Departamento de Engenharia Mecânica Tecnologia CAM Aplicada no Fabrico por Fresagem de Componentes Mecânicos Caracterização do processo de fresagem e dos componentes produzidos Trabalho apresentado para a obtenção do grau de Mestre em Equipamentos e Sistemas Mecânicos Autor PAULO JORGE DE OLIVEIRA SANTOS Orientador Professor Doutor Fernando António Gaspar Simões Instituto Politécnico de Coimbra Coimbra, Dezembro 2013 Tecnologia CAM Aplicada no Fabrico por Fresagem de Componentes Mecânicos AGRADECIMENTOS AGRADECIMENTOS Os meus agradecimentos vão principalmente para o meu orientador, Professor Doutor Fernando António Gaspar Simões, que me acolheu muitas horas no seu gabinete, acompanhando-me sempre de perto, e dando-me confiança e motivação para realizar este trabalho que com a sua elevada dedicação e profissionalismo, me transmitiu sempre o seu conhecimento na área do CAD-CAM. Gostaria de agradecer ao Engenheiro Paulo Amaro pelo apoio na maquinagem de ambos os procedimentos experimentais, ao colega Paulo Bento e Vítor Maranha pela ajuda que me concederam na parte da Engenharia Inversa, aos Professores Luís Roseiro, Luís Borrego e Pedro Ferreira e aos demais docentes do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra por todo o apoio prestado ao longo deste trabalho. Agradeço ainda à Direção do Agrupamento de Escolas de Anadia por autorizar a publicação das fotografias dos seus equipamentos oficinais. Um agradecimento especial aos meus pais e aos meus amigos que me apoiaram durante este longo e enriquecedor ano de Mestrado. Paulo Jorge de Oliveira Santos i Tecnologia CAM Aplicada no Fabrico por Fresagem de Componentes Mecânicos RESUMO RESUMO Na fase inicial desta Dissertação foi realizada uma revisão abordando as operações por corte de arranque de apara mais comuns, considerando-se que estas seriam o torneamento, a furação mecânica e a fresagem, sendo esta última operação abordada de uma forma mais detalhada, uma vez que esta operação será o tema central de estudo neste trabalho. Realizou-se também um estudo mais elaborado sobre alguns fundamentos de fresagem como a maquinagem concordante e discordante, fatores que influenciam no acabamento final da maquinagem, diâmetro efetivo de corte para uma ferramenta de topo esférico, flexão da ferramenta, entre outros. Temas como o CAD-CAM, CNC e Engenharia Inversa foram também particularizados neste trabalho, pois o conhecimento destes assuntos por parte do leitor seriam importantes para a compreensão do trabalho posteriormente desenvolvido. Na parte seguinte deste trabalho foi realizada uma parte experimental. Um primeiro trabalho foi desenvolvido com base numa geometria a duas dimensões, onde foi necessária a realização das geometrias no software AUTOCAD® e posterior utilização do MASTERCAM® para criar os ciclos de maquinagem e, para um segundo trabalho, desta vez com base numa geometria a três dimensões, utilizou-se o SOLID-WORKS® para extração da Bucha e Cavidade e o MASTERCAM® para criar os ciclos de maquinagem. Ambos os trabalhos foram produzidos no Centro de maquinagem existente no Departamento de Engenharia Mecânica do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra. Palavras-chave: