Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Aeronáutica

Transcripción

1 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Aeronáutica Modelado y simulación con CATIA V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo Autor: Rubén Moreno Cobos Tutor: Domingo Morales Palma Dept. de Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2014

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3 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Aeronáutica Modelado y simulación con CATIA V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo Autor: Rubén Moreno Cobos Tutor: Domingo Morales Palma Profesor Contratado Doctor Departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2014

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5 Proyecto Fin de Carrera: Modelado y simulación con CATIA V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo Autor: Rubén Moreno Cobos Tutor: Domingo Morales Palma El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2014 El Secretario del Tribunal v

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7 Resumen El presente proyecto surge en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación en línea con las investigaciones que actualmente se llevan en él sobre fabricación de piezas con las máquinas-herramienta de control numérico del taller a partir de Catia V5. El principal objetivo del proyecto es modelar en Catia V5 un torno paralelo Pinacho modelo T3, sus componentes y sus movimientos principales y simular el mecanizado de varias piezas reales, analizando los resultados obtenidos y comparándolos con los procedimientos reales del mecanizado en el torno. A pesar de las limitaciones existentes debido a que Catia V5 es una herramienta para simular máquinas-herramienta de control numérico y en este caso se emplea para simular el comportamiento de un torno paralelo convencional, ha sido posible generar un modelo capaz de simular multitud de operaciones. Dicho modelo permitirá analizar los movimientos de la máquina-herramienta durante el mecanizado, detectar colisiones y generar trayectorias de las herramientas de corte, de gran utilidad para optimizar un proceso de torneado. vii

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9 Índice Resumen... vii Índice... ix 1. Introducción Contexto Objetivos Estructura del documento Torno Pinacho Mod. T Descripción de la máquina-herramienta Operaciones y herramientas Modelado y simulación de la máquina-herramienta Módulos empleados Módulos de diseño Módulos de mecanizado Módulos de simulación Modelado del torno Pinacho Mod. T Componentes principales Análisis de colisiones Construcción de la máquina-herramienta Simulación del torno Pinacho Mod. T Limitaciones del modelo Modelado y simulación de operaciones de torneado Aplicación práctica 1: torneado de cilindros concéntricos ix

10 Fase Fase Fase Fase Cuadro resumen Aplicación práctica 2: ranurado y torneado cónico Fase Fase Cuadro resumen Aplicación práctica 3: mandrinado de cilindros concéntricos Fase Cuadro resumen Aplicación práctica 4: torneado de forma Fase Fase Fase Fase Cuadro resumen Conclusiones y trabajos futuros Conclusiones Trabajos futuros Bibliografía Anexos x

11 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Contexto El contenido del proyecto gira en torno al mecanizado en máquinas-herramienta de control numérico y su control mediante el uso de programas CAD/CAM. Dichos programas, entre los que se incluye Catia V5, se utilizan para modelar las operaciones de mecanizado, simular y analizar los movimientos de la máquina-herramienta, detectar colisiones y generar las trayectorias de las herramientas de corte, entre otras muchas posibilidades. Actualmente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación se investiga en la fabricación de piezas con las máquinas-herramienta de control numérico del taller a partir de Catia. Algunos ejemplos serían: Mecanizado de componentes aeronáuticos en centro de mecanizado de 2'5 ejes EMCO VMC-200. Fabricación de piezas más complejas (componentes aeronáuticos, prótesis dentales, etc.) mediante mecanizado de alta velocidad en centro de mecanizado de 5 ejes MIKRON HSM 400. Generación de las trayectorias de un punzón para conformado incremental de chapa en la EMCO VMC-200. Modelo de las máquinas-herramienta de control numérico que existen en el taller del departamento. Cabe añadir que el objetivo final es que los resultados de todos estos trabajos reviertan en la docencia del departamento Objetivos En este proyecto se pretende evaluar las posibilidades del programa Catia V5 para modelar y simular procesos de mecanizado en una máquina-herramienta que no es de control numérico, en particular un torno paralelo convencional disponible en el laboratorio del departamento. Se han establecido los siguiente objetivos concretos: Modelar en Catia V5 un torno paralelo Pinacho modelo T3, sus componentes y sus movimientos principales. Modelar y simular con Catia V5 el mecanizado de varias piezas reales en el torno paralelo. 11

12 12 Introducción Analizar los resultados obtenidos y comparar con los procedimientos reales del mecanizado en el torno. Generar una documentación bien estructurada a partir de las simulaciones realizadas que permita ser usada como material didáctico en la docencia del departamento. Esta documentación se ajustará al proceso real del mecanizado en el torno paralelo y en ningún caso se verá afectada por las posibles dificultades encontradas en el modelado con Catia V Estructura del documento El proyecto posee un primer capítulo en el que se incluye una descripción general de la máquina en la que se basa el trabajo (torno paralelo convencional) y de cada uno de sus componentes principales así como un breve repaso de las operaciones que es posible realizar mediante dicha máquina y las herramientas empleadas para ello. Este capítulo se apoya con imágenes extraídas del propio laboratorio de fabricación. Posteriormente, se detalla cómo se ha modelado y simulado el torno paralelo. En primer lugar se explica la elaboración de cada uno de los componentes principales, que en la mayoría de los casos se componen de diversos archivos.catpart para luego pasar a estudiar la existencia de colisiones y el modelado como máquina-herramienta en el que se definen los pares, recorridos, puntos de colocación de la herramienta y de la pieza a mecanizar. Se incluye, además, una breve descripción general de Catia V5 y los distintos módulos empleados en el presente proyecto. En este capítulo, se hará hincapié en el hecho de que Catia V5 es una herramienta CAD/CAM utilizada para simular los movimientos que tienen las máquinas-herramienta de control numérico, no los de un torno paralelo, por lo que surgirán algunas limitaciones en las simulaciones a realizar debido a que no es la herramienta óptima para ello. Como aplicación práctica del modelo, se elaboran una serie de piezas que servirán como ejemplo. Se detallan para cada una de las piezas las distintas fases, operaciones, herramientas y el documento se apoyará con material gráfico extraído de Catia V5 que facilite la comprensión al lector. Se incluyen las conclusiones obtenidas durante la realización del proyecto y las posibles líneas de trabajo que se podrían abordar de seguir trabajando en él para obtener resultados que se ajusten mejor a la realidad.

13 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 13 Por último, el capítulo de anexos contiene información referente al material adicional proporcionado junto a la memoria del proyecto y además incluye toda la documentación elaborada a partir de las simulaciones realizadas.

14 14 Introducción

15 2. TORNO PINACHO MOD. T3 La máquina-herramienta en la que se centra el proyecto es un torno paralelo convencional fabricado por la empresa Pinacho. En concreto, el modelo con el que se trabajará es un torno Pinacho Mod. T3. Figura 2.1 Torno Pinacho Mod. T3. Fundada en 1946 y situada actualmente en Castejón del Puente (Huesca), Pinacho es una de las principales fabricantes a nivel europeo de tornos paralelos convencionales y de control numérico. Con unas instalaciones de más de metros cuadrados y un equipo de 130 personas, la empresa posee una capacidad de producción de más de unidades anuales. Esto es posible gracias a que sus instalaciones disponen de un alto grado de automatización que lo convierten en la empresa con el mayor ratio de productividad en el sector. El alto nivel tecnológico del que dispone la convierten en referente de calidad y competitividad en el mercado mundial Descripción de la máquina-herramienta Un torno se emplea fundamentalmente para el mecanizado de piezas que presentan simetría de revolución tales como bujes, ejes, tornillos o pasadores entre otros. 15

16 16 Torno Pinacho Mod. T3 Su funcionamiento es simple, la máquina hace girar la pieza mientras las herramientas de corte arrancan viruta de esta gracias a un movimiento de avance con respecto a la pieza. Consta de un carro que se mueve en la dirección axial de la pieza a mecanizar, denominado carro longitudinal. Sobre este carro, se sitúa otro carro que se mueve en dirección radial a la pieza denominado carro transversal. Por último, un tercer carro llamado charriot se coloca encima del carro transversal con el que se pueden seleccionar distintos ángulos en la herramienta para la fabricación de conos. Sobre el charriot va colocada la torreta en donde se fija la herramienta empleada para el mecanizado. Un torno convencional se compone principalmente de los siguientes elementos: Bancada: es el componente sobre el que se apoyan el carro longitudinal y el contrapunto y dispone de unas guías para que éstos se desplacen. Carro longitudinal: se emplea para efectuar los desplazamientos de la herramienta en dirección axial. Figura 2.2 Carro longitudinal. Carro transversal: mueve a la herramienta en dirección radial.

