Obtención del rendimiento máximo del mecanizado de alta velocidad

Transcripción

1 Obtención del rendimiento máximo del mecanizado de alta velocidad Informe técnico Un método práctico de identificación de ajustes de avance y de velocidad para un rendimiento máximo y estable del mecanizado de alta velocidad Este informe técnico presenta un procedimiento práctico y económico, basado en la teoría del chirrido, con el objeto de identificar el volumen máximo de eliminación de material para conseguir unas condiciones de mecanizado seguras y estables. Para aprovechar las ventajas de las inversiones existentes en máquinas herramientas de alta velocidad (HSM), los programadores de CN tienen que conocer los límites del rendimiento máximo de sus sistemas. En este documento se explica cómo identificar los parámetros de corte óptimos de HSM en cualquier combinación dada de herramienta, portaherramientas, máquina y material de trabajo. En algunos casos, este método ha permitido multiplicar hasta seis veces la eficacia de corte. Emitido por: Siemens PLM Software Siemens Product Lifecycle Management Software Inc.I All rights reserved.

2 Informe técnico Obtención del rendimiento máximo del mecanizado de alta velocidad 17 de junio de Índice Resumen ejecutivo... 3 Propuesta de un nuevo proceso... 5 Recogida de los datos relevantes del catálogo de herramientas...6 Reducción del margen de ensayo...7 Mantenimiento de una carga de viruta constante...7 Mecanizado...7 Los resultados...8 Conclusión... 9 Reducir la velocidad puede no ser la solución más eficaz para el chirrido...9 Mecanizar a mayores velocidades puede no ser lo más eficaz...10 Notas de uso...10

3 Informe técnico Obtención del rendimiento máximo del mecanizado de alta velocidad 17 de junio de Resumen ejecutivo Uno de los mayores retos a los que debe enfrentarse todos los días un programador de CN es la identificación de los parámetros críticos de mecanizado, como profundidad de corte, pasada, velocidad del husillo y avance. Tradicionalmente, el punto de partida de estos datos han sido los manuales de datos de mecanizado o la experiencia de los operarios veteranos del taller. En la mayoría de los casos, estos datos son muy conservadores o están desactualizados. Cuando surgen problemas, el recurso habitual suele ser reducir uno o más parámetros críticos de mecanizado. Invariablemente, estas soluciones reducen el volumen de eliminación de material (MRR). Aunque en el pasado esto era admisible, el mercado actual altamente competitivo de mecanizado está obligando a los usuarios a llevar al máximo los límites de la productividad. El uso extendido de máquinas de alta velocidad en los últimos años requiere de una perspectiva nueva sobre cómo se hacen las cosas en el taller. Limitarse a aumentar la velocidad del husillo y el avance, y reducir la carga de viruta no constituye un mecanizado de alta velocidad. Con el objeto de aprovechar las ventajas de las importantes inversiones en máquinas herramientas y accesorios de alta velocidad, los programadores de CN tienen que optimizar y alcanzar los límites seguros del sistema. Figura 1: dos cortes que muestran condiciones de mecanizado estables y con chirrido (estrías). Figura 2: captura de pantalla del software NX que muestra cortes a Z constante en la pieza de ensayo. Este informe técnico trata de la relación entre los parámetros de mecanizado críticos y el mecanizado de alta velocidad. Presenta un nuevo proceso que hace hincapié en la obtención de los datos de corte para aplicaciones de fresado de alta velocidad. Este método sigue la teoría del chirrido, y aprovecha los diagramas de lóbulos de estabilidad para sugerir una implementación práctica sin coste. El mecanizado inestable produce acabados deficientes y ondulados que muchas personas asocian con el ruido metálico del chirrido. Una nueva metodología aprovecha estas características sencillas para identificar las velocidades del husillo y las cargas de corte óptimas de cualquier combinación de herramienta, porta, máquina y material de pieza de trabajo. En esencia, este método corta un número de pasadas a Z constante a velocidades de husillo variables para identificar las condiciones de mecanizado estable. Se realizan una serie de pasadas idénticas en una cara inclinada del bloque de prueba, como en la figura 2. Cada pasada se realiza a una velocidad del husillo y avance incremental, manteniendo la carga de viruta para todas las pasadas. Escuchando los cortes e inspeccionando el acabado superficial de cada pasada es posible identificar las condiciones de corte estables.

