EVALUACIÓN DE LAS FUERZAS DE CORTE EN EL FREZADO PERIFÉRICO

MARZO 2015

Alexandra Valerica Necola

DIRECTOR DEL TRABAJO FIN DE MASTER:

Dr. Antonio Vizán Idoipe

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CONTENIDOS

1. ÁMBITO DE LA APLICACIÓN DEL TRABAJO2. OBJETIVOS3. PLANIFICACIÓN DEL PROCESO DE FREZADO4. MODELOS DE FUERZAS DE CORTE EN FREZADO5. ESTIMACIONES DE LAS FUERZAS DE CORTE

FRENTE A VARIACIONES EN LAS CONDICIONES DE MECANIZADO

6. ESTRATEGIAS DE MECANIZADO EN FREZADO7. DESARROLLO EXPERIMENTAL8. CONCLUSIONES9. LÍNEAS FUTURAS DE DESARROLLO

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Las fuerzas de corte en el mecanizado, han despertado la necesidad de ser estudiadas en profundidad para conocer la eficiencia y eficacia del proceso de frezado periférico, especialmente en la practica.

Obteniendo las fuerzas de corte se puede calcular la potencia consumida en una operación de mecanizado. No es un factor económico importante habitualmente, pero es necesario su conocimiento para ser capaces de estimar la cantidad de potencia necesaria para realizar la operación debido a las limitaciones impuestas por la máquina disponible.

1. ÁMBITO DE LA APLICACIÓN DEL TRABAJO

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2. OBJETIVOS

Analizar las fuerzas de corte, la eficiencia de las estrategias de frezado e influencia de los desgastes en la vida de la herramienta en condiciones variables de trabajo.

• Elegir un modelo de estimación de fuerzas para frezado: modelo basado en el espesor de viruta medio y comprenderlo.

• Aprender a calcular las fuerzas a través del modelo elegido. 

• Analizar las estrategias de mecanizado que se proponen para frezar de forma eficiente

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3. PLANIFICACIÓN DEL PROCESO DE FREZADO

• Se realiza según: numeración de superficie a mecanizar, análisis de las especificaciones de las superficies, análisis de la preforma necesaria, análisis del resto de las especificaciones

• En la práctica es

muy asociada con la experiencia del planificador o del operador de maquina .

Análisis de características geométricas

de una pieza

• Combinación adecuada de espesor de viruta-ancho de corte.

• Longitud del arco de empañe

• Formación adecuada de viruta en el proceso de corte.

• Combinación velocidad de corte-ancho de corte

Selección de estrategias de mecanizado

• Elección de la herramienta por el tipo de operación de frezado

• Elección de la herramienta por el diámetro

• Elección de la freza por el número de filos de corte/ paso

Selección de la herramienta y parámetros

de corte

• Elección de un modelo de estimación de fuerzas de corte y procesamiento de los datos.

Simulación del proceso de mecanizado

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4. Modelos de fuerzas de corte en fresado

Modelos semiempíricos

Modelos analíticos Modelos

numéricos• determinación de las fuerzas de corte mediante un

análisis teórico del fenómeno de corte a partir de los principios de la mecánica del movimiento y de la tensión y deformación de los materiales.

• Modelos mecanísticos

Modelos del plano de cizallamiento

• Cálculos de fuerzas de corte en operaciones con herramientas de geometría compleja.

• Es necesaria la experimentación para obtener los coeficientes específicos de corte.

• Los modelos mecanísticos de predicción de fuerzas se utilizan frecuentemente para establecer la velocidad de avance en cada punto de la trayectoria de la herramienta para que las fuerzas máximas no excedan un cierto valor.

• Las fuerzas de corte se deducen por medio de la geometría del proceso.

• No predicen bien las fuerzas en condiciones dinámicas.

• Se necesita una gran base de datos de parámetros para obtener los coeficientes de las fuerzas, datos que no están siempre disponibles.

• Emplean métodos numéricos como elementos finitos.

• El patrón de comportamiento que emplean para el material está incompleto.

• Requieren un tiempo excesivo de computación para extraer los resultados.

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a. Modelo de estimación de fuerzas de corte considerando el espesor de viruta medio

Es un modelo analítico de fuerzas de corte basado en la utilización de la presión especifica de corte, considerada como una función que depende del espesor de viruta.

