

Uma análise sobre o comportamento da velocidade real de avanço para o microfresamento em máquina CNC convencional e em máquina específica para este fim apresenta surpresas interessantes. Neste trabalho foi avaliada a influência do valor de tolerância para cálculo das trajetórias para microfresamento.
Os resultados mostraram que os sistemas CAM
devem ser aprimorados no cálculo de trajetórias com valores de tolerância
reduzidos, necessários para microusinagem; e que as máquinas convencionais CNC
tiveram um comportamento regular na velocidade de avanço para usinagem de
pequenas regiões complexas, representando uma possível alternativa para
microfresamento.
Observa-se no mercado atual expressivo aumento na fabricação de produtos com pequenas dimensões. Micro peças/componentes são empregados em uma vasta gama de aplicações industriais.
Desde eletroeletrônicos como tablets, smartphones; componentes para a indústria médico-odontológica tais como microparafusos para implantes dentários, ósseos e próteses ortopédicas; até componentes das áreas automobilística e aeroespacial. Estes componentes podem ser fabricados por processos de transformação, empregando moldes e matrizes, ou diretamente usinados.
Desta
forma, a microusinagem está se tornando um processo de significativa
importância, no qual o microfresamento tem um destaque especial devido a sua
amplitude de aplicação industrial e flexibilidade na fabricação de geometrias.

Atualmente, existem fusos multiplicadores de rotação disponíveis no mercado para serem instalados em máquinas CNC convencionais (figura 1), com o objetivo de utilizar ferramentas de pequeno diâmetro, evitando a usinagem por eletroerosão (EDM).
Segundo estes autores, o processo EDM pode danificar a integridade da
superfície usinada e também requer um tempo de processamento longo devido à
baixa taxa de remoção de material e a necessidade de fabricar o eletrodo.
Um trabalho de pesquisa compara o
processo de EDM com o de microfresamento utilizando-se de um fuso multiplicador. Nota-se que a aplicação deste equipamento em materiais de maior dureza
implica maior deflexão da ferramenta, o que danifica o acabamento superficial,
podendo comprometer ainda, a precisão de trabalho e a velocidade de avanço. O trabalho
contribuiu para o conhecimento dos processos de fabricação em micro escala,
entretanto os casos de usinagem estudados foram realizados em superfícies planas.
A diminuição da escala de corte não pode ser considerada apenas pela passagem dos conceitos da macrousinagem para a microusinagem. Devem ser feitas algumas mudanças de parâmetros que não se restringem apenas à redução da escala.
Além disso, com emprego de ferramentas de pequeno
diâmetro faz-se necessário o uso de um maquinário específico, que possibilite
atingir as velocidades de corte mínimas de usinagem. Para que haja corte por
cisalhamento, devem-se atingir elevadas velocidades de rotação.
Severas oscilações da velocidade de avanço no macrofresamento de formas complexas estão relacionadas com o tamanho dos segmentos de reta que compõe a trajetória, associado à capacidade de resposta da máquina CNC.
O tamanho dos segmentos de reta depende do valor de tolerância
utilizado no cálculo dos programas pelo CAM e do raio de curvatura da superfície a ser usinada. Como no caso do
macrofresamento este efeito é representativo, supõe-se que para o
microfresamento este problema tende a se agravar, pois as tolerâncias de
cálculo devem ser reduzidas.
O processo no
microfresamento de formas complexas ainda carece conhecimento. Neste contexto o
presente trabalho contribui para o entendimento dos fenômenos no processo de
microfresamento e o estudo das oscilações do avanço, utilizando dois centros de
usinagem, um específico para microfresamento em comparação a um centro de
usinagem convencional utilizando um fuso multiplicador. São avaliadas as
trajetórias calculadas por sistemas CAM.
Objetiva-se
identificar as velocidades reais de avanço no microfresamento de formas
complexas.
Trajetórias de ferramenta e oscilações na velocidade de avanço no fresamento de formas complexas
O CAM é empregado para a geração de programas para máquinas CNC. Calcula as trajetórias da ferramenta para realizar a usinagem.
O método tradicional para descrever uma trajetória de ferramenta para usinagem de uma superfície complexa é a interpolação linear de segmento de retas, com continuidade C0, de acordo com DIN 66025. O comprimento destes segmentos está relacionado com as tolerâncias de cálculo do CAM e o grau de curvatura da superfície, como ilustra a figura 2.
O
CAM ajusta a trajetória da ferramenta dentro de uma banda de tolerância
definida pelo usuário, conhecida como chord
error, que é representada por um offset da superfície. Para realizar este cálculo, a trajetória é desviada para dentro
e para fora da geometria.

Quanto menor a banda,
mais próxima à ferramenta está da geometria CAD,
entretanto, serão menores os segmentos de retas. Os programas CNC terão maior
volume de dados, logo esta característica poderá limitar as velocidades de
avanço durante a usinagem.
Materiais e métodos
No presente trabalho
são estudadas as oscilações da velocidade de avanço no microfresamento de
formas complexas. São avaliados os valores de tempo de usinagem estimados pelo
CAM em comparação com o tempo real de usinagem, empregando duas máquinas CNC (centro
de usinagem convencional e centro de usinagem específico para microfresamento)
com o objetivo de entender a aplicação de fusos de alta rotação em máquinas CNC
convencionais, o que permite trabalhar com ferramentas de pequeno diâmetro.
Para calcular as
trajetórias da ferramenta foi utilizado o módulo CAM do programa NX V9.
A figura 3 apresenta um fluxograma do procedimento experimental.