4 Informe técnico Obtención del rendimiento máximo del mecanizado de alta velocidad 17 de junio de Cada línea horizontal de la Figura 3 muestra una serie de pasadas a Z constante a velocidades de husillo cada vez más altas. Las líneas paralelas, a medida que ascienden, indican volúmenes de eliminación de metal incrementales. Las líneas verticales indican cómo encontrar los límites en cada velocidad del husillo estable identificada. Las condiciones del ensayo y los resultados de las pasadas de corte se trazan en un diagrama de lóbulos de estabilidad (Figura 3). Basándose en el diagrama y en sencillas ecuaciones es posible calcular el volumen de eliminación de material (MRR) de cada combinación de velocidad del husillo y profundidad de corte. Si el sistema se maneja al MRR máximo, y dentro de límites seguros y estables, es posible utilizar de manera óptima el equipo de mecanizado. Profundidad estable (mm) Diagrama de lóbulos de estabilidad Velocidad del husillo (rpm x 10 3 ) Figura 3: seguimiento de las condiciones de corte en un diagrama de lóbulos de estabilidad.

5 Informe técnico Obtención del rendimiento máximo del mecanizado de alta velocidad 17 de junio de Propuesta de un nuevo proceso En una Makino V33 se puso en práctica la propuesta de nuevo proceso. En este caso se analizó una herramienta esférica Jabro Tornado de 10 mm. La longitud de la herramienta se ajustó a 30 mm en un porta HSK. Como pieza de ensayo se utilizó una P20 de 82 mm de longitud, 65 mm de ancho y 48 mm de altura. En un lateral del bloque se cortó una cuña de 30 grados para alojar al porta y visualizar cada corte de manera diferenciada. Para este ejemplo se ha partido del supuesto de una profundidad de corte equivalente a aproximadamente el 30% del diámetro de la herramienta. Si existen otras consideraciones que limitan la carga de la herramienta, deben seguirse las menores. Hay que asegurarse de que la herramienta cree vértices claros para diferenciar una profundidad de otra. La altura del bloque debe admitir al menos 12 profundidades de corte. La pendiente del lado de corte debe librar el portaherramientas. La longitud del bloque debe ser suficiente para amarrarlo a la mordaza y permitir al menos 10 pasadas laterales. La anchura debe ser suficiente para poder ver los cortes.

6 Informe técnico Obtención del rendimiento máximo del mecanizado de alta velocidad 17 de junio de Recogida de los datos relevantes del catálogo de herramientas Velocidad de corte Vc Material N.º grupo Fresado de Acabado Fresado de Fresado de Copiado de fresado Copiado de fresado Seco desbaste de helic./rampa desbaste lateral acabado lateral de desbaste de acabado ranura m/min m/min m/min m/min m/min m/min Acero dulce /225* Acero normal /180* Acero de herramientas <48 HRc / Acero templado >48-56 HRc /170* 280 Acero templado >56-62 HRc /100* 150 Acero templado >62-65 HRc /80* 110 Acero templado >65 HRc /60* 85 Acero inoxidable Acero inoxidable difícil Hierro colado dulce Hierro colado duro Aluminio con <16% Si 16 Máx. Máx. Máx. Máx. Máx. Máx. Aluminio con >16% Si Superaleaciones Superaleaciones difíciles Aleaciones a base de titanio Grafito Plástico blando * * Máx. Máx. Plástico duro * * Cobre Máx. Máx. * Hace referencia a herramientas alternativas en la tabla de selección de herramientas. * * Si se derrite el plástico, reduzca la velocidad de corte (en caso de mucho desgaste debido a los elementos agregados, reduzca la velocidad de corte). Avance/dientes Fz Ø 8-10 mm Material N.º grupo Fresado de Acabado Fresado de Fresado de Copiado de fresado Copiado de fresado Seco desbaste de ranura helic./rampa desbaste lateral acabado lateral de desbaste de acabado mm/dientes mm/dientes mm/dientes mm/dientes mm/dientes mm/dientes Acero dulce /0.045* Acero normal /0.042* Acero de herramientas <48 HRc /0.041* Acero templado >48-56 HRc /0.112* Acero templado >56-62 HRc /0.104* Acero templado >62-65 HRc /0.086* Acero templado >65 HRc /0.086* Acero inoxidable Acero inoxidable difícil Hierro colado dulce Hierro colado duro Aluminio con <16% Si Aluminio con >16% Si Superaleaciones Superaleaciones difíciles Aleaciones a base de titanio Grafito Plástico blando Plástico duro Cobre * Hace referencia a herramientas alternativas en la tabla de selección de herramientas. Figura 4: Tablas que presentan los datos de corte recomendados por el fabricante.

