O fresamento de componentes de turbinas á gás que envolve superfícies complexas necessita de fresamento em 5-eixos. Essa necessidade é justificada pelo aumento significativo
de eficiência do processo a partir dessa técnica com o uso de poucas, se não uma, fixação, e melhores condições de contato da ferramenta de corte e a peça. Entretanto, os sistemas CAM que possuem módulos para fresamento 5-eixos têm a sua geração de trajetória de ferramenta, ainda muito dependentes do nível de conhecimento e da interação do usuário. Uma das desafiadoras tarefas encontradas na literatura é a geração de trajetórias de ferramentas, livres de erros, sem a interferência e a experiência do programador CAM [41][42][43][44]. Para a geração de trajetória de ferramentas vários métodos têm sido desenvolvidos [45][46]. Os métodos comumente usados podem ser classificados como:
• Métodos iso-paramétricos [47][48][49];
• Métodos iso-planares ou cartesianos [50][51][52];
• Métodos com altura de cristas constante (iso-scallop) [53][54][55][56].
Devido à complexidade geométrica das superfícies dos componentes aqui tratados é difícil obter uma trajetória de ferramenta ótima. Os métodos tradicionais (iso-paramétricos, iso-planares e iso-scallop) iniciam a determinação da trajetória a partir das bordas da superfície. A trajetória adjacente à última é determinada baseada nesta e assim por diante (figura 2.14).
Desta maneira, contanto que uma borda inicial seja selecionada, toda a trajetória da ferramenta é quase que totalmente determinada. Apesar de que os métodos tradicionais considerem a geometria da superfície localmente durante a geração da trajetória, essa consideração é limitada a uma verificação de invasão da superfície pela ferramenta [57][58][41].
Figura 2.14: Geração de trajetória segundo o método isoparamétrico.
Dois critérios são geralmente usados para avaliar as estratégias de corte implementadas nos sistemas CAM. O primeiro preocupa-se com a validade da estratégia e o segundo com a eficiência [48].
[59] sugeriu que a trajetória ótima no fresamento 5-eixos são as que são paralelas às bordas mais longas de uma superfície. MARCINIAK e KRUTH analisaram as direções de corte conjuntamente as propriedades geométricas de superfícies [60][61]. Eles concluíram que a direção ótima de corte acompanha a maior profundidade radial de corte (ae), quando a
trajetória da ferramenta se alinha à curvatura principal de uma superfície. SARMA mostrou que trajetórias adjacentes não são paralelas umas as outras em superfícies complexas [62]. O passo lateral (ae) entre duas trajetórias adjacentes não é necessariamente igual.
O método isoparamétrico para a geração de trajetória leva a vantagem da representação paramétrica da superfície e é o método de geração mais frequentemente utilizado. Mantendo-
se um dos parâmetros constantes, as curvas isoparamétricas são formadas e empregadas para a geração da trajetória de ferramenta [49].
As trajetórias de ferramenta isoparamétricas são frequentemente mais densas em algumas regiões das superfícies do que outras devido à transformação não uniforme entre o espaço paramétrico 2D e Euclidiano [48]. Isso resulta numa distribuição de altura de crista não-uniforme na superfície usinada e tempo de usinagem não otimizado devido aos passes redundantes [63].
No processo CAD/CAM, um objeto sólido é freqüentemente representado por uma combinação de duas ou mais entidades geométricas genéricas. Desta forma, superfícies parametrizadas predefinidas, usualmente estão sujeitas as operações booleanas de trimagem (trimming) ou alargamento (extending). Usualmente, as curvas de intersecção que são resultado das operações booleanas mencionadas (trimming) não coincidem com as curvas isoparamétricas originais. Como resultado, as curvas iso–paramétricas originais não estão mais adaptada às bordas. Consequentemente, quando as superfícies são submetidas a processos de geração de trajetória de ferramenta essa trajetória pode não ser satisfatória [64].