17 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 17 Figura 2.3 Carro Transversal. Charriot: se coloca encima del carro transversal y tiene la propiedad de ser orientable gracias a que dispone de una plataforma giratoria. Con ángulos distintos de cero grados se emplea para la realización de conos. Sobre él, se coloca la torreta portaherramientas. Torreta: es el elemento encargado de sujetar a la herramienta encargada de la realización del mecanizado. Figura 2.4 Charriot y torreta portaherramientas. Cabezal fijo: está constituido por el motor, el husillo, el conjunto de selectores de velocidades de giro y avance así como por los mecanismos que permiten el avance del carro portátil y el giro de la pieza a mecanizar. Además, se utiliza como elemento de sujeción de la pieza con la que se trabaja.

18 18 Torno Pinacho Mod. T3 Figura 2.5 Cabezal fijo. Contrapunto: tiene una doble utilidad, por un lado se emplea como soporte de piezas cuyo mecanizado se realizará entre puntos y por otro lado, sirve para la colocación de brocas que se emplean para hacer taladros. Se desplaza a lo largo de las guías que posee la bancada para ajustarse a las dimensiones de la pieza a mecanizar. Figura 2.6 Contrapunto. Para la utilización de un torno, también es necesario disponer de una serie de accesorios o elementos auxiliares entre los que se destaca el plato de tres garras, el punto y el perno de arrastre. Plato de tres garras: sujeta a la pieza y le transmite el movimiento de rotación axial cuando se mecaniza con un montaje de tipo plato-punto. Punto: existen diversos tipos de punto pero todos ellos sirven de apoyo de la pieza tanto en el cabezal fijo como en el contrapunto. Perno de arrastre: transmite el movimiento de rotación a la pieza cuando se dispone de un montaje entre puntos.

19 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 19 Figura 2.7 Plato de tres garras, punto y perno de arrastre Operaciones y herramientas Una vez conocidas las distintas partes de las que se compone el torno así como su funcionamiento a grandes rasgos, se describen con un mayor grado de detalle las distintas operaciones que es posible realizar con una máquina-herramienta de este tipo. Cilindrado: es la operación a realizar si se desea obtener un cilindro de un determinado diámetro. Para ello, se coloca el charriot que porta a la herramienta de forma paralela al carro longitudinal y se selecciona una determinada profundidad de pasada mediante el carro transversal. Una vez realizado lo anterior, se hace avanzar al carro principal en la dirección axial una distancia adecuada según la longitud del cilindro a mecanizar. Refrentado: consiste en mecanizar la pieza en su extremo en dirección radial. Para ello, se hace avanzar el carro transversal manteniendo el carro longitudinal en una posición fija. El objetivo es obtener una superficie totalmente lisa que facilite su acoplamiento en un montaje posterior. La herramienta mostrada en la Figura 2.8 puede utilizarse para realizar tanto cilindrados como refrentados. Figura 2.8 Herramienta para cilindrar y refrentar. Chaflanado: se emplea para suavizar los cantos de las piezas mecanizadas y así evitar cortes durante la manipulación de las mismas. Para la realización de dicha operación, se disponen de herramientas especialmente diseñadas para ello como la mostrada en la

20 20 Torno Pinacho Mod. T3 Figura 2.9 que permiten realizar los chaflanes más convencionales tales como el de 1x45. Una alternativa en el caso de que no se posean las herramientas adecuadas es realizar dicha operación girando la torreta un cierto ángulo y con una herramienta de cilindrar. Figura 2.9 Herramienta de chaflanado. Taladrado: esta operación consiste en la realización de taladros en la dirección del eje de giro de la pieza. Para ello, se coloca la broca correspondiente en el contrapunto y se hace avanzar ésta en dirección axial gracias a la guía del contrapunto y de la manivela correspondiente. Un ejemplo de broca se muestra en la Figura Figura 2.10 Herramienta de taladrado. Fabricación de conos: para la mecanización de conos en tornos paralelos convencionales se gira el charriot un ángulo igual al de inclinación. Se parte de un cilindro igual al diámetro mayor del cono. En este momento, se coloca el carro con el ángulo determinado y se dan sucesivas pasadas de desbaste y una final de acabado. La pasada final se suele dar con un número de revoluciones alto y poca profundidad de pasada, para obtener un afinado lo máximo perfecto.

21 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 21 Existen otros métodos para el torneado cónico como, por ejemplo, el desplazamiento del contrapunto o el uso de aparatos especiales. Ranurado: esta operación de mecanizado tiene como fin la elaboración de ranuras de un ancho predefinido por la herramienta y profundidad variable en la pieza. Dichas ranuras tienen múltiples utilidades como el alojamiento de juntas tóricas, arandelas o correas en mecanismos de poleas. Figura 2.11 Herramienta de ranurado. Moleteado: es un proceso de conformado en frío en el que se deforma la superficie lisa con unas moletas con el objetivo de conseguir una pieza más manipulable manualmente evitando resbalamientos. Otras operaciones de mecanizado que se pueden llevar a cabo con un torno son, por ejemplo, el mecanizado de espirales, de excéntricas, el tronzado o el roscado en torno.

22 22 Torno Pinacho Mod. T3

23 3. MODELADO Y SIMULACIÓN DE LA MÁQUINA-HERRAMIENTA Para el modelado y simulación del torno Pinacho Mod. T3 se empleará fundamentalmente el software de CAD 3D Catia V5 de la compañía Dassault Systèmes. Este permite cubrir la totalidad del proceso de diseño mediante la creación de formas y el modelado de superficies complejas que abarcan desde el diseño industrial a la clase A. Por otro lado, Catia V5 ofrece herramientas de modelización 3D para el análisis del producto en su entorno de funcionamiento, además de crear automatismos, posicionar componentes para la comprobación de inconsistencias en sus dimensiones y diseñar esquemas de ensamblaje Módulos empleados En el caso del presente proyecto se emplearán herramientas de diseño y ensamblaje de componentes, mecanizado de piezas y simulación de máquinas-herramienta Módulos de diseño En el modelado de la máquina-herramienta el primer paso es la toma de medidas mediante una cinta métrica y un calibre o pie de rey. Una vez realizados los pertinentes bocetos acotados de cada una de las piezas por separado, se dibujan y montan utilizando los diferentes módulos de diseño en Catia V5. Los principales módulos empleados han sido Part Design, Assembly Design, Drafting y Machine Tool Builder. El primero de los módulos mencionados se emplea para la elaboración de la geometría deseada. Posee diferentes herramientas tales como Pad, que permite extruir un sketch en una o dos direcciones; Shaft, que revoluciona un determinado perfil plano dado el eje de revolución o rib, que permite barrer un perfil a lo largo de una curva central para crear material, entre otros. El módulo Assembly Design se usa una vez diseñadas todas las piezas por separado para comprobar si existen inconsistencias en el diseño, por ejemplo, piezas que colisionan cuando simplemente deberían estar en contacto. Para ello, se elaboran distintos archivos.catproduct en los que se comprueba que el movimiento relativo entre las distintas piezas es el adecuado. En cuanto al módulo Drafting permite la elaboración de planos 2D de las piezas así como su acotación. Se utiliza principalmente para la elaboración de los anexos en los se muestran las dimensiones de cada una de las piezas, obtenidas manualmente mediante la cinta métrica y el pie de rey. Por último, el módulo Machine Tool Builder, se emplea para establecer como máquina un conjunto ya montado. Se definen los datos cinemáticos de la máquina así como los atributos de 23