La trayectoria del filo durante el corte puede verse modificada debido a la presencia de fenómenos como el alabeo de la herramienta o la propia deformación. En el modelo propuesto se ha considerado también el efecto que tienen estos dos fenómenos sobre el espesor de viruta y sobre los ángulos de entrada y salida de la herramienta en el material.

Datos de entrada:Condiciones de corte: ap, fz, ϕe, ϕs, NGeometría de la herramienta: D, Nz, λsCoeficientes de fuerzas de corte: kc0, kr0, mc, mr

Altura de disco: Δap

Bucle para n=1:NN

 

 

 

Bucle para j=1:ZZ

 

 

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Toma posiciones incrementales en la rotación de la herramienta

Bucle para cada filo de la herramienta

Comprueba que el punto del filo de la herramienta se encuentra en la zona de corte

Se calcula el espesor de viruta medio

Primer paso donde φs< φj< φs+ φpr

El punto de aplicación para las fuerzas proyectadas se calcula para el punto medio que corresponde al ángulo medio del arco proyectado φm. Si φm>φpr puede haber mas de un filo cortando simultáneamente material.

Se suman las fuerzas de todos los filos para cada posición de herramienta para determinar la proyección de las fuerzas Fx y Fy.

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Datos de entrada:• Condiciones de corte:

profundidad de corte avance por diente para obtener -ángulo de entrada

-ancho de corte

• Geometría de la herramienta: diámetro de la herramienta numero total de filos de la herramientaángulo de inclinación del filo de corte

• Coeficientes de fuerzas de corte

El filo se encuentra en la zona + y el ángulo es y que es el ángulo proyectado del filo.

• Calculo del espesor medio de viruta

• Calculo de las fuerzas de corte:

• El punto de aplicación de estas fuerzas se ha situado en el punto medio del arco de contacto del filo con la pieza.

• Para obtener la fuerza resultante en la herramienta es necesario sumar las fuerzas que actúan sobre cada uno de los filos de la herramienta.

 

Datos de entrada:Condiciones de corte: ap, fz, ϕe, ϕs, NGeometría de la herramienta: D, Nz, λsCoeficientes de fuerzas de corte: kc0, kr0, mc, mr

Altura de disco: Δap

Bucle para n=1:NN

 

 

 

Bucle para j=1:ZZ

 

 

 

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5. Estimación de las fuerzas de corte frente a variaciones en las condiciones de mecanizado

Para situaciones desfavorables en que las condiciones de cortes se cambian en comparación con los que se fijan al principio se pueden arreglar con adecuadas estrategias de mecanizado.

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6. Estrategias de mecanizado en fresadoEn el camino hacia una planificación óptima del proceso de frezado es importante la selección de una estrategia de mecanizado adecuada. Una estrategia de mecanizado establece el modo de trabajo de una herramienta en una operación determinada y fija fundamentalmente el ancho, la profundidad de corte y las trayectorias a realizar en la operación.

Con las estrategias de corte se trata de mejorar los siguientes aspectos del mecanizado:• Las entradas de la herramienta en el material.• Las trayectorias del filo.• Las condiciones de corte.

En la selección y evaluación de las estrategias de mecanizado es importante conocer cómo se genera la viruta y cuál es el valor de las fuerzas de mecanizado y su evolución durante la operación.

Estrategias de mecanizado propuestas:

• Entrada de la herramienta con pivotamiento• Entrada progresiva en ángulo• Frezado trocoidal

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a. Entrada de la herramienta con pivotamiento / entrada frontal

Entrada con pivotamiento

• El filo de la herramienta sigue unas trayectorias de mecanizado tales que el espesor de viruta en la salida sea nulo.

• Entrada progresiva con arcos de empañe que aumentan gradualmente hasta el ancho de corte fijado.

• El aumento progresivo de los arcos de empañe conlleva unas fuerzas que aumentan en la misma proporción.

Comparación de la entrada en pivotamiento con la entrada frontal

• Con la estrategia de pivotamiento, la entrada se realiza de forma gradual hasta alcanzar el valor del ancho de corte mientras que con el segundo método la herramienta empaña el material con todo el avance desde la primera vuelta.

• La solicitud de la herramienta es menor y la duración es mayor.• La estrategia con entrada en pivotamiento es mas adecuada

conforme el material de la pieza tiene una mayor dureza.

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b. Entrada de la herramienta en ángulo / entrada frontal

• La entrada de la herramienta de forma progresiva siguiendo una trayectoria en ángulo.

