La modelización y simulación de los procesos de mecanizado ha tardado en desarrollarse en relación a otros campos, pero es un tópico recurrente de la I+D actual. En otros campos de la ingeniería, los modelos y su uso en simulación son ya un hecho diario, un ejemplo claro es el cálculo resistente, que emplea en el MEF (Método de los elementos Finitos) su principal herramienta.
¿Y porqué en los procesos de fabricación se va con retraso? Sin duda, por la complejidad de los sistemas y procesos y por la gran cantidad de factores que intervienen en los mismos. Muy pocos factores se pueden eliminar o simplificar. Aquel comentario gracioso que se hace del ingeniero como quién al ser preguntado por “cómo calcular el volumen de una vaca” responde “imaginemos una vaca esférica de radio R….” desde luego es imposible de ser aplicado a los procesos de fabricación en general: no hay posibilidad en hacerlos esféricos.
La complejidad de los sistemas no impide que su caracterización, modelización y simulación sean objeto de esfuerzo, y en los últimos años se ha realizado un gran esfuerzo en nuestro país en este campo. A continuación se citan algunas ideas y ejemplos.
Antes de intentar plantear una modelización se deberá caracterizar el proceso, esto es, se tratará de definir sus principales factores y parámetros, distinguir sus leyes de comportamiento, reflejar las relaciones entre las variables de entrada, denominados “parámetros del proceso”, y las de salida. Tras ello se buscarán las relaciones matemáticas que rigen el modelo.
En cualquier modelo de mecanizado los datos de entrada son básicamente:
- Propiedades de los materiales a mecanizar.
- Geometría de la herramienta, propiedades de su material constitutivo y recubrimiento.
- Geometría del corte, donde intervienen las condiciones de inmersión de la herramienta en el material, es decir, la (o las) profundidad de pasada.
- Condiciones de corte, es decir, de avance y velocidad de corte.
- Datos sobre la lubricación y formas de evacuar calor.
Y tras la ejecución de la simulación, los datos de salida son algunos de los siguientes:
- Fuerzas de corte en cada instante.
- Potencia instantánea y potencia media consumidas.
- Temperaturas en los filos.
- Estudio de posibles vibraciones.
- Estimación de la calidad de la pieza, precisión y rugosidad.
- Estimación del desgaste.
Algunas ideas históricas
Los primeros modelos de mecanizado buscaron calcular la amplitud de las fuerzas de corte con objeto de calcular la potencia consumida por el proceso y máquina. Este tipo de modelos se emplearon, y se emplean, en el dimensionamiento de las estructuras de máquinas, accionamientos, husillos, portaherramientas, etc. Estos modelos se basan en datos exclusivamente experimentales, y se denominan experimentales o también mecanísticos. A principios de los años 50, Kienzle publicó unas tablas de coeficientes específicos de corte obtenidos a partir de gran cantidad de ensayos utilizando herramientas con diferentes ángulos de desprendimiento, velocidades de corte y avance. El National Center for Manufacturing Sciences (NCMS) publicó un extenso handbook de mecanizado que contenía gran cantidad de coeficientes e índices de maquinabilidad para las aleaciones más comunes. Sin embargo, este tipo de modelos no consiguen precisar ni el valor exacto de la fuerza ni su variación a lo largo del tiempo. A pesar de todo y debido a su facilidad de uso, se emplean todavía en la actualidad para el cálculo estimativo de potencias de corte a “pie de máquina”.
Por otra parte, desde los años 40 se ha estudiado de forma detallada la denominada “Mecánica del Corte”. Desde los trabajos de Merchant en 1945, recientemente fallecido, se ha buscado relacionar la geometría de operaciones de corte sencillas, con el comportamiento del material. Así, se han obtenido un grupo de valores característicos de la operación, tales como la tensión de cizalladura, el ángulo de cizalladura, y el coeficiente de fricción. Este modelo se inició con el caso más sencillo de corte ortogonal y se proyectó al caso de corte oblicuo siguiendo los trabajos del australiano Armarego (recientemente fallecido). Sin embargo, estos métodos solamente son aplicables al mecanizado con herramientas de geometría muy sencilla y aún hoy están en discusión cuando se extrapolan a procesos de geometría compleja. Otro padre de la modelización fue el también australiano Oxley (también recientemente fallecido).
En otro orden de cosas, a finales de los 50 Tobías desarrolla la teoría básica del chatter o vibración regenerativa, para establecer las condiciones de estabilidad dinámica de los procesos. Sobre este tema han trabajado numerosos investigadores destacando Tlusty y Altintas.
Desde hace nueve años se viene celebrando ya nueve ediciones del “CIRP International Workshop on Modelling of Machining Operations”, un congreso que reúne a los investigadores dedicados a la simulación de procesos. Es un foro donde los principales avances se muestran y se denota un gran esfuerzo. A este hecho se suma que en los últimos años se ha hecho en España un gran esfuerzo en alcanzar el nivel internacional en modelización avanzada; hay que pensar que solamente en 1999 en España no existían apenas grupos trabajando en estas líneas en la orientación que a continuación se detalla. Hoy día en el citado workshop se han presentado varias aportaciones de grupos españoles.
Lo que sí es un hecho general es que nadie entiende ya la investigación de procesos sin intentar conseguir un modelo o refinar uno previo. Es parte intrínseca del método de trabajo. Y con ellos se evitan muchas horas de experimentación. Con el riesgo de olvidar a algunos colegas, algunos grupos españoles trabajando en modelización del arranque de viruta:
- Tecnun, ETSI de San Sebastián: centrada en los modelos topográficos del proceso de fresado.
- Ideko: el chatter y su simulación ha sido objeto de importantes trabajos de desarrollo.
- Tekniker: trabaja en modelización por elementos finitos, modelos y mecanísticos.
- UPV/EHU: la ETSI de Bilbao trabaja en la modelización mecanística de procesos de fresado, en el chatter de torno y fresado, y elementos finitos. Modelización de procesos láser.
- Fatronik, centrada en el taladrado y sus consecuencias en pieza.
- MGEP de la universidad de Mondragón: trabaja en modelización con elementos finitos y en caracterización inversa de los materiales
- Universidad de Valladolid: trabaja en modelización del proceso de mecanizado.
Veamos los dos tipos de modelos de los procesos de mecanizado de mayor interés: el uso de elementos finitos y los modelos mecanísticos.
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