Figura 3.

� Os modeladores sólidos permitem adição e subtração de sólidos.

2.3 CONCEITOS APLICADOS AOS SISTEMAS CAM

Os sistemas de CAM, Computer Aided Manufacturing, geram programas CNC

de superfícies complexas a partir de um modelo CAD. Os sistemas CAM são

empregados para auxílio da manufatura de moldes e matrizes e de peças complexas

na indústria aeroespacial, por exemplo, dando maior agilidade e confiabilidade ao

processo de fabricação.


Segundo Costa e Perreira (2006), atualmente, observa-se uma extensa gama

desse tipo de sistema e a maioria é dirigida aos processos de usinagem. Alguns são

modulares, possibilitando ao usuário adquirir módulos de acordo com os processos

de seu interesse, por exemplo: torneamento, fresamento ou eletroerosão. Outros são

mais abrangentes e contemplam mais de um processo.

Os sistemas CAM possibilitam ganho de tempo na programação de máquinas

CNC e também possibilitam a usinagem de formas geométricas complexas,

resultando num desenvolvimento de produtos com formas elaboradas e em menor

tempo de fabricação.

A transferência do modelo é bastante simples quando os sistemas CAD e CAM

são de mesma plataforma, ou seja, do mesmo fabricante. Essa transferência, porém,

fica difícil quando o modelo é feito em plataforma CAD e importado para um

diferente sistema CAM.

As limitações da tecnologia CAM, segundo Silva (2006), são levadas em conta

ainda nas etapas de modelagem CAD, o que proporciona maior integração entre as

tecnologias CAD e CAM, pois muitos problemas constatados nas etapas de

programação CAM podem ser evitados, desde que, nas fases de modelagem CAD,

essas limitações sejam conhecidas.

2.3.1 Operação de desbaste calculada pelo CAM

Para usinagem CNC via sistema CAM, além do modelo CAD, é necessário

definir o material bruto. Segundo SOUZA(b) (2005), a matéria-prima pode ser

fornecida em duas circunstâncias: um bloco prismático com faces planas é realizado

dentro da plataforma CAM, informando as dimensões do bloco prismático. Uma

segunda possibilidade é utilizar uma geometria realizada no CAD, essa aplicação é

utilizada no caso de peças fundidas ou pré-usinadas. O sistema CAM reconhece a

geometria do bloco realizado no CAD, com o objetivo de calcular a usinagem exata

com relação à matéria-prima e à geometria da peça.


A Figura 4 apresenta as duas formas empregadas para definir o material bruto

para a usinagem gerada em sistemas CAD/CAM.

Figura 4 - Bloco de matéria-prima - Fonte SOUZA(b) (2005)

Pateloup et al (2004) realizaram estudos para verificação da influência da

trajetória da ferramenta na cinemática da máquina ferramenta e propuseram formas

distintas de cálculo de trajetória de ferramenta para usinagem de alojamentos de

cavidade. Adaptaram as trajetórias de usinagem à geometria da peça, eliminando

cantos vivos nas trajetórias de ferramenta, conforme mostra a Figura 5, visando

diminuir o tempo de usinagem dos bolsões.

Figura 5 - Trajetórias de ferramenta para usinagem de bolsões – Fonte PATELOUP

et al (2004)


A Figura 6 apresenta experimentos práticos na usinagem de bolsões com

geometrias, realizados por Pateloup et al (2004). Dentro desses experimentos, foram

aplicadas diferentes formas de interpolação de ferramenta e foram calculadas

trajetórias com uso apenas de interpolação linear, linear/circular e bsplines.

Figura 6 - Geometria dos bolsões estudados - Fonte PATELOUP ET AL (2004)

Com os experimentos, verificou-se que, em todos os estudos, uma trajetória de

ferramenta melhor adaptada ao bolsão usinado representou redução no tempo real

de usinagem entre 15 e 25%. Os estudos de Pateloup et al (2004) ainda

constataram que existe variação da taxa de avanço quando duas curvas são

executas em sequência.

2.3.2 Operações de acabamento calculadas pelos sistemas CAM

A operação de acabamento visa remover o sobremetal proveniente da

operação de desbaste. Essa operação é feita em uma usinagem em três eixos e

com parâmetros de corte adequados ao acabamento.

Para a realização de acabamento, os sistemas CAM oferecem diversas

estratégias de usinagem que são fator de grande importância, pois definem as


trajetórias da ferramenta, sendo que cada estratégia realiza um cálculo diferenciado

para o processo. O conhecimento prático dos usuários ainda é necessário para

realizar um processo eficiente.

Cada estratégia de usinagem pode ser mais adequada para uma específica

geometria, a escolha dentre as diferentes trajetórias de ferramenta pode representar

grande influência sobre o tempo necessário para a usinagem, desgaste de

ferramentas de corte e qualidade superficial (WEINERT e GUNTERMANN, 2000).

Isso se agrava na usinagem de superfícies complexas, onde a qualidade do

processo não é influenciada apenas pelo par ferramenta/peça, como é o caso do

fresamento comum, mas depende fortemente da utilização adequada da estratégia

de corte para um determinado grau de curvatura da superfície e a associação com

as superfícies adjacentes.

Segundo Souza (2004), dentre as principais trajetórias de usinagem para

acabamento, disponíveis em sistemas CAM, podem-se citar: trajetórias em passes

verticais paralelos; trajetórias em passes horizontais paralelos e trajetórias em offset.

A Figura 7 apresenta as principais estratégias de usinagem de acabamento

relacionadas por Souza (2004). Dentro da estratégia de passes paralelos, existem

possibilidades de variações dentro da própria estratégia. É possível definir uma

estratégia em uma única direção ou definir a usinagem nos dois sentidos de

movimento. Já a estratégia offset apresenta a possibilidade de iniciar a usinagem do

centro para a extremidade do contorno a ser usinado, bem como da extremidade do

contorno para o centro.

Figura 7- Principais estratégias de usinagem de acabamento – Fonte POWERMILL

3D Offset Passes Paralelos


O estudo realizado por Weinert e Guntermann (2000) constatou grande

diferença nos resultados obtidos por dois processos de usinagem, que se

distinguiam apenas pelas estratégias de corte utilizadas para o acabamento de uma

matriz de estampo, conforme mostra a Figura 8.

Figura 8 - Comparação entre estratégias de corte - Fonte: G. WEINERT E

GUTERMANN (2000)

O experimento consistiu na realização de duas cavidades com estratégias

diferenciadas. Na usinagem da primeira matriz, foram utilizadas trajetórias de

fresamento em passes paralelos; na segunda cavidade, utilizou-se uma estratégia

otimizada, composta por fresamento em curvas de nível nos setores mais íngremes

e usinagem em offset nos setores planos. O tempo de usinagem necessário para o

primeiro caso foi de 33,28 minutos, enquanto no segundo caso foram necessários

26,61 minutos. Estudos realizados por Silva Filho (2000) também sugerem, como

alternativa para otimizar a usinagem de moldes e matrizes, utilizar diferentes

estratégias de corte em função da região a ser usinada.

O projeto de pesquisa denominado HIDAM/BRPR980753 (High Speed Milling

in Die and Mould Making), realizado no Instituto Für Produktionstechnik und

Spanende Werkzeugmaschinen (PTW), da Universidade Técnica de Darmstadt,

Alemanha, teve a finalidade de avaliar a metodologia de usinagem de moldes e

matrizes entre empresas européias. Foi desenvolvido um modelo geométrico

contendo formas geométricas complexas para o processo de usinagem, conforme

mostra a Figura 9. O modelo foi utilizado como corpo de prova e fabricado por várias


empresas. Cada empresa fez uso de seus conhecimentos práticos para definir as

estratégias de usinagem.

Observaram-se grandes diferenças entre as metodologias de trabalho

empregadas por cada empresa, influenciando diretamente os resultados finais.

Figura 9 - Corpo de prova desenvolvido – Fonte Souza (2001)

O estudo realizado por Souza (2007) apresenta os resultados das diferentes

estratégias de usinagem, foram usinadas cinco cavidades com o mesmo perfil,

porém cada uma das cavidades foi usinada com uma estratégia de usinagem

distinta. Foi realizado um comparativo do tempo estimado pelo sistema CAM, com o

tempo real de usinagem de cada estratégia utilizada no experimento. Nota-se que,

analisando o gráfico da Figura 10, em apenas uma das estratégias utilizadas o

tempo de usinagem real foi muito próximo do tempo estimado pelo CAM. Com isso

pode-se concluir que quatro das cinco estratégias estudadas apresentaram variação

de avanço programado, o que, além de aumentar o tempo de usinagem, prejudica o

acabamento superficial do produto usinado.


TEMPO DE USINAGEM

0100200300400500600700800

1 2 3 4 5

CAVIDADE

TE

MP

O (

segu

ndos

) TEMPO ESTIMADO

TEMPO REAL

Figura 10 - Comparativo do tempo estimado com o tempo real de usinagem - Fonte

SOUZA (2007)

Salami et al (2006) realizaram estudos com o objetivo de otimizar a taxa de

avanço em usinagem de acabamento, utilizando ferramentas esféricas. Utilizaram

sistemas CAM, para calcular as trajetórias da ferramenta para usinagem do corpo de

prova. Os arquivos foram editados, alterando com a utilização de algoritmos

matemáticos. Os softwares utilizados nesse estudo foram o Scheme e o Visual

Basic.

Os autores concluíram que, através da utilização da otimização das trajetórias

das ferramentas, é possível uma redução de 10% no tempo total de acabamento.

2.3.3 Simulação da usinagem

Os sistemas CAM permitem ao usuário fazer uma verificação da usinagem

gerada. O usuário pode verificar as trajetórias de ferramenta, analisando a usinagem

antes de ser realizada em uma máquina CNC.

Segundo Souza(b) (2005), a simulação permite ao usuário verificar possíveis

colisões de corte, tais como:


� Colisão do sistema de fixação da ferramenta de corte (mandril e pinça) com a

geometria da peça.

� Colisão da ferramenta com dispositivos de fixação da matéria-prima na mesa

da máquina ou outros instrumentos da máquina

� Movimentações inadequadas da ferramenta, ocorrendo invasão da geometria

final.

Com isso o usuário tem maior garantia do processo a ser realizado, porém os

sistemas CAM simulam o programa gerado antes de ser pós-processado, portanto,

se houver algum erro de pós-processamento, o usuário não poderá visualizá-lo

nessas simulações.

2.3.4 Pós-processamento

Os programas gerados no CAM estão em formato computacional binário e,

para serem executados em uma máquina CNC, precisam ser convertidos para a

linguagem da máquina. Cada comando CNC possui uma linguagem própria, apesar

de alguns comandos apresentarem estrutura muito parecida, portanto o usuário

deve conhecer o comando da máquina CNC para executar o pós-processamento.

