Procedimentos para medição de forma e acabamento da superfície usinada

Com objetivo de se medir a qualidade superficial das superfícies fresadas em 5-eixos simultâneos foram feitas medições de rugosidade. As medições foram feitas numa mesma região de forma que a curvatura da superfície fosse um fator comum para as várias medições,

Figura 3.19: Direção das medições de rugosidade realizadas na peça.

A Figura 3.20 mostra o esquema de montagem para as medições de rugosidades nas superfícies que forma usinadas.

Os parâmetros utilizados no equipamento para as medições de rugosidade, conforme ISO 5436-1: 2000, para medição de rugosidade entre 0,1-2,0. São mostrados na Tabela 3.6: parâmetros utilizados no rugosímetro.

Tabela 3.6: parâmetros utilizados no rugosímetro.

Parâmetro Parâmetro selecionado

Norma seguida ISO 5436-1:2000

Comprimento de medição l (mm) 0,8 N (número de amostras) 5 Extensão medida lN (mm) 4

Filtro PC50 (Gaussiano)

A digitalização é a primeira etapa do processo de engenharia reversa. Existem duas formas de capturar pontos de um modelo: a primeira é por contato físico (um componente físico conhecido como apalpador (probe) toca a geometria e coleta pontos do seu perfil) (Figura 3.21); a segunda, sem contato físico (recursos ópticos e/ou sensores de luz projetam feixes de luz sobre a geometria).

Para a avaliação da forma do modelo físico (peça usinada em 5-eixos) e sua comparação com o modelo CAD utilizou-se a técnica por contato físico.

Através do software de inspeção PowerINSPECT e de um braço de inspeção articulado da empresa CIMCORE foram coletados pontos de interesse da geometria (pontos nas superfícies usinadas em 5-eixos). A partir desses pontos foram comparados o modelo CAD e o modelo físico (Figura 3.21).

4 Análise dos resultados

4.1 Análise de geometrias importadas (IGES, PARASOLID)

Serão analisadas a seguir as superfícies da geometria estudada neste trabalho. Os resultados são qualitativos devido aos objetivos do trabalho. O desenvolvimento de algoritmos e estruturas de arquivos não está no escopo desse trabalho.

A pá do impelidor foi propositalmente modelada com dimensões maiores de forma a ser “cortada” (trimmed) posteriormente em suas dimensões corretas. Dessas operações resultaram as superfícies de proteção (Shroud surfaces) e as superfícies de sucção e pressão, que são superfícies trimadas (Figura 4.1).

Figura 4.1: Procedimento de modelagem das pás de um compressor.

Esse procedimento de modelagem acarretou num contorno mais complexo das bordas nas superfícies de sucção e pressão. A Figura 4.2 mostra a parametrização original de uma das superfícies de sucção da geometria. Ela permanece após a operação booleana de corte das superfícies.

Figura 4.2: Parametrização original e superfície após operação booleana (trimming).

Para a reparametrização das superfícies, utilizou–se o método de Coons conforme mencionado na referencia YANG (2003) e na documentação que acompanha o software UG NX 3. A trajetória de ferramenta gerada utilizando formato IGES é mostrada na Figura 4.3. No detalhe são mostrados erros na trajetória que se deve a ineficiência do algorítmo de reparametrização e resultado das características de borda da superfície trimada.

Figura 4.3: Geração de trajetória de ferramenta na superfície.

Para as geometrias exportadas em formato PARASOLID esse problema não foi evidenciado. Para confirmar que os erros gerados na trajetória eram de fato oriundos das

operações boolenas efetuadas sob essas superfícies, constatou-se a necessidade de um outro experimento.

Na Figura 4.3 são mostrados exemplos de trajetórias de ferramenta criadas para as 3 superfícies criadas para esse estudo de geração de trajetória de ferramenta. Nota-se uma mudança na forma da trajetória mediante a complexidade das bordas geradas pelas operações de corte (trimming). Na Figura 4.4 é mostrado o que acontece se o grau de complexidade da operação de trimagem aumenta.

Figura 4.4:Superfícies utilizadas para avaliação de geração de trajetória.

Na Figura 4.5 são mostradas trajetórias de ferramenta para a complexidade de borda 1. As inclinações escolhidas no sentido do avanço da ferramentaβ (lead) e para as inclinações escolhidas no sentido transversal ao avanço da ferramentaα(tilt) também são mostradas na

Figura 4.5: Trajetórias gerada para superfície com complexidade de borda 1.

aves. Portanto, o process

mesmo com a variação na inclinação da ferrame

Na verificação da trajetória os movimentos se mostraram bastante su

o de fabricação em 5-eixos para essa superfície se mostra bastante viável em virtude da qualidade da trajetória de ferramenta obtida.

A forma da trajetória não foi alterada

nta de 30º para ambos os ângulos α e β não alterou em nada a forma da trajetória. Confirmando a literatura [60] (YANG, 2003), pode-se observar que a medida que se aumenta a complexidade da borda da superfície, o erro proporcionado na trajetória também

aumenta (Figura 4.6). Percebe-se que para com esse nível de complexidade o algoritmo de reparametrização deixa de ser eficiente.