Fresagem; maquinagem; ferramenta de topo plano e ponta esférica; parâmetros de corte; CAD-CAM; CNC; engenharia inversa; centro de maquinagem; ciclos de maquinagem Paulo Jorge de Oliveira Santos iii Tecnologia CAM Aplicada no Fabrico por Fresagem de Componentes Mecânicos ABSTRACT ABSTRACT In the initial phase of this Dissertation, a review was conducted addressing the most common coating of hard metal operations, considering that they would be turning , drilling and milling, this last operation will be discussed in a more detailed manner, since this operation will be the central theme of the present study. Also performed a more detailed study of some fundamentals of milling and machining as concordant discordant factors that influence the final finish machining, effective cutting diameter for a ball nose mill tool, tool deflection, among others. Themes such as CAD - CAM, CNC and Reverse Engineering were also individualized in this work, because knowledge of these matters by the reader would be important for understanding the work subsequently developed. In the next part of this work an experimental part was performed. A first study was developed based on a two-dimensional geometry, where it was necessary to perform the geometries in AUTOCAD® software and subsequent use of MASTERCAM® software to create the machining cycles, and for the second work, based on the three dimensions geometry, was used the SOLID -WORKS for the extraction of cavity and bushing and MASTERCAM® to create the machining cycles. Both works were produced in the existing machining center in the Department of Mechanical Engineering at the Instituto Superior de Engenharia de Coimbra. Keywords: Milling; machining; end mill tools and ball nose mill tools; cutting parameters; CAD-CAM; CNC; reverse engineering; machining center; machining cycles Paulo Jorge de Oliveira Santos v Tecnologia CAM Aplicada no Fabrico por Fresagem de Componentes Mecânicos ÍNDICE ÍNDICE CAPITULO 1 – CONCEITOS DE MAQUINAGEM ……………………………………………… 1 1.1. OPERAÇÕES DE CORTE POR ARRANQUE DE APARA MAIS COMUNS…………………………......................... 1 1.1.1.TORNEAMENTO……………………………………………………………………………………………...… 1 1.1.2. FURAÇÃO MECÂNICA……………………………………………………………………………………...… 2 1.1.3. FRESAGEM…………………………………………………………………………………………………....... 3 1.2. FUNDAMENTOS DO PROCESSO DE FRESAGEM………………………………………………………………...…. 4 1.2.1.EQUIPAMENTOS DE FRESAGEM………………………………………………………………..................... 4 1.2.2.OPERAÇÕES……………………………………………………………………………...……………………... 6 1.2.3.FERRAMENTAS……………………………………………………………………………….…....................... 7 1.2.3.1.SELEÇÃO DE FRESAS DE TOPO PLANO…………………………………………….................... 10 1.2.3.2.AVANÇO TIPO ESPIRAL A IMPLEMENTAR EM FRESAS DE TOPO PLANO………………... 12 1.2.3.3.DIÂMETRO EFETIVO DE CORTE PARA UMA FERRAMENTA DE TOPO ESFÉRICO………. 13 1.2.3.4.FLEXÃO DA FERRAMENTA………………………………………………………………………. 16 1.2.4.PARÂMETROS DE CORTE…………………………………………………………………………………… 18 1.2.4.1.PARÂMETROS DE CORTE…………………………………………………………………………. 18 1.2.4.2.CÁLCULO DOS PARÂMETROS DE CORTE……………………………………………………… 19 1.2.5.MAQUINAGEM CONCORDANTE E DISCORDANTE……………………………………………………... 22 1.2.6.MAQUINAGEM COM FRESAS DE TOPO ESFÉRICO……………………………………………………… 24 1.2.7.CONDIÇÃO DE CONTACTO FERRAMENTA – PEÇA……………………………………………………... 