Ganando inteligencia

A medida que los avances en la tecnología de fabricación crecen, también lo hace la necesidad de mejores herramientas de corte y sensores para ejecutar y supervisar los procesos de fabricación, respectivamente. Mediante la integración de estos conceptos, se está realizando el desarrollo de herramientas de corte inteligentes.

Los objetivos de la innovación en la fabricación pueden cambiar dependiendo de las necesidades del mercado. Sin embargo, los objetivos habituales tienden a ser la mejora de la calidad de un producto, reducción de costes o la maximización de la productividad de un proceso específico. Para poder tener un conocimiento pleno de estos procesos, se están desarrollando e investigando nuevos métodos de detección de varios parámetros dentro del proceso. La integración de sensores tradicionales con herramientas de corte ha llevado a un nuevo campo de herramientas de corte inteligentes. Estas herramientas inteligentes pueden supervisar, y así ayudar a controlar, diferentes aspectos de un proceso de corte. Alguno de estos aspectos en un proceso son la reducción de la vibración regenerativa, o chatter, la supervisión de la herramienta desde el punto de vista del desgaste y la rotura, y las innovaciones en el modo de interpretar las señales sensoriales.

Reducción del chatter
Una de las primeras aplicaciones de las tecnologías inteligentes o adaptativas en el mecanizado ha sido la reducción de las vibraciones durante el proceso de corte de metales. La vibración autoexcitada de la herramienta de corte, o chatter, puede reducir la calidad superficial de una pieza mecanizada, así como la vida útil de la herramienta. Se han realizado experiencias de utilizar sistemas de amortiguación activa para reducir las vibraciones. Este sistema se desarrolló en respuesta a las crecientes necesidades de herramientas de mayor potencia, ya que las herramientas de mayor potencia son más susceptibles a las vibraciones. La rugosidad global se redujo en un promedio muy elevado, en el caso del torneado, en comparación con un proceso no controlado, lo que demuestra la eficacia del sistema.
Al igual que el problema de las vibraciones en el torneado, el trabajo sobre el mandrinado mediante una solución mecánica de dos pares de sensores y actuadores montados ortogonalmente entre sí cerca de la base de la herramienta permitía supervisar y controlar el comportamiento de la herramienta. Esta aplicación puso de manifiesto la importancia de considerar más de una sola dirección de la vibración, ya que el control de múltiples modos de vibración permite una mayor reducción global y un funcionamiento más estable que los logrados anteriormente. La consideración de múltiples direcciones de vibración se convertiría en la nueva norma para todos los desarrollos realizados en este campo, especialmente al analizar las operaciones de fresado.
Por otro lado, también está el uso de sensores piezoeléctricos para supervisar las vibraciones. Los sensores piezoeléctricos se utilizan con frecuencia en la detección de las fuerzas creadas durante un proceso de corte, ya que los materiales piezoeléctricos crean voltaje en respuesta a una fuerza aplicada. Su uso del control activo de las vibraciones permite una gama más amplia de condiciones de corte aceptables que dan lugar a un corte estable. Sin embargo, el sistema está limitado debido a la dificultad de montaje de estos sensores y a su sensibilidad a la humedad, ya que para el mecanizado de ciertos materiales se necesita líquido de corte
Otro desarrollo importante es el método para predecir los lóbulos de estabilidad de una herramienta de fresado, en lugar de reaccionar ante ellos. Este método se basa en el uso de sensores piezoeléctricos durante una serie de pruebas de laboratorio. Este método pretende resuelve los problemas que plantean los métodos actuales de predicción de lóbulos de estabilidad, como el hecho de que se requiera un usuario experto para realizar las pruebas de análisis modal y un tiempo de inactividad significativo de la máquina. Se consigue una buena concordancia entre estas pruebas y pruebas tradicionales, y para obtener una mejor automatización este método puede ser mejor.
El control semiactivo de la amortiguación del proceso de mecanizado es también una realidad mediante la utilización de actuadores piezoeléctricos amplificados (APA) en la reducción de la vibración de una operación como la de torneado. Los APA son actuadores únicos en el sentido de que su comportamiento dinámico, así como la rigidez, es variable. Al combinar estos actuadores con materiales viscoelásticos, la transferencia de vibraciones a través del sistema se puede reducir en gran medida.
Otro enfoque diferente para reducir el chatter en el fresado se basa en que, en lugar de supervisar únicamente la herramienta durante el proceso mediante un aparato sensorial, se realiza la simulación del proceso antes de realizarlo obteniendo una visión más completa del mismo. La simulación previa puede predecir las fuerzas de corte en cualquier punto de la operación, las velocidades de avance optimizadas y el tiempo previsto de fallo de la herramienta mediante el análisis del código creado por los programas existentes. El rendimiento virtual esperado puede compararse con el rendimiento real de la operación, lo que permite niveles de control similares con menos sensores. Sin embargo, este sistema puede no tener en cuenta adecuadamente los aspectos de aleatoriedad que pueden encontrarse en un proceso de mecanizado, como un fallo inesperado de la herramienta. Este tipo de control puede ser más atractivo para la optimización de procesos en la industria, ya que requiere un menor coste de equipamiento.

Monitorización del estado de la herramienta
La supervisión del desgaste y la rotura de una herramienta de corte es importante para garantizar la producción de una superficie de alta calidad, ya que las herramientas desgastadas o dañadas pueden crear problemas en el proceso de corte. Muchos aspectos diferentes del proceso de corte pueden ser monitorizados por diferentes medios. Las fuerzas de corte no podían medirse directamente durante un proceso de corte, por lo que este método consiste en medir el consumo de corriente del motor de la máquina. Al relacionar el consumo de corriente con las fuerzas de corte previstas para la operación, se pueden observar los cambios en el rendimiento buscando residuos en la señal de corriente. Un cambio rápido o repentino en las señales puede indicar una herramienta rota o desgastada, ya que el husillo soporta una mayor carga cuando la herramienta no funciona correctamente. Este sistema no era muy robusto, y posteriormente se han realizado más trabajos con una idea similar, hasta que se dispusiera de la capacidad de monitorizar las fuerzas de corte durante una operación.
Por otro lado, se ha trabajado también en el campo de los portaherramientas equipados con actuadores piezoeléctricos conectados a una serie de mesas de movimiento lineal. Si bien las fuerzas aplicadas a la herramienta no podían controlarse directamente, las fuerzas creadas por la operación en la pieza de trabajo podían medirse. Este sistema se diseñó de forma que, si las fuerzas medidas superaban un determinado umbral, se podía modificar la tasa de arranque de viruta para reducir dichas fuerzas, con el objetivo final de prolongar la vida útil de la herramienta. Por desgracia, el sistema sólo controla un componente de la fuerza. Este desarrollo se realizó para minimizar la carga computacional, pero obviamente sacrifica la capacidad de analizar el sistema con mayor profundidad. El sistema también estaba sujeto a ruido en las señales y requiere muchas pruebas para su verificación, pero proporcionó una base para el diseño de futuros sistemas.