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Descubra el más alto desempeño en maquinado de alta velocidad Un enfoque práctico para identificar la configuración de avances y velocidades para el desempeño de maquinado de alta velocidad más alto y estable www.siemens.com/plm

informe técnico

Este informe técnico presenta un procedimiento práctico, sin costo, que se basa en la teoría de vibraciones, para identificar la máxima velocidad de eliminación de materiales en condiciones de maquinado seguras y estables. Para obtener los beneficios de las inversiones actuales en herramientas de maquinado de alta velocidad (HSM), los programadores de control numérico deben comprender los límites de la ejecución más alta de su sistema. Este informe analiza cómo identificar los parámetros de corte de maquinado de alta velocidad óptimos para cualquier combinación de herramienta, soporte, máquina y material de pieza determinada. En algunos casos, este enfoque ha dado como resultado mejoras en la eficiencia del corte tan altas como 6X.

PLM Software Respuestas para la industria.

Descubra el más alto desempeño en maquinado de alta velocidad

Contenido Resumen

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Un proceso recién propuesto

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Conclusión

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Resumen

Uno de los principales retos que enfrenta diariamente un programador de control numérico es identificar parámetros de maquinado críticos, tales como profundidad del corte, distancia del corte radial, velocidad de giro y avance de la herramienta.Tradicionalmente, el punto inicial para estos datos ha sido un manual de datos de maquinado o la experiencia de un operador de máquinas senior en la planta de producción. En muchos casos, estos datos son conservadores y están desactualizados. Cuando surgen problemas, el recurso habitual es reducir uno o más parámetros de maquinado críticos. Estas soluciones reducen la velocidad de eliminación de metales (MRR). Aunque esto pudo haber sido aceptable en el pasado, el altamente competitivo mercado de maquinado de troqueles y moldes que existe hoy en día obliga a los usuarios a optimizar los límites de productividad. La variada aplicación de las máquinas de alta velocidad en años pasados necesita una nueva mirada a la realización de las tareas en la planta de producción. Aumentar la velocidad de giro y del avance, y reducir considerablemente la carga de viruta no constituye maquinado de alta velocidad. Para obtener los beneficios de inversiones mayores en máquinas-herramienta de alta velocidad y accesorios, los programadores de control numérico necesitan optimizar y alcanzar los límites seguros del sistema. Este informe técnico analiza la relación entre parámetros de maquinado críticos y maquinado de alta velocidad. Presenta un nuevo proceso que enfatiza la importancia de obtener datos de corte para aplicaciones de fresa de alta velocidad. Este método sigue la teoría de vibraciones y aprovecha los diagramas de lóbulo de estabilidad para sugerir una implementación práctica sin costo.

Figura 1: Dos cortes muestran condiciones de maquinado estables y vibratorias.

El maquinado inestable da como resultado acabados de superficies pobres y onduladas que muchas personas asocian con el sonido de vibración.

Una nueva metodología aprovecha estas características simples para identificar velocidades de giro y cargas al cortador óptimas para cualquier combinación de herramienta, soporte, máquina y material de pieza determinada. En esencia, este método corta una cantidad de pasadas de nivel Z a distintas velocidades de giro para identificar condiciones de maquinado estables. Se ha creado una serie de pasadas idénticas sobre una superficie inclinada de un bloque de prueba, como se muestra en la Figura 2. Cada pasada se realiza a una velocidad y avance del eje en aumento, manteniendo la misma carga de viruta para todas las pasadas. Escuchar los cortes e inspeccionar el acabado de la superficie de cada pasada puede identificar condiciones de corte estables.

Figura 2: Captura de pantalla del software NX™ que muestra cortes de nivel Z en la pieza de prueba.

1

Las condiciones de prueba y los resultados de las pasadas de corte se trazan en un diagrama de lóbulo de estabilidad (Figura 3). Basándose en el diagrama y en ecuaciones simples, se calcula la velocidad de eliminación de materiales (MRR) para cada combinación de velocidad de eje y profundidad de corte. Operar el sistema a la máxima velocidad de eliminación de materiales (MRR) y dentro de límites seguros y estables, asegura la óptima utilización de los equipos de maquinado.

7.200

Profundidad estable (mm)

Cada línea horizontal de la Figura 3 muestra una serie de pasadas de nivel Z a velocidades de eje en aumento. Las líneas paralelas, a medida que suben, indican velocidades de eliminación de metales en aumento. Las líneas verticales indican cómo puede encontrar los límites en cada velocidad de eje estable que se identifica.

Diagrama de lóbulo de estabilidad

6.300 5.400 4.500 3.600 2.700 1.800 0.900 0 5.00

8.00

11.00

14.00

Velocidad del eje (rpm x 103) Figura 3: Condiciones de corte de prueba que aparecen en un diagrama de lóbulo de estabilidad.

Un proceso recién propuesto

Una alternativa propuesta recientemente se puso en práctica en un Makino V33. En este caso, se analizó un end mill de bola Jabro Tornado de 10 mm de diámetro. La longitud de la herramienta se configuró en 30 mm en un soporte HSK. Como pieza de prueba se usó una pieza P20 de 82 mm de longitud, 65mm de ancho y 48 mm de alto. Se hizo un corte de 30 grados a un lado del bloque para adaptar el soporte y para ver cada corte con claridad. Para este ejemplo, suponga una profundidad de corte aproximadamente igual al 30 por ciento del diámetro de la herramienta. Si hay otras consideraciones que limiten la carga de la herramienta, siga la menor. Asegúrese de que la herramienta cree cúspides claras para distinguir una profundidad de otra. La altura del bloque debe alojar al menos 12 profundidades de corte. La pendiente del lado del corte debe despejar el soporte de la herramienta. La longitud del bloque debe ser suficiente para colocar el tornillo de banco para permitir al menos 10 pasadas laterales. El ancho debe ser suficiente para poder ver los cortes.

2

Selección de datos relevantes del catálogo de herramientas Velocidad de corteVc Material

Acero blando Acero normal Acero de herramientas 48-56 HRc Acero duro >56-62 HRc Acero duro >62-65 HRc Acero duro >65 HRc Acero inoxidable Acero inoxidable difícil Hierro fundido blando Hierro fundido duro Ancho de aluminio 16% Si Superaleaciones Superaleaciones difíciles Aleaciones basadas en titanio Grafito Plástico blando Plástico duro Cobre *

Nro grupo Seco

1-2 3-4 5-6 7 7 7 7 8-9 10-11 12-13 14-15 16 17 20 21 22

Desbastado de fresa de ranuras m/min 90/225* 80/180* 50/160 125 80 50 35 95 60 175 150 Max 250 50 25 75 600 300 150 350

Acabado helic./de rampas m/min 250 210 180 150 90 55 35 100 70 185 160 Max 280 60 30 80 600 400 175 450

Desbastado lateral en fresa m/min 375 310 280 250 150 80 55 155 120 250 200 Max 295 80 40 120 600 385 190 450

Acabado lateral en fresa m/min 450 390 350 300 175 90 60 200 145 285 245 Max 325 120 50 145 400 450 250 550

Desbastado de fresa de copias m/min 325 280 240 200/170* 120/100* 100/80* 80/60* 125 80 250 200 Max 300 100 50 100 800 Max 200 Max

Acabado de fresa de copias m/min 500 385 325 280 150 110 85 210 125 345 290 Max 345 150 75 170 500 Max 175 Max

Acabado lateral en fresa mm/diente 0.085 0.079 0.076 0.074 0.068 0.057 0.057 0.085 0.079 0.085 0.079 0.113 0.095 0.076 0.068 0.079 0.104 0.095 0.085 0.091

Desbastado de fresa de copias mm/diente 0.130 0.121 0.115 0.150/0.112* 0.120/0.104* 0.100/0.086* 0.090/0.086* 0.091 0.085 0.104 0.097 0.173 0.144 0.081 0.073 0.085 0.159 0.144 0.123 0.138

Acabado de fresa de copias mm/diente 0.117 0.109 0.105 0.101 0.093 0.078 0.078 0.117 0.109 0.117 0.109 0.156 0.130 0.104 0.093 0.109 0.143 0.130 0.117 0.124

Hace referencia a herramientas alternativas en la tabla de selección de herramientas.

Avance/diente Fz Ø 8-10 mm Material

Nro grupo Seco

Desbastado Acabado Desbastado de fresa helic./de lateral de ranuras rampas en fresa mm/diente mm/diente mm/diente Acero blando 1-2 0.090/0.045* 0.057 0.081 Acero normal 3-4 0.80/0.042* 0.053 0.076 Acero de herramientas 48-56 HRc 7 0.039 0.049 0.070 Acero duro >56-62 HRc 7 0.036 0.045 0.065 Acero duro >62-65 HRc 7 0.030 0.038 0.054 Acero duro >65 HRc 7 0.030 0.038 0.054 Acero inoxidable 8-9 0.045 0.057 0.081 Acero inoxidable difícil 10-11 0.042 0.053 0.076 Hierro fundido blando 12-13 0.045 0.057 0.081 Hierro fundido duro 14-15 0.042 0.053 0.076 Ancho de aluminio 16% Si 17 0.050 0.063 0.090 Superaleaciones 20 0.040 0.050 0.072 Superaleaciones difíciles 21 0.036 0.045 0.065 Aleaciones basadas en titanio 22 0.042 0.053 0.076 Grafito 0.055 0.069 0.099 Plástico blando 0.050 0.063 0.090 Plástico duro 0.045 0.057 0.081 Cobre 0.048 0.061 0.086 * Hace referencia a herramientas alternativas en la tabla de selección de herramientas.

Figura 4:Tablas que muestran los datos de corte recomendamos del fabricante.

3

El fabricante de herramientas proporciona dos datos muy importantes: La máxima velocidad de corte y la carga de viruta. La máxima velocidad de corte depende del tipo de recubrimiento de la herramienta y la máxima temperatura que puede soportar sin problema. La carga de viruta (avance/diente) se basa en el material y la geometría de la punta de la herramienta. De acuerdo con la tabla adjunta, la máxima velocidad de corte es 280 mm/min y la carga de viruta es 0,072 mm/diente. Este ejemplo supone condiciones de desbastado lateral en fresa. Para no infringir la máxima velocidad de corte, debe permanecer bajo 9000 rpm. (Nota: Se puede aumentar para condiciones de acabado.) Maximum_RPM = Maximum_RPM =

Max_Cutting_Speed_in_mm/min π*Tool_Diameter 280*10 3 π*10

= 8912 ≈ 9000

Disminución del rango de prueba Para estas pruebas, la velocidad de giro osciló entre 6000 y 11500 a intervalos de 500 rpm. Se aumentó el máximo de rpm para mantener los resultados correspondientes a las condiciones de acabado. La profundidad de corte para cada corte de nivel Z fue 4 mm. El programa se editó manualmente para reflejar la variación de la velocidad del eje en cada nivel de corte.

Mantenimiento de una carga de viruta constante Se ajustó el avance para mantener un avance por diente constante durante la prueba. Feed_mm/min = Feed_per_Teeth * Number_of_Teeth * RPM

Maquinado Se realizó un corte inicial en la pendiente con una profundidad de corte radial lateral de 0.5 mm. Se ajustó la profundidad de corte radial lateral en el registro de desfase X de la máquina. Esto elimina la necesidad de un nuevo programa para cada ciclo. El corte inicial con una profundidad de corte radial de 0.5 mm se repitió para obtener condiciones iniciales similares para cada ciclo. Este corte produjo condiciones de corte estables en la pendiente. (Algunos cortes quedaron deficientes al final de la cúspide debido a la disminución de la velocidad de corte). Se aumentó la distancia del corte radial a 1mm y se repitió el ciclo.Aún cuando el diagrama de lóbulo de estabilidad predice condiciones de maquinado estables en todas las velocidades del eje, se observaron muy pocas señales de vibración en ambos extremos del eje. Este proceso se repitió con valores de distancia del corte radial en aumento hasta que se observaron severas señales de vibración en 2 mm. Este ciclo mostró un corte estable a 7000 rpm y 9500 rpm. La distancia del corte radial aumentó progresivamente a 3 mm. Los cortes realizados a 7000 y 9500 rpm permanecieron estables.

4

Los resultados La parte de la Figura 5 muestra condiciones de maquinado estables e inestables. Esto indica una profundidad de corte de 4 mm y una profundidad del corte radial de 3 mm. Observe que los pasos 3 y 8 indican cortes limpios a 7000 rpm y 9500 rpm.

Figura 5: La prueba final.

Velocidad Velocidad Carga Profundidad de giro de avance de viruta de corte (rpm) (mm/min) (mm/diente) (mm) 0.5 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000 10500 11000 11500

840 910 980 1050 1120 1190 1260 1330 1400 1470 1540 1610

0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072

Distancia de corte radial lateral (mm) 1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4

Estable Vibración leve Vibración severa

Figura 6: Diagrama de lóbulo de estabilidad.

Nota: El diagrama de lóbulo de estabilidad que aparece en la Figura 6 se calculó para la misma configuración de herramienta/soporte/máquina. Observe que el comportamiento real sigue el patrón general predicho, pero los números reales están desfasados en aproximadamente 1000 rpm.

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Conclusión

El diagrama de lóbulo de estabilidad es una herramienta útil para identificar condiciones de corte estables a distintas velocidades del eje y MRRs (velocidades de eliminación de materiales). Se puede usar para encontrar las máximas velocidades que se permiten, un indicador de ejecución clave para eficiencia de maquinado, para una velocidad de giro determinada. Es importante observar que se puede lograr maquinado estable a cualquier RPM, pero al costo de MRR. Una vista global del diagrama de lóbulo de estabilidad, calculada con herramientas de hardware de predicción de vibración o mediante el método recomendado en este informe técnico, ayuda a los usuarios a lograr altas velocidades de eliminación de materiales a ciertas RPMs estables.

Es probable que reducir la velocidad no sea la solución más eficiente para la vibración En muchos casos, cuando se produce vibración, los operadores de máquinas tienden a reducir la velocidad de giro para eliminarla. Aunque esta técnica da como resultado una condición de corte estable, puede que no sea la más eficiente. En lugar de esto, se puede aumentar la velocidad de giro, lo que elimina la vibración y mejora la eficiencia del corte. En el siguiente diagrama, se encontró una leve vibración en el Punto A (8.000 rpm con una distancia de corte radial lateral de 2,0 mm). Además de reprogramar la parte con una distancia de corte radial menor, hay dos opciones fáciles para solucionar la vibración: disminuir o aumentar la velocidad de giro. Puesto que el diagrama de lóbulo ilustra claramente que se puede lograr una condición de corte estable al aumentar la velocidad de giro, esta es la mejor opción porque es más eficiente.

Velocidad Velocidad Carga Profundidad de giro de avance de viruta de corte (rpm) (mm/min) (mm/diente) (mm) 0.5 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000 10500 11000

840 910 980 1050 1120 1190 1260 1330 1400 1470 1540

0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072

4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4

11500

1610

0.072

4

Distancia de corte radial latera (mm) 1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Opción 1: Reducir la velocidad de giro a 7,500 rpm. Se elimina la vibración, pero disminuye la eficiencia del maquinado.

A

Figura 7: Un aumento de la velocidad de giro da como resultado una condición de corte estable y mejora la eficiencia del maquinado.

6

3.5

Option 2: Aumentar la velocidad de giro a 9,000 rpm. Se elimina la vibración, pero mejora la eficiencia del maquinado.

Es probable que el maquinado a altas velocidades no sea la solución más eficiente A menudo, cuando se usan máquinas de alta velocidad, la inclinación es operar la máquina a la máxima velocidad permisible. Aunque a velocidades extremas se pueden lograr condiciones libres de vibración, la eficiencia del maquinado, medida por la velocidad de eliminación de materiales (MRR), puede ser muy baja. Material_Removal_Rate = Feed_rate_mm/min * Depth_of_Cut_mm * Side_Step_Over_mm En el siguiente diagrama, se logró un corte estable a 11,500 rpm con una distancia de corte radial lateral de 0.5 mm (Punto A). Puesto que el eje opera a una alta rpm, es muy común suponer que el sistema funciona eficientemente. Sin embargo, como se ilustra en el diagrama de lóbulo, éste no es el caso. Punto B, una rpm mucho menor pero con una mayor profundidad de corte aumenta aproximadamente seis veces la eficiencia del maquinado.

Velocidad Velocidad Carga Profundidad de giro de avance de viruta de corte (rpm) (mm/min) (mm/teeth) (mm) 0.5 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000 10500

840 910 980 1050 1120 1190 1260 1330 1400 1470

0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072 0.072

4 4 4 4 4 4 4 4 4 4

11000 11500

1540 1610

0.072 0.072

4 4

Distancia de corte radial latera (mm) 1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5 Maquinado libre de vibración a 9,500 rpm con una distancia de corte radial lateral de 3.5 mm MRR = 18,620mm^3/min

B Maquinado libre de vibración a 11,500 rpm con una distancia de corte radial lateral de 0.5 mm

A

MRR = 3,220mm^3/min

Figura 8: El maquinado estable a una rpm menor con una mayor profundidad de corte es mucho más eficiente que el maquinado a una rpm mayor con una profundidad de corte menor.

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Notas sobre el uso • Mantenga las condiciones prácticas y repetibles (por ejemplo, ajuste el portapinzas siempre con el mismo torque). Repita esta operación para cada combinación de herramienta/soporte/máquina. Aunque suena a mucho, se puede realizar fácilmente. • Los centros exactos se pueden transferir directamente a otras piezas. Los valores de máxima profundidad de corte y distancia de corte radial pueden variar. • Puede reemplazar la herramienta por un repuesto similar del mismo fabricante. Los resultados son válidos.También es válido para soportes. • Restablezca la longitud de la herramienta lo más próximo posible a la condiciones de prueba. • Puede aumentar la profundidad del corte mientras disminuye la distancia del corte radial y viceversa. • No use estos datos en partes con superficies delgadas porque la frecuencia natural de la parte que se maquina cambia durante el proceso de maquinado.

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