24 24 Modelado y simulación de la máquina-herramienta ésta, por ejemplo, los puntos donde se coloca la pieza y la herramienta, los límites de viaje y las velocidades y aceleraciones de los pares de la máquina Módulos de mecanizado Puesto que el objetivo del proyecto es la simulación de un torno paralelo convencional se estudia el módulo de mecanizado Lathe Machining. Mediante esta herramienta, se puede definir un proceso de mecanizado para la fabricación de una pieza concreta estableciendo cada una de las operaciones a efectuar, por ejemplo, taladrados, refrentados, cilindrados y chaflanados. Ofrece multitud de posibilidades como la selección de la herramienta a emplear, la velocidad de avance de la herramienta y la velocidad de rotación de la pieza a mecanizar Módulos de simulación El módulo de simulación llamado Machine Tool Simulation también tiene una gran relevancia en el presente proyecto puesto que permite aunar los resultados obtenidos anteriormente. Elaborado el modelo del torno Pinacho Mod. T3 y un determinado proceso de mecanizado, esta herramienta permite realizar simulaciones en las que se estudian las trayectorias, la existencia de colisiones, errores en los límites de movimiento de la máquina, etc Modelado del torno Pinacho Mod. T3 Una vez descrita la máquina y las distintas herramientas con las que se trabaja, se presentan los resultados obtenidos para el torno paralelo convencional Pinacho Mod. T3. El objetivo principal de la sección es mostrar cómo se ha efectuado el modelado de la máquina para después aplicar dicho modelo a la simulación del mecanizado de piezas. Para la elaboración del torno empleando Catia V5, se ha optado por modelar cada una de las principales piezas por separado para después agruparlas en pequeños conjuntos que se mueven solidariamente. Estas entidades son la que se emplean como punto de partida para el modelado como máquina-herramienta Componentes principales Se distinguen cinco conjuntos principales formado cada uno por multitud de componentes. Son los siguientes: Armazón: está compuesto por la base, el cabezal fijo, la bancada, la caja de pasos y avances y el soporte de barras.

25 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 25 Contrapunto: consta de tres partes fundamentales, el armazón del contrapunto, la guía, en donde se coloca la herramienta o el punto dependiendo de la operación que se quiera realizar, y la manivela encargada del movimiento de dicha guía. Carro longitudinal: constituido por el carro longitudinal, el tablero delantal y la manivela encargada de mover el carro transversal. Carro transversal: se compone del carro transversal y de un par de piezas correspondientes al charriot que se mantiene fijas al carro transversal durante el mecanizado de una determinada pieza. Charriot: es el conjunto formado por la parte superior del charriot con su correspondiente manivela encargada de transmitir el movimiento de éste y la torreta portaherramientas. Se analiza en detalle cada una de las entidades mencionadas Armazón Contiene a las piezas que se mantienen fijas cuando la máquina se encuentra en funcionamiento. Puesto que se trata de un modelo y el nivel de detalle lo impone el autor, se decidió que, a diferencia de lo que ocurre en la máquina real, las posiciones de las palancas fueran fijas y que la barra cilindrar y el husillo de roscar no giraran sobre sí mismos a diferencia de lo que ocurre en la máquina real. Esta decisión es perfectamente compatible con el objetivo del proyecto, orientado a la simulación del mecanizado de piezas. A continuación, se muestran cada una de las piezas por separado. Las dimensiones principales de cada una de ellas vienen incluidas en los documentos anexos del proyecto.

26 26 Modelado y simulación de la máquina-herramienta Figura 3.1 Base. Figura 3.2 Bancada y cabezal fijo.

27 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 27 Figura 3.3 Caja de pasos y avances. Figura 3.4 Soporte de barras. En cuanto a la posición relativa de cada una de las piezas, el cabezal fijo y la bancada, modeladas como un sólo archivo.catpart se apoyan sobre la base, colocándose a la distancia indicada en la Figura 3.5. Por otro lado, el soporte de barras y la caja de pasos y avances se encuentran en contacto directo con la bancada y el cabezal fijo, respectivamente. Las medidas son tales que no hay colisiones entre los distintos componentes.

28 28 Modelado y simulación de la máquina-herramienta Figura 3.5 Armazón Contrapunto El contrapunto se desplaza a lo largo de la bancada dependiendo de la operación que se quiera llevar a cabo. Por ejemplo, si se realiza un taladrado, se coloca cerca de la pieza a mecanizar y se obliga a que la guía del contrapunto, donde se coloca la herramienta, se desplace penetrando en ella. Por otro lado, también puede equiparse con un punto para mecanizar con una mayor precisión piezas de una considerable longitud, en cuyo caso también deberá colocarse cerca de ésta. Para otras operaciones tales como el refrentado, no es necesario el contrapunto por lo que este se coloca en alguna parte de la bancada en donde no interfiera con la operación que se lleva a cabo.

29 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 29 Figura 3.6 Contrapunto. Las Figuras 3.7, 3.8 y 3.9 muestran cada uno de los elementos que componen el contrapunto. Se ha modelado la geometría exterior de cada uno de ellos pero no se ha realizado el acoplamiento entre el avance de la guía del contrapunto y el movimiento de la manivela ya que, a pesar de resultar estéticamente muy atractivo, no aporta nueva información para el estudio de colisiones en el mecanizado e implica un consumo de tiempo excesivo. La posición de la palanca también se mantiene fija a pesar de ser un componente móvil en el torno.

30 30 Modelado y simulación de la máquina-herramienta Figura 3.7 Armazón del contrapunto. Figura 3.8 Manivela del contrapunto. Figura 3.9 Guía del contrapunto Carro longitudinal Compuesto por tres archivos.catpart, el carro longitudinal se modela acorde a las dimensiones tomadas en el laboratorio y teniendo la precaución de que dichas dimensiones sean acordes con las empleadas en el modelado de la bancada.

31 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 31 Figura 3.10 Carro longitudinal. El tablero delantal se coloca en contacto con la parte inferior del carro y la manivela concéntrica con el orificio de éste. No se modela el movimiento de las manivelas con el de los carros debido a la escasa mejora de los resultados obtenidos. Se puede observar cada una de las entidades por separado en las Figuras 3.11, 3.12 y Las principales dimensiones se incluyen en los planos aportados como anexo.

32 32 Modelado y simulación de la máquina-herramienta Figura 3.11 Guía longitudinal. Figura 3.12 Tablero delantal.

