Novo aplicativo reduz mais de 25% no fresamento de moldes e matrizes

Na usinagem de acabamento de formas complexas (moldes e matrizes) fresas de ponta esféricas são as ferramentas mais indicadas [1]. Porém, a região de contato ferramenta-peça altera-se constantemente ao longo da usinagem (Fig. 1). Em cada posição da usinagem, o raio efetivo de corte (Ref) da ferramenta se altera, assim como a velocidade de corte real. A superfície é usinada com diferentes condições de corte, o que é prejudicial ao processo [2].


Figura 1: Raio nominal (Rn) da ferramenta e Raio efetivo (Ref)

Na programação da usinagem CNC o usuário atribui os valores de rotação do eixo-árvore da máquina (S) e a velocidade de avanço (F). Estes valores estão relacionados às recomendações dos fabricantes das ferramentas e experiências dos usuários.

O problema é que estes parâmetros (rotação e velocidade de avanço) permanecem constantes ao logo de toda usinagem. Assim, devido as alterações do raio efetivo de corte (Fig. 1), a velocidade de corte real é inferior a programada na maior parte da usinagem.

Este fato representa uma grande perda de produtividade e ocorre de forma não notada aos usuários. Tento em vista esta limitação do processo, o Grupo de Pesquisa em Manufatura Auxiliada por Computador – GPCAM (UFSC-Joinville) criou o programa de computador CAMSpeed que tem por objetivo manter constante a velocidade de corte no fresamento de formas complexas.

O programa CAMSpeed identifica o raio efetivo de corte da ferramenta ao longo de uma trajetória complexa. Com o raio efetivo identificado em cada ponto da trajetória, o programa ajusta, no programa CNC, a rotação da máquina (S). Para manter o avanço por aresta constante (fz), o programa também ajusta a velocidade de avanço (F).

Desta forma, nas regiões onde a ferramenta está utilizando seu raio nominal para cortar o material, a rotação e a velocidade de avanço são os valores programados (ressalta-se que no fresamento de formas complexas estes casos quase não ocorrem). Mas na maior parte da trajetória, onde o diâmetro efetivo é reduzido, o programa eleva a rotação (S) e a velocidade de avanço (F). Com isso reduz-se o tempo real de usinagem.

Assim, o programa CAMSpeed altera os valores de rotação (S) e velocidade de avanço (F) no programa CNC gerado. Inicialmente, avaliações em laboratório foram realizadas. Observou-se que os programas parametrizados pelo CAMSpeed além de reduzir o tempo de usinagem, reduziu a força de usinagem e melhorou a rugosidade superficial [3].

A vida da ferramenta e o erro de forma mantiveram semelhante aos programas CNC convencionais, apenas com uma tendencia de melhoras [4]. De qualquer forma, a redução do tempo de usinagem foi expressiva.

O presente trabalho tem por objetivo validar a aplicação do programa CAMSpeed para usinagem de um molde real e apresentar o programa CAMSpeed implementado no software NX Siemens.

Programa CAMSpeed: parametrizar a rotação com a velocidade de avanço

Para realizar a parametrização da rotação (S) com o avanço (F) o programa CAMSpeed deve receber primeiro as informações do raio nominal da ferramenta, a velocidade de corte e avanço por aresta desejados (a rotação máxima da máquina também é considerada).

Fazendo uso da geometria a ser usinada, o programa identifica primeiro os vetores normais ao longo da superfície. Com esta informação é identificado o Ref em cada ponto da trajetória, e com isso, a rotação necessária para a velocidade de corte programada. Posteriormente, o programa ajusta os valores de S e F em cada linha do programa CNC. A Fig. 2 apresente o fluxograma de funcionamento do CAMSpeed.



Figura 2: Fluxograma CAMSpeed e vetores normais à superfície

Esta rotina computacional do CAMSpeed, assim como outras rotinas desenvolvidas pelo grupo de pesquisa GPCAM para otimizar a usinagem de moldes e matrizes foram, e estão sendo implementadas no software CAD/CAM NX da Siemens, como mostra a Fig. 3.


