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Guia para seleção das pontas para CMMs

Existem vários fatores importantes a considerar ao decidir qual ponta é a mais apropriada.

Fatores na seleção da ponta

Ao avaliar quão exata a medição com a CMM deve ser, é prática comum utilizar uma relação entre a incerteza da CMM e a tolerância da característica de no mínimo 1:5 (1:10 é ideal, mas em muitos casos pode se revelar demasiado caro para ser viável). Essa relação proporciona uma margem de segurança que assegura que os resultados apresentem uma incerteza relativamente pequena em relação ao campo de variação esperado da peça. Desde que uma relação de 1:5 possa ser mantida na tolerância mais apertada, isto deveria significar o fim da discussão sobre a exatidão.

Infelizmente, algo tão inofensivo como trocar a ponta de um apalpador, pode surpreendentemente ter uma grande influência sobre a exatidão real que pode ser alcançada, causando considerável variação nos resultados de medição. Não é suficiente contar com a calibração anual da CMM para verificar a exatidão, pois esta só irá confirmar o resultado com a ponta que foi utilizada no teste (normalmente uma muito curta). Esta é provavelmente a exatidão no melhor dos casos. Para obter uma melhor compreensão da provável precisão de uma série maior de medições, necessitamos avaliar como a ponta contribui para a incerteza de medição.

Esta seção examinará quatro aspectos principais da seleção de pontas que afetam a exatidão geral da CMM.

1. Esfericidade da esfera da ponta (circularidade)

2. Flexão da ponta

3. Estabilidade térmica

4. Seleção do material da extremidade da ponta (aplicações de escaneamento)

Esfericidade da esfera da ponta (circularidade)

As extremidades de medição da maioria das pontas possuem uma esfera, geralmente fabricadas em rubi sintético. Qualquer erro na esfericidade (circularidade) destas extremidades afetará a incerteza de medição da CMM, e é fácil perder até 10% da exatidão da CMM deste modo.

Esferas de rubi são fabricadas em diversos níveis de precisão definidos por sua "classe", relacionada com o máximo desvio da esfera em relação a uma esfera perfeita. As duas especificações de esferas mais comuns são as classes 5 e 10 (quanto menor a classe, melhor a esfera). Reduzir a qualidade da esfera de classe 5 para 10 economiza um pouco em termos de custo da ponta mas pode ser suficiente para colocar em risco a relação 1:5.

O problema é que não é possível detectar visualmente a classe da esfera, além de não ser evidente nos resultados de medição, tornando difícil calcular se isto é significativo ou não. Uma solução é especificar esferas de classe 5 como padrão: elas custam um pouco mais, mas esse é um custo menor quando comparado com a possibilidade de refugar uma peça conforme ou, o que é pior, aprovar uma peça não conforme. Perversamente, quanto mais exata é a CMM, mais significativo é o efeito da classe da esfera. Nas CMMs com especificações mais elevadas, até 10% da exatidão pode ser perdida deste modo.

Veja abaixo um exemplo...

Um erro típico de medição com apalpador conforme ISO 10360-2 (MPEP), determinado utilizando uma ponta com esfera classe 5:

  • MPEP = 1,70 µm

Este número é determinado medindo 25 pontos discretos, cada um avaliado como 25 raios separados. A faixa de variação dos raios é o valor MPEP. A circularidade da esfera da ponta contribui diretamente para isso, e assim a troca da classe da esfera de 5 para 10 aumenta este valor em 0,12 μm e piora o erro da medição em 7% neste exemplo:

  • MPEP = 1,82 µm

Note que a circularidade da esfera também afeta o MPETHP, que utiliza quatro trajetórias de escaneamento ao redor da esfera para avaliar o desempenho do apalpador de escaneamento.

Notas:

  • Esfericidade da esfera classe 5 = 0,13 µm
  • Esfericidade da esfera classe 10 = 0,25 µm

Para as aplicações mais exigentes, a Renishaw oferece uma série de pontas com esferas de classe 3, que apresentam esfericidade de apenas 0,08 μm.

Flexão da ponta

Ao utilizar apalpadores por contato, como o apalpador padrão da indústria TP20, é prática comum comutar entre módulos de pontas para tirar vantagem das diferentes pontas, cada uma otimizada para uma tarefa de medição. O motivo pelo qual uma ponta longa não é utilizada para todas as características é que há uma perda de exatidão que aumenta com o comprimento da ponta. É boa prática manter a ponta o mais curta e rígida possível - mas por quê?

Apesar da ponta não ser diretamente responsável por este erro específico, ela o amplia com o aumento do seu comprimento. O erro é originado pela força variável necessária para ativar o apalpador em diferentes direções. A maioria dos apalpadores não é ativada no instante em que o contato é efetuado entre a ponta e a peça; é necessário que seja gerada uma força para superar a carga da mola dentro do mecanismo do sensor. A força deforma a ponta elasticamente. Esta flexão permite que o apalpador se mova por uma curta distância em relação à peça após o contato físico e antes que a ativação seja gerada. Este movimento é conhecido como pré-curso.

O esquema cinemático triangular da maioria dos apalpadores resulta em diferentes forças necessárias para gerar uma ativação. Nas direções mais rígidas, o apalpador resistirá à ativação até que mais flexão tenha ocorrido na ponta. Isso também significa que a CMM se deslocará mais, assim o pré-curso vai variar com o ângulo de aproximação (ver o diagrama à direita). Esta variação do pré-curso é ainda mais complicada quando são utilizados ângulos compostos de aproximação (eixos X, Y e Z).

Para minimizar este efeito, todas as pontas são calibradas em uma esfera de referência de tamanho conhecido antes que sejam utilizadas. Em um mundo ideal, esse processo mapearia os erros em cada combinação de pontas e ângulo de aproximação. Na prática, muitas vezes para economizar tempo, é considerada uma amostra dos ângulos, algumas médias são calculadas e uma pequena parte do erro pode permanecer.

É difícil calcular o efeito disto na incerteza de medição sem realizar testes empíricos. O fato mais importante é que quaisquer erros residuais de variação de pré-curso serão ampliados pela flexibilidade da ponta selecionada. Isso enfatiza a importância da seleção dos materiais no projeto da ponta, considerando a resistência à flexão da haste em relação a outras características, como seu peso e custo. Enquanto o aço é mais apropriado para muitas pontas curtas, apresentando um módulo de Young E = 210 kN/mm2, o material mais rígido comumente utilizado é o carboneto de tungstênio (E = 620 kN/mm2), mas este também é muito denso e, por conseguinte, pouco utilizado em pontas longas. Nestes casos, a fibra de carbono proporciona uma excelente combinação de rigidez (E ≥ 450 kN/mm2) e peso reduzido. Entretanto, hastes de cerâmica (E = 300 – 400 kN/mm2) muitas vezes são utilizadas em aplicações de medição com apalpador em máquinas-ferramenta, onde seu peso reduzido e sua estabilidade térmica são valorizados.

A rigidez da ponta também é afetada pelas uniões na sua montagem. Como regra geral, é melhor evitar uniões sempre que possível, já que elas podem introduzir histerese, embora isso possa não ser possível ao utilizar um sensor fixo para medir peças complexas. Nestes casos, pode ser necessária uma configuração formada a partir de um conjunto de pontas, extensões, conectores e articulações. É importante considerar os materiais selecionados para cada elemento, uma vez que isto afetará a rigidez, peso e robustez da configuração.

Estabilidade térmica

Variações de temperatura podem causar sérios erros de medição. Escolher o material correto para as extensões das pontas pode proporcionar maior estabilidade sob condições variáveis, produzindo resultados de medição mais consistentes. Materiais com baixo coeficiente de dilatação térmica são preferíveis, especialmente nos casos em que são utilizadas pontas longas, pois a dilatação térmica depende do comprimento.

Como afirmado anteriormente, a fibra de carbono é o material mais comumente utilizado em pontas longas e extensões, pois é rígido, leve e não altera seu comprimento com a variação da temperatura. Nos casos em que metais são necessários - para uniões, articulações etc. - o titânio oferece a melhor combinação de resistência, estabilidade e densidade. A Renishaw fornece apalpadores e extensões de pontas fabricados com ambos os materiais.

Seleção do material da extremidade da ponta

Para a maioria das aplicações, as esferas de rubi são a escolha padrão para extremidades das pontas. No entanto, existem algumas circunstâncias em que outros materiais proporcionam uma alternativa melhor.

Nas medições por contato, a extremidade da ponta somente entra em contato com a superfície por períodos curtos e não há movimento relativo. O escaneamento é diferente, uma vez que a esfera desliza sobre a superfície da peça, resultando em desgaste por fricção. Este contato prolongado pode, em circunstâncias extremas, causar a remoção ou deposição de materiais sobre a esfera da ponta, afetando sua esfericidade. Estes efeitos são ampliados se uma região da esfera está em contato constante com a peça. A Renishaw realizou uma extensa pesquisa sobre estes efeitos, com destaque para dois diferentes mecanismos de desgaste:

Desgaste abrasivo

Desgaste abrasivo O desgaste abrasivo ocorre no escaneamento de uma superfície como ferro fundido, em que partículas de resíduos causam pequenos arranhões na ponta e na peça, resultando em um pequeno achatamento na extremidade da ponta. Pontas de zircônia são a escolha ideal para estas aplicações.

Desgaste adesivo

Teste de desgaste adesivo 2 O desgaste adesivo ocorre quando a esfera da ponta e o material da peça possuem uma afinidade química entre si. Isso pode ser observado no escaneamento de peças de alumínio com uma esfera de rubi (óxido de alumínio). O material passa da peça relativamente mole para a ponta, resultando em um revestimento de alumínio sobre a extremidade da ponta, afetando deste modo a circularidade. Neste exemplo, o nitreto de silício é a melhor escolha, uma vez que apresenta boa resistência ao desgaste e não é atraído pelo alumínio.

Outros fatores

Outras considerações ao selecionar uma ponta são:

  • Tamanho da rosca da ponta apropriada para o sensor selecionado
  • Tipo de ponta – reta, estrela, articulada ou configuração especial
  • Tipo de extremidade da ponta – esfera, cilindro, disco, hemisfério
  • Tamanho da extremidade da ponta para minimizar a influência da rugosidade da superfície sobre a exatidão de medição

Todos estes tópicos são explorados em detalhe no Catálogo de pontas de precisão da Renishaw

Conclusão

As pontas contribuem de modo essencial em qualquer medição, fornecendo a interface crucial entre o sensor e a peça. Elas proporcionam o acesso às características ao redor da peça e devem transmitir fielmente a localização da superfície em relação ao apalpador. Para facilitar uma inspeção exata, elas devem ser construídas com componentes de precisão, fabricados cada um com materiais que correspondam aos requisitos da medição. Quando selecionada com cuidado, a ponta correta não aumentará significativamente a incerteza, produzindo resultados consistentes e confiáveis. Nos casos de tolerâncias apertadas e em que são necessárias pontas longas, deve ser considerado com cuidado o impacto destas escolhas na exatidão.