Juntamente com os dados da máquina operatriz e do comando da máquina

CNC, o pós-processador gera um programa CNC (Figura 11), composto por pontos

que representam a trajetória da ferramenta ao longo da geometria a ser usinada. O

arquivo é conhecido com cutter location file (CLF).


Figura 11 - Método para pós-processamento de programas CNC – Fonte SOUZA

(2004)

Como a simulação dos sistemas CAM ocorre antes do pós-processamento, há

possibilidade da utilização de programas para simulação de programas CNC após o

pós-processamento.

2.4 MÉTODOS DE INTERPOLAÇÃO DA TRAJETÓRIA DA FERRAMENTA

Segundo Souza (2001), na interpolação linear, o sistema CAM determina a

trajetória da ferramenta através de segmentos de retas que melhor se adaptam à

faixa de tolerância do sistema CAM. Os segmentos de retas são representados pelo

comando G01 da linguagem de programação ISO 6983, fazendo com que a

interpolação linear tenha uma representação matemática mais simples em relação

aos demais métodos.


A Figura 12 apresenta um exemplo da geração de segmentos de reta ao longo

de uma geometria, respeitando a banda de tolerância utilizada pelo usuário do

sistema CAM. A figura mostra dois semicírculos de raios distintos e o comprimento

de reta gerado, respeitando a mesma banda de tolerância. Nota-se que a geometria

da peça tem significativa influência no tamanho do segmento de reta gerado.

Esse método teórico, onde os pontos das trajetórias são calculados nos

extremos do valor da banda de tolerância, foi usado no presente trabalho, para

verificar a dispersão dos pontos ao longo da trajetória.

Figura 12 - Determinação dos segmentos de reta dentro da faixa de tolerância

definida no sistema CAM – Fonte SOUZA e COELHO (2007)

No entanto, na representação de superfícies complexas, a interpolação linear

tem como característica a grande segmentação da trajetória que, associada às altas

taxas de velocidade de avanço, resultará em significativos problemas de

desempenho dinâmico na manufatura em máquinas de três e cinco eixos. Dentre as


causas dos problemas, destacam-se o tempo de processamento do CNC e as

características de aceleração da máquina-ferramenta. O tempo de processamento

de bloco é uma característica do CNC, normalmente utilizado por seus fabricantes

como um parâmetro de desempenho, e pode ser definido como o tempo que o CNC

leva para ler e processar um bloco de informação do programa CNC. Quando o

tempo de processamento do bloco for maior que o tempo de usinagem do percurso

do segmento, a máquina atingirá o ponto de destino e a informação para o próximo

movimento ainda não estará disponível.

Segundo Scültzer et al (2000), essa metodologia acarreta algumas

inconveniências para a manufatura de moldes e matrizes, conforme enumeração a

seguir:

a) Programas CNC muito extensos;

b) Baixa qualidade de acabamento, devido ao "facetamento" da superfície

usinada;

c) Grande quantidade de informações para o CNC processar,

consequentemente, não permite alta velocidade de avanço em regiões

complexas com grande número de segmentos de retas.

A Figura 13 ilustra outro método em desenvolvimento para interpolações, que

corresponde à utilização em comum de interpolações lineares e circulares

(comandos G01; G02 e G03), para descrever uma trajetória complexa de

ferramenta. Segundo Souza (2001), esse método consiste na associação da

interpolação linear com a interpolação circular para a representação de uma

trajetória complexa de ferramenta, o que acarreta a geração de programas NC

contendo comandos G01, G02 e G03. A Figura 13 também ilustra os segmentos de

retas PO1 e PO2, associados aos arcos de circunferência R1 e R2, utilizados para

descrever a mesma trajetória de ferramenta.

Souza (2001) afirma que, inicialmente, utiliza-se esse tipo de técnica para

caminhos em duas dimensões. Alguns sistemas CAM são capazes de gerar esses

programas e a grande maioria dos CNC está apta a interpretar os comandos.


Figura 13 - Interpolação linear e interpolação circular - Fonte SOUZA (2000)

Souza (2004) realizou estudos usinando três semicírculos: o primeiro foi

usinado com avanço programado de 3500 mm/min, utilizando segmentos de reta

G01; o segundo foi usinado com a mesma taxa de avanço do primeiro, porém

utilizando interpolação circular; o terceiro foi usinado também com interpolação linear

(G01), mas com um avanço de 1000 mm/min. Além de uma grande variação de

avanço (Figura 14), constatou que em apenas alguns pontos a velocidade

programada (3500 mm/min) foi atingida, o que prejudica significativamente a

usinagem. Também constatou vibrações na máquina durante o experimento.

Velocidade de avanço programada: 3500 mm/min Interpolação linear G01

80

85

90

95

100

105

110

115

110 120 130 140 150 160 170

Coordenada X

Coo

rden

ada

Y

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Vel

. de

avan

ço [m

m/m

in]

TrajetóriaVel. de avanço

Figura 14 - Velocidade de avanço com interpolação linear (avanço de 3500 mm/min)

- Fonte SOUZA (2004)


Analisando a Figura 14, nota-se claramente a dificuldade de realizar usinagem

em alta velocidade de uma superfície complexa com o uso de segmentos de retas,

pois, com as variações de avanço, perde-se produtividade e qualidade superficial do

produto usinado.

No segundo semicírculo, onde foi utilizada uma trajetória circular, a taxa de

avanço não apresentou variações, conforme mostra a Figura 15.

Velocidade de avanço programada: 3500 mm/minInterpolação circular G02

80

85

90

95

100

105

110

115

110 120 130 140 150 160 170

Coordenadas X

Coo

rden

adas

Y

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Vel

. de

avaç

ano

[mm

/min

]

Trajetoria

Vel. de avanço

Figura 15 - Velocidade de avanço com interpolação circular (avanço de 3500

mm/min.) - Fonte SOUZA (2004)

Souza (2007) ainda verificou a variação de avanço com interpolação linear

usando uma taxa de avanço bem mais baixa. Constatou que a máquina não

apresentou variação de avanço. A velocidade de avanço de 1000 mm/min foi a taxa

máxima sem variação de avanço que conseguiu. O avanço médio encontrado no

experimento, utilizando interpolação linear, foi de 1.978 mm/min, e utilizando

interpolação circular, o avanço atingiu 3.500 mm/min.


Em outro estudo analisado, Schützer e Helleno (2007) realizaram um

comparativo de oscilação de avanço entre trajetórias calculadas através de

segmentos de reta (G01) e trajetórias calculadas através do uso de spline.

Com o uso de splines, a trajetória da ferramenta não é calculada através de

segmentos de reta ou por interpolação circular, mas por segmentos de curva,

baseado em complexos modelos matemáticos. Schützer e Helleno (2007) afirmam

que, com isso, os sistemas CAM poderão determinar a trajetória da ferramenta mais

suave e precisa que se adapte à tolerância do Sistema CAM.

Para esse estudo, os autores analisaram dois sistemas CAM, aplicando duas

tolerâncias de cálculo diferentes (0,05 mm e 0,005 mm). Ainda analisaram três

diferentes velocidades de avanço (2500 mm/min, 8000 mm/min e 15000 mm/min) e

usinaram o corpo de prova em duas máquinas CNC. Para uma velocidade de

avanço de 2500 mm/min e tolerância de cálculo de 0,05 mm, constataram uma

pequena variação de avanço.

Schützer e Helleno (2007) chegaram às seguintes conclusões:

a) Vantagens com relação ao comportamento da velocidade real das

interpolações spline sobre a interpolação linear;

b) Mesmo máquinas com alto desempenho dinâmico apresentam

limitações tecnológicas decorrentes da utilização da interpolação linear

na representação da trajetória da ferramenta na manufatura de

superfícies complexas;

c) Comportamentos distintos da velocidade de avanço real, em algumas

regiões do corpo de prova, decorrentes da utilização de diferentes

Sistemas CAM na geração da interpolação spline.

Segundo Souza (2004) e Souza e Coelho (2007), as trajetórias de ferramentas

utilizando funções splines requerem dois valores de tolerância para cálculo, a saber:

i) tolerância para o cálculo inicial de trajetórias lineares; ii) baseado nas trajetórias

lineares, o software calcula as trajetórias spline.


Segundo os autores, os algoritmos de cálculos de trajetórias spline ainda

carecem desenvolvimento, muitas equações splines ainda são geradas para

representar movimentações relativamente pequenas da ferramenta.

Boujelbene et al (2004) realizaram estudos comparando trajetórias de

ferramentas compostas por segmentos de reta e trajetórias utilizando pontos

gerados a partir de trajetórias linear/circular. Concluíram que as trajetórias

linear/circular apresentam as seguintes vantagens:

a) Menor tamanho dos arquivos/programas CNC;

b) Menor erro geométrico do modelo;

c) Menor rugosidade superficial;

d) Menor tempo de polimento de cavidade.

2.5 CÁLCULO DA TRAJETÓRIA DA FERRAMENTA

Neste item, apresenta-se a metodologia geral para cálculo das trajetórias da

ferramenta, uma sucinta descrição dos métodos para se obter os pontos de contato

da ferramenta sobre a superfície a ser usinada e alguns métodos para calcular os

pontos do programa CNC.

2.5.1 Conceitos gerais sobre as trajetórias

Segundo Chen e Ye (2002), a geração de trajetórias de ferramenta para

superfícies complexas é um processo árduo e vem sendo estudado desde o início

dos anos 80. Na maioria dos casos, a trajetória da ferramenta calculada por um

sistema CAM é representada por pontos gerados ao longo do perfil a ser usinado,

como ilustra a Figura 16. Posteriormente, os pontos calculados da trajetória são

transformados no programa CNC.

Para calcular os pontos da trajetória, o sistema CAM, inicialmente, calcula o

ponto de contato da ferramenta – Cutter Contact (CC) – sobre a geometria CAD 3D.


Empregando um método de compensação, calcula-se a localização da ponta central

da ferramenta, a qual é denominada Cutter Location (CL). Os pontos CL são pontos

contidos no programa CNC final.

Figura 16- Trajetória da ferramenta calculada por um sistema CAM.- Fonte ARIAS e

SOUZA (2008)

O método tradicional para descrever uma trajetória de ferramenta para a

usinagem de uma superfície complexa é a interpolação linear de segmentos de

retas, de acordo com a DIN 66025 (DÜRR e SCHÜNEMMAN, 1999). O CAM ajusta

a trajetória da ferramenta, dentro de uma banda de tolerância definida pelo usuário,

conhecida como "chord error". Quanto menor a banda de tolerância, mais próxima a

ferramenta estará da geometria CAD. Deve-se notar que o cutter contact é o ponto

que deve estar dentro dessa banda de tolerância e não a trajetória da ferramenta ou

o cutter location, como mostra a Figura 17.


