OPTIMIZACIÓN DEL MECANIZADO

Transcripción

1 OPTIMIZACIÓN DEL MECANIZADO Tomando como base TEORÍA DEL CORTE y las variables que afectan LA MAQUINABILIDAD SOLUCIONES PRÁCTICAS para determinar las CONDICIONES DE CORTE ÓPTIMAS PIEZAS CON LA CALIDAD EXIGIDA, CON EL MENOR TIEMPO Y COSTO DE FABRICACIÓN ( no siempre es posible satisfacer todos esos requisitos a la vez)

2 CONDICIONES DE CORTE: Velocidad de corte: Vc [m/min] Velocidad de avance: a [mm/vuelta Profundidad de corte radial: p[mm] CAUDAL DE VIRUTA U = Vc. a. p U = Vc. Ao [m. mm2/min.vuelta] Vc Ejemplo: Operación Torneado p a

3 Criterios de Optimización en el mecanizado 1. Máximo caudal de viruta 2. Aseguramiento de la Tolerancia y el Acabado superficial 3. Duración económica del filo Ejemplo: Torneado de una pieza Material de partida D1 D2 L1 L2 Mecanizado de desbaste: Criterio 1 Mecanizado de terminación: Criterio 2 Sobrematerial para acabado + Criterio 3

4 Métodos de optimización La Presión de corte. El Diagrama de Producción. Modelos matemáticos experimentales El método se elige según los datos con que se cuenta: Datos provenientes de experimentación propia o fuentes bibliográficas Potencia específica de corte Presión de corte FC VC FC Wn = = AO VC AO FC KS = AO para Ao = 1mm2 Kso (Parámetro característico del material) Fc. Vc = Pn (potencia neta) Ao. Vc = U (caudal de viruta)

5 Variables prácticas que influyen sobre Ks Fuerza de corte = f (Ss, φ, α, etc) ks = 2 Ss ctg φ Principales variables de influencia Características del material a mecanizar Sección y espesor de viruta Material y Geometría hta.(α, κr, radio de punta). Velocidad de corte Condiciones de lubricación-refrigeración Desgaste de la herramienta

6 Ks según Características del material a mecanizar Carácterísticas mecánicas: Resistencia a la tracción, dureza, maquinabilidad, etc. Materiales ferrosos Materiales no ferrosos

7 2 ] A B C mmna[d Sección (Ao) Espesor de viruta (t1) D E F G H I s Ket r oc e d nói s er P Ks según: 0 K 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Espesor de viruta t1 0,6 mm/rev. A. Aceros de herramientas y aleados (σr = dan/mm2); B-E. Aceros aleados (σr = dan/mm2); F. Fundición gris (G18; G26); G. Fundición maleable; H, Fundición (G12; G14);, I. Aleaciomnes de aluminio (11-13 % Si); K. Aleaciones de Mg t1 p t2 Vc b a

8 Ks según: Geometría de la herramienta (α, κr) α Material herramienta µ Ks κr (t1) bm = p/sen κr t1m = a. sen κr κr t1m Ks κr Ks Fc κr = 60 a 75º

9 Ks según : Velocidad de corte 180 S dan/mm t1 = 0, Ket r oc e d nói s er P 100 t1 = 0,203 t1 = 0,254 t1 = 0, Velocidad de corte m/min Lubricación, Refrigeración Desgaste Herramienta reduce µ, disminuye Ks modifica la geometría aumenta Ks (salvo altas Vc)

10 CONCLUSION Al aumentar la Vc, Ao, α, y aplicando fluido de corte El material se comporta como más blando, pues Ks disminuye Cálculo del Ks F ks = C Ao ks = Ao = a. p = t1m. bm Fc = kso. bmy. t1mx y 1; x <1 haciendo y =1 y 1-x = z ks = FC t1m bm ks 0 t1(m1 x ) = k S 0 t 1 mz