33 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 33 Figura 3.13 Manivela encargada del movimiento del carro transversal Carro transversal Al igual que en caso anterior, las dimensiones del carro transversal se toman de manera minuciosa para evitar conflictos durante el montaje del conjunto completo. En este conjunto se incluyen la parte inferior y central del charriot para facilitar la construcción como máquina. Figura 3.14 Carro transversal. Con el objetivo de modelar el posible movimiento del charriot para el mecanizado de conos se introduce un parámetro que permite el giro entre la parte inferior del charriot y la placa cuadrada que se coloca sobre el carro transversal. Como se verá en puntos posteriores, la introducción de

34 34 Modelado y simulación de la máquina-herramienta este parámetro sólo permite una visualización de dicho giro puesto que no ha sido posible modelar correctamente el mecanizado de superficies cónicas. En las Figuras 3.15, 3.16 y 3.17 se presentan cada una de las piezas por separado. Al igual que en apartados anteriores, las dimensiones aparecen en los planos incluidos como anexo. Figura 3.15 Guía transversal. Figura 3.16 Parte inferior del charriot. Figura 3.17 Parte central del charriot Charriot Para terminar con el conjunto de elementos que componen el torno Pinacho Mod. T3, las Figuras 3.19, 3.20 y 3.21 muestran las piezas que componen el charriot. Por un lado, hay que destacar que las dimensiones se han tomado con precaución para evitar colisiones. Por otro lado, hay que señalar que no se ha modelado el movimiento de la manivela por las mismas razones anteriormente mencionadas. La torreta portaherramientas, por su parte, se separará del charriot a la hora de modelar como una máquina-herramienta ya que se permitirá un grado de giro entre ambos.

35 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 35 Figura3.18 Charriot. Figura 3.19 Parte superior del charriot. Figura 3.20 Torreta portaherramientas. Figura 3.21 Manivela encargada del movimiento del charriot.

36 36 Modelado y simulación de la máquina-herramienta Análisis de colisiones El siguiente paso en la elaboración del modelo de la máquina-herramienta es la unión de todos los componentes principales de forma que posea los grados de libertad adecuados. Sin embargo, antes de llevar a cabo la construcción como máquina se ha querido validar el modelo a través del módulo Assembly Design de Catia V5. Para ello, todos los componentes han sido montados en varias posiciones arbitrarias y se ha comprobado si existen colisiones mediante la herramienta Clash. En un principio se obtienen dos colisiones, entre los carros longitudinal y transversal y entre el carro transversal y el charriot, a pesar de poseer las mismas dimensiones la zona de unión de ambas piezas. Para solucionar el problema se modifican las dimensiones de la zona de contacto del carro transversal y de la parte inferior del charriot del orden de un milímetro de forma que exista una mínima holgura que soluciona el problema de las colisiones. Las dimensiones que aparecen en los anexos son las dimensiones definitivas Construcción de la máquina-herramienta Modelados ya los diferentes componentes por separado es necesario ensamblar las partes y otorgar al conjunto las propiedades adecuadas. Será necesario crear un conjunto con propiedades de husillo (spindle) en donde se colocará la pieza a mecanizar así como dos conjuntos con propiedades de torreta (turret) para simular que la herramienta puede colocarse tanto en el charriot, para operaciones de cilindrado y refrentado, como en el contrapunto, para operaciones de taladrado. Una vez definidas las entidades anteriores se puede efectuar el montaje del conjunto completo y crear la máquina. Se quiere destacar el hecho de que realizando la construcción del torno paralelo convencional como se expone en adelante sólo permitirá modelar el funcionamiento de la máquina trabajando en modo manual. Esto quiere decir que en una simulación el carro longitudinal permanece fijo y la operación sería realizada a través del movimiento del carro transversal y del charriot. La elaboración del modelo del torno funcionando en modo automático en el que el carro longitudinal se mueve a lo largo de la bancada para el mecanizado de una pieza se plantea como un posible trabajo futuro Husillo El husillo modelado para la simulación del torno paralelo convencional es una representación sencilla y tosca de la parte visible del husillo. El husillo real posee una complejidad mucho mayor a la que aparece representada en la Figura El modelo seleccionado consta de dos partes, una parte fija y una móvil mostradas en azul y verde, respectivamente. Además, debe modelarse con un único grado de libertad rotacional.

37 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 37 Figura 3.22 Husillo. En primer lugar, se construyen ambos elementos y se posicionan correctamente en un único archivo.catproduct. Posteriormente, se crea el husillo mediante la opción New Spindle. Hecho esto, se definen los distintos datos cinemáticos: Se establece mediante el comando Fixed Part el elemento que constituirá la parte fija del husillo. Se introduce el grado de giro rotacional mediante el comando Cylindrical Joint. Además, se define una tercera restricción entre las caras que se encuentran en contacto mediante Planar Joint. Para finalizar, se coloca el punto de montaje de la pieza mediante el comando Create Mount Point. Los ejes se colocan como se muestran en la Figura 3.22, apuntado el eje z en la dirección axial del elemento a mecanizar.

38 38 Modelado y simulación de la máquina-herramienta Figura 3.22 Colocación del punto de montaje de la pieza Carro principal El carro principal consta del carro longitudinal, el carro transversal, el charriot y la torreta portaherramientas. En este caso, la torreta debe modelarse con dos grados de libertad traslacionales y un grado de libertad rotacional. Figura 3.23 Carro principal.

39 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 39 Se colocan en único archivo.catproduct las diferentes partes que componen el carro principal y mediante el compás se colocan los elementos en la posición adecuada. Las coordenadas exactas en las que se coloca cada uno de ellos se muestran en la Tabla 3.1. X (mm) Y (mm) Z (mm) Carro longitudinal Carro transversal Charriot Torreta Tabla 3.1 Coordenadas del carro principal. Una vez se tienen situados los componentes correctamente se puede crear la torreta mediante el comando New Turret. Habrá ahora que definir los datos cinemáticos y los atributos relativos al nuevo mecanismo. Para establecer la cinemática del modelo: Se fija el carro longitudinal como parte fija. Se definen dos pares prismáticos mediante el comando Prismatic Joint. El primero de ellos modela el movimiento del carro transversal a lo largo del longitudinal (eje x) mientras que el segundo permite el movimiento del charriot sobre el carro transversal (eje z). Se permite el giro de la torreta con respecto al charriot mediante el comando Revolute Joint. Para completar el modelo se definen los atributos del mecanismo: puntos de montaje de la herramienta, límites de viaje, Home Positions y punto de cambio de herramienta. El punto de montaje de la herramienta creado a través del comando Create Mount Point se coloca en el punto de coordenadas (53, , 150.5) con los ejes orientados según se muestra en la Figura 3.24.

40 40 Modelado y simulación de la máquina-herramienta Figura 3.24 Punto de montaje de la herramienta en el carro principal. Los límites de viaje que establecen cuánto se desplaza cada componente en un determinado grado de libertad de movimiento se imponen mediante el comando Travel Limits. Es necesario indicar un límite inferior y superior para que dichos límites queden completamente definidos. Los valores seleccionados se obtienen de la máquina real del laboratorio mediante una cinta métrica. Se muestran en la Tabla 3.2. Límite inferior Límite superior Eje X 0 mm 180 mm Eje Z 0 mm 144 mm Eje C Tabla 3.2 Límites de viaje del carro principal. Las Home Positions y el punto de cambio de herramienta ha sido seleccionados arbitrariamente. Como Home Positions se escoge la posición de coordenadas definidas en la Tabla 3.1 y otra similar con la única diferencia de que la torreta está girada 45. Esta última, se elige como punto de cambio de herramienta Contrapunto La torreta encargada de realizar taladrados durante la simulación está compuesta por el armazón del contrapunto y la guía en donde se coloca la herramienta. Para empezar, se introducen, al igual que en casos anteriores, todos los componentes en un único archivo.catproduct y con la ayuda del compás se posicionan correctamente entre ellos. Las posiciones seleccionadas son:

41 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 41 X (mm) Y (mm) Z (mm) Contrapunto Guía contrapunto Tabla 3.3 Coordenadas del contrapunto. Mediante el comando New Turret se crea la torreta para continuar con la definición de los datos cinemáticos y los atributos del mecanismo. En este caso, la torreta sólo tendrá un grado de libertad traslacional en la dirección axial de la guía. El punto de montaje de la herramienta se coloca en la posición y con la orientación mostradas en la Figura Figura Punto de montaje de la herramienta en el contrapunto. El valor de los límites de viaje se mide con la ayuda de una cinta métrica en el torno paralelo real disponible en el laboratorio obteniendo los resultados de la Tabla 3.4. Límite inferior Límite superior Eje Z -165 mm 0 mm Tabla 3.4 Límites de viaje del contrapunto. En este caso, la definición de las Home Positions son importantes puesto que se necesitarán varias según se utilice el contrapunto como herramienta o como utillaje, por ejemplo, para el mecanizado entre puntos. Distintas posiciones se muestran en la Figura 3.26.