• El inicio del corte, los arcos de empañe sean pequeños y vayan aumentando hasta alcanzar el ancho de corte programado, manteniendo siempre un espesor de viruta en la salida nulo.

• Permite realizar el mecanizado de forma más adecuada que con una entrada convencional, debido a la evolución que tienen las fuerzas y los arcos de empañe.

Comparación de la entrada en ángulo con la entrada frontal

• Con la estrategia de entrada en ángulo, ésta se realiza de forma gradual, mientras que en la entrada frontal la herramienta entra en la pieza empañando todo el diámetro para continuar después con el ancho programado.

• La solicitud de la herramienta es menor en el caso de la entrada en ángulo y por lo tanto su duración es mayor.

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c. Frezado trocoidal

• Mecanizar ranuras de diámetro mayor que la herramienta para piezas de materiales de elevada dureza.

• El arco de empeñe es pequeño• Se permite aumentar la velocidad de arranque de viruta sin riesgo para

la herramienta debido a que ésta no llega a empañar nunca con todo el diámetro.

• El ancho de corte va cambiando constantemente llegando a alcanzar el máximo en la zona central de la ranura para después volver a disminuir hacia la salida.

• La freza está en contacto con el material la mitad del tiempo permaneciendo el resto sin carga.

• La herramienta va girando de forma que la salida de la herramienta se produce siempre para espesor de viruta nulo.

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7. Desarrollo experimental

Para el desarrollo experimental se analizan los siguientes puntos:

• Analizar las condiciones para realizar un ajuste adecuado y determinar los parámetros para la simulación del proceso de frezado que se resuma a determinar los coeficientes de presión específica de corte.

• Análisis de la variación de estos parámetros y su influencia en la precisión de la estimación de las fuerzas de corte.

• Descripción de la metodología de los cálculos realizados y la comprobación de las estimaciones teóricas de las fuerzas de corte y herramientas usadas.

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a. Presión especifica de corte La presión específica de corte depende en gran medida del material como también del valor principal de la fuerza de corte específica y el aumento de la tangente de inclinación α.

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b. Metodología de los cálculos

La toma de datos de los ensayos experimentales tiene dos objetivos fundamentalmente:

• El primer objetivo consiste en la obtención de datos para el cálculo de la presión específica. Se basa en la identificación de las fuerzas correspondientes a una vuelta de la herramienta.

• El segundo objetivo consiste en sacar los gráficos de las fuerzas de frezado en una situación dada

 El material de la pieza que se ha usado en el análisis ha sido acero inoxidable austenítico X5CrNiMo 17-12-2 de uso general con una estructura cúbica de caras centradas.

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Zona de avances más adecuada para herramienta de acero con diámetros por debajo de 12 mm

Espesor de viruta medio para el disco a lo largo de la arista del corte, con el valor máximo de 0,12 mm.

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La fuerza tangencial y la fuerza radial se relacionan con la sección de viruta no deformada a través de la presión específica de corte, la dependencia de la presión específica con el espesor de viruta se considera como una función potencial del espesor de viruta.

La evolución de las fuerzas de corte distinguiéndose las zonas de transición de entrada y salida donde las fuerzas aumentan o disminuyen respectivamente.

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8. CONCLUSIONES

• Se ha aplicado un modelo de estimación de fuerzas de corte que está basado en el cálculo de la sección de espesor de viruta medio y se ha comprobado que no se requiere de mucho poder computacional para su elaboración.

• Para el cálculo de la presión especifica de corte se han analizado las variables que más influyen en simulación del proceso de frezado y se ha visto que el grafico obtenido tiene la misma tendencia con respecto al del catalogo de la herramienta.

• Las fuerzas de corte conforme al grafico obtenido, suben gradualmente en la entrada de la herramienta en el material y bajan de la misma manera a la salida.

• Ha sido posible el cálculo de la potencia consumida para una supuesta selección de maquina herramienta.

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9. Líneas futuras de desarrollo

• Desarrollo de un control que optimice en tiempo real las estrategias de fresado.

• Determinar la influencia que la formación de la viruta tiene en el desgaste de la herramienta.

• Desarrollar un control que permita en tiempo real la optimización de las operaciones de fresado.

• Estimar las fuerzas de frezado considerando simultáneamente los errores y la deformación de la freza.

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GRACIAS POR SU ATENCIÓN !