25 CAPITULO 2 – SISTEMAS CAD-CAM……………………………………………………………29 2.1.SISTEMAS CAD………………………………………………………………………………………………………….. 29 2.1.1.INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS CAD…………………………………...............…………………………... 29 2.1.2.SISTEMAS DE PEQUENO PORTE…...…………………………………...............………………………….. 29 2.1.3.SISTEMAS DE MÉDIO PORTE……………………………………………………………………………….. 30 2.1.4.SISTEMAS DE GRANDE PORTE…………………………………………………………………………….. 32 2.2.MÁQUINAS E PROGRAMAÇÂO CNC…………………………………………………………………………………. 32 2.2.1.CENTRO DE MAQUINAGEM CNC…………………………………………………………………………... 33 2.2.2.PAINEL DE CONTROLO DO CENTRO DE MAQUINAGEM………………………………………………. 34 2.2.3.GRAUS DE LIBERDADE E SISTEMA DE EIXOS…………………………………………………………... 37 2.2.4.CENTROS DE MAQUINAGEM MULTIEIXOS……………………………………………………………… 38 2.3. PROGRAMAÇÂO CNC………………………………………………………………………………………………….. 40 2.3.1. APARECIMENTO E DESENVOLVIMENTO DO CNC…………………………………………………….. 40 2.3.2.OS PASSOS DA OPERAÇÂO E TERMOS DA PROGRAMAÇÂO CN……………………………………... 42 2.4. SISTEMAS CAM………………………………………………………………………………………………………..... 50 2.4.1.INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS CAM………………………………………………………………………..50 2.4.2.EVOLUÇÂO DOS SISTEMAS CAM………………………………………………………………………...... 52 2.4.3.OPERAÇÕES DE FRESAGEM CNC PROGRAMADAS POR SISTEMAS CAM………………..…………. 53 2.4.4.TOLERÂNCIA E CÁLCULO DAS TRAJETÓRIAS DE FERRAMENTA…………………………………… 54 2.4.5.PÓS-PROCESSAMENTO……………………………………………………………………………………… 58 CAPITULO 3 – ENGENHARIA INVERSA……………………………………………………….. 61 3.1.GENERALIDADES……………………………………………………………………………………………………….. 61 3.2.SISTEMAS PARA AQUISIÇÂO DE DADOS………………………………………………………………………….... 62 3.3.TRATAMENTO DOS DADOS OBTIDOS………………………………………………………………………………. 64 Paulo Jorge de Oliveira Santos vii ÍNDICE Tecnologia CAM Aplicada no Fabrico por Fresagem de Componentes Mecânicos CAPITULO 4 - TRABALHO EXPERIMENTAL………………………………………………… 67 4.1.EQUIPAMENTO UTILIZADO…………………………………………………………………………………………… 67 4.2.EXEMPLO 1 – TRABALHO 2D………………………………………………………………………….......................... 68 4.2.1.GEOMETRIA CAD…………………………………………………………………………………………….. 68 4.2.2.PROGRAMAÇÃO DOS CICLOS DE MAQUINAGEM E RESULTADO OBTIDO………………………… 69 4.2.2.1.1º APERTO…………………………………………………………………………………………… 73 4.2.2.2.2º APERTO…………………………………………………………………………………………… 81 4.2.3.ENGENHARIA INVERSA……………………………………………………………………………………... 87 4.2.3.1.AQUISIÇÂO DE DADOS POR DIGITALIZAÇÂO………………………………………………… 87 4.2.3.2.TRATAMENTO DA NUVEM DE PONTOS E MALHA POLIGONAL…………………………… 89 4.3.EXEMPLO 2 – TRABALHO 3D………………………………………………………………………………………….. 92 4.3.1.ENQUADRAMENTO DO TRABALHO………………………………………………………………………. 92 4.3.2.GEOMETRIA A MAQUINAR……………………………………………………………. …………………... 92 4.3.3.PROGRAMAÇÃO DOS CICLOS DE MAQUINAGEM E RESULTADO OBTIDO………………………… 94 4.3.4.ENGENHARIA INVERSA……………………………………………………………………………………. 103 4.3.4.1.AQUISIÇÂO DE DADOS POR DIGITALIZAÇÂO……………………………………………….. 104 4.3.4.2.TRATAMENTO DA NUVEM DE PONTOS E MALHA POLIGONAL………………………….. 104 CAPITULO 5 - CONCLUSÃO………………………………………………….……………........ 107 CAPITULO 6 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..……………... …………………………109 ANEXOS…………………………………………………………………………………………….. 111 viii