Mill+: ferramenta para fresado estable e de calidade

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

O fresado é habitual na fabricación mecánica e é un dos procesos que máis valor achega á peza. Pero é moi sensible ás vibracións, especialmente ás chamadas chatter, que son moi perigosas para as pezas. Este problema débese a que o sistema de corte non ten a rixidez ou a amortiguación suficientes cando o corte se realiza en determinadas condicións. Este fenómeno, ademais de producir ruído, empeora a calidade da peza e reduce a vida útil da ferramenta.Cando se produce o fenómeno Chatter, as vibracións da ferramenta de corte agudizan a superficie de traballo ou producen irregularidades; por outra banda, a ferramenta se erosiona máis rápido e, por tanto, diminúe a produtividade e aumenta os custos do proceso [1-3].

Aínda que o problema das vibracións é antigo, na actualidade expón novos retos, xa que se deben asegurar estándar máis altos nos procesos de mecanizado. Cando o sistema de corte non se pode cambiar ou non se quere cambiar, a solución é cambiar os parámetros de corte. Este é o argumento principal para utilizar a aplicación que presentamos a continuación.

Que é Mill+ e como resolve o problema das vibracións de chatter?

Mill+ é unha aplicación desenvolvida pola Universidade do País Vasco [4,5] e o Tecnolóxico de Monterrey [6] grazas a unha longa colaboración de anos, e está deseñada para previr e controlar as vibracións que se producen no fresado. MATLAB App Designer ofrece mapas de estabilidade a través dunha interfaz na contorna para que o operario poida seleccionar os parámetros de corte máis axeitados, como a velocidade de xiro do cabezal principal (\(n\)) e profundidade axial de corte (\(a_p\)). Estes mapas mostran combinacións de parámetros que producen un proceso estable ou vibracións desagradables, (\( n\) ,\(a_p\)) sobre todo parella.

Funcións da aplicación Mill+

Para conseguir un proceso de fresado eficaz e de alta calidade é necesario seleccionar os parámetros de corte axeitados. Estes parámetros, como a velocidade de xiro, o avance por dente e a profundidade de corte, inciden directamente na calidade da peza, a produtividade e a durabilidad das ferramentas. A partir destes parámetros crer novos, máis elaborados (e previsibles): algunha variables —potencia de corte, forzas de corte, caudal de labra, rugosidad superficial…— xogan un papel fundamental.

A comprensión e control destas variables, ademais de axudar a aumentar a produtividade, permite garantir a estabilidade e a calidade global do proceso de fresado.

Por tanto, a ferramenta desenvolvida ofrece as seguintes capacidades de simulación:

1. Visualización multivariante. Permite predicir a estabilidade e a aspereza superficial que se obterá cos parámetros de corte seleccionados. Desta forma, o operador pode predicir si o proceso é estable e que acabado pódese obter. Isto axuda a buscar un equilibrio entre estabilidade e calidade superficial, xa que hai que ter en conta que ambos os aspectos son diferentes. Buscarase un equilibrio entre a produtividade (ou a taxa de retirada da labra) e o acabado superficial da peza. Por suposto, este último adquire máis importancia nos procesos de acabado.
   

   Figura 2.Resultados: mapas de estabilidade de cores (esquerda) e vistas multivariables (dereita).
2. Cálculo de forzas dinámicas. A aplicación permite simular as forzas de corte en calquera punto da rede. Desta maneira pódese observar a evolución das forzas dinámicas ao longo do tempo. Ademais, permite aplicar unha transformación rápida (FFT) de Fourier no perfil de forzas para determinar con precisión se se produce ou non un fenómeno chatter. O criterio é o seguinte: Si na FFT os momentos máis altos das forzas coinciden cos multiplicadores da frecuencia dos golpes entre os dentes, o proceso é estable e no fresado prodúcese unha vibración forzada (característica no fresado). Pola contra, si os momentos máis elevados comezan a separarse das frecuencias de colisión (e os seus multiplicables) e aparecen ao redor das frecuencias propias do sistema, isto indica que existe un fenómeno chatter.
3. Optimización da produtividade e calidade. A ficha Optimización permite atopar un equilibrio entre a produtividade e a calidade do acabado superficial. Localización dun punto óptimo para o usuario da aplicación (\(n\)e\(a_p\)Pode axustar as coordenadas en función dos límites de valor definidos inicialmente polo mesmo: a taxa de eliminación da labra ou o caudal de labra (puntos azuis) e a rugosidad mínima que se considerou obxectivo \(R_a\)(puntos azamboados). A partir destas dúas condicións, suxírese un punto no diagrama. Na imaxe, o punto de partida (vermello) vese no centro do mapa e o punto óptimo (verde) trata de conseguir o mellor equilibrio entre ambas as características.
   

   Figura 3.Optimización da produtividade e calidade: buscando o equilibrio.

 

A quen vai dirixido Mill+?

O obxectivo de Mill+ é que sexa útil tanto para profesionais da industria como para estudantes no ámbito académico. Os profesionais poderán realizar unha análise rápida antes das operacións de fresado e optimizar os parámetros e reducir a probabilidade de erros; a aplicación é fácil de usar e non require moita formación para integrarse no fluxo de traballo. No ámbito académico, xa se utiliza no Tecnolóxico de Monterrey e na Universidade do País Vasco para ensinar as vibracións e a estabilidade do proceso de fresado, de modo que poden ver e analizar como afectan os parámetros de corte ao comportamento de ferramentas e pezas de traballo e poden comprender mellor a teoría e aplicala en situacións 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, E. Manufacturing Automation: Metal Cutting Mechanics, Machine Tool Vibrations, and CNC Design, 2012, Cambridge University Press.

[3] Schmitz, T., En canto a Miguel Strogoff e Miguel Strogoff, os dous cabaleiros, un deles Smith e outro 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.