Figura 17 - Cálculo das trajetórias de ferramenta. Fonte – ARIAS e SOUZA (2008)

Segundo Lee (1998), o fresamento de superfícies complexas pode exigir várias

trajetórias de ferramenta. Quando uma significativa quantidade de material precisa

ser removida, dois tipos de trajetórias são normalmente calculados.

2.5.2 Métodos para cálculo do ponto de contato ferramenta-peça

O cálculo da trajetória de ferramenta para acabamento envolve a aproximação

de segmentos de reta às curvas das superfícies a serem usinadas, fazendo a

ferramenta percorrê-los. A precisão da usinagem depende da precisão da geração

desses segmentos de reta.

Quando a estratégia está definida, bem como as curvas de aproximação da

trajetória, os pontos da curva são calculados. A distância entre os pontos não pode

ultrapassar os limites de tolerância requerida na usinagem.

Para obtenção dos pontos de contato através da triangulação da superfície a

ser usinada, Chen e Shi (2008) apresentam um método que consiste na divisão da

geometria no plano paramétrico em retângulos. Cada retângulo é divido em dois


triângulos, cuja malha criada no plano paramétrico é rebatida na superfície a ser

usinada (Figura 18).

Figura 18 - Malha de triângulos – Fonte CHEN E SHI (2008)

Os pontos de contato são obtidos através da intersecção da malha de

triângulos com a superfície do modelo. Estudos de Misra et al (2008), no método de

cálculo dos pontos de contato (CC), mostram que a geração da trajetória da

ferramenta é obtida por uma sequência de pontos CC ao longo da trajetória. Os

autores classificam o método em três categorias principais:

a) Método paramétrico: nesse método, as linhas de trajetória de ferramenta

são calculadas em um plano e, posteriormente, rebatidas sobre a superfície

a ser usinada (Figura 19). As linhas de trajetória de ferramenta são

calculadas com espaçamentos iguais no plano, porém as distâncias das

linhas de usinagem ficam com espaçamentos irregulares, quando rebatidas

sobre a superfície a ser usinada, gerando uma superfície irregular para

acabamento em função da obtenção de alturas de crista com diferentes

tamanhos.

Plano paramétrico Tridimensional


Figura 19 - Método paramétrico - Fonte MISRA et al (2008)

b) Método Drive Surface: nesse método, as trajetórias de ferramentas são

calculadas pela intersecção da superfície gerada com vários planos

chamados drive surface (Figura 20). As curvas geradas pelas intersecções

são então usadas para o cálculo preciso de trajetórias de ferramenta.

Figura 20 - Método drive surface - Fonte MISRA et al (2008)


c) Método Plano auxiliar: dentro desse método, gera-se um plano 2D auxiliar,

onde são rebatidas as linhas ou o próprio contorno da usinagem (Figura 21).

A vantagem desse método é a manutenção da geometria da peça na

geração dos pontos de usinagem.

Figura 21- Método com plano auxiliar - Fonte MISRA et al (2008)

Outra forma de obtenção dos pontos CC, apresentados por Lee (1998), é o

algoritmo de Casteljau (Figura 22), aplicado para obtenção dos pontos CC de uma

curva de Bezier. Choi (2004) afirma que o algoritmo de Casteljau é uma forma

simples para obter os pontos através do polígono de controle da curva.


Figura 22- Algoritmo de Castelajau aplicado em uma curva de Bezier de grau 3 -

Fonte LEE (1998)

O número de subdivisões está ligado ao grau da curva de Bezier, cujo grau é o

número dos vértices do polígono (pontos de controle) menos um.

Para aproximar uma curva polinomial entre dois pontos p0 e p1 dados, a

solução natural é um segmento de reta que passa por p0 e p1, cuja parametrização

mais comum é p (u) = (1 – u) p0 + u p1. Pode-se pensar em p (u) como uma média

ponderada entre p0 e p1. Observando que os polinômios (1 – u) e u somam 1 para

qualquer valor de u, são chamadas funções de mistura (blending functions). A Figura

23 ilustra o método proposto para a obtenção dos pontos.

Para gerar três pontos p0, p1 e p2 foram considerados, primeiramente, os

segmentos de reta p0-p1 e p1p2.

p01(u) = (1 – u) p0 + u p1

p11(u) = (1 – u) p1 + u p2

p02(u) = (1 –u) p01 + u p11


Figura 23 - Geração dos pontos da curva de Bezier de grau 2, usando-se o algoritmo

de Casteljau – Fonte CARVALHO (2009)

Segundo Lo (2000), a distância dos pontos gerados está relacionada à banda

de tolerância aplicada à usinagem, portanto depreende-se que o número de pontos

gerados e a precisão da distribuição dos mesmos estão relacionados ao número de

subdivisões do parâmetro u, que também é definido pela banda de tolerância

aplicada no sistema CAM.

Para aquisição dos pontos de contato (CC), Misra et al (2008) apresentam uma

metodologia que consiste em um offset da superfície, invertendo-se a ferramenta no

eixo Z (Figura 24). O offset da superfície tem o valor do raio da ferramenta utilizada

na usinagem.


Figura 24- Metodologia do offset inverso da ferramenta – FONTE MISRA et al (2008)

Com a movimentação da ferramenta invertida ao longo do offset gerado, o

centro da ferramenta percorre a superfície real do modelo, gerando os pontos de

contato da ferramenta na posição original.

Tang et al (1995) afirmam que o método de offset não é eficaz para superfícies

complexas, geometrias que apresentam lacunas ou vales apresentaram problemas

na utilização desse método.

A proposta de Chang et al (2009) para a geração de trajetórias de ferramentas,

consiste na geração de trajetórias tridimensionais na usinagem de superfícies

complexas. O modelo para geração de trajetórias de ferramentas garante quatro

princípios básicos na usinagem:

a) Manter largura de corte constante;

b) Simplificar trajetórias de ferramenta;

c) Evitar desgaste irregular da ferramenta;

d) Manter sentido de corte constante.


Yoon (2007) apresenta um modelo matemático para geração de trajetórias de

ferramenta que possibilita redução no tempo de processamento dos pontos

utilizados para geração do programa CNC. O modelo matemático proposto acusou

reduções de até 60% no tempo de processamento do arquivo.

2.5.3 Métodos para cálculo dos pontos do programa CNC

Após a determinação dos pontos de contato de corte (CC), os correspondentes

pontos de localização (CL- cutter location points) são calculados. Os pontos CL são

os pontos necessários para realização do programa CNC.

Lee (1998) apresenta uma formulação matemática para o cálculo dos pontos

CL na utilização de uma ferramenta esférica (Figura 25). O cálculo dos pontos é

realizado através da Equação 1. Constatou-se que esse método também é utilizado

por outros autores como Choi (2004).

Equação 1- Cálculo do ponto CL

rCL = rCC + R[n(u,v) – a] [Equação 1]

Onde:

rCL = vetor de posição

rCC = vetor de contato

R = raio da ferramenta

n(u,v ) = vetor unitário da superfície

a = vetor unitário da ferramenta


Figura 25 - Cálculo do ponto CL – Fonte LEE (1998)

Considerando uma superfície esférica com raio de 50 mm a ser usinada com

uma ferramenta de ponta esférica de 20 mm de diâmetro, pode-se facilmente

calcular três pontos CL, usando a Equação 1 (Figura 26).

Figura 26 - Exemplo de uso da equação


Para a posição inicial A, o que se tem é:

� rCL = vetor de posição

� rCC = (0,0)

� R = 10

� n(u,v) = (-1,0)

� a = (0,1)

rCL A = (0,0) + 10[(-1,0) – (0,1)]

rCL A = (0,0) + 10[(-1,-1)]

rCL A = (-10,-10)

Para a posição central B, o que se tem é:


� rCC = (50,50)

� R = 10

� n(u,v) = (0,1)

� a = (0,1)

rCL B = (50,50) + 10[(0,1) – (0,1)]

rCL B = (50,50) + 10[(0,0)]

rCL B = (50,50)

Finalmente, no ponto C, referente ao término da superfície usinada, o que se

tem é:


� rCC = (100,0)


� R = 10

� n(u,v) = (1,0)

� a = (0,1)

rCL C = (100,0) + 10[(1,0) – (0,1)]

rCL C = (100,0) + 10[(1,-1)]

rCL C = (110,-10)

Nota-se que, na posição B do exemplo, o CL e o CC têm a mesma

coordenada. Esse comportamento ocorre porque o vetor unitário da superfície e o

vetor unitário da ferramenta apresentam os mesmos valores e ambos se anulam na

equação.

2.5.4 Estudo base para desenvolvimento da dissertação

Souza et al (2006) apresentam uma análise comparativa de três sistemas

CAM, em que se podem verificar os números de pontos do programa CNC,

calculados entre cada sistema CAM (Figura 27). Nota-se grande disparidade entre

cada sistema.

Figura 27 - Número de pontos gerados na região estudada – fonte SOUZA et al

(2006)


Além disso, os autores verificaram o tempo de cálculo de trajetória, tempo de

processamento e tempo de usinagem de cada um dos três sistemas. As conclusões

mostraram variações de até 16,6% entre os sistemas estudados no tempo real de

usinagem.

Outra análise importante que realizaram, foi o comparativo entre o número de

linhas que cada sistema gerou para a usinagem do corpo de prova. Observaram

variações de até 21,33% nos sistemas estudados. Concluíram que algoritmos de

cálculo de trajetórias paralelas, empregado por sistemas CAM, são diferentes e

repercutem de forma relevante no processo de fabricação.

Nota-se que a escolha de um sistema CAD/CAM deve ser realizada

analisando alguns fatores envolvidos, como: fornecedores, comunicação com outros

sistemas CAx, tempos envolvidos de processamento.

Com base nos estudos realizados por Souza et al (2006), esta dissertação

propõe realizar uma investigação mais detalhada sobre a geração de trajetórias de

ferramenta para usinagem de geometrias complexas, verificando as variações da

velocidade de avanço, provenientes do uso de segmentos de reta, bem como a

dispersão dos pontos ao longo da trajetória usinada. Para isso foram realizados

experimentos utilizando um número maior de sistema CAM. A geometria do corpo de

prova foi segmentada em regiões onde ocorreu maior variação da velocidade de

avanço. Foram realizadas análises do desvio-padrão encontrado, mas no valor

médio das velocidades de avanço, bem como uma análise sistemática dos tamanhos

dos segmentos de reta obtidos por cada sistema CAM.