Figura 4.6: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 2 e β 15º.

A trajetória da ferramenta apresenta descontinuidades que geram movimentos bruscos da ferramenta de corte. As linhas que descrevem visualmente a trajetória dão voltas em cima delas mesmas, fazendo que o processo de fresamento gerado seja improdutivo já que a ferramenta de corte passa pela mesma região algumas vezes seguidas.

Figura 4.7: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 2 e β 45º.

Aumentando-se a inclinação da ferramenta de corte verificou-se um aumento do número de movimentos bruscos e a magnitude deles bem como a improdutividade da trajetória também aumentou visto que pode ser visto na Figura 4.7, a trajetória dá voltas em cima dela mesma um número de vezes maior que na Figura 4.6.

Figura 4.8: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 2 e α 15º.

A Figura 4.8 mostra a trajetória gerada para as inclinações de ferramenta no sentido transversal ao avanço. Pode-se ver comportamento similar ao acontecido com inclinações no sentido de avanço. A medida que se aumenta a inclinação da ferramenta aumenta-se também a complexidade da trajetória da ferramenta gerada.

Figura 4.9: Trajetória gerada para superfície com complexidade de borda 2 e α 45º.

Essas mesmas conclusões podem ser tiradas com relação ao 3º de complexidade de borda de superfície Figura 4.10.

Figura 4.11: Analise Gaussiana após remodelagem.

A superfície foi submetida a uma análise da sua curvatura gaussiana. A variação de curvatura acontece de forma gradual, não ocorrendo mudanças bruscas de curvatura como acontecia no modelo original.

A importância dessa transição se dá pela ligação entre a inclinação da ferramenta e os vetores normais à superfície. Se há transições bruscas de curvatura na superfície, consequentemente acontecem mudanças bruscas de inclinação da ferramenta de corte. Muitas vezes isso ocasiona invasão das superfícies, mas pode chegar a ocasionar uma colisão entre componentes da máquina-ferramenta.

Também foram verificados alguns erros nas operações de corte (trimming) das pás. Esses erros se caracterizavam por, novamente, terem sido usados arcos e retas para a definição do contorno, resultando em superfícies de proteção (Shroud surfaces) descontinuas (Figura 4.12). Essas descontinuidades eram similares as encontrados anteriormente, sendo que

dessa vez as superfícies utilizadas como superfícies de corte (trim surface) é que tinham descontinuidade ocasionada pelo mesmo motivo anteriormente comentado. Essa descontinuidade foi consertada da mesma forma que da vez anterior.

Figura 4.12: Descontinuidade na superfície de proteção.

4.3 Análise das medições dos percursos da ferramenta de corte em tempo real

A seguir são apresentadas as análises das trajetórias de ferramenta. Vale ressaltar que esses resultados caracterizam os equipamentos e peça presentes nos ensaios (CNC, máquina- ferramenta, sistema CAD/CAM e geometria da peça).

Mantendo-se a tolerância CAM de 0,025 mm e o avanço por dente fz = 0,1 mm/z

(pequeno), e variando-se os tipos de interpolação, o comportamento da velocidade de avanço vf na trajetória programada é mostrado na Figura 4.13. Verifica-se que existe quase o mesmo

comportamento para as interpolações linear e polinomial. Para trechos do perfil aproximados por arcos a interpolação circular teve um comportamento melhor, isto é, a velocidade de avanço programada de 3183 mm/min foi alcançada nesse trecho.

A semelhança entre os perfis de velocidade polinomial e linear para essa situação pode ser atribuída a tolerância CAM de 0,025 mm que é pequena para geração de polinômios de grau superior a 1.

Figura 4.13: Velocidade para fz = 0,1mm/z e tol.CAM de 0,025 mm.

A medida que se diminui a tolerância CAM se diminui a capacidade de se gerar arcos para interpolação circular fazendo com que a interpolação circular se assemelhe à interpolação linear (Figura 4.14).

Na Figura 4.14 podem ser observadas situações em que a velocidade de avanço ficou constante em alguns instantes para os tipos de interpolação, chegando a atingir a velocidade programada de 3183 mm/min utilizando tolerâncias CAM menores. Essa característica é independente do tipo de interpolação que se estava utilizada.

Para uma velocidade de avanço constante tem-se que a aceleração é zero. Esse argumento pode ser utilizado para explicar a causa dos melhores desempenhos de trajetórias com valores de tolerância CAM menores. Para uma tolerância CAM pequena e valores de avanço por dente fz de 0,1 mm a variação de aceleração foi pequena.

Figura 4.15: Tempo X Tolerância CAM para: (a) Linear (b) Circular e (c) Polinomial.

Analisando-se o tempo para execução de uma trajetória vê-se que ele diminui com o aumento da velocidade média de avanço e decréscimo da tolerância CAM. Essa constatação pode ser feita analisando a Figura 4.15 que é o tempo para percorrer a trajetória programada como uma função da tolerância CAM utilizada.

