Geometric Model and Application Development for Tool-Surface Engagement Identification and Milling Force Estimation

Abstract

No fresamento de geometrias complexas com ferramentas de ponta esférica, o contato entre a ferramenta e a superfície varia continuamente devido às mudanças na curvatura da peça e na orientação da ferramenta, resultando em flutuações na força de corte, deflexão da ferramenta e possíveis erros geométricos. Os sistemas CAD/CAM tradicionais não possuem a capacidade de identificar dinamicamente o engajamento da ferramenta nem de prever as componentes das forças de corte associadas, especialmente em regiões onde o mecanismo de corte predominante é o esmagamento (plowing), em vez do cisalhamento. Tendo em conta essa limitação e avançando no estado da arte, este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta computacional integrada a um ambiente CAD/CAM utilizando uma interface de programação aberta. A aplicação identifica três condições de contato entre ferramenta e superfície, ponta da ferramenta na superfície, ponta da ferramenta no cavaco e ponta da ferramenta fora da região de corte, com base na relação geométrica entre o ponto de contato da ferramenta-peça, a localização da ponta da ferramenta, o sobremetal, o diâmetro da ferramenta e a direção de avanço. Além disso, o sistema incorpora no desenvolvimento uma interface de entrada para modelos de força de corte para futura previsão da força de corte local. A ferramenta foi testada com sucesso em superfícies conceituais baseadas em splines e em geometrias reais, dentro de um ambiente CAD/CAM comercial. A solução proposta estabelece a base para a integração de modelos de força mais avançados, contribuindo na melhoria do planejamento de trajetórias, da precisão de usinagem e da qualidade superficial contribuindo para o desenvolvimento científico e industrial.

In free-form surface milling using ball-end tools, tool-surface engagement varies continuously due to changes in surface curvature and tool orientation, leading to fluctuations in cutting forces, tool deflection, and potential form errors. Traditional CAD/CAM systems lack the capability to dynamically identify tool-surface engagement or to predict the associated cutting forces, particularly in regions where the predominant cutting mechanism is plowing rather than shearing. Addressing this limitation and advancing the state-of-the-art, this work presents the development of a computational tool integrated into a commercial CAD/CAM environment using an open programming interface. The application identifies three tool-surface engagement conditions, tooltip on surface, tooltip on chip, and tooltip off, based on the geometric relationship between the cutter contact point, cutter location, part stock, tool diameter, and feed direction. Additionally, the system incorporates an input interface for cutting force models for future prediction of local cutting forces. The tool was successfully tested on conceptual spline-based surfaces and real geometries within a commercial CAD/CAM environment. The proposed solution establishes the foundation for integrating more advanced force models, contributing to improved toolpath planning, machining accuracy, and surface quality, while also supporting scientific and industrial development.