Capítulo 4 Resultados e Discussões 54

3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

O objetivo do experimento é verificar as trajetórias de ferramenta, para a

usinagem de formas complexas, geradas por diferentes sistemas CAM. Foi utilizado

um corpo de prova contendo formas geométricas complexas, representativas ao

segmento da indústria de moldes e matrizes. Sobre essa geometria foram gerados

programas CNC empregando cinco diferentes sistemas CAM.

Como os sistemas CAM permitem ao usuário grande diversidade de

estratégias de usinagem, foi utilizada a estratégia de passes paralelos unidirecionais

para gerar uma análise sistemática.

Realizou-se estudo adicional para verificar o tempo real de usinagem em um

centro de usinagem com características convencionais.

3.1 CORPO DE PROVA

O corpo de prova utilizado contém formas geométricas complexas, com a

finalidade de representar a fabricação de moldes e matrizes em situações críticas de

usinagem. A geometria para representar a usinagem de formas complexas (Figura

28) foi proposta por Souza (2004). O zero peça está posicionado nas coordenadas

X0, Y0 e Z45 mm, segundo o ponto de referência mostrado na Figura 28.

Figura 28 - Perfil do corpo de prova Souza (2004)

x

z

Ponto de referência


Com o objetivo de evitar problemas de transferência de arquivos entre

diferentes sistemas, optou-se em gerar um modelo CAD 3D em cada plataforma

CAD/CAM estudada. Para isso gerou-se um arquivo-padrão IGES, contendo o perfil

2D do corpo de prova, que sofreu extrusão de 10 mm para gerar o modelo do corpo

de prova, em cada plataforma CAD/CAM, como ilustra a Figura 28.

O presente estudo prioriza as operações de usinagem de acabamento. A

Figura 29 apresenta o corpo de prova após as operações de desbaste e pré-

acabamento, cuja geometria possuía uma espessura de sobremetal de 0,2 mm a ser

removida nas operações finais de acabamento.

Figura 29 - Fixação do corpo de prova

O corpo de prova, fabricado em aço AISI VP20 com dureza de 30 HRc, possui

300 mm de comprimento, 120 mm de largura e 70 mm de altura. A geometria é

dividida em cinco áreas transversais, com 10 mm de largura e foram usinadas pelos

cinco sistemas CAM avaliados.


3.2 PROCEDIMENTOS PARA GERAÇÃO DOS PROGRAMAS CNC

Para realização dos experimentos, foram elaborados procedimentos para

garantir que todas as usinagens fossem geradas no mesmo padrão para realizar

uma análise sistemática dos sistemas CAM estudados.

3.2.1 Movimentações de posicionamento da ferramenta

Todos os programas gerados mantiveram a mesma movimentação da

ferramenta para usinagem, que iniciava no ponto X0, Y0 e Z0. A partir do ponto zero,

a ferramenta realizou a usinagem do corpo de prova com o avanço programado de

4000 mm/min. No final da geometria, a ferramenta retornava ao ponto X0 e Z0 em

avanço máximo, deslocando-se 0,2 mm no eixo Y.

Certificou-se que o número de passes calculado por cada sistema ao longo do

eixo Y fosse o mesmo.

3.2.2 Ferramenta e parâmetros de usinagem empregados

Para a usinagem de acabamento do corpo de prova, foi utilizada uma fresa de

ponta esférica com 6 mm de diâmetro, duas arestas de corte, fornecida pela Sandvik

Corromant, com o código: R216.42-06030-AK07H 1610.

A Tabela 1 apresenta os principais parâmetros empregados nos estudos de

usinagem.


Tabela 1 - Parâmetros de usinagem

Parâmetros de usinagem Rotação 4000 RPM

Avanço de usinagem 4000 mm/min

Avanço de mergulho ou aproximação 4000 mm/min

Sentido de corte Concordante

Passe lateral 0,2 mm

Sobremetal 0,0 mm

Tolerância para cálculo das trajetórias 0,005 mm

3.3 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS

Nesse tópico são apresentados os centros de usinagem, os sistemas CAM

avaliados, o método para verificação da qualidade superficial e o sistema de

aquisição de dados para avaliar a velocidade de avanço real durante a usinagem.

3.3.1 Centros de usinagem

Foi utilizado o centro de usinagem de alta velocidade, fabricado pela empresa

alemã HERMLE modelo C800U(Figura 30), que apresenta três eixos de trabalho

com deslocamento no eixo X de 800 mm, 600 mm no eixo Y e 500 mm no eixo Z. O

centro possui eixo-árvore de 24000 RPM com potência de 18 kW e o comando

utilizado na máquina é o CNC Siemens 840D.


Figura 30 - Centro de usinagem vertical HERMLE

Foi utilizado também um centro de usinagem vertical FEELER FV 600(Figura

30), que utiliza o comando MITSUBISHI MELDAS 500 e apresenta as seguintes

características: deslocamento no eixo X de 610 mm, 450 mm no eixo Y e 505 mm no

eixo Z, com rotação máxima no eixo-árvore de 6000 RPM e potência de 5.5 kW.

Figura 31 - Centro de usinagem FEELER


3.3.2 Aquisição da velocidade de avanço em tempo real

Para realizar a comunicação com o CNC de forma eficiente, foi utilizada uma

placa de comunicação CP 5611, desenvolvida pela Siemens, disponível no

laboratório da USP de São Carlos. A placa é equipada com protocolo ProfiBus/MPI,

permitindo taxas de comunicação de até 12M Baud. Foi instalada em um PC pela

interface PCI 32 bits e conectada ao CNC, o que possibilitou a aquisição de variáveis

de máquina. Os parâmetros analisados foram as velocidades de avanço em cada

ponto de medição.

Os dados provenientes dos experimentos foram obtidos em rotinas de

aquisição, criadas com o software Labview. Essas rotinas realizam a aquisição, em

tempo real, da posição da máquina durante a usinagem e sua respectiva velocidade

de avanço. Posteriormente, os dados foram trabalhados no Microsoft Excel, para

realização dos gráficos utilizados nas análises de variação de avanço.

Os experimentos foram realizados no laboratório OPF - Otimização dos

Processos de Fabricação na USP de São Carlos.

3.3.3 Sistemas CAM avaliados

Para a realização do experimento, foram utilizados cinco sistemas CAM de

diferentes desenvolvedores, comumente utilizados na indústria de moldes e

matrizes.

Os sistemas CAM analisados foram:

• Powermill versão 7. - Sistema desenvolvido pela empresa Delcam

International plc.

• Cimatron versão E 3.0. - Sistema desenvolvido pela empresa Cimatron

Ltda.

• Edgecam versão 11.5. – Sistema desenvolvido pela empresa Pathtrace

Engineering Systems.


• Topsolid versão v6.9.252. – Sistema desenvolvido pela empresa Missler

Software.

• Unigrafics Nx4. - Sistema desenvolvido pela empresa Siemens Plm

Software.

Os sistemas CAM apresentados, não serão identificados pelo nome comercial,

durante a etapa experimental e nos resultados obtidos, por motivos éticos. Os cinco

sistemas serão tratados como “A”, “B”, ”C”, “D” e “E” sem respeitar a ordem acima

apresentada.

3.3.4 Estratégias de usinagem

Para o estudo proposto, empregou-se a estratégia de usinagem em passes

paralelos, em um único sentido, mantendo o corte concordante. A

Figura 32 apresenta as trajetórias da ferramenta.

Figura 32- Estratégia de usinagem em passes paralelos unidirecionais


As trajetórias de ferramenta foram calculadas utilizando interpolação linear

(G01), visto que essa é a metodologia comumente empregada para usinagem de

superfícies complexas. A

Figura 32 apresenta as trajetórias calculadas para a usinagem do corpo de prova. As

linhas verdes representam as linhas de trajetórias calculadas e os pontos dentro das

trajetórias estão em vermelho. Pode-se verificar que superfícies complexas

apresentam maior concentração de pontos que as superfícies compostas por

geometrias mais simples do corpo de prova.

3.4 ANÁLISES REALIZADAS

Para realizar uma avaliação sistemática dos resultados gerados pelos

diferentes sistemas CAM, alguns critérios e itens foram empregados:

a) Tamanho do programa CNC gerado por cada sistema CAM - Para a análise do

tamanho do programa CNC gerado em cada sistema CAM, utilizou-se o mesmo

programa usado para a usinagem de cada pista do corpo de prova. Cada programa

CNC gerado foi analisado no software Microsoft Excel para verificação do número de

linhas gerado em cada programa.

b) Tempo real de usinagem para cada programa gerado - O tempo real de

usinagem foi obtido por cronometragem direta durante a usinagem do corpo de

prova para cada sistema CAM. Adicionalmente foi realizada uma verificação no

tempo real de usinagem em um centro de usinagem com características

convencionais. Os tempos obtidos foram comparados com a estimativa que os

sistemas CAM oferecem aos usuários.

c) Tamanho dos segmentos de reta, dispersão dos pontos do programa CNC ao

longo da trajetória e variação da taxa de avanço ao longo da usinagem - Os

tamanhos dos segmentos de reta gerados foram obtidos analisando-se os

programas CNC gerados por cada sistema CAM estudado. A análise foi realizada no

software Microsoft Excel. Os tamanhos foram obtidos pela diferença de coordenadas


de cada ponto (CL – cutter location). Para verificação da variação da taxa de

avanço, foram analisados os resultados obtidos no software Labview, conforme item

3.3.2 deste trabalho. Com os resultados obtidos, foram gerados gráficos, no software

Microsoft Excel, que possibilitou a análise da variação do avanço, bem como foi

possível calcular a média da taxa de avanço.

d) Análise dos erros das trajetórias – Para verificar se os sistemas CAM geram

trajetórias de ferramenta respeitando os valores da banda de tolerância, foram

calculadas duas trajetórias para representar a banda de tolerância utilizada no

experimento realizado. Para assegurar confiabilidade neste estudo, estas trajetórias

foram calculadas com valores baixos de tolerância (0,000001 mm). Uma das

trajetórias foi calcula utilizando valor de sobremetal de 0,0025 mm positivo e a

segunda trajetórias utilizou um sobremetal negativo de 0,0025 mm. Desta forma,

criou-se a banda de tolerância de 0,005 mm empregada nos cálculos de trajetórias

analisados. Essas trajetórias, que representam a banda de tolerância, foram

trabalhadas no software Microsoft Excel juntamente com as trajetórias de usinagem

calculadas.

e) A qualidade superficial do corpo de prova para cada caso - A medição da

rugosidade foi realizada no SurfTest SJ201, rugosímetro da MITUTOYO, com Cut-

Off de 0.8 mm. Foram realizadas 3 medições em 10 áreas do corpo de prova, para

cada experimento, no sentido perpendicular às trajetórias de usinagem. Foram

calculadas as médias dos valores obtidos possibilitando um comparativo dos CAM

analisados.