Outra informação que pode ser obtida analisando a Figura 4.15 é que o aumento do avanço por dente fz de 0,1 para 0,3 mm não ocasionou ganhos significativos na velocidade do

processo. Ou seja, o tempo de execução da trajetória não foi significantemente diminuído. Ao contrário, para a interpolação linear, o aumento do avanço por dente fz fez com que o tempo

de execução se tornasse maior para tolerância CAM de 0,025mm (Figura 4.15(a)).

Figura 4.16: Velocidade para fz = 0,3mm/z para as interpolações: (a) Linear (b) Circular (c)

Apresenta-se nessa subseção os resultados alcançados para o simulador de máquina- ferramenta desenvolvido para esse trabalho.

Através do simulador construído, se conseguiu prever colisões dos componentes presentes nas mesas da máquina-ferramenta, bem como realizar análises a respeito das estratégias de corte utilizadas. Obteve-se uma informação fiel a respeito do volume de trabalho da máquina-ferramenta nas etapas de programação.

Foi possível a utilização de mais de uma janela (vista) para visualização da simulação do processo de fresamento 5-eixos. Essa ferramenta auxilia na análise da simulação e na sua posterior validação (Figura 4.17), ou seja, facilita a visualização de possíveis colisões.

A interface com o programador é fácil, não sendo necessários, por exemplo, conhecimentos a respeito de como foi construído o simulador. Existe a possibilidade de se parar a simulação, aumentar e diminuir a velocidade em que ela ocorre. Além disso, pode-se mudar o ângulo de visão em qualquer uma das janelas de visualização criadas.

Existe a necessidade de um hardware adequado para se ter um bom aproveitamento do simulador. Um micro computador com 2GB de memória RAM e uma placa de vídeo de 256 MB se mostrou ser uma configuração satisfatória para as tarefas de simulação desse trabalho.

Figura 4.17: Simulação de processo de fresamento 5-eixos.

Além disso, se consegue acompanhar a retirada de material na simulação fazendo com que esta seja realista. Para essa tarefa é requerido bastante processamento do micro computador. Comportamento semelhante de processamento teve-se quando se optou por fazer a verificação automática de colisão.

Por fim, algumas funções especificas do comando SINUMERIK 840D, tais como, TRANS, ROT, ATRANS, AROT e TRAORI não foram totalmente emuladas no VNC devido as características desses recursos que não estão disponíveis na biblioteca de comandos do software utilizado para criação do VNC (Post Builder).

Figura 4.18: Perfis das pás submetidas a operações de acabamento.

Para solucionar os problemas de vibração, ferramentas positivas e condições de engajamento melhoradas foram necessárias. Essas condições proporcionaram diminuição da vibração e conseqüente execução das operações programadas para os ensaios.

Além disso, não se consegui trabalhar com velocidades de avanço vf superiores a

Machine Interface) grande variação da velocidade de avanço o que caracteriza um processo instável.

Para avanços menores, observaram-se movimentos suaves e contínuos da máquina- ferramenta. Os eixos de rotação limitaram a velocidade de avanço devido à necessidade de sincronização entre os eixos de translação e rotação.

Os melhores estratégias no que se refere a movimentação dos eixos se deram quando se estava utilizando velocidade de avanço vf de 1600 mm/min (fz 0,05mm/dente), essa

velocidade foi alcançado interpolando os 5 eixos da máquina-ferramenta simultaneamente. A outra velocidade de avanço programada vf de 6400 mm/min (fz 0,2mm/dente) não foi

alcançada. Para este último caso a velocidade de avanço vf oscilou por volta de 3500 mm/min.

4.6 Análise das medições das superfícies Usinadas

As análises das superfícies usinadas mostram desvios de forma e acabamento superficial satisfatório. Segundo informações colhidas com projetistas desses componentes, o acabamento superficial deveria ficar com Rz máximo de 5µm. Para todas as medições de

rugosidade os valores de Rz ficaram abaixo desse valor. A Figura 4.19 mostra os perfis de

rugosidade medido para os maiores valores de Rz encontrados para ambas as superfícies de

pressão e sucção.

Além disso, a Figura 4.19 mostra o perfil de rugosidade após o uso do filtro Gaussiano PC50 que é usado como filtro passa alta. O seu uso é necessário devido a própria curvatura das superfícies.

Figura 4.19: Rugosidade da superfície de sucção para o maior Rz.

Confirmando a referência ZANDER (1995), para uma ferramenta de corte de topo esférico a rugosidade no sentido transversal ao avanço da ferramenta é maior para a maior profundidade de corte radial ae (0,2mm).

Figura 4.20: Rugosidade da superfície de pressão para o maior Rz.

Os menores e valores de Rz encontrados para as superfícies de sucção são mostrados

Figura 4.21: Rugosidade da superfície de sucção para o menor Rz.

Figura 4.22: Rugosidade da superfície de pressão para o menor Rz .

As análises das medições feitas com auxílio de sistemas de inspeção mostraram que, para todas as pás, foram obtidos erros de forma dentro das especificações de projeto (Figura 4.23).

Figura 4.23: Erro de forma encontrado nas medições feitas.

O desvio padrão σ dos pontos coletados foi de 0,053mm, o que caracteriza uma pequena dispersão dos valores coletados em torno da média calculada.