Portanto, a tarefa de reparametrizar superfícies trimadas (trimmed surfaces) é de fundamental importância se essas superfícies estão numa cadeia CAD/CAM. O método de interpolações algébricas ou interpolação bilinear (Coons method) [10][20] e o método de Laplace [64][65] são os dois principais métodos existentes, o primeiro por sua simplicidade e o segundo por resolver alguns problemas do primeiro. Em ambos os métodos, o domínio paramétrico 2D da superfície trimada é reparametrizado num novo domínio paramétrico 2D unitário. Depois trajetórias de ferramentas são geradas de acordo com o novo conjunto de parametrização.
Em teoria, as estratégias principais para fresamento de superfícies complexas em 5-eixos podem ser classificadas em fresamento de topo (com a ponta da ferramenta) e fresamento
Figura 2.15: Pá de turbina Hidráulica fabricada por fresamento 5-eixos [67].
As operações de desbaste definem os processos que possuem as maiores taxas de remoção de material (Q) do bloco inicial no fresamento de impelidores, essas operações definem uma pré–forma dos componentes. Um aumento nas taxas de remoção no desbaste aumenta consideravelmente a eficiência de fabricação componente em sua totalidade. Essas operações podem influenciar não só no tempo mais também na precisão do impelidor nas operações de acabamento. Para tanto, o material residual presente nas superfícies depois do desbaste afetarão o acabamento final das superfícies [68].
Além disso, as superfícies deixadas pelo desbaste influenciam na vida das ferramentas. Se for deixado sobremetal excessivamente nas superfícies, podem ser necessárias operações
de semi–acabamento para evitar danos às ferramentas no acabamento e deixar as superfícies com uma camada de sobremetal constate [68].
Efetivamente, não se tem implementações de rotinas para fresamento de desbaste em 5- eixos simultâneos na maioria dos sistemas CAM [54]. O usual é a utilização de fresamento de posicionamento (fresamento 3+2), neste caso, a ferramenta de corte permanece com a mesma orientação durante a operação, os eixos rotativos são usados somente para o posicionamento da ferramenta com relação a peça de forma a se ter o melhor acesso ao volume de material que vai ser retirado (Figura 2.16) [69].
Figura 2.16: Eixos rotativos usados para posicionamento (desbaste em 3+2 eixos) [69].
Existem muitas estratégias para fresamento de superfícies em 3-eixos, comuns a maioria dos sistemas CAM e que são usadas também no fresamento 3+2. Numa rápida observação dos sistemas CAM presentes no mercado pode-se ver que cada desenvolvedor fornece soluções semelhantes para fresamento em 3+2–eixos [70]. O fresamento por níveis (Z-level), bastante
Figura 2.17:Operação de desbaste do tipo Z-level.
A grande aplicação hoje para o fresamento 5-eixos simultâneos está nas operações de acabamento que são caracterizadas pela pequena quantidade de material retirada da peça e que necessitam de condições de contato entre a ferramenta e a superfície de trabalho constante.
O método de Sturz ou da ferramenta inclinada é o método preferido dos desenvolvedores de aplicações para fresamento 5-eixos. Isso se deve a sua simplicidade computacional relativa aos demais métodos desenvolvidos até então. Nesse método a ferramenta é inclinada num ângulo arbitrário com respeito a normal superfície que está sendo usinada (Figura 2.18) [70].
A grande dificuldade encontrada no método de Sturz é no uso de ferramentas de topo reto e topo reto com raio ou toroidais. Se o ângulo de inclinação da ferramenta for pequeno,
invasões podem acontecer devido à curvatura da superfície. Entretanto, se o ângulo de inclinação for grande as cristas de fresamento se tornam maiores. Isto faz com que o método dependa bastante da experiência do programador. Para resolver esses problemas alguns métodos foram propostos na literatura. Em GRAY podem ser encontradas informações a respeito desses novos métodos para geração da trajetória da ferramenta em 5-eixos [70]. Como os métodos multipontos, eixo principal e eixo principal modificado. Entretanto, esses métodos têm limitações em sua implementação nos sistemas em virtude da falta de robustez e complexidade de implementação nos sistemas CAD/CAM [70][71].
Figura 2.18: Vetores normais são referencias para inclinação da ferramenta