4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Neste capítulo são apresentados os resultados dos estudos realizados,

conforme descrição apresentada no Item 3.4.

4.1 TAMANHO DOS PROGRAMAS CNC

Um ponto importante, inicialmente observado, é que cada sistema CAM gera

um programa CNC com diferentes tamanhos, o que está diretamente relacionado ao

número de pontos calculados pelo CAM, para gerar a usinagem da geometria

proposta. A Figura 33 apresenta os resultados obtidos.

ANÁLISE DO NÚMERO DE LINHAS

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

180%

SISTEMAS CAM

PE

RC

EN

TU

AL

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

NÚ

ME

RO

DE

LIN

HA

S

NÚMERO DE LINHAS

PERCENTUAL

NÚMERO DELINHAS

21412 30140 35004 27540 31658

PERCENTUAL 100% 140,72% 163,47% 128,61% 147,85%

CAM A CAM B CAM C CAM D CAM E

Figura 33 - Análise do número de linhas


Depreende-se da Figura 33 que o CAM A apresentou menor número de linhas

no programa CNC. O sistema que apresentou maior número de linhas foi o sistema

C, que apresenta programa CNC 63,47% maior que o sistema A.

4.2 TEMPO DE USINAGEM

O tempo de usinagem foi obtido em duas circunstâncias: a) durante a

usinagem do corpo de prova, na máquina Hermle; b) adicionalmente em uma

máquina CNC convencional marca Feeler.

Nesse experimento notou-se, conforme mostra a Figura 34, uma variação

significativa do tempo de usinagem para cada programa CNC.

ANÁLISE DO TEMPO DE USINAGEM - HSC

90%

95%

100%

105%

110%

115%

120%

125%

SISTEMAS CAM

PE

RC

EN

TU

AL

0

2

4

6

8

10

12

TE

MP

O E

M M

INU

TO

S

TEMPO DE USINAGEM(MIN.)

PERCENTUAL

TEMPO DEUSINAGEM (MIN.)

8,53 9,05 9,07 9,44 10,26

PERCENTUAL 100% 106,09% 106,33% 110,66% 119,57%


Figura 34 - Tempos obtidos nos diferentes sistemas CAM na usinagem em alta

velocidade


Verificou-se que o sistema A gerou o menor programa CNC e foi o programa

com menor tempo de usinagem. Depreende-se, inicialmente, que um programa

menor possua menor volume de informação para processamento do equipamento

máquina-CNC, portanto a máquina consegue manter a velocidade de avanço em

patamares mais elevados.

O CAM C apresentou o maior programa CNC, no entanto não apresentou o

maior tempo de usinagem. Depreende-se que o sistema C, apesar do maior número

de pontos gerados, apresenta melhor dispersão dos pontos ao longo da trajetória do

corpo de prova, permitindo assim maiores valores de velocidade de avanço em

algumas áreas.

O sistema CAM D apresentou o segundo menor programa CNC, porém obteve

o quarto maior tempo de usinagem, portanto depreende-se que a dispersão dos

pontos ao longo das regiões críticas do corpo de prova influencia a velocidade de

avanço.

Verificou-se também, que os tempos reais de usinagem foram superiores em

até 242% ao tempo de usinagem estimado pelos sistemas CAM, os quais

apresentaram estimativa do tempo de usinagem de 4 minutos e 23 segundos.

A Figura 34 mostra uma variação percentual dos tempos de usinagem obtidos.

Constatou-se uma variação de tempo de usinagem de até 19,57% do CAM A para o

CAM E.

No experimento adicional, realizado com o centro de usinagem FEELER, a

variação do tempo de usinagem foi ainda maior, se comparado com o experimento

realizado em uma máquina de usinagem em alta velocidade (Figura 35).


ANÁLISE DO TEMPO DE USINAGEM - CONVENCIONAL

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

SISTEMAS CAM

PE

RC

EN

TU

AL

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

TE

MP

O E

M M

INU

TO

S

TEMPO DE USINAGEM

PERCENTUAL

TEMPO DEUSINAGEM

12,12 12,54 14,18 14,38 16,32

PERCENTUAL 100% 103,46% 116,99% 118,64% 134,65%


Figura 35 - Variação percentual do tempo de usinagem

Nos dois experimentos realizados, nota-se um comportamento padrão, pois os

sistemas CAM se mantiveram na mesma posição em relação ao menor tempo de

usinagem para o maior tempo obtido.

Com os resultados obtidos nessa parte inicial, novas investigações são

realizadas para aumentar o entendimento sobre as diferenças nos tempos reais de

usinagem, propiciados pelos programas CNC e gerados pelos diferentes sistemas

CAM.

4.3 VARIAÇÃO DA TAXA DE AVANÇO

Verificando a diferença dos tempos reais de usinagem, decidiu-se observar a

taxa real de avanço durante o processo de usinagem do corpo de prova, para cada

programa CNC. Empregando-se a metodologia descrita no item 3.4, a velocidade de

avanço real ao longo da usinagem do corpo de prova foi obtida para os cinco casos


estudados. Observam-se severas oscilações no avanço, as quais são distintas para

cada programa CNC, como ilustra a Figura 36.

Figura 36 - Variação da taxa de avanço em todos os sistemas CAM

Para uma análise mais precisa, propõe-se uma avaliação específica nas áreas

do corpo de prova que causaram maior redução na velocidade de avanço durante a

usinagem. As cinco regiões, analisadas individualmente, estão representadas na

Figura 36. Dentro de cada região, compara-se a variação de avanço de usinagem

com a dispersão dos pontos contidos do programa CNC, bem como o tamanho do

segmento de reta representado por esses pontos.

A seguir, apresentam-se esses estudos específicos.

[mm

/min

]

[mm

] [mm]


4.3.1 Resultados obtidos na Região 1

A região 1 compreende o intervalo entre as posições 14 mm e 21 mm do eixo

X. A característica da geometria do corpo de prova, nessa região, apresenta

usinagem semicircular convexa.

Dentro dessa região do corpo de prova, pode-se verificar que o CAM B (Figura

37) apresentou maior valor médio da velocidade de avanço.

AVANÇO NA REGIÃO 1

0

200

400

600

800

1000

1200

MÉDIA

DESVIO PADRÃO

MÉDIA 909,202 1013,238 688,6939 812,8022 660,6784

DESVIO PADRÃO 472,7742 331,4091 417,2285 416,2625 296,9557


Figura 37 - Média e desvio-padrão do avanço na região 1

O segundo maior valor médio da velocidade de avanço foi obtido pelo sistema

A e o pior resultado do valor médio foi observado no sistema E. Nota-se, porém, que

o desvio-padrão do avanço é menor para a usinagem gerada pelo sistema E, o que

pode representar menor oscilação no avanço, permitindo a suposição de que os

segmentos de retas tendem a ser mais constantes nesse caso.

De forma análoga, o CAM A propiciou maior desvio-padrão do valor médio da

velocidade de avanço, podendo implicar que, nesse caso, os segmentos de retas

tiveram maior oscilação no comprimento. Ressalta-se que oscilações do avanço

podem repercutir na qualidade superficial, como verificou Souza (2001).


A Figura 38 apresenta o tamanho do segmento de reta calculado em cada

sistema CAM. É possível observar também a dispersão dos pontos calculados na

região.

TAMANHO DO SEGMENTO DE RETA (R1)

00,050,1

0,150,2

0,250,3

0,350,4

0,45

14 16 18 20

Coordenadas no eixo X (mm)

Tam

anho

do

segm

ento

de

reta

(m

m)

CAM A

CAM B

CAM C

CAM D

CAM E

Figura 38 - Tamanho do segmento de reta na região 1

Os sistemas CAM B e D apresentaram distribuição homogênea dos pontos ao

longo da trajetória, possibilitando verificar uma diferença significativa no tamanho

dos segmentos, contudo o sistema B apresentou os maiores segmentos de reta. Os

sistemas C e E apresentaram distribuição padronizada, observando um

comportamento cíclico na geração de pontos, ainda que apresentem segmentos de

reta pequenos. O sistema A apresentou comportamento pouco uniforme na

distribuição dos pontos, com grande variação no tamanho do segmento obtido, além

de apresentar os maiores segmentos encontrados.

O CAM B, que apresentou maior valor médio da velocidade de avanço, foi o

sistema com distribuição mais homogênea durante a região de estudo. O CAM A

apresentou picos de tamanho de segmento de reta, mas a distribuição não uniforme

dos tamanhos de segmento de reta gerados resultou maior variação da taxa de

avanço que a sistema B. Os sistemas CAM C e D apresentaram certo padrão de

tamanho dos segmentos de reta gerados, porém o número de pontos gerados foi

superior, implicando segmentos de reta menores que os sistemas A e B, o que


resultou menor valor-médio da velocidade de avanço. O sistema E apresentou alto

nível de padronização da distribuição de pontos, porém apresentou o maior número

de pontos gerados entre todos os sistemas estudados.

A Figura 39 mostra a variação e a média do tamanho do segmento de reta

gerado por cada sistema CAM.

MÉDIA E DESVIO PADRÃO DO TAMANHO DO SEGMENTO DE RET A NA REGIÃO 1

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

MÉDIA DO TAMANHO DOSEGMENTO DE RETA

DESVIO PADRÃO DO TAMANHODO SEGMENTO DE RETA


0,2445804 0,30335 0,1847069 0,1854097 0,1294645

DESVIO PADRÃO DOTAMANHO DO SEGMENTODE RETA

0,0564313 0,0125446 0,0432656 0,0238831 0,0396882


Figura 39 - Média do tamanho do segmento de reta na região 1

O sistema B apresentou o maior valor-médio no tamanho do segmento de reta

e o menor desvio-padrão uniforme. O sistema A apresentou o segundo maior valor

médio no tamanho do segmento de reta, porém apresentou o maior desvio-padrão

na região 1.

No sistema D, observou-se um padrão na distribuição dos pontos e no tamanho

médio de segmentos de reta. Esse sistema apresentou variação significativa no final

do intervalo analisado, resultando maior valor de desvio-padrão que o sistema B.

Portanto, o sistema B apresentou maior valor médio no tamanho do segmento

de reta e também melhor distribuição dos pontos, o que resultou maior valor médio

de velocidade de avanço.


Observou-se, no sistema E, que ocorreu a menor variação da velocidade de

avanço, assim como apresentou distribuição padronizada, porém menor valor médio

de tamanho de segmento de reta, o que implicou redução média da taxa de avanço.


A região 2 (Figura 40) compreende o intervalo entre as posições 28 mm e 37

mm do eixo X. A geometria do corpo de prova, nessa região, caracteriza usinagem

de semicírculo côncavo.