7 Informe técnico Obtención del rendimiento máximo del mecanizado de alta velocidad 17 de junio de El fabricante de la herramienta aporta dos datos muy importantes: la velocidad máxima de corte y la carga de viruta. La velocidad máxima de corte depende del tipo de revestimiento de la herramienta y de la temperatura máxima que puede tolerar con seguridad. La carga de viruta (avance/diente) se basa en el material y en la geometría de la punta de la herramienta. Según la tabla, la velocidad máxima de corte es de 280 mm/min, y la carga de viruta de 0,072 mm/diente. En este ejemplo se suponen condiciones de fresado lateral para el ensayo. Para no exceder de la velocidad máxima de corte, es necesario mantenerse por debajo de las rpm. (Nota: esto puede incrementarse para las condiciones de acabado.) RPM_máximas = Velocidad_máxima_corte_en_mm/min π*diámetro_herramienta RPM_máximas = 280*103 = π*10 Reducción del margen de ensayo En estos ensayos, la velocidad del husillo se varió desde hasta a intervalos de 500 rpm. También las rpm máximas se incrementaron para mantener los resultados aplicables a las condiciones de acabado. La profundidad de corte para cada corte a Z constante fue de 4 mm. El programa se editó manualmente para reflejar la velocidad cambiante del husillo en cada nivel de corte. Mantenimiento de una carga de viruta constante Se ajustó el avance para mantener constante la relación avance/diente durante el ensayo. Avance_mm/min = Avance_por_diente * Número_de_dientes * RPM Mecanizado En la pendiente se efectuó un corte inicial con una pasada lateral de 0,5 mm. La pasada lateral se ajustó en el registro de compensación de X de la máquina. Esto elimina la necesidad de un nuevo programa para cada ciclo. El corte inicial de pasada de 0,5 mm se repitió una vez más para permitir condiciones iniciales similares en cada ciclo. Este corte produjo condiciones de corte estables en la pendiente. (Algunos de los cortes fueron romos en la parte inferior debido a la disminución de la velocidad de corte.) La pasada se incrementó hasta 1 mm y se repitió el ciclo. A pesar de que el diagrama de lóbulos de estabilidad predice condiciones de mecanizado estables a todas las velocidades de husillo, se notaron señales de chirrido muy bajas en ambos extremos de la velocidad del husillo. Este proceso se repitió con valores de espaciado crecientes hasta que, a los 2 mm, se sintieron señales de chirrido agudo. Este ciclo demostró claramente un corte estable a las rpm y a las rpm. La pasada se incrementó progresivamente hasta los 3 mm. Los cortes a y rpm se mantuvieron estables.

8 Informe técnico Obtención del rendimiento máximo del mecanizado de alta velocidad 17 de junio de Los resultados La pieza de la Figura 5 muestra condiciones de mecanizado estables e inestables, a una profundidad. Esto indica una profundidad de corte de 4 mm y un paso lateral de 3 mm. Obsérvese que los pasos tercero y octavo indican cortes limpios a las rpm y las rpm. Nota: el diagrama de lóbulos de estabilidad de la Figura 6 se calculó para la misma combinación de herramienta, porta y máquina. Obsérvese que el comportamiento real sigue el patrón general previsto, pero que las cifras reales se desvían en unas rpm. Figura 5: la prueba definitiva. Velocidad Velocidad Carga Profundidad Espaciado lateral (mm) del husillo de avance de viruta de corte (rpm) (mm/min) (mm/diente) (mm) Estable Chirrido ligero Chirrido agudo Figura 6: diagrama de lóbulos de estabilidad.

9 Informe técnico Obtención del rendimiento máximo del mecanizado de alta velocidad 17 de junio de Conclusión El diagrama de lóbulos de estabilidad es una herramienta útil para identificar condiciones de corte estables a velocidades de husillo y MRR (volúmenes de eliminación de material) estables. El diagrama puede utilizarse para hallar el MRR máximo admisible, un indicador básico de rendimiento de la eficacia de mecanizado, para una determinada velocidad del husillo. Es importante destacar que es posible conseguir un mecanizado estable a cualquier rpm, aunque a expensas del MRR. Una visión global del diagrama de lóbulos de estabilidad, tanto calculado mediante herramientas de predicción de chirridos como por el método indicado en este informe, ayuda a los usuarios a conseguir altos MRR a determinadas rpm estables. Reducir la velocidad puede no ser la solución más eficaz para el chirrido En muchos casos, cuando se encuentran con chirridos, los operarios tienden a reducir la velocidad del husillo para eliminarlos. Aunque esta técnica permitirá condiciones de corte estables, posiblemente no sea la más eficaz. En cambio, a menudo es posible incrementar la velocidad del husillo, lo cual no solamente eliminará el chirrido, sino que además mejorará la eficacia de corte. En el siguiente diagrama se registra un chirrido ligero en el Punto A (8.000 rpm con una pasada lateral de 2,0 mm). Aparte de reprogramar la pieza con una pasada menor, existen dos opciones sencillas para resolver el chirrido: aumentar o disminuir la velocidad del husillo. Dado que el diagrama de lóbulos muestra claramente que es posible conseguir una condición de corte estable aumentando la velocidad del husillo, esta es la mejor opción ya que es la más eficaz. Velocidad Velocidad Carga Profundidad Espaciado lateral (mm) del husillo de avance de viruta de corte (rpm) (mm/min) (mm/diente) (mm) A Opción 1: Reducir la velocidad del husillo a rpm. Se elimina el chirrido, pero disminuye la eficacia de mecanizado. Opción 2: Incrementar la velocidad del husillo a rpm. Se elimina el chirrido y aumenta la eficacia de mecanizado. Figura 7: el incremento de la velocidad del husillo conlleva una condición de corte estable y una mejora de la eficacia de mecanizado.