42 42 Modelado y simulación de la máquina-herramienta Figura 3.26 Home positions. Para finalizar, se establece la posición definida mediante las coordenadas de la Tabla 3.3 como punto de cambio de herramienta Millturn machine En último lugar, se deben unir las entidades definidas anteriormente junto con el armazón y otorgarle las propiedades adecuadas al conjunto para terminar con la construcción del torno Pinacho Mod. T3. La posición de los distintos componentes se modifica utilizando el compás. Las coordenadas que ocupa cada uno de ellos son X (mm) Y (mm) Z (mm) Armazón Carro principal Husillo Contrapunto Tabla 3.5 Coordenadas de la máquina-herramienta. Una vez se tiene la configuración correcta se crea la máquina-herramienta mediante el comando New MillTurn Machine. Añadiendo los datos cinemáticos y los atributos quedará finalizado el modelo.

43 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 43 Figura 3.27 Torno Pinacho Mod. T3. En este caso, se introducen dos pares prismáticos que permiten el desplazamiento del carro principal y del contrapunto a lo largo de la bancada. Sus límites de viaje se definen en la Tabla 3.6. Límite inferior Límite superior Eje Z (Carro principal) -690 mm 0 mm Eje Z (Contrapunto) -690 mm 0 mm Tabla 3.6 Límites de viaje de la máquina-herramienta. Se define el armazón como elemento fijo y varias Home Positions en las que el contrapunto y el carro principal se encuentran en distintos puntos de la bancada según la operación de mecanizado que se quiera realizar Simulación del torno Pinacho Mod. T3 Antes de mostrar diferentes ejemplos de mecanizado de piezas más complejas se ha querido demostrar la validez del modelo. Para ello, se asigna el torno paralelo a un proceso de mecanizado muy sencillo como es un taladrado y un refrentado y se comprueba tanto que funciona como que no existen colisiones.

44 44 Modelado y simulación de la máquina-herramienta El proceso de simulación es sencillo, una vez se tiene el archivo.catprocess se añade la máquina mediante el comando Assign Machine From File. La pieza y la máquina no están colocadas en la posición correcta pero mediante la opción Workpiece Automatic Mount el origen de la pieza se situará en el punto de amarre de la pieza. El siguiente paso será colocar los ejes de mecanizado con la orientación correcta. Se tienen tres sistemas de ejes coordenados, uno de ellos asociado a la pieza que se va a mecanizar y dos asociados a cada una de las torretas. El primero de ellos se orienta con el eje z en la dirección axial y el eje x en la dirección radial. Los sistemas de ejes ligado a las torretas se sitúan con el eje z en la dirección radial de la pieza y el eje x en la dirección axial. El sentido de los ejes se muestran en las Figuras 3.28 y Figura 3.28 Ejes de mecanizado asociados a la pieza.

45 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 45 Figura 3.29 Ejes de mecanizado asociados a las torretas. Realizado todo lo anterior, el conjunto está preparado para simular una operación de mecanizado. El análisis de colisiones se puede efectuar mediante el comando Clash. Puesto que se han tomado las medidas con precisión y se ha tenido presente en todo momento el problema de las colisiones, estas últimas no se han dado en la simulación Limitaciones del modelo La simulación de la máquina-herramienta ha sido, sin ninguna duda, el cuello de botella del proyecto. Esto es debido principalmente a la falta de información disponible que ha obligado a utilizar un sistema de prueba y error para encontrar con una solución válida. El modelo posee multitud de limitaciones debido al hecho de que la máquina a simular se trata de un torno manual y Catia V5 es una herramienta CAD/CAM orientada a la simulación de máquinas-herramienta de control numérico por lo que en ocasiones, el modelo presenta comportamientos durante la simulación que no son propios de un torno manual. La principal causa de estos comportamientos anómalos es el hecho de que Catia V5 no es la herramienta óptima para realizar este tipo de simulaciones. Se destacan tres limitaciones fundamentales:

46 46 Modelado y simulación de la máquina-herramienta Imposibilidad de modificar el punto en el que se encuentra el carro principal y el contrapunto a lo largo de la bancada para una simulación concreta. Imposibilidad de seleccionar dos puntos de montaje de herramientas. Fabricación de conos. La primera de las limitaciones, es una opción que permite Catia V5 mediante el comando Machine Instruction. Para el caso de una máquina de tres ejes, el comando anterior permite seleccionar para cada uno de los ejes de la máquina una posición determinada antes o después de una operación de mecanizado lo que proporciona una gran versatilidad. Sin embargo, para el caso de un torno paralelo convencional, en el que hay que crear el husillo y varias torretas, dicha opción aparece limitada y sólo permite seleccionar posiciones para las torretas y el husillo pero no para la máquina-herramienta. Por esta razón, tal y como se dijo anteriormente, el torno sólo puede simular movimientos en modo manual en el que el desplazamiento en la dirección longitudinal lo realiza el charriot. La segunda limitación surge durante la creación de varios ejemplos de mecanizado de piezas. En uno de ellos, hay que realizar una operación de mandrinado en la que la herramienta se coloca girada 90 con respecto a su posición habitual. Por esta razón, se intentó crear un nuevo punto de montaje de herramienta en el que ésta estuviera girada 90 con respecto a la situación habitual de los ejes. Desafortunadamente, la creación de este nuevo punto generaba un comportamiento anómalo de la máquina durante las simulaciones. Por ello, se tomó como solución de compromiso la modificación manual de dicho punto que consiste en girar los ejes 90 con respecto a su posición predeterminada. La última y posiblemente más importante de las limitaciones es la imposibilidad de simular el movimiento real de la máquina durante la fabricación de un cono. Esto, tal y como se dijo anteriormente, es debido a que Catia V5 simula los movimientos del torno manual como si se tratara de una máquina de control numérico por lo que realiza movimientos imposibles en la realidad. Para llevar a cabo el mecanizado de un cono, el charriot se coloca formando el ángulo necesario con respecto a la dirección de la bancada. Con el charriot en dicha posición, se hace avanzar a la herramienta mediante el movimiento de la manivela del charriot. La Figura 3.30 ilustra la colocación de los distintos elementos.