11 Valores de ks, kso y z para el torneado de distintos materiales (*) Nº Material σr o HB ó HRc [dan/mm2] z Kso Ks [dan/mm2] para t1 [mm] St , St , St , CK45 (40) 67 0, CK60 (60) 77 0, CrMo5 59 0, Meehanite 36 0, Fundición dura HRc = 46 0, GG26 HB= 200 0, (*) Datos de las herramientas γ β α ε κr λ r Torneado de acero 5º 79º 6º 90º 60º 4º 1mm Torneado de Fundición 5º 83º 2º 90º 60º 4º 1mm

12 Método de la Presión de corte Método analítico para la determinación de las condiciones de corte óptimas en las operaciones de desbaste: Máximo caudal de viruta Pn = Fc. Vc Pn = ks. Ao. Vc Pn = ks. a. p. Vc Vc Umáximo = (a. p)máximo. Vcmáxima (a. p)máximo ksmínimo p a Pneta máxima = ksmínimo. (a. p. Vc) máximo Empleando la potencia máxima de la máquina para remover la máxima sección de viruta, se extrae el máximo caudal, pues el material opone la mínima resistencia al corte

13 Tiempo de mecanizado. Número de pasadas. Tiempos pasivos (para las condiciones de corte óptimas) p D d TM = c / a. N = c π d / a. 1000Vc P a: velocidad de avance [mm/rpm] N: [rpm] (Vc = π d N/1000) c Tiempo de mecanizado mínimo Número de pasadas mínimo TMmín c π d = a máx 1000 Vc máx m mín = P (sobrematerial total) p Con el máximo caudal de viruta por pasada se obtiene: Tiempo de mecanizado mínimo, Mínima cantidad de pasadas (máximo profundidad) Mínimo tiempo pasivo por maniobras improductivas

14 Tiempo de duración del filo (para las condiciones de corte óptimas) Dada una potencia de máquina, al aumentar la sección de viruta deberá reducirse la Velocidad de corte T3 θ Pn = ks. Ao. Vc T2 Vc Vc.Tn = Ct ; T T1 nei marre h al e d a di V Ao ; VC1 VC2 VC3VC4 Velocidad de corte Vc, m/min

15 Diagrama de Producción (Vc vs. Ao) Aplicación práctica de las relaciones entre las principales variables del corte Material pieza Datos Fijos Máquina Herramienta p/a = E (esbeltez) LM: Línea de máquina (Pn=cte) LH: Línea de herramienta (T=cte) Obtención de Vc y Ao óptimos, cualquiera sea el criterio de optimización adoptado

16 Construcción de la línea LH Cv Vt = s A0 (T / 60) n con 2 valores Ao 2 valores Vc Valores de Cv, s y n Dureza Brinell H (Kg/mm2) Resisten. a la rotura σr Kg/mm2 Para trabajar acero Hta. De Metal Duro Muy buena calidad Buena calidad Tipo antiguo Para trabajar Fundición Hta. Acero Rápido Hta. De metal duro Fundición Fundición nodular Hta. Acero rápido H 1, H 1, H 1,30 0,28 0,28 0,28 0,20 0,20 0,20 Fórmula para Cv H 1,30 Exponente: s 0,28

17 Construcción de la línea LM VPn 4500.Pn = 1 s k so. A0 con 2 valores Ao 2 valores Vc Valores de kso (resumida) Material HB Kso Ao=1, E=5:1 Material HB Kso Ao=1, E=5:1 SΑΕ SΑΕ SΑΕ SΑΕ SΑΕ X SΑΕ SΑΕ SΑΕ SΑΕ SΑΕ SΑΕ SΑΕ SΑΕ T SΑΕ SΑΕ Fundición acicular o de grafito difuso SΑΕ Fundición nodular 160 SΑΕ Fundición gris 155 SΑΕ GM 145

18 Variación de la Duración del Filo (T) Cv Vt = s A0 (T / 60) n a b c d Puntos de intersección T [min] Aon [mm2] 1,20 1,79 2,66 3,95 VPn [m/min] ,5 62 UPn [cm3/min] Kn [cm3 / HP. Min] 19, ,5 24,4 distintos valores de U variación de Wn = Pn / U Ao ; U : T ; Wn ; Kn pues Ks disminuye pero Fc > flexiones de herramienta, pieza y partes de la máquina