10 Informe técnico Obtención del rendimiento máximo del mecanizado de alta velocidad 17 de junio de Mecanizar a mayores velocidades puede no ser lo más eficaz En ocasiones, al utilizar máquinas de alta velocidad, la tendencia es ponerla al máximo de su velocidad admisible. Aunque a velocidades extremas es posible conseguir condiciones sin chirrido, la eficacia de mecanizado, medida por el MRR (volumen de eliminación de material) puede ser bastante baja. Volumen_eliminación_material = Velocidad_avance_mm/min * Profundidad_de_corte_mm * Pasada_lateral_mm En el siguiente diagrama se consigue un corte estable a rpm con una pasada lateral de 0,5 mm (Punto A). Dado que el husillo está funcionando a un alto nivel de rpm, es bastante habitual suponer que el sistema tiene un rendimiento eficaz. No obstante, como demuestra el diagrama de lóbulos, no es así. El Punto B, a rpm mucho más bajas pero con una mayor profundidad de corte, permite una eficacia de mecanizado casi seis veces mayor. Notas de uso Siga condiciones prácticas y repetibles (por ejemplo, aplique siempre el mismo par de apriete al soporte de mordaza). Esto debe repetirse en cada combinación de herramienta, porta y máquina. Aunque parece mucho trabajo, compensa rápidamente. Los puntos sin ruido son directamente transferibles a otros materiales para piezas. Los valores correspondientes de profundidad máxima de corte y de pasada pueden variar. Es posible reemplazar la herramienta por otra similar del mismo fabricante. Los resultados seguirán siendo válidos. Esto también es válido para los portas. Ajuste la longitud de la herramienta lo más cerca posible de las condiciones de ensayo. Es posible incrementar la profundidad de corte con una reducción correspondiente de la pasada, y viceversa. Estos datos no deben utilizarse en piezas con paredes delgadas, ya que la frecuencia natural de la pieza mecanizada cambia durante el proceso de mecanizado. Velocidad Velocidad Carga Profundidad Espaciado lateral (mm) del husillo de avance de viruta de corte (rpm) (mm/min) (mm/diente) (mm) A B Mecanizado sin chirrido a rpm con un espaciado lateral de 3,5 mm MRR = mm^3/min Mecanizado sin chirrido a rpm con un espaciado lateral de 0,5 mm MRR = mm^3/min Figura 8: un mecanizado estable a menos rpm con una mayor profundidad de corte es mucho más eficaz que un mecanizado a rpm mucho más altas con una profundidad de corte menor.

11 Acerca de Siemens PLM Software Siemens PLM Software, unidad de negocio de Siemens Industry Automation Division, es proveedor líder global de software y servicios para la gestión del ciclo de vida de productos (PLM) y cuenta con casi 6,7 millones de licencias y clientes en todo el mundo. Con sede central en Plano, Texas, Siemens PLM Software colabora con empresas que ofrecen soluciones abiertas para contribuir a plasmar más ideas en productos de éxito. For more information on Siemens PLM Software products and services, visit Siemens PLM Software Sede Granite Park One Pº de Gracia, 56 4º C Barcelona Estados Unidos Fax América Granite Park One Pº de Gracia, 56 4º C Barcelona Estados Unidos Fax Europa 3 Knoll Road Camberley Surrey GU15 3SY Reino Unido 44 (0) Fax + 44 (0) Pacífico asiático Suites , 68/F Central Plaza 18 Harbour Road WanChai Hong Kong Fax España Siemens Product Lifecycle Management Software (ES), S.L. Lluis Muntadas, Cornellà del Llobregat Fax esmkt.plm@siemens.com 2010 Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. Todos los derechos reservados. Siemens y el logotipo de Siemens son marcas registradas de Siemens AG. D-Cubed, Femap, Geolus, GO PLM, I-deas, Insight, Jack, JT, NX, Parasolid, Solid Edge, Teamcenter, Tecnomatix y Velocity Series son marcas comerciales o registradas de Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. o de sus filiales en los Estados Unidos y en otros países. El resto de logotipos y marcas registradas que mencionados en el presente documento son propiedad de sus respectivos titulares. X11-ES /10 L 1