47 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 47 Figura 3.30 Posición relativa del charriot durante el mecanizado de conos. Sin embargo, al intentar simular este movimiento, Catia V5 interpreta que la máquina es de control numérico y puede moverse en la dirección longitudinal y transversal a la vez por lo que genera un movimiento imposible de realizar en la máquina real. Se ha intentado dar solución a este problema generando diversos modelos alternativos y examinando mediante el método de prueba y error. A pesar de que ninguno de ellos ha sido capaz de solucionar el problema planteado, se explicarán en detalle para que sirvan como punto de partida a posibles líneas de investigación futuras. La primera de las alternativas estudiadas ha sido modificar el giro de la torreta con respecto al charriot por el giro del charriot con respecto al carro transversal. Esta alternativa no permitía la simulación de la máquina, posiblemente debido a que el movimiento del charriot no era en una dirección fija ya que éste podía girar con respecto al carro transversal y esto genera algún tipo de conflicto en Catia V5. La segunda de las alternativas estudiadas fue generar un modelo en el que los dos grados de libertad de la máquina no estuvieran perpendiculares, de esta manera se fija con un parámetro la posición del charriot con respecto al carro transversal y se permite el giro de la torreta con respecto al charriot. Al igual que en el caso anterior, no se ha conseguido generar una correcta simulación con este modelo. La última alternativa estudiada fue incluir a la bancada como parte de la torreta e introducir un grado de movimiento adicional. Por otro lado, se permite el giro entre el charriot y el carro

48 48 Modelado y simulación de la máquina-herramienta transversal en lugar del giro de la torreta con respecto al charriot. No es posible simular este modelo, posiblemente debido al hecho de que hay más grados de libertad de los que permite Catia V5. Tal y como se dijo anteriormente, a pesar de que ninguno de los modelos anteriores funcionara, toda la información extraída de ellos puede ser utilizada como punto de partida para futuras líneas de investigación y optimización del modelo.

49 4. MODELADO Y SIMULACIÓN DE OPERACIONES DE TORNEADO El objetivo de este capítulo es la elaboración del mecanizado de piezas que servirán como ejemplo. Se detallará para cada una de las piezas las distintas fases, operaciones, herramientas y se apoyará con material gráfico extraído de Catia V5 que facilite la comprensión al lector. Las piezas a mecanizar serán cuatro, seleccionadas con la intención de mostrar un amplio abanico de operaciones durante su fabricación. En lo que sigue se hablará de fases y operaciones por lo que se quiere aclarar en primer lugar la diferencia entre ambos términos. Mientras que una operación consiste en la ejecución de una sola actividad, una fase incluye todas las operaciones en las que la posición de la pieza y el utillaje no se modifica. A continuación se exponen todos y cada uno de los ejemplos seleccionados Aplicación práctica 1: torneado de cilindros concéntricos La primera de las piezas a mecanizar es la más simple de todas, puesto que se ha utilizado para investigar la multitud de comandos disponibles en Catia V5 en el entorno del mecanizado mediante tornos. Una representación tridimensional de la pieza así como un sus vistas acotadas se muestran en las figuras 4.1 y 4.2. Figura 4.1 Pieza 1. Figura 4.2 Dimensiones de la pieza 1. El mecanizado de la pieza se realiza en cuatro fases, cada una de ellas con múltiples operaciones en las que se emplearán ambas torretas, tanto el carro principal como el contrapunto. Las dos primeras fases tienen como objetivo disminuir la longitud de la preforma para que tenga una longitud igual a la de la pieza final así como elaborar un par de avellanados que se utilizarán para posteriormente montar al elemento entre puntos y efectuar la mayor parte del mecanizado. 49

50 50 Modelado y simulación de operaciones de torneado La preforma utilizada para su fabricación tiene unas dimensiones de 130 mm de longitud y 50 mm de diámetro por lo que será necesario disminuir la longitud de la preforma en 5 mm Fase 1 Esta fase se compone de dos operaciones simples. En primer lugar se realizará el refrentado de una cara para limpiar la superficie y posteriormente un avellanado a 60 x 5. La ejecución de ambas operaciones se realizará con la preforma montada sobre el plato de tres garras tal y como se muestra en la Figura 4.3. Figura 4.3 Montaje correspondiente a la fase 1. Para la ejecución del refrentado se empleará la herramienta mostrada en la figura 4.4 con una placa de forma cuadrada. Figura 4.4 Herramienta de refrentar.

51 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 51 Por otro lado, el avellanado se realiza empleado una broca cuya geometría y dimensiones pueden observarse en la Figura 4.5. Figura 4.5 Herramienta de avellanar. Al finalizar la fase 1, la geometría de la pieza es muy similar a la preforma que se tenía aunque ahora es ligeramente más corta y tiene un avellanado. Figura 4.6 Geometría tras la fase Fase 2 A continuación se gira la pieza 180 y se monta de nuevo sobre el plato de tres garras para efectuar el refrentado y avellanado a 60 x 5 de la otra cara.

52 52 Modelado y simulación de operaciones de torneado Figura 4.7 Montaje correspondiente a la fase 2. Las herramientas utilizadas son las mismas empleadas en la fase 1 puesto que se realizan exactamente las mismas operaciones. El elemento tendrá la longitud adecuada tras las operaciones realizadas en esta fase además de dos avellanados que permitirán realizar el montaje entre puntos. La figura 4.8 muestra un instante de la simulación de la operación de refrentado. Figura 4.8 Refrentado realizado durante la fase 2.

53 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo Fase 3 Es importante en la elaboración de la pieza que los cilindros tengan el mismo eje, es decir, que sean totalmente concéntricos por lo que su ejecución se hace sobre un montaje entre puntos. Si se fabricara la pieza con otro tipo de montaje, por ejemplo, entre plato y punto y el plato estuviera ligeramente excéntrico, se obtendrían mayores errores de excentricidad que utilizando el montaje entre puntos. De esta manera, se introducen dos nuevos elementos que forman parte del utillaje. Figura 4.9 Puntos empleados para el montaje de la fase 3. Se quiere destacar el hecho de que no se ha representado el perno de arrastre que transmite el movimiento de rotación a la pieza cuando se dispone del montaje entre puntos, pero se ha tenido en cuenta en la selección de las distintas operaciones. El montaje en la tercera de las fases es como se muestra en la Figura Figura 4.10 Montaje correspondiente a la fase 3. Las operaciones que se efectúan en esta fase son todas operaciones de cilindrado en las que se emplea la herramienta mostrada anteriormente en la Figura 4.4, también empleando una placa cuadrada para el corte.

54 54 Modelado y simulación de operaciones de torneado Dichas operaciones son dos: Un cilindrado en desbaste a 41 x 100. Un cilindrado en acabado a 40 x 60. Una instantánea de la simulación se muestra en la Figura Figura 4.11 Cilindrado realizado durante la fase 3. Una vez efectuada las operaciones pertinentes, la preforma posee la geometría mostrada en la figura Figura 4.12 Geometría tras la fase 3.

55 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo Fase 4 Tal y como se ha mencionado anteriormente, la última de las fases también se realiza con la pieza montada entre puntos. La única diferencia es que se ha invertido la cogida quedando según se muestra en la figura Figura 4.13 Montaje correspondiente a la fase 4. En este caso, se tienen que efectuar cuatro cilindrados tras los cuales quedaría finalizado el mecanizado de la pieza. Se detallan a continuación: Cilindrado en desbaste a 31 x Cilindrado en desbaste a 21 x Cilindrado en acabado a 30 x 27. Cilindrado en acabado a 20 x 42. Un instante de la simulación se muestra en la figura 4.14.

56 56 Modelado y simulación de operaciones de torneado Figura 4.14 Cilindrado durante la fase Cuadro resumen A continuación se presenta un cuadro resumen de las operaciones y las fases a realizar que serviría de ayuda en caso de querer mecanizar la pieza. Fase Operación Designación Torreta Montaje 1 Refrentado de una cara a 2.5 mm Carro principal 1 2 Avellanado a 60 x 5 Contrapunto Plato Refrentado de una cara a 2.5 mm Carro principal 2 Avellanado a 60 x 5 Contrapunto 1 Cilindrado en desbaste a 41 x 100 Carro principal 2 Cilindrado en acabado a 40 x 60 Carro principal 1 Cilindrado en desbaste a 31 x 68.5 Carro principal 2 Cilindrado en desbaste a 21 x 41.5 Carro principal 3 Cilindrado en acabado a 30 x 27 Carro principal 4 Cilindrado en acabado a 20 x 42 Carro principal Plato Entre puntos Entre puntos Tabla 4.1 Cuadro resumen del mecanizado de la pieza 1.