19 Variación de la Potencia neta disponible 4500.Pn VPn = 1 s k so. A0 100 % Pn 162 % U Pues Ks disminuye Pn [HP] Ao n [mm2] 0,78 1,20 1,70 2,30 2,95 3,70 4,54 UP n [cm3/min]

20 Análisis del Diagrama de Producción (LM, LH, LUcte) 100 Material:Acero 50 Kg/mm2 Herramienta: Metal duro, geometría definida 50 ni m / m,c 2 20 Se analizan: α δ 10 las variaciones de Ao y Vc, θ Vet r oc e d da di c ol e V 2 1 α β δ θ γ γ A Linea de herramienta (Metal duro:60 ) B1 Linea de máquina 6,6 HP B2 Linea de máquina 2,3 HP C1 Caudal U = 200 C2 Caudal U= recorriendo U=cte, LM, y LH A β 1 B1 B2 a partir del punto de intersección C1 C Sección de Viruta A0, mm 2 Zonas características Sobrecarga de la herramienta Poco aprovech. de la máquina Sobrecarga de la Máquina Optimo aprovech. de la Máquina Buena Utilización de la máquina Sobre UC1= cte Dirección 1 Es mayor la duración del filo Es menor el consumo de potencia: podemos aumentar la velocidad hasta consumir toda la potencia, con lo que U aumenta.

21 Análisis resumido del Diagrama de Producción Vc > Fc [m/min] Esfuerzo Excesivo >U ZONA DE TERMINACION SOBRECARGA DE MAQUINA LH BAJO APROVECH >T BUENA UTILIZACION LM > Pn Filo Recrecido OPTIMO APROVECH ZONA DE DESBASTE Ao [mm2] A la T prevista, no conviene reducir Vc y aumentar Ao, pues se sobrecargaría la máquina A la T prevista, al aumentar la Vc y disminuir la Ao, podrán obtenerse la tolerancia dimensional y el acabado superficial exigidos Menores Vc y mayores Ao, sobre LM, dan >>U y >T (pudiendo usar herramientas de menor calidad), pero aumenta Fc sobre pieza-herramienta-máquina y el riesgo de producir filo recrecido

22 Modelos Matemáticos Experimentales Provistos por fabricantes de herramientas, además de datos de corte recomendados para diferentes materiales a mecanizar. Ejemplo: modelo de Sandvik Vc. p.a.k S 0, 4 0,4 Pn = a. sen κ r 0, 29 ks0,4: Válido para a = 0,4 mm/vuelta Factor de corrección de Ks por a (t1) y κr Algunas Máquinas CNC (con Control adaptivo) y paquetes CAD/CAM incluyen en sus software, algoritmos que proveen las condiciones de corte optimizadas.

23 Cálculo de las condiciones óptimas de corte Método Ks Se establece una primera hipótesis: Una vez seleccionada la máquina-herramienta a emplear, el máximo caudal de viruta se tendrá utilizando la máxima potencia útil Pn de la máquina y con el mínimo valor de Ks. Pn = ksmín. (a. p.vc)máx Los parámetros del segundo miembro son todos incógnitas y el ksmín se obtendrá con los aumentos de a, p y Vc. Se establecen las siguientes hipótesis adicionales: 1. Para el rango de velocidades de corte normales (Vc > 150 m/min), es ks constante 2. Seleccionada la herramienta, la variación posible de su geometría es pequeña, por lo que en este caso no se considera su influencia sobre ks. 3. En función del máximo esfuerzo que puede soportar la herramienta, teniendo en cuenta las recomendaciones de los fabricantes para el material que se mecaniza, se adopta la sección máxima de viruta. Del gráfico Ks-Ao se obtiene el ks mínimo. Resulta: VC max Pn = K s min A0 max