Figura 3: Aplicativos implementados no software CAD/CAM NX

Procedimento experimental

No presente trabalho é avaliada a usinagem empregando o programa CAMSpeed para otimizar a usinagem real de um molde para injeção de plásticos (Fig. 4). Foram usinadas duas cavidades em material VP20. Uma das cavidades foi usinada empregando programa CNC gerado pelo software CAM Siemens NX e a outra cavidade o programa parametrizado pelo CAMSpeed.


Figura 4: Geometria do molde usinado e parâmetros

Os parâmetros de corte foram calculados conforme catálogo da Sandvik para fresa de 6 milímetros de diâmetro. O foi utilizado o centro de usinagem Romi modelo D600 com 4 eixos.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Utilizando o CAMSpeed implementado no NX foram gerados os programas CNC com os valores de rotação (S) e velocidade de avanço (F) parametrizados para a usinagem do molde. A Fig. 5a apresenta parte do programa CNC convencional e a Fig. 5b o programa otimizado pelo CAMSpeesd, com destaque para S e F.


Figura 5: Programa CNC convencional e otimizado pelo CAMSpeed

A cavidade fabricada e o tempo real de usinagem utilizando o programa CNC convencional e o programa CNC parametrizado pelo CAMSpeed estão apresentados na Fig. 6. Observou-se no caso estudado uma redução de 26% no tempo de usinagem quando utilizado o programa CNC otimizado pelo CAMSpeed. Esta redução ainda foi limitada pela rotação máxima da máquina CNC utilizada (7.500 RPM). Em uma máquina com maior rotação, a redução do tempo poderia ser ainda maior.

Pare se ter uma perspectiva deste caso, foi realiza uma simulação empregado uma máquina de 21.000 RPM. Com esta máquina, a redução do tempo de usinagem esperado seria de a aproximadamente 37%. As cavidades usinadas com os dois programas CNC apresentam qualidade superficial semelhantes (Fig. 6).


Figura 6: Cavidade usinada e tempo de usinagem dos programas CNC avaliados

CONCLUSÕES

O programa CAMSpeed foi desenvolvido para aprimora o processo de acabamento de moldes e as principais conclusões deste trabalho são:

- O sistema é capaz de identificar as regiões de baixa velocidade de corte e ajustar, no programa CNC, os parâmetros de rotação e avanço.

- Na cavidade fabricada, a redução do tempo real de acabamento foi de 26%.

- Simulações mostram reduções mais expressivas do tempo de usinagem empregando máquinas com maior rotação do eixo-árvore. Uma máquina de 21.000 RPM, a redução seria de 37%.

- O software CAMSpeed além de reduzir os tempos de fabricação, trabalha de forma a manter a velocidade de corte o mais constante possível durante o processo de usinagem, e por isso, reduz a força de usinagem e aprimora o processo de fabricação.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao CNPq, a Siemens PLM, Sandvik e a Sidemis.

REFERÊNCIAS

[1] T. Chen and Z. Shi (2007). “A tool path generation strategy for three-axis ball-end milling of free-form surfaces” J. Mater. Process. Technol., vol. 208, pp. 259–263, 2008, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2007.12.142.

[2] A. F. de Souza, A. E. Diniz, A. R. Rodrigues, and R. T. Coelho. (2014). “Investigating the cutting phenomena in free-form milling using a ball-end cutting tool for die and mold manufacturing,” Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 71, no. 9–12, pp. 1565–1577, 2014, doi: 10.1007/s00170-013-5579-4.

[3] R. B. Käsemodel, A. F. de Souza, R. Voigt, I. Basso, and A. R. Rodrigues (2020). “CAD/CAM interfaced algorithm reduces cutting force, roughness, and machining time in free-form milling,” Int. J. Adv. Manuf. Technol. doi: 10.1007/s00170-020-05143-x.

[4] Camargo, L. (2021). Fresamento de formas complexas com ajuste dinâmico da rotação e da velocidade de avanço. Dissertação. https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/222107.





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