Dentro dessa região do corpo de prova, pode-se verificar que o CAM A

apresentou maior valor médio da velocidade de avanço.


0,000

200,000

400,000

600,000

800,000

1000,000

1200,000

MÉDIA

DESVIO PADRÃO

MÉDIA 1055,457 1007,144 861,179 1023,907 852,855

DESVIO PADRÃO 613,555 510,482 494,648 496,737 489,535


Figura 40 - Média do avanço na região 2.

É possível visualizar uma média de avanço próxima entre os sistemas A, B e D

e verificar que o pior resultado do valor médio de avanço foi observado no sistema E.

Nota-se também que o desvio-padrão do avanço foi menor para a usinagem gerada

pelo sistema E, o que pode representar menor oscilação no avanço, induzindo à

suposição de que os segmentos de retas tendem a ser mais constantes nesse caso.


O CAM A propiciou maior desvio-padrão da média dos avanços, indicando que os

segmentos de retas tiveram maior oscilação no comprimento.



região.

TAMANHO SEGMENTO RETA (R2)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

28 29 30 31 32 33

Coordenadas em X

Tam

anho

do

segm

ento

(m

m)

CAM A

CAM B

CAM C

CAM D

CAM E


A Figura 41 mostra que o CAM A, responsável pelo maior valor médio da

velocidade de avanço, foi o sistema que apresentou distribuição não uniforme,

porém com segmentos de reta maiores. Mostra também uma distribuição mais

homogênea dos pontos nos sistemas B e D, assim como os sistemas C e E

apresentaram uma distribuição padronizada dos pontos.




SEGMENTO DE RETA NA REGIÃO 2

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

MÉDIA DO TAMANHO DO SEGMENTO DERETA

DESVIO PADRÃO DO TAMANHO DESEGMENTO DE RETA


0,220 0,140 0,173 0,171 0,143

DESVIO PADRÃO DOTAMANHO DESEGMENTO DE RETA

0,055 0,024 0,046 0,003 0,050



Verifica-se, na Figura 42, que o sistema CAM A apresentou a maior média de

tamanho de segmento de reta, repercutindo no avanço de usinagem. Os sistemas C

e D apresentaram médias próximas, porém o sistema D apresentou menor desvio-

padrão. Deduz-se que uma distribuição dos segmentos de reta homogênea

repercuta no avanço de usinagem.

O sistema CAM D apresentou o menor desvio-padrão no tamanho do

segmento de reta, o que não repercutiu no desvio padrão da velocidade média de

avanço. Deduz-se que esse comportamento anormal seja devido à má dispersão

dos pontos ao longo da curvatura da geometria do corpo de prova.

Portanto, o sistema A apresentou maior valor médio na velocidade de avanço,

por apresentar o maior valor médio de tamanho de segmento de reta. Esse sistema

apresentou grande variação na taxa de avanço, devido à grande variação nos

tamanhos de segmento de reta. O sistema E, que apresentou o menor valor médio

da velocidade de avanço foi o sistema que apresentou pequenos segmentos de reta

e grande variação dimensional desses segmentos.




mm do eixo X. A característica do perfil de corpo de prova, nessa região, apresenta

usinagem semicircular convexa possibilitando um comparativo do comportamento de

cada sistema CAM de acordo com a peculiaridade geométrica de cada região do

corpo de prova.

Dentro dessa região do corpo de prova, pode-se verificar que o CAM B



0

200

400

600

800

1000

MÉDIA

DESVIO PADRÃO

MÉDIA 765,424 951,109 580,086 712,385 579,134

DESVIO PADRÃO 86,509 92,056 98,364 173,719 99,966


Figura 43 - Média de avanço na região 3

Seguindo o sistema B, o segundo maior valor médio da velocidade de avanço

foi obtido pelo sistema A e o pior resultado do valor médio foi observado no sistema

E. Observa-se que o sistema A apresentou menor desvio entre os sistemas

apresentados.


sistema CAM, onde se pode observar a dispersão dos pontos calculados na região.



0

0,1

0,2

0,3

0,4

36 37 38 39 40 41 42

Coordenadas em X

Tam

anho

do

segm

ento

(m

m)

CAM A

CAM B

CAM C

CAM D

CAM E


Pode-se verificar uma distribuição homogênea nos sistemas B e D, porém o

sistema B apresentou segmentos de reta maiores que o sistema D. O sistema A

apresentou os maiores segmentos de reta, porém grande variação do tamanho de

segmento de reta. Os sistemas C e E apresentaram distribuição padronizada, porém

os segmentos de reta são menores no sistema E.




MÉDIA E DESVIO PADRÃO DO TAMANHO DO SEGMENTO DE RE TA NA REGIÃO 3

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35


DESVIO PADRÃO DO TAMANHODOSEGMENTO DE RETA


0,2570291 0,3029995 0,1795134 0,1850365 0,1228195

DESVIO PADRÃO DOTAMANHO DOSEGMENTODE RETA

0,065855 0,0101093 0,0448569 0,0003864 0,0359778



Verifica-se, na Figura 45, que o sistema B apresentou maior média de tamanho

de segmento de reta calculado e baixo desvio-padrão, resultando no melhor

desempenho. O sistema A apresentou grandes segmentos de reta, porém grandes

oscilações, como pode ser verificado no desvio padrão do sistema. Deduz-se que

essas oscilações do tamanho de segmento de reta prejudiquem o desempenho do

sistema nessa região.

Nota-se ainda que os sistemas C e D apresentaram valores próximos na média

do tamanho de segmento de reta, porém o sistema D apresentou o menor desvio-

padrão dentro da região estudada, repercutindo em maior média de avanço.

Portanto, o sistema B apresentou maior valor médio da velocidade de avanço,

em função do tamanho dos segmentos de reta e de da dispersão homogênea ao

longo da trajetória. O sistema D apresentou pouca variação no tamanho do

segmento de reta, porém repercutiu em valor médio de velocidade de avanço baixo,

em função do valor baixo encontrado na média de tamanho de segmento de reta.

Nesse sistema, observou-se também o menor desvio-padrão no tamanho do

segmento de reta, que não repercutiu no desvio-padrão da velocidade média de

avanço. Depreende-se que esse comportamento anormal seja devido à má

dispersão dos pontos ao longo da curvatura da geometria do corpo de prova.


Em um comparativo relacionando a geometria do corpo de prova em cada

região, pode-se constatar que o sistema B apresenta melhor desempenho nas

regiões onde são caracterizadas usinagens semicirculares convexas.



mm do eixo X, apresentando usinagens ascendentes e descendentes com curvas

côncavas e convexas.

Dentro dessa região do corpo de prova, é possível verificar que o CAM A apresentou

maior valor médio da velocidade de avanço.


0

200

400

600

800

1000

1200

MÉDIA

DESVIO PADRÃO

MÉDIA 966,3551 944,71 934,2861 768,5619 769,0043

DESVIO PADRÃO 434,3957 423,8052 424,9952 367,9377 374,3453



Nota-se que os sistemas A, B e C obtiveram valores médios da velocidade de

avanço bastante próximas e o sistema B apresentou menor desvio-padrão da

velocidade média de avanço entre esses três sistemas. De forma análoga, os

sistemas D e E apresentaram valores de velocidade de avanço médios bastante

parecidos, porém o sistema D apresentou a menor variação de avanço entre todos

os sistemas.




região.


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

61 66 71 76

Coordenadas em X

Tam

anho

do

segm

ento

(m

m)

CAM A

CAM B

CAM C

CAM D

CAM E

Figura 47- Tamanho do segmento de reta na região 4

Na Figura 47, pode-se verificar a distribuição homogênea dos pontos no

sistema B. Os maiores pontos apresentados na região pertencem ao sistema A, mas

é possível verificar grandes variações no tamanho do segmento de reta desse

sistema. Os sistemas C e E apresentaram alguma padronização no tamanho do

segmento de reta, mas pertencem ao sistema E os menores segmentos de reta.





0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

MÉDIA DO TAMANHO DO SEGMENTODE RETA

DESVIO PADRÃO DO TAMANHO DOSEGMENTO DE RETA

MÉDIA DO TAMANHODO SEGMENTO DE RETA

0,298 0,296 0,220 0,224 0,186

DESVIO PADRÃO DOTAMANHO DOSEGMENTO DE RETA

0,087 0,036 0,047 0,028 0,093


Figura 48 - Média do tamanho de segmento de reta na região 4

Os sistemas A e B apresentaram valores próximos nas médias de tamanho do

segmento de reta. O sistema B apresentou menor desvio-padrão, porém o sistema A

apresentou um número significativo de grandes segmentos de reta, repercutindo

numa média de avanço muito próxima desses dois sistemas.

Os sistemas C e D apresentaram média de tamanho de segmento de retas

também muito próximas, contudo o sistema D apresentou menor variação no

tamanho do segmento de reta.

O sistema B, que apresentou média de tamanho de segmentos de reta próximos

do sistema A, também apresentou número maior de segmentos na região,

repercutindo no valor médio de velocidade de avanço.

Portanto, o sistema A apresentou maior valor médio de velocidade de avanço

em função de obter o maior valor médio de tamanho de segmento de reta. As

oscilações encontradas no tamanho do segmento de reta repercutiram na variação

do valor de velocidade de avanço desse sistema.




mm do eixo X, apresentando como característica usinagem ascendente em curva.

Dentro dessa região do corpo de prova, é possível verificar que o CAM A



0

500

1000

1500

MÉDIA

DESVIO PADRÃO

MÉDIA 1207,71 1134,42 959,431 770,987 769,279

DESVIO PADRÃO 70,5138 126,225 129,957 155,116 153,441



Nota-se que, além do maior valor médio da velocidade de avanço, o sistema A

obteve ainda o menor desvio padrão do avanço. O CAM D propiciou maior desvio

padrão da média dos avanços e, juntamente com o sistema E, apresentaram os

valores mais baixos na média da velocidade de avanço.


sistema CAM. Pode-se observar também a dispersão dos pontos calculados na

região.



Analisando o tamanho do segmento, pode-se verificar que o sistema A

apresentou os maiores segmentos de reta obtidos na região 5. Os sistemas B, C e D

apresentaram distribuição mais uniforme ao longo da trajetória e proximidade no

valor do tamanho dos segmentos de reta. Já o sistema E apresentou segmentos de

reta pequenos e distribuídos de forma irregular ao longo da região.