24 Cálculo de las condiciones óptimas de corte Método Ks: Ejemplo Material a mecanizar es Acero SAE 1045 De los catálogos de herramientas se selecciona el material y la geometría de la herramienta. Para desbaste ligero, se selecciona: Metal duro calidad S1P Del rango de valores de a y p recomendados, se adoptan los máximos: a = 0,5 mm/rev p = 4 mm Del gráfico ks vs. Ao, se obtiene ks mín (Aomáx) Ao máx = 0,5. 4 = 2 mm2 ks mín = 180 dan/mm2 Con la Pn (potencia neta o útil) de la máquina (es dato), se obtiene la Vc para la máxima sección de viruta y ks mínimo. VC max Pn = K s min A0 max

25 Método Ks: Ejemplo Tiempo de duración del filo: n(metal duro)=0,3; Vc. Tn = cte Vc1. T1n = Vc2. T2n Vc1 = 215m/min (T=15min); Vc2 = Vcmáx calculada: Se obtiene T2 Con amáx y Vcmáx se otiene TM mínimo

26 Cálculo de las condiciones óptimas de corte Método Diagrama de Producción: Ejemplo Vc máx Ao máx

27 Cálculo de las condiciones óptimas de corte Método Modelo de SANVIK: Ejemplo Vc. p.a.k S 0, 4 0,4 Pn = a. sen κ r Datos del fabricante de herramienta Material a mecanizar: SAE Desbaste ligero amáx = 0,5 mm/v pmáx = 4mm Ks0,4= 2100 N/mm2 κr = 75º Datos de la máquina: Pn [KW] 0, 29 Vc máx [m/min]

28 Valores de Kc 0,4

29 Limitaciones prácticas en el uso de los datos de corte obtenidos Variable limitante Relativas a: Máquina Pieza Factores relacionados Potencia de la máquina Avance y profundidad máximas y mínimas Valores discretos de RPM del husillo Disponibles en la máquina Rigidez (relación l/d) Fuerzas y vibraciones Precisión requerida Tolerancias dimensionales, de forma y de acabado superficial requeridas Herramienta Rigidez Espesor mínimo de viruta Sección resistente de la herramienta Longitud en voladizo Geometría de la herramienta (radio de punta y ángulo de posición) y estado del filo Espesor máximo de viruta (proporcional a amáx) Mínima anchura de corte (proporcional a pmín) Máxima anchura y fuerza de corte Resistencia de la herramienta, función de su material y geometría. Máximo desgaste de la herramienta Resistencia al desgaste de la herramienta, precisión requerida en la pieza. Condiciones Relación de forma de la viruta (Esbeltez = p/a). de corte Mínima profundidad La define el radio de punta Resistencia de la herramienta Determinada por las leyes del arranque de viruta Geometría y material de la herramienta, y estado del filo Duración del filo de la herramienta Define la velocidad de corte Filo recrecido Define la mínima velocidad de corte Velocidades altas Dificultades para evacuar virutas, y de seguridad. Duración no económica del filo Velocidades bajas Filo recrecido, acabado superficial

30 Condiciones de corte en las operaciones de acabado El método de la presión de corte no es aplicable para determinar las condiciones de corte óptimas en operaciones de acabado. El Diagrama de Producción permite establecer condiciones de corte para cualquier tipo de operación.

31 Análisis del costo de producción. Duración económica de la herramienta CT: Costo de mecanizado = CL. TMT CL : Costo de operario CU: Costo de la herramienta CU = CL. TCU. TMT/T + CTA. TMT/T TCU: Tiempo de cambio de herram. TMT:Tiempo de mecanizado p/pieza TU: Tiempo cambios de herramienta TU =TCU. TMT/T CTA: Costo de 1 filo TP: Tiempo de preparación de la máquina CP: Costos de preparación de la máquina TI : Tiempo improductivo CI : Costos improductivos (maniobras)

32 Velocidad de corte - Zona de máxima eficiencia Vc (mínimo tiempo o máximo U) > Vc (mínimo costo o Duración económica del filo)