Metodología sistemática para la obtención de coeficientes de corte en modelos mecanísticos de fresado

Resumen

El objetivo de este trabajo de investigación ha sido el desarrollo de una metodología para la predicción de fuerzas de corte en procesos de fresado con herramientas de geometría compleja. Así mismo, se realiza un análisis de la influencia de diversos factores del proceso de corte en el valor de las fuerzas de corte, evaluando la importancia de cada uno de ellos y el comportamiento ante variaciones en los mismos.El conocimiento de las fuerzas de corte durante los procesos de mecanizado tiene una gran importancia ya que influye sobre una amplia variedad de aspectos que afectan a la productividad, la precisión y la calidad de los componentes fabricados. Entre los aspectos más importantes que están fundamentalmente determinados por las fuerzas de corte se incluyen las vibraciones y deformaciones que influyen tanto en la precisión como en la calidad final de la pieza; por otro lado, también es un aspecto importante para dimensionar y diseñar herramientas de corte, portaherramientas o cabezales de fresado entre otros elementos.Los modelos mecanísticos permiten un cálculo rápido y eficiente de las fuerzas de corte en operaciones complejas de mecanizado como el fresado, normalmente con errores inferiores al 10 %, mediante el análisis de la cinemática del proceso y el empleo de leyes empíricas de fuerzas. Este tipo de modelos emplea unos coeficientes específicos que dependen del binomio de materiales herramienta-pieza y de la geometría de la herramienta, que habitualmente son obtenidos a partir de una serie de ensayos experimentales, motivo por lo que estos modelos también se suelen denominar semi-empíricos.En esta tesis se han analizando las características de las diferentes leyes de fuerza normalmente empleadas (lineal y potencial), así como los métodos de identificación de los coeficientes específicos de corte que emplean estos modelos. El principal avance propuesto consiste en un nuevo método de estimación de los coeficientes en operaciones de fresado mediante la aplicación inversa del modelo en el dominio del tiempo, en lugar de emplear el método clásico que utiliza el promedio de las fuerzas de corte en una revolución de la herramienta.Así mismo, se han analizado las posibilidades de obtener los coeficientes específicos para fresado a partir de operaciones simples de mecanizado (corte ortogonal y oblicuo) desde ensayos experimentales de torneado o a partir de los resultados de los modelos de simulación por elementos finitos del mecanizado. Estas alternativas supondrían teóricamente la reducción del trabajo experimental y la generalización de la obtención de los coeficientes específicos de corte, independientemente de la complejidad del proceso en lo referente a su cinemática y la geometría de la herramienta.Por otro lado, en el análisis de los factores que afectan al valor de las fuerzas de corte se ha evaluado la influencia de los relacionados con las condiciones de corte, la geometría de la herramienta, el material y el recubrimiento de la herramienta y la cinemática del proceso de corte.En lo referente a la cinemática del proceso, se ha desarrollado un modelo que permite simular el proceso con una trayectoria trocoidal de los filos de corte de una herramienta en procesos de fresado, que permite mejorar la precisión en el cálculo del espesor de viruta sin cortar comparado con las simplificaciones utilizadas habitualmente. Este modelo ha permitido evaluar y valorar las imprecisiones de los modelos de simulación de fresado más extendidos en la bibliografía científica.Las pruebas experimentales de validación se han realizado principalmente para dos tipos de materiales, por un lado un acero al carbono AISI1045 y por otro lado un acero de baja aleación AISI 4340.