Os valores de
tolerâncias para o cálculo das trajetórias foram alterados em proporções de dez
vezes, ou seja, de 0,01 mm; 0,001 mm; 0,0001 mm.
Para a realização do estudo foi adotada a forma geométrica de 1/4 de cilindro. Esta geometria representa toda a alteração de contato entre uma ferramenta de ponta esférica e uma superfície complexa, durante a usinagem de moldes e matrizes.
As
trajetórias da ferramenta foram calculadas seguindo a seção transversal como
ilustra a figura 4, para operações de acabamento em passes paralelos.

Os equipamentos
utilizados foram: centro de usinagem Romi modelo D600 com potência de 30 kW e
comando numérico GE-Fanuc Oi-MC, e uma microfresadora Kern Pirâmide Nano 5
eixos, com potência de 15 kW e comando numérico Heidenhain.
Resultados e discussões
Estudo das trajetórias geradas para o
microfresamento
A figura 5 apresenta
o número de linhas dos programas CNC gerados, as médias dos tamanhos dos
segmentos de retas calculados para a trajetória da ferramenta e o desvio
padrão, para cada valor de tolerância estudado.
Observa-se que reduzindo a tolerância de 0,01mm em 100%, eleva-se o tamanho do programa em 99,8%. Diminuindo mais 100% (tolerância de 0,001 para 0,0001) eleva-se em 145% o número de linhas do programa CNC.
Observa-se também que este comportamento
segue um padrão exponencial e não linear. Como constado por, este
comportamento deve refletir negativamente na velocidade real de avanço durante
a usinagem.
O fato mais importante observado é que houve um elevado desvio-padrão no tamanho dos segmentos gerados para o menor valor de tolerância, o qual deve ser indicado para microfresamento (figura 5b). Devido à geometria ser cilíndrica e a trajetória circular, esperava-se um baixo desvio-padrão, como ocorreu nos casos de valores maiores de tolerância.
Isto mostra que o algoritmo de cálculo deve ser aprimorado. Para visualizar as trajetórias da ferramenta e tamanho dos seguimentos de retas, a figura 6 apresenta os pontos dos programas CNC para um passe de usinagem.
Para os valores de tolerância 0,01 e 0,001 mm a dispersão dos pontos foi linear como esperado. Porém, é visível com a aproximação da imagem que os tamanhos dos segmentos de retas não apresentaram uniformidade quando os valores de tolerância são alterados à escala 10-4 mm, que a dispersão dos pontos não é linear, como nos casos dos valores de tolerância de 0,01mm e 0,001mm. Isso mostra que o programa tem limitações ao trabalhar em micro escala.
Estudo da velocidade real de avanço no microfresamento
As oscilações da
velocidade de avanço foram avaliadas através do tempo real de usinagem. A
figura 7 apresenta os tempos reais de usinagem empregando o centro de usinagem
CNC convencional e centro de usinagem específico para microfresamento,
juntamente com o tempo calculado pelo programa CAM. Os valores dos tempos de
usinagem foram confirmados com uma réplica do experimento de movimentação.
Observa-se que o
tempo estimado pelo CAM não considera a capacidade de movimentação da máquina e
é constante em todos os casos. Entre o primeiro e segundo caso, reduzindo-se o
valor de tolerância em 100%, eleva-se o tempo de usinagem em 14%, semelhante para
os dois equipamentos.
Observa-se também que o centro de usinagem para microfresamento, embora seja uma máquina de elevada tecnologia, levou mais tempo para usinagem que o centro de usinagem CNC convencional, fato não esperado. Ainda, mais impactante foi o elevado tempo de usinagem com o menor valor de tolerância.
Provavelmente, o maior tempo de
usinagem deve estar relacionado com a precisão de movimentação da máquina, que
deve ser maior para o centro de microfresamento. Desta forma, observa-se que a
máquina CNC convencional demonstrou uma performance adequada de movimentação
para usinagem de micro escala. Contudo, os erros dimensionais não foram
avaliados neste trabalho.
Conclusão
O presente artigo
apresenta um estudo sobre a aplicação de máquinas convencionais para usinagem
de pequenas geometrias empregando fusos multiplicadores de rotação. As
trajetórias calculadas por sistemas CAM para microfresamento de formas
complexas também foram estudadas. Dentre as principais conclusões, destacam-se:
· Os
tamanhos de segmentos de reta calculados pelo programa CAM seguiram uma
tendência linear para as tolerâncias de 0,01mm e 0,001mm. Contudo para a menor
tolerância observou-se um elevado desvio-padrão dos comprimentos dos segmentos
de retas que compõe a trajetória, implicando no microfresamento, pois ocasiona
uma variação da velocidade de avanço, elevando o tempo de usinagem, podendo
prejudicar o acabamento superficial. Com isso, sugere-se que os algoritmos para
cálculo de trajetórias complexas de pequenas dimensões e baixos valores de
tolerância sejam aprimorados.
· Observou-se
um comportamento regular da velocidade de avanço da máquina CNC convencional
para trabalho em pequenas dimensões. Nos casos avaliados, este equipamento
demonstrou ser mais rápido que o centro de usinagem específico para
microfresamento.
Contudo, ressalta-se que os desvios geométricos durante as movimentações não foram avaliados. Espera-se maior precisão para este último equipamento.
Agradecimentos
Os autores agradecem
ao ISI SENAI de Joinville, a FAPESC e a empresa Tecnodrill Indústria de Máquinas.
Co-autores
Adriano Fagali de Souza – adriano.fagali@ufsc.br
Jorge Adriano Dos Santos – jorge.santos@edu.sc.senai.br
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Taiuê Cavalheiro Hoffmann
Aluno de graduação em engenharia da Universidade Federal de Santa Catarina, UFSC-Joinville e pesquisador de iniciação científica CNPq no Laboratório GPCAM-UFSC.