57 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo Aplicación práctica 2: ranurado y torneado cónico La segunda pieza que se elabora en este capítulo de aplicaciones del modelo creado tiene como objeto presentar tres operaciones de mecanizado que aún no han sido mostradas en una simulación: el ranurado, el chaflanado y la fabricación de conos. Uno de los puntos a destacar aquí, tal y como se ha explicado en profundidad en apartados anteriores, es la imposibilidad de simular correctamente la fabricación de conos tal y como se haría con una máquina-herramienta manual. Ante esta tesitura, se ha optado por presentar los resultados obtenidos con el modelo con el que se ha trabajado a pesar de que éstos se desvían de lo observado en realidad. Tal y como se ha hecho anteriormente, se comienza mostrando la pieza a mecanizar y sus dimensiones en las Figuras 4.15 y Figura 4.15 Pieza 2. Figura 4.16 Dimensiones de la pieza 2. Se fabrica en dos fases, cada una de ellas con multitud de operaciones y herramientas que se detallan a continuación. La preforma empleada es un cilindro macizo de 105 mm de longitud y 38 mm de diámetro Fase 1 La primera fase se lleva a cabo con la pieza montada en el plato de sujeción tal y como se observa en la Figura 4.17.

58 58 Modelado y simulación de operaciones de torneado Figura 4.17 Montaje correspondiente a la fase 1. Se comienza realizando un refrentado con el objetivo de limpiar la superficie. Para ello, se emplea la herramienta que ya ha sido empleada en la anterior aplicación práctica para realizar la misma operación (Figura 4.4). Al igual que en el primer caso, se utiliza una placa cuadrada para reducir en 2,5 mm la longitud total de la preforma. Una vez que la superficie está limpia, se efectúan una serie de cilindrados en desbaste y en acabado empleando la misma herramienta. Estas operaciones se detallan a continuación: Cilindrado en desbaste a 26 x 39. Cilindrado en desbaste a 37 x 15. Cilindrado en acabado a 25 x 40. Un instante de la simulación durante la primera de las tres operaciones se muestra en la Figura Figura 4.18 Cilindrado durante la fase 1.

59 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 59 La siguiente operación a realizar en esta primera fase es el ranurado de 2 mm que posee la pieza para lo cual es necesario cambiar de herramienta. Dicha herramienta utilizada es una cuchilla de tronzar que corta únicamente por su frente. La geometría de esta nueva herramienta se observa en la Figura Figura 4.19 Herramienta de ranurar. Para la realización de la ranura se utiliza una placa de forma trapezoidal cuya base mayor, que es la zona de corte, mide 2 mm al igual que la ranura a mecanizar. En Catia V5, se obtiene la siguiente simulación del proceso. Figura 4.20 Ranurado durante la fase 1. Por último, antes de modificar la disposición de la pieza se realiza el chaflán de 2x45. Para ello se emplea una nueva herramienta con un ángulo igual al del chaflán que se pretende realizar.

60 60 Modelado y simulación de operaciones de torneado Figura 4.21 Herramienta de hacer chaflanes. En este caso, la placa de corte que se coloca en la herramienta también es cuadrada pero estará inclinada con respecto a la pieza un ángulo de 45 como se puede comprobar durante la simulación. Figura 4.22 Chaflanado durante la fase 1. Tras finalizar la fase 1, la preforma tiene una geometría como la que se muestra en la Figura 4.23.

61 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 61 Figura 4.23 Geometría tras la fase Fase 2 A continuación, se invierte la pieza y se coge por la zona ya mecanizada, como se muestra en la Figura Figura 4.24 Montaje correspondiente a la fase 2. En esta segunda y última fase se debe refrentar y cilindrar la pieza, así como mecanizar el cono y el chaflán correspondiente. Se empieza, como en ocasiones anteriores, refrentando a medida para tener una longitud total de la pieza igual a 100 mm. Para ello, se emplea la herramienta anteriormente mostrada en la Figura 4.4. Esta es la herramienta que se empleará también para hacer los cilindrados y el mecanizado del cono. Una vez se cilindra en desbaste a 21 x 19, se desbasta el cono. Es aquí donde surge el problema en la simulación tal y como se ha explicado en capítulos anteriores. La máquina se mueve simultáneamente en dirección longitudinal y transversal, no correspondiendo al

62 62 Modelado y simulación de operaciones de torneado movimiento real de la máquina. Puesto que el problema ya ha sido analizado anteriormente, se continua explicando el proceso de fabricación de la pieza sin entrar en detalle en la operación. Un instante de la simulación en la que se puede observar la disposición errónea de la máquina se muestra en la Figura Figura 4.25 Desbaste de cono durante la fase 2. Desbastado el cono, se llevan a cabo el siguiente conjunto de operaciones que permiten dejar la pieza casi finalizada: Cilindrado en acabado a 35 x 10 (Figura 4.26). Cilindrado en desbaste a 17 x Mecanizado en acabado del cono. Cilindrado en acabado a 16 x 20. Figura 4.26 Cilindrado en acabado durante la fase 2.

63 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 63 El mecanizado termina con la realización del segundo chaflán para lo que se emplea la misma herramienta utilizada en la fase Cuadro resumen Con el objetivo de ofrecer una imagen global del proceso, se aúna todo lo descrito anteriormente en un cuadro resumen. Fase Operación Designación Torreta Montaje 1 Refrentado de una cara a 2.5 mm Carro principal 2 Cilindrado en desbaste a 26 x 39 Carro principal 1 3 Cilindrado en desbaste a 37 x 15 Carro principal 4 Cilindrado en acabado a 25 x 40 Carro principal Plato 5 Ranurado de 2 mm Carro principal 6 Chaflanado de 2 x 45 Carro principal 1 Refrentado de una cara a 2.5 mm Carro principal 2 Cilindrado en desbaste a 21 x 19 Carro principal 3 Desbaste de cono Carro principal 4 Terminar a 35 x 10 Carro principal 2 Plato 5 Cilindrado en desbaste a 17 x 19.5 Carro principal 6 Terminar cono Carro principal 7 Cilindrado en acabado a 16 x 20 Carro principal 8 Chaflanado de 2 x 45 Carro principal Tabla 4.2 Cuadro resumen del mecanizado de la pieza Aplicación práctica 3: mandrinado de cilindros concéntricos La tercera pieza en estudio tiene como objetivo introducir una nueva operación de mecanizado que no se ha estudiado aún: el mandrinado. Esta operación se utiliza para obtener una mayor precisión dimensional o geométrica, una menor rugosidad o para aumentar el diámetro de agujeros ya realizados mediante un taladro. La Figura 4.27 es un claro ejemplo de una herramienta utilizada para mandrinar.

64 64 Modelado y simulación de operaciones de torneado Figura 4.27 Herramienta de mandrinado. Las limitaciones de la operación de mandrinado las imponen la rigidez de la pieza así como el voladizo que puede tener la herramienta cuando está montada en la torreta que se debe procurar que sea lo menor posible para evitar vibraciones que perjudiquen a la calidad de la pieza. También se simulará un taladrado y un escariado que no introducen muchos elementos novedosos en cuanto a simulación pero sí en cuanto a variedad de herramientas disponibles en Catia V5. La pieza que se mecaniza así como sus dimensiones se muestran en la Figuras 4.28 y Figura 4.28 Pieza 3. Figura 4.29 Dimensiones de la pieza 3. En este caso el mecanizado se realiza en una sola fase en la que se emplean ambas torretas para obtener la geometría deseada. La preforma utilizada en este caso será un cilindro macizo de 80 mm de longitud y 100 mm de diámetro.