0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

MÉDIA DO TAMANHO DO SEGMENTODE RETA

DESVIO PADRÃO DO TAMANHO DOSEGMENTO DE RETA

MÉDIA DO TAMANHODO SEGMENTO DERETA

0,334 0,304 0,253 0,269 0,241

DESVIO PADRÃO DOTAMANHO DOSEGMENTO DE RETA

0,114 0,004 0,036 0,032 0,116



Verifica-se que o sistema A apresentou maior valor médio de segmento de reta,

porém com grandes variações. Os sistemas B, C e D, que apresentaram distribuição

mais homogênea, são diferenciados pelo valor médio dos tamanhos dos segmentos

de reta obtidos na região.

O sistema CAM B apresentou o menor desvio-padrão no tamanho do segmento

de reta, o que não repercutiu no desvio-padrão da velocidade média de avanço.

Deduz-se que esse comportamento anormal seja devido à má dispersão dos pontos

ao longo da curvatura da geometria do corpo de prova.

Portanto, o sistema A apresentou maior valor médio da velocidade de avanço

por obter os maiores valores de tamanho de segmento de reta. A variação

significativa dos tamanhos de segmentos de reta não repercutiu significativamente

na variação das velocidades de avanço. Depreende-se que esse comportamento

tenha sido obtido em função dos maiores segmentos de reta permitirem baixa

variação nas velocidades de avanço. O sistema E apresentou menor valor médio de

velocidade de avanço em função de apresentar os menores segmentos de reta com

grandes variações dimensionais. As oscilações no valor médio do tamanho do


segmento de reta repercutiram no desvio-padrão dos valores médios de velocidade

de avanço.


4.4 ANÁLISE DOS ERROS DAS TRAJETÓRIAS

Com o objetivo de verificar se os sistemas CAM estudados executam as

trajetórias de ferramenta, respeitando a banda de tolerância programada, foram

realizados estudos desse comportamento, consistindo na geração de trajetórias que

representam a banda de tolerância programada. Verificou-se que os sistemas CAM

apresentaram comportamentos distintos de acordo com a geometria do corpo de

prova. Foram analisadas áreas de corte ascendentes e descentes nas regiões do

corpo de prova apresentadas na Figura 52.

-50

-40

-30

-20

-10

00 20 40 60 80 100 120

COORDENADAS NO EIXO X (mm)

CO

OR

DE

NA

DA

S N

O E

IXO

Z (m

m)

Figura 52 - Regiões onde foram verificados os erros das trajetórias

Na

Figura 53 são apresentadas regiões onde a ferramenta realizou movimento

ascendente na usinagem de curvas do corpo de prova.

Área A

Área B

Área C


A) Intervalo no eixo X – 16,53 a 16,55

B) Intervalo no eixo X – 33,80 a 33,82

C) Intervalo no eixo X – 37,85 a 37,87

BANDA DE TOLERÂNCIASUPERIOR

BANDA DE TOLERÂNCIAINFERIOR

CAM A

CAM B

CAM C

CAM D

CAM E

Figura 53 - Comportamento dos sistemas CAM em regiões de usinagem ascendente

Pode-se verificar que na usinagem ascendente não ocorreu nenhum

comportamento anormal. Todos os sistemas CAM geraram trajetórias de ferramenta

respeitando a banda de tolerância.

Na

Figura 54 são apresentados os resultados obtidos em regiões de usinagem de

curvas onde a ferramenta realizou movimento descendente.


A) Intervalo no eixo X – 18,53 a 18,55

B) Intervalo no eixo X – 28,43 a 28,45

C) Intervalo no eixo X – 40,71 a 40,73

BANDA DE TOLERÂNCIASUPERIOR

BANDA DE TOLERÂNCIAINFERIOR

CAM A

CAM B

CAM C

CAM D

CAM E

Figura 54 - Comportamento dos sistemas CAM em regiões de usinagem

descendente

Pode-se verificar que nas regiões descendentes de usinagem, alguns sistemas

CAM geraram trajetórias de ferramenta fora da banda de tolerância programada. O

sistema CAM E apresentou trajetórias de ferramenta fora da banda de tolerância em

todas as análises realizadas. O mesmo comportamento pode ser observado no

sistema A.

O sistema B apresentou um comportamento peculiar, em algumas análises o

sistema apresentou trajetórias dentro da banda de tolerância, e em outras regiões o

sistema não respeita a banda de tolerância para geração de trajetórias de

ferramenta.

O sistema C apresentou o melhor desempenho, realizando trajetórias dentro da

banda de tolerância em todas as análises realizadas.


4.5 AVALIAÇÃO DA QUALIDADE SUPERFICIAL

Objetivou-se identificar a influência do sistema CAM na qualidade superficial do

corpo de prova usinado. Para isso foram identificadas dez regiões do corpo de

prova, onde foram obtidos os valores de rugosidade (Ra). Através das médias e

desvio-padrão (Figura 55) dos valores encontrados, pode-se verificar o

comportamento dos sistemas CAM analisados.

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

MÉDIA DARUGOSIDADE (Ra)

1,19 1,34 1,34 1,28 1,14

DESVIO PADRÃO DARUGOSIDADE (Ra)

0,32 0,16 0,16 0,22 0,20


Figura 55 - Média e desvio do padrão da rugosidade

Na Figura 55 pode-se verificar que o menor valor médio encontrado foi

apresentado pelo sistema E, que apresentou o maior tempo de usinagem. O sistema

A apresentou o maior valor de desvio padrão da rugosidade, sugere-se que esse

comportamento seja resultado da dispersão dos pontos irregular ao longo da

trajetória estudada. Entretanto, devido a pequena dispersão dos valores de

rugosidade obtidos, conclusões proeminentes não podem ser elaboradas.


4.6 SÍNTESE DOS RESULTADOS

Para finalizar o capítulo de resultados e discussões, sintetizam-se os

resultados (Figura 56), apresentando um comparativo do tempo real de usinagem

com o tamanho do programa CNC.

Figura 56 – Tempo de usinagem X Número de linhas do programa CNC

o Verificou-se que o sistema A gerou o menor programa CNC e foi o

programa com menor tempo de usinagem. Deduz-se, inicialmente, que

um programa com menos linhas possua menor volume de informação

TEMPO DE USINAGEM X NÚMERO DE LINHAS DO PROGRAMA CNC

20000

25000

30000

35000

40000

NÚ

ME

RO

DE

LIN

HA

S

0

2

4

6

8

10

12

TE

MP

O E

M M

INU

TO

SNÚMERO DE LINHAS DOPROGRAMA CNC

21412 30140 35004 27540 31658

TEMPO DE USINAGEM EMMINUTOS

8,53 9,05 9,07 9,44 10,26



para processamento da máquina CNC, portanto, a máquina consegue

manter a velocidade de avanço em patamares mais elevados.

o O sistema B apresentou o segundo melhor tempo de usinagem com o

terceiro menor número de linhas geradas. Com esse comportamento,

deduz-se que o sistema apresentou melhor dispersão dos pontos ao

longo da trajetória, impactando na velocidade média de avanço.

o O sistema C apresentou o maior programa CNC, no entanto não

apresentou o maior tempo de usinagem. Infere-se que o sistema C

apresentou melhor dispersão dos pontos ao longo da trajetória do corpo

de prova, permitindo assim maiores valores de velocidade de avanço em

algumas áreas.

o O sistema CAM D apresentou o segundo menor programa CNC, porém

obteve o quarto melhor tempo de usinagem. Portanto infere-se que esse

sistema apresentou pior dispersão dos pontos ao longo da trajetória do

corpo de prova, com significativa influência á velocidade de avanço.

o O sistema E apresentou o maior tempo de usinagem. Infere-se que esse

sistema apresentou problemas na dispersão dos pontos em regiões

críticas do corpo de prova, visto que o sistema E não apresentou o maior

programa CNC.

.

Capítulo 5 Conclusões e Sugestões 90

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

A seguir, são apresentadas as conclusões desta dissertação, bem como as

sugestões para trabalhos futuros.

5.1 CONCLUSÕES

As pesquisas e experimentos conduziram às seguintes conclusões:

o Todos os programas CNC gerados pelos sistemas CAM avaliados

apresentaram severas oscilações de avanço ao longo da usinagem. Esse fato

repercute em maior tempo de usinagem e a estimativa do tempo de usinagem

gerado pelo CAM fica incorreta. Observaram-se diferenças do tempo real de

usinagem com o tempo estimado pelos sistemas CAM de até 242%.

o Cada software CAM gerou programas CNC com diferentes números de

linhas, para realizar a mesma usinagem. Essa diferença variou em até

63,47% dentre os sistemas CAM analisados, indicando que os sistemas CAM

utilizam diferentes algoritmos matemáticos para realizar tal cálculo.

o Há uma ligação direta entre o tamanho dos programas CNC e o tempo real de

usinagem. O tempo real de usinagem tende a ser maior quanto maior o

programa CNC (para a usinagem da mesma geometria).

o Observaram-se diferenças de até 19,5% do tempo real de usinagem entre os

sistemas CAM avaliados, para a usinagem com máquina de alta velocidade.

o No centro de usinagem convencional, contatou-se uma redução ainda maior

da velocidade média de avanço e foram obtidas diferenças de até 34,65% no

tempo de usinagem entre os sistemas CAM.


o O sistema A, que apresentou menor tempo de usinagem nas duas máquinas,

obteve tempo de usinagem 42% maior na máquina convencional.

o Em um comparativo relacionando a geometria do corpo de prova em cada

região, constatou-se que o sistema B apresenta melhor desempenho nas

regiões onde são caracterizadas usinagens semicirculares convexa.

o Cada sistema CAM calculou tamanhos de segmentos de reta diferentes e o

desvio padrão do tamanho de segmento de reta repercutiu significativamente

no desvio-padrão da velocidade média de avanço.

o A dispersão dos pontos foi bastante peculiar em cada sistema CAM, e a

velocidade média de avanço foi afetada pela forma com que cada sistema

distribuiu os pontos gerados ao longo da trajetória do corpo de prova,

repercutindo na velocidade de avanço.

o O sistema B apresentou maiores segmentos de reta nas regiões convexas do

corpo de prova. Já o sistema A apresentou maiores segmentos de reta nas

regiões côncavas. Os sistemas C, D e E não apresentaram significativa

relação entre tamanho do segmento de reta e a geometria do corpo de prova.

o Verificou-se que sistema C calculou trajetórias dentro da banda de tolerância

em todas as análises realizadas. O sistema CAM E apresentou trajetórias de

ferramenta fora da banda de tolerância em todas as análises. O mesmo

comportamento pode ser observado no sistema A. Em algumas das regiões

analisadas o sistema B apresentou trajetórias fora da banda de tolerância.

.

o O menor valor médio de rugosidade encontrado foi apresentado pelo sistema

E, que apresentou o maior tempo de usinagem. O sistema A apresentou o

maior valor de desvio padrão da rugosidade, sugere-se que esse

comportamento seja resultado da dispersão dos pontos irregular ao longo da


trajetória estudada. Entretanto, devido a pequena dispersão dos valores de

rugosidade obtidos, conclusões proeminentes não podem ser elaboradas.


