Mill+: herramienta para fresado estable y de calidad

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

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El fresado es habitual en la fabricación mecánica y es uno de los procesos que más valor aporta a la pieza. Pero es muy sensible a las vibraciones, especialmente a las llamadas chatter, que son muy peligrosas para las piezas. Este problema se debe a que el sistema de corte no tiene la rigidez o la amortiguación suficientes cuando el corte se realiza en determinadas condiciones. Este fenómeno, además de producir ruido, empeora la calidad de la pieza y reduce la vida útil de la herramienta.Cuando se produce el fenómeno Chatter, las vibraciones de la herramienta de corte agudizan la superficie de trabajo o producen irregularidades; por otra parte, la herramienta se erosiona más rápido y, por lo tanto, disminuye la productividad y aumenta los costes del proceso [1-3].

Aunque el problema de las vibraciones es antiguo, en la actualidad plantea nuevos retos, ya que se deben asegurar estándares más altos en los procesos de mecanizado. Cuando el sistema de corte no se puede cambiar o no se quiere cambiar, la solución es cambiar los parámetros de corte. Este es el argumento principal para utilizar la aplicación que presentamos a continuación.

¿Qué es Mill+ y cómo resuelve el problema de las vibraciones de chatter?

Mill+ es una aplicación desarrollada por la Universidad del País Vasco [4,5] y el Tecnológico de Monterrey [6] gracias a una larga colaboración de años, y está diseñada para prevenir y controlar las vibraciones que se producen en el fresado. MATLAB App Designer ofrece mapas de estabilidad a través de una interfaz en el entorno para que el operario pueda seleccionar los parámetros de corte más adecuados, como la velocidad de giro del cabezal principal (\(n\)) y profundidad axial de corte (\(a_p\)). Estos mapas muestran combinaciones de parámetros que producen un proceso estable o vibraciones desagradables, (\( n\) ,\(a_p\)) sobre todo pareja.

Funciones de la aplicación Mill+

Para conseguir un proceso de fresado eficaz y de alta calidad es necesario seleccionar los parámetros de corte adecuados. Estos parámetros, como la velocidad de giro, el avance por diente y la profundidad de corte, inciden directamente en la calidad de la pieza, la productividad y la durabilidad de las herramientas. A partir de estos parámetros se crean nuevos, más elaborados (y previsibles): algunas variables —potencia de corte, fuerzas de corte, caudal de viruta, rugosidad superficial…— juegan un papel fundamental.

La comprensión y control de estas variables, además de ayudar a aumentar la productividad, permite garantizar la estabilidad y la calidad global del proceso de fresado.

Por lo tanto, la herramienta desarrollada ofrece las siguientes capacidades de simulación:

1. Visualización multivariante. Permite predecir la estabilidad y la aspereza superficial que se obtendrá con los parámetros de corte seleccionados. De esta forma, el operador puede predecir si el proceso es estable y qué acabado se puede obtener. Esto ayuda a buscar un equilibrio entre estabilidad y calidad superficial, ya que hay que tener en cuenta que ambos aspectos son diferentes. Se buscará un equilibrio entre la productividad (o la tasa de retirada de la viruta) y el acabado superficial de la pieza. Por supuesto, este último adquiere más importancia en los procesos de acabado.
   

   Figura 2.Resultados: mapas de estabilidad de colores (izquierda) y vistas multivariables (derecha).
2. Cálculo de fuerzas dinámicas. La aplicación permite simular las fuerzas de corte en cualquier punto de la red. De esta manera se puede observar la evolución de las fuerzas dinámicas a lo largo del tiempo. Además, permite aplicar una transformación rápida (FFT) de Fourier en el perfil de fuerzas para determinar con precisión si se produce o no un fenómeno chatter. El criterio es el siguiente: Si en la FFT los momentos más altos de las fuerzas coinciden con los multiplicadores de la frecuencia de los golpes entre los dientes, el proceso es estable y en el fresado se produce una vibración forzada (característica en el fresado). Por el contrario, si los momentos más elevados comienzan a separarse de las frecuencias de colisión (y sus multiplicables) y aparecen alrededor de las frecuencias propias del sistema, esto indica que existe un fenómeno chatter.
3. Optimización de la productividad y calidad. La ficha Optimización permite encontrar un equilibrio entre la productividad y la calidad del acabado superficial. Ubicación de un punto óptimo para el usuario de la aplicación (\(n\)y\(a_p\)Puede ajustar las coordenadas en función de los límites de valor definidos inicialmente por el mismo: la tasa de eliminación de la viruta o el caudal de viruta (puntos azules) y la rugosidad mínima que se ha considerado objetivo \(R_a\)(puntos morados). A partir de estas dos condiciones, se sugiere un punto en el diagrama. En la imagen, el punto de partida (rojo) se ve en el centro del mapa y el punto óptimo (verde) trata de conseguir el mejor equilibrio entre ambas características.
   

   Figura 3.Optimización de la productividad y calidad: buscando el equilibrio.

 

¿A quién va dirigido Mill+?

El objetivo de Mill+ es que sea útil tanto para profesionales de la industria como para estudiantes en el ámbito académico. Los profesionales podrán realizar un análisis rápido antes de las operaciones de fresado y optimizar los parámetros y reducir la probabilidad de errores; la aplicación es fácil de usar y no requiere mucha formación para integrarse en el flujo de trabajo. En el ámbito académico, ya se utiliza en el Tecnológico de Monterrey y en la Universidad del País Vasco para enseñar las vibraciones y la estabilidad del proceso de fresado, de modo que pueden ver y analizar cómo afectan los parámetros de corte al comportamiento de herramientas y piezas de trabajo y pueden comprender mejor la teoría y aplicarla en situaciones prácticas.

 

Bibliografía

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

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

[3] Schmitz, T., En cuanto a Miguel Strogoff y Miguel Strogoff, los dos caballeros, uno de ellos Smith y otro 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, pp. 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, pp. 123–35.

[6] Olvera D., Elías - Zúñiga A., D. 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), pp. 177–85.