65 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo Fase 1 La pieza se monta en el plato de sujeción para llevar a cabo el mecanizado tal y como se muestra en la Figura Para la simulación se utilizan dos Part Operation distintos a pesar de trabajar con un único montaje. Esto es debido a que se trabaja en primer lugar con el contrapunto como torreta y posteriormente con el carro principal. Figura 4.30 Montaje correspondiente a la fase 1. En primer lugar se efectúan las operaciones de taladrado y escariado. Las herramientas utilizadas se muestran en las Figuras 4.31 y 4.32, con sus respectivas dimensiones más relevantes referenciadas en la Tabla 4.3. Figura 4.31 Herramienta de taladrar. Figura 4.32 Herramienta de escariar.

66 66 Modelado y simulación de operaciones de torneado Taladrado Escariado Diámetro nominal (mm) Longitud total (mm) Longitud de corte (mm) Diámetro de la herramienta (mm) Tabla 4.3 Características geométricas de las herramientas de corte. Una instantánea de la simulación de la simulación se presenta en la Figura Figura 4.33 Taladrado durante la fase 1. Una vez efectuadas ambas operaciones, es posible realizar el mandrinado puesto que existe un taladro previo en donde introducir la herramienta de corte tal y como se comprueba en la Figura Figura 4.34 Geometría tras el taladrado y el escariado.

67 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 67 El mandrinado se realiza en varias operaciones que pueden dividirse en varios bloques. Bloque 1 o Mandrinado en desbaste a 39 x 60. o Mandrinado lateral en acabado a 40 x 60. o Mandrinado frontal en acabado de la cara interior. Bloque 2 o Mandrinado en desbaste a 59 x 40. o Mandrinado lateral en acabado a 60 x 40. o Mandrinado frontal en acabado de la cara interior. Bloque 3 o Mandrinado en desbaste a 79 x 20. o Mandrinado lateral en acabado a 80 x 20. o Mandrinado frontal en acabado de la cara interior. La Figura 4.35 muestra la evolución hasta la geometría final. Figura 4.35 Evolución de la geometría durante el mecanizado. Un instante de la simulación se observa en la Figura Figura 4.37 Mandrinado durante la fase 2.

68 68 Modelado y simulación de operaciones de torneado Cuadro resumen Tal y como se ha realizado anteriormente, se ha elaborado un cuadro resumen del proceso de mecanizado en el que se presenta las distintas operaciones realizadas en el orden correspondiente. Fase Operación Designación Torreta Montaje 1 Taladrado a 80 x Contrapunto 1 2 Escariado a 80 x 20 Contrapunto 3 Mandrinado en desbaste a 39 x 60 Carro Principal 4 Mandrinado lateral en acabado a 40 x 60 Carro Principal 5 Mandrinado frontal en acabado de la cara interior Carro Principal 6 Mandrinado en desbaste a 59 x 40 Carro Principal 7 Mandrinado lateral en acabado a 60 x 40 Carro Principal 8 Mandrinado frontal en acabado de la cara interior Carro Principal 9 Mandrinado en desbaste a 79 x 20 Carro Principal 10 Mandrinado lateral en acabado a 80 x 20 Carro Principal 11 Mandrinado frontal en acabado de la cara interior Tabla 4.4 Cuadro resumen del mecanizado de la pieza 3. Carro Principal Plato 4.4. Aplicación práctica 4: torneado de forma Para finalizar con el capítulo de aplicaciones se elabora un cuarto ejemplo en el que se introduce como novedad la operación de redondeo. Por otro lado, se realizarán de nuevo un par de ranurados de mayor anchura que el realizado en el ejemplo 2. Para la elaboración de redondeos, en el laboratorio se emplean una serie de herramientas con una forma predeterminada y se reproduce dicha forma en la pieza a mecanizar. Algunos ejemplos de este tipo de herramientas se observan en la Figura 4.38.

69 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 69 Figura 4.38 Herramientas de forma. La pieza a mecanizar así como sus dimensiones se muestran en las Figuras 4.39 y Figura 4.39 Pieza 4. Figura 4.40 Dimensiones de la pieza 4. El mecanizado se realiza en cuatro fases en las que se combina el montaje de la pieza en el plato de sujeción con el montaje entre puntos. El material empleado como preforma posee geometría cilíndrica con unas dimensiones de 34 mm de diámetro y 115 mm de longitud Fase 1 Al igual que en el ejemplo 1, el objetivo de las fases 1 y 2 son la preparación de la preforma para el mecanizado. Para ello, en esta primera fase se realiza un refrentado para limpiar la superficie y a continuación un avellanado 60 x 5. Para efectuar ambas operaciones, la preforma se encontrará montada sobre el plato de tres garras como aparece en la Figura 4.41.

70 70 Modelado y simulación de operaciones de torneado Figura 4.41 Montaje correspondiente a la fase 1. Las herramientas empleadas para la ejecución de ambas operaciones son las de la Figura 4.4 y 4.5. Puesto que ambas operaciones se han realizado en varias ocasiones a lo largo de los ejemplos anteriores, no se tratará con detalle en esta ocasión Fase 2 Al comienzo de esta fase, se parte de una preforma ligeramente más corta que la pieza original y con el correspondiente avellanado en una de las caras para la posterior sujeción entre puntos. En esta fase, se invierte la pieza y al igual que en la fase 1, se refrenta para obtener la longitud adecuada y se hace el centro. Puesto que la pieza es simétrica, el montaje es muy similar al de la Figura 4.41 y las herramientas son las mismas. Al finalizar las operaciones correspondientes a esta fase, la preforma está preparada para ser colocada entre puntos y realizar el grueso de las operaciones que transformarán la preforma en la pieza final. Figura 4.42 Preforma tras la fase 2.

71 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo Fase 3 Puesto que en la elaboración de la pieza es importante que los cilindros tengan el mismo eje se hace sobre un montaje entre puntos. La figura 4.43 muestra el montaje realizado para la tercera de las fases. Figura 4.43 Montaje correspondiente a la fase 3. En primer lugar, se llevan a cabo tres cilindrados. El primero de ellos es en desbaste a 31 x60 para disminuir el diámetro de la pieza. Posteriormente, se cilindra en desbaste a 17 x 25 y en acabado a 16 x 25. Una vez realizado lo anterior, se efectúa el redondeo de radio 5 mm. Para ello se emplea la herramienta mostrada en la Figura 4.44 con una placa circular de 10 mm de diámetro. La aproximación de la herramienta será frontal y en dos pasadas. Figura 4.44 Herramienta para redondear.

72 72 Modelado y simulación de operaciones de torneado La Figura 4.45 muestra cómo se simula en Catia V5 dicho momento. Figura 4.45 Redondeo durante la fase 3. Para finalizar con las operaciones correspondientes a la fase 3 se realiza un cilindrado en acabado a 30 x 30 y un ranurado de 5 mm de espesor. Para la realización del cilindrado se emplea la herramienta utilizada en ocasiones anteriores (Figura 4.4) y para el mecanizado de la ranura se emplea una herramienta de tronzar. La geometría es similar a la empleada para el ranurado de la ocasión anterior, pero como en este caso la ranura tiene una anchura mayor, la herramienta también es más ancha (Figura 4.46) y lo mismo ocurre con la placa de corte que posee 3 mm en la zona de corte.

73 Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 73 Figura 4.46 Herramienta de ranurar. El instante de la simulación en el que se efectúa el ranurado se muestra en la Figura 4.47 Figura 4.47 Ranurado durante la fase Fase 4 Concluido el conjunto de operaciones correspondiente a la fase 3, el cilindro macizo inicial posee la forma de la Figura 4.48.