5.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

� Estudo de uma geometria que apresente variação do avanço, mas

ofereça condições de uma análise da qualidade superficial do corpo de

prova mais criteriosa.

� Verificação mais aprofundada do comportamento das trajetórias em

relação à banda de tolerância.

� Verificação dos erros geométricos no corpo de prova que cada sistema

CAM apresenta.

� Um trabalho estatístico nos dados obtidos, principalmente na taxa de

variação de avanço, bem como no tamanho do segmento de reta.

REFERÊNCIAS

ARIAS, M; SOUZA, A. F.(2008). Descrição matemática das funções Spline.

Máquinas e Metais , abril pp290-311.

BENEDITO, S.R. (2009). Benefícios da Implantação do Projeto 3D na

Indústria de Moldes. Qualificação para mestrado em engenharia mecânica.

BOUJELBENE, M; MOISAN, A; TOUNSI, N.; BRENIER B. (2004). Productivity

enhancement in dies and molds manufacturing by the use of C1

continuous tool path . International Journal of Machine Tool & Manufacture,

Amsterdam.

C.K. TOH (2006). Cutter path strategies in high speed rough milling of hardened

steel. Materials and Design 27 107–114.

C.K. TOH (2005). Design, evaluation and optimisation of cutter path strategies

when high speed machining hardened mould and die materials. Materials and

Design 26 / 517–533.

CARVALHO, J. E. R (2009). Introdução à Computação Gráfica- Curvas.

Material didático.

CHANG, C. C.; WYSK, R. A.; WANG, H. P. (2006). Computer-Aided

Manufacturing. Pearson Education, Inc. 3th Edition. New Jersey.

95

Chang, M., Park, S. C. and Chung, Y. C. (2009). Three-dimensional profile

curve machining on three-axis machines' International Journal of Production

Research,47:10,2587 — 2599.

CHEN, T.;YE P (2002). A tool path generation strategy for sculptured

surfaces machining. Journal of Material Processing Technology 127 369-

373.

CHOI, Y. K. (2004). Tool Path Generation and 3D Tolerance Analysis for

Free-Form Surfaces. Submitted to Texas A&M University in partial fulfillment of

the requirements for the degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY.

COSTA, D. D. ; PERREIRA, A. G. (2006) Desenvolvimento e avaliação de

uma tecnologia de baixo custo para programação CNC em pequenas

empresas. Produção, v. 16, n. 1, p. 048-063, Jan./Abr.

DARÉ, G. (2000) Desenvolvimento integrado do produto: uma referênci a

para o projeto de componentes de plástico injetados . In: CONGRESSO

BRASILEIRO DE GESTÃO DE DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO, 2., São

Carlos. Anais... São Carlos: UFSCar. p.274-282.

DÜRR, H. and SCHÜNEMMAN R., (1999). Industrial Aplication of new

Approaches of the CAD/CAM process chain for High Sp eed Machining of

Sculptured Surfaces. Inn: International German and French Conference. 2nd.

Darmstadt: PTW, pp. 117-120.

96

ERKORKMAZ, K; ALTINTAS, Y.(2001). High speed CNC system design. Part

I: jerk limited trajectory generation and quintic s pline interpolation.

International Journal of Machine Tools & Manufacture 41 / 1323–1345.

FALLBÖHMER, P.; ALTAN T.; TÖNSHOFF, H.; NAKAGAWA, T. (1996). Survey of the die and mold manufacturing industry . Journal of Material Processing Tecnology, Amsterdam, v.59, n.1/2, p.158-168, May.

FOGGIATTO, J. A.; VOLPATO, N. ; BONTORIN, A. C. B.(2008). Os projetos em CAD 3D exigem e merecem cuidados especiais. Máquinas e Metais , v. 1, p. 132-147.

FU, M. W. (2008) The application of surface demoldability and moldab ility to side-core design in die and mold CAD. Department of Mechanical Engineering. Computer-Aided Design 40 567–575.

GEIST, J. (1999). Influence of HSC-appropriate machining parameters o n

NC programming . Inn: Seminário Internacional de Alta Tecnologia – Santa

Bárbara, Brazil. pp.57-68.

GUZEL, B.U.; LAZOGLU, I. (2003). Increasing productivity in sculpture

surface machining via off-line piecewise variable f eed rate scheduling

based on the force system model. International Journal of Machine Tools &

Manufacture, Amsterdam, v.44, n.1, p.21-28, Jan.

H. ERDIM; I.LAZOGLU; B. OZTURK. (2005). Feedrate scheduling strategies

for free-form surfaces. International Journal of Machine Tools & Manufacture xx

1–11.

97

LEE, K. (1998). Principles of CAD/CAM/CAE systems. Addison Wesley

Longmam, Inc,Seoul.

LO , C. C. (1998). A new approach to CNC tool path generation. Computer-

Aided Design, Elsevier Science London,1998.

_____. (2000). CNC machine tool surface interpolator for ball-end milling of

free-form surfaces. International Journal of Machine Tools & Manufacture 40.

_____; HSIAO, C.Y. (1998). CNC machine tool interpolator with path

compensation for repeated contour machining. Computer-Aided Design , Vol.

30. No. 1, pp. 55-62.

LÖTTGEN, R. (2003). Edm or Hsm? Which technology wins concerning die

and mold making? Mikron AG, Nidau, Switzterland. Seminário internacional de

Alta Tecnologia, Unimep, p.227-253.

LUX, S. (1999). Improved tools for die an mould production. 2nd International

Conference on High Speed Machining. (p 131-135) Germany. Máquinas e

Metais, São Paulo, v.36, n.415, p.18-27, ago.

MISRA, B.; SUNDARARAJAN, V..; WRIGHT, P.K. (2008). Zig-Zag Tool Path

Generation for Sculptured Surface finishing . Department Of mechanical

engineering. University of California, Berkeley.

98

PASINI, G.; ZEILMANN, R.P. (2004). Fresamento de cavidade a alta velocidade

de corte. Máquinas e Metais , Maio pp 182-195.

R. Salami, M.H. Sadeghi, B. Motakef. (2007). Feed rate optimization for 3-axis

ball-end milling of sculptured surfaces. International Journal of Machine Tools

& Manufacture 47 / 760–767.

RUTKAUSKAS, M. G. (2005). Diretrizes para Otimização do Modelamento

Geométrico de Peças de Carrocerias. São Paulo, Dissertação de Mestrado.

USP.

SCHULZ, H. (1996). High speed milling machines . In: Seminário Internacional

de Alta Tecnologia - Usinagem com Altíssima Velocidade de Corte, 1996, Santa

Bárbara d'Oeste.

SCHÜTZER , K, HELLENO, A. L. (2007) Influência da Interpolação Spline

Sobre a velocidade de avanço da manufatura de super fícies complexas. In:

Congresso Brasileiro de Fabricação, 2007.

_____; SOUZA, A.; STANIK, M. (2000). Aplicação da usinagem com altíssima

velocidade de corte na manufatura de moldes e matri zes. Congresso de

usinagem.

SILVA, Alex Sandro de Araújo. (2006). Desenvolvimento Integrado CAD/CAM

de Componentes para turbinas a Gás. 133f. Tese de mestrado – Instituto

Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.

99

SILVA FILHO, M. S. (2000). Fresamento por regiões como uma alternativa

na usinagem de cavidades para moldes e matrizes. 121p. Dissertação

(Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2000.

SOUZA, A. F. (2000). Vantagens e aspectos a serem considerados na

tecnologia de usinagem em altíssima velocidade de c orte – High Speed

Cutting. Encontro de mestrandos em engenharia. Santa Bárbara D’Oeste.

_____. (2001). Análise das interpolações de trajetórias de ferrame nta na

usinagem HSC (High Speed Cutting) em superfícies co mplexas. Dissertação

apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção, da

Faculdade de Engenharia Mecânica e de Produção, da Universidade Metodista

de Piracicaba – UNIMEP.

_____. (a) (2005) Análise Conceitual Sobre a Tecnologia CAD/CAM. Revista

Mecatrônica Fácil, nº 23, 2005.

_____. (b) (2005). Integração Entre Sistemas CAD/CAM e Geração de Programas

para Máquinas CNC. Revista Mecatrônica Fácil no 25.

_____(c) (2005). A Importância de um Sistema CAD para Integração da Cadeia

Produtiva. Mecatrônica Fácil nº24.

100

_____. (2004). CONTRIBUIÇÕES AO FRESAMENTO DE GEOMETRIAS

COMPLEXAS APLICANDO A TECNOLOGIA DE USINAGEM COM AL TAS

VELOCIDADES. Tese apresentada à Escola de Engenharia de São Carlos, da

Universidade de São Paulo. 2004.

_____. (2007). Spline Polynomial to Describe a Free Form Tool Path for

High Speed Milling. 19th International Congress of Mechanical Engineering

Brasília.

_____; COELHO, R. T, (2007); Experimental investigation of feed rate

limitations o high speed milling aimed at industria l applications . Sprig-

Verlang, London.

_____; ALBANO, A. COELHO, R.(2008). Estudo das oscilações da velocidade

de avanço no fresamento em altas velocidades de formas complexas. Máquinas

e Metais , Abril pp 290-311.

_____; SANTOS, M. T.; RODRIGUEZ, C. A. (2006). Análise Comparativa dos

algoritmos utilizados por diferentes sistemas CAM, para cálculo das

trajetórias de ferramenta, no fresamento de formas geométricas

complexas. IV Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 2006, Recife.

Anais IV Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 2006.

TANG, K; CHENG, C.C.; DAYAN, Y.(1995). Offsetting surface boundaries

and 3-axis gouge-free surface machining. Computer-Aided Design , Vol. 27, No.

12, pp. 915+27.

101

TAO CHEN; ZHILIANG SHI (2008). A tool path generation strategy for three-

axis ball-end milling of free-form surfaces. Journal of materials processing

technology 208 259–263.

V. PATELOUP; E. DUC; P. RAY.(2004). Corner optimization for pocket

machining. International Journal of Machine Tools & Manufacture 44 (2004)

1343–1353.

WEINERT, K.; GUNTERMANN, G. (2000). Usinagem de superfícies complexas.

Máquinas e Metais , São Paulo, v.36, n.415, p.18-27, ago.

YOON, JOUNG-HAHN (2007). Two-dimensional representation of machining

geometry and tool path generation for ball-end mill ing of sculptured

surfaces. Department of Mathematics, Dong-A University, Saha-gu, Busan 604-

714, Korea.Online publication Date: 01 July 2007.

sociedade educacional de santa catarina...

Documents