Turn+: El proceso de torneado, más seguro y asequible

2025/04/08 Gorka Urbikain Pelayo - Gipuzkoako Ingeniaritza Eskola (EHU). CFAA Fabrikazio Aeronautiko Aurreratuko Zentroa (EHU). | Daniel Olvera Trejo - Institute of Advanced Materials for Sustainable Manufacturing, Tecnológico de Monterrey. Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Industria
• Softwarea
• Ingeniaritza

La aplicación Turn+ se ha desarrollado para la simulación y optimización de los procesos de torneado con el fin de prevenir problemas de vibración y calidad. A continuación se explica cómo se debe trabajar con este instrumento.

En primer lugar, se fijarán los parámetros iniciales (figura 1):

1. Tipo y geometría de la herramienta: la aplicación permite diferentes tipos de herramientas: punta redonda (circular, R), triangular (T), o romboidal (C, D, V). Cada una de ellas requiere definir las variables Kr (ángulo de posición) y/o re (radio de punta) correspondientes a la geometría.
2. Coeficientes de corte (material): los coeficientes de corte (Kf, Kn) reflejan la resistencia mecánica, elasticidad y/o flexibilidad de la herramienta del material. En teoría, estos parámetros no afectan a la rugosidad frente a un corte estable (en la fórmula teórica de la rugosidad, \(Ra = {f {f {2 tiempo \over 32r}\\non f son el avance y r el radio de la placa). Sin embargo, en sistemas flexibles (herramientas muy largas, paredes delgadas, etc.), la magnitud de las fuerzas de corte, y por lo tanto los coeficientes, condicionan completamente la tendencia a la vibración.
3. Formas y tipo de torneado (externo o interno): Antes de ejecutar la aplicación Turn+ es necesario obtener los parámetros modales del sistema (por ejemplo, mediante ensayos de impacto). Tal y como está organizado, los tres parámetros modales serán fácilmente considerados: frecuencia natural, rigidez y tasa de amortiguación. Junto a ello, hay que definir el tipo de torneado: en nuestro caso, la elección del torneado externo (cilindrada) o interno (mandrinado) es fundamental. En un primer momento, en los análisis sólo se consideran los modos de dirección Z y X.

Una vez configurados estos tres grupos, Turn+ está listo para iniciar las simulaciones.

Funciones de la aplicación Turn+

Una vez definidos los parámetros iniciales, la aplicación Turn+ inicia una simulación dinámica. Las ecuaciones dinámicas que gobiernan el comportamiento del sistema se resuelven en los intervalos de diferentes velocidades de giro (en abscisas) y de profundidad de corte (en ordenadas). Así, mediante la técnica de integración Euler, las fuerzas de corte se calculan en el tiempo teniendo en cuenta los parámetros dinámicos, los coeficientes de corte y la geometría de la herramienta. La aceleración, la velocidad y la posición causadas por las fuerzas de corte instantáneas se actualizan constantemente.

Se identifica el umbral en el que comienzan las vibraciones chatter, si para una determinada velocidad de giro, al aumentar la profundidad de corte, la diferencia entre el máximo y el mínimo de las fuerzas dinámicas se hace muy sensible. Cuando esto ocurre, significa que hemos entrado dentro de un lóbulo de vibración, lo que marca un campo de corte inestable. Los diagramas no dan un límite absoluto de estabilidad, sino una tendencia o gradiente a la inestabilidad. Por ello, junto con el diagrama de lóbulos, expresado en crestas en fuerzas dinámicas (figura 2 a la izquierda), se ofrece también un diagrama multivariante (figura 2 a la derecha). En ella también se indican los aislamientos de las fuerzas dinámicas, la potencia, el caudal de viruta (MRR, mass removal rate) y la rugosidad media esperada. Así, el usuario tiene en un único mapa un resumen de las estimaciones de las variables clave del proceso desde el punto de vista de la productividad y de la calidad de la pieza.

Pero Turn+ no se limita a eso. También es capaz de calcular la rugosidad dinámica para un caso concreto. En primer lugar, se almacenan las desviaciones (desplazamientos) de la herramienta respecto a la trayectoria teórica en todos los periodos (t, t+T, t+2T,...). Con estos datos de posición es posible completar el perfil de pistas. La figura 3 muestra un caso concreto de torneado externo en el que la herramienta vibra en dirección Z.

Esto tiene efectos directos sobre el perfil de rugosidad de la superficie de la pieza. Este caso está indicando una situación inestable en la que tanto la fuerza de corte como la vibración tienen una tendencia negativa. Está dibujada en verde la distancia utilizada para el cálculo de la rugosidad media (Ra) (excluidos los transitorios).

Así, Turn+ ofrece al usuario una interfaz sencilla y fácil de usar para acceder al nivel medio-alto en el proceso de torneado. Cuenta con una completa configuración inicial de los parámetros, que incluye los datos de la geometría quinemática y dinámica del sistema, así como los resultados concretos de las variables más importantes. De esta manera, en la nueva era del torneado digital, Turn+ puede convertirse en una valiosa herramienta tanto para el aprendizaje como para la toma de decisiones en la industria.De hecho, esta aplicación completa el camino iniciado con la aplicación Mill+.

Bibliografía

[1] G. Urbikain, S.L. López de Lacalle, F.J. Campa, A. Fernández, A. Elías, Stability prediction in straight turning of a flexible workpiece by collocation method, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 54–55, 2012.

[2] G. Urbikain, Predicción de estabilidad en procesos de torneado por el método de colocación por polinomios de Chebyshev, Tesis Doctoral, Universidad del País Vasco, UPV-EHU, 2014.

[3] J.A. Palacios, D. Olvera, G. Urbikain, A. Elías - Zúñiga, O. Martínