Optimización del diseño de herramientas y validación mediante FEM para la mejora de su vida útil

Resumen

En los procesos sustractivos existen muchos factores que pueden provocar un descenso de su rendimiento, como puede ser la generación de residuos, los utillajes, la complejidad de la programación o la vida de las herramientas. Se está trabajando intensamente en la mejora de estos factores, minimizando el impacto medioambiental de los procesos para mejorar la gestión de los residuos, desarrollando sistemas de anclaje rápido e inteligente que permite la minimización de vibraciones en máquina o desarrollando sistemas inteligentes que mejoran la eficiencia de los sistemas CNC, entre otros. Por otro lado, el caso de las herramientas de corte es más complejo debido a la amplitud de soluciones comerciales existentes. En la actualidad se tiende a utilizar materiales de herramienta o recubrimientos avanzados, como el diamante policristalino o el nitruro de boro cúbico, o a modificar superficialmente la herramienta para mejorar su rendimiento. Sin embargo, ambas soluciones son costosas y complejas, poniendo en muchos casos en peligro el rendimiento económico de la operación de mecanizado.

Por otro lado, existen técnicas que han probado su eficacia para la mejora del rendimiento de las herramientas de corte, como las técnicas de simulación numérica basadas en el Método de los Elementos Finitos. Esta técnica de simulación está ampliamente extendida y ha sido validada en distintas ocasiones, demostrando que ofrece resultados muy aproximados con los que testar condiciones de corte. Esta solución permite analizar la influencia de las distintas configuraciones de herramienta sin abordar costosos procesos de experimentación física, permitiendo optimizar el proceso de mecanizado. Por ello, en este artículo se presenta un estudio en el que se han utilizado técnicas FEM (Finite Element Method) para el re-diseño de herramientas de corte. En este caso, se parte de una herramienta utilizada industrialmente que presenta un comportamiento anómalo que hace disminuir el rendimiento del proceso de mecanizado. Esta herramienta presenta fractura por vibraciones en pieza y tanto el utillaje utilizado, la programación, ni los sistemas de lubricación se pueden modificar debido a la configuración del proceso. Es decir, la única vía de mejora del proceso es la que pueda proporcionar la mejora de la propia herramienta de corte.

Para ello, se ha utilizado un software FEM de mecanizado comercial para analizar el comportamiento de la herramienta, modificando los aspectos geométricos más influyentes en el proceso, como son el ángulo de desprendimiento y el ángulo de incidencia de la herramienta. Estos ángulos han sido seleccionados a partir de una simulación global 3D del proceso. Sin embargo, para minimizar el coste computacional se han realizado simulaciones 2D. La solución desarrollada se ha implementado en una nueva herramienta de corte, la cual se ha validado en procesos de mecanizado de contornos de una pieza aeronáutica real fabricada en la aleación de titanio Ti6Al4V.