Mill+: eina per a fresat estable i de qualitat

2024/12/09 Gorka Urbikain Pelayo - Gipuzkoako Ingeniaritza Eskola (EHU). CFAA Fabrikazio Aeronautiko Aurreratuko Zentroa (EHU). | Daniel Olvera Trejo - Institute of Advanced Materials for Sustainable Manufacturing, Tecnológico de Monterrey. Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Industria
• Softwarea
• Ingeniaritza

El fresat és habitual en la fabricació mecànica i és un dels processos que més valor aporta a la peça. Però és molt sensible a les vibracions, especialment a les anomenades chatter, que són molt perilloses per a les peces. Aquest problema es deu al fet que el sistema de tall no té la rigidesa o l'amortiment suficients quan el tall es realitza en determinades condicions. Aquest fenomen, a més de produir soroll, empitjora la qualitat de la peça i redueix la vida útil de l'eina.Quan es produeix el fenomen Chatter, les vibracions de l'eina de tall aguditzen la superfície de treball o produeixen irregularitats; d'altra banda, l'eina s'erosiona més ràpid i, per tant, disminueix la productivitat i augmenta els costos del procés [1-3].

Encara que el problema de les vibracions és antic, en l'actualitat planteja nous reptes, ja que s'han d'assegurar estàndards més alts en els processos de mecanitzat. Quan el sistema de tall no es pot canviar o no es vol canviar, la solució és canviar els paràmetres de tall. Aquest és l'argument principal per a utilitzar l'aplicació que presentem a continuació.

Què és Mill+ i com resol el problema de les vibracions de chatter?

Mill+ és una aplicació desenvolupada per la Universitat del País Basc [4,5] i el Tecnològic de Monterrey [6] gràcies a una llarga col·laboració d'anys, i està dissenyada per a prevenir i controlar les vibracions que es produeixen en el fresat. MATLAB App Designer ofereix mapes d'estabilitat a través d'una interfície en l'entorn perquè l'operari pugui seleccionar els paràmetres de tall més adequats, com la velocitat de gir del capçal principal (\(n\)) i profunditat axial de tall (\(a_p\)). Aquests mapes mostren combinacions de paràmetres que produeixen un procés estable o vibracions desagradables, (\( n\) ,\(a_p\)) sobretot parella.

Funcions de l'aplicació Mill+

Per a aconseguir un procés de fresat eficaç i d'alta qualitat és necessari seleccionar els paràmetres de tall adequats. Aquests paràmetres, com la velocitat de gir, l'avanç per dent i la profunditat de tall, incideixen directament en la qualitat de la peça, la productivitat i la durabilitat de les eines. A partir d'aquests paràmetres es creguin nous, més elaborats (i previsibles): algunes variables —potència de tall, forces de tall, cabal d'encenall, rugositat superficial…— juguen un paper fonamental.

La comprensió i control d'aquestes variables, a més d'ajudar a augmentar la productivitat, permet garantir l'estabilitat i la qualitat global del procés de fresat.

Per tant, l'eina desenvolupada ofereix les següents capacitats de simulació:

1. Visualització multivariant. Permet predir l'estabilitat i l'aspror superficial que s'obtindrà amb els paràmetres de tall seleccionats. D'aquesta manera, l'operador pot predir si el procés és estable i quin acabat es pot obtenir. Això ajuda a buscar un equilibri entre estabilitat i qualitat superficial, ja que cal tenir en compte que tots dos aspectes són diferents. Es buscarà un equilibri entre la productivitat (o la taxa de retirada de l'encenall) i l'acabat superficial de la peça. Per descomptat, aquest últim adquireix més importància en els processos d'acabat.
   

   Figura 2.Resultats: mapes d'estabilitat de colors (esquerra) i vistes multivariables (dreta).
2. Càlcul de forces dinàmiques. L'aplicació permet simular les forces de tall en qualsevol punt de la xarxa. D'aquesta manera es pot observar l'evolució de les forces dinàmiques al llarg del temps. A més, permet aplicar una transformació ràpida (FFT) de Fourier en el perfil de forces per a determinar amb precisió si es produeix o no un fenomen chatter. El criteri és el següent: Si en la FFT els moments més alts de les forces coincideixen amb els multiplicadors de la freqüència dels cops entre les dents, el procés és estable i en el fresat es produeix una vibració forçada (característica en el fresat). Per contra, si els moments més elevats comencen a separar-se de les freqüències de col·lisió (i les seves multiplicables) i apareixen al voltant de les freqüències pròpies del sistema, això indica que existeix un fenomen chatter.
3. Optimització de la productivitat i qualitat. La fitxa Optimització permet trobar un equilibri entre la productivitat i la qualitat de l'acabat superficial. Ubicació d'un punt òptim per a l'usuari de l'aplicació (\(n\)i\(a_p\)Pot ajustar les coordenades en funció dels límits de valor definits inicialment per aquest: la taxa d'eliminació de l'encenall o el cabal d'encenall (punts blaus) i la rugositat mínima que s'ha considerat objectiu \(R_a\)(punts morats). A partir d'aquestes dues condicions, se suggereix un punt en el diagrama. En la imatge, el punt de partida (vermell) es veu en el centre del mapa i el punt òptim (verd) tracta d'aconseguir el millor equilibri entre totes dues característiques.
   

   Figura 3.Optimització de la productivitat i qualitat: buscant l'equilibri.

 

A qui va dirigit Mill+?

L'objectiu de Mill+ és que sigui útil tant per a professionals de la indústria com per a estudiants en l'àmbit acadèmic. Els professionals podran realitzar una anàlisi ràpida abans de les operacions de fresat i optimitzar els paràmetres i reduir la probabilitat d'errors; l'aplicació és fàcil d'usar i no requereix molta formació per a integrar-se en el flux de treball. En l'àmbit acadèmic, ja s'utilitza en el Tecnològic de Monterrey i en la Universitat del País Basc per a ensenyar les vibracions i l'estabilitat del procés de fresat, de manera que poden veure i analitzar com afecten els paràmetres de tall al comportament d'eines i peces de treball i poden comprendre millor la teoria i aplicar-la en situacions pràctiques.

 

Bibliografia

[1] Tlusty, J. Polac, M. The stability of machine tools against self-excited vibrations in machining. International Research in Production Engineering Conference, 1963, pàg. 465-474.

[2] Altintas, I. Manufacturing Automation: Metall Cutting Mechanics, Machine Tool Vibrations, and CNC Design, 2012, Cambridge University Press.

[3] Schmitz, T., Quant a Miguel Strogoff i Miguel Strogoff, els dos cavallers, un d'ells Smith i un altre K. Machining dynamics: Response to Improved Productivity. Springer, 2009

[4] Urbikain, G. Artetxe, E., López de Lacalle, L.N., Numical simulation of milling forces with barrel-shaped tools considering runout and tool inclination angles. Applied Mathematical Modelling, 2017, vol. 47, pàg. 619–636.

[5] Urbikain G. Modelling of static and dynamic milling forces in inclined operations with circle segment end mills. Precision Engineering, 2019, vol. 56, pàg. 123–35.

[6] Olvera D., Elías - Zúñiga A., Sr. Martínez Alfaro H., López de Lacalle L.N., Rodríguez C.A., Campa F.J. Determination of the stability lobes in milling operations based on homotopy and simulated annealing techniques. Mechatronics, 2014, vol. 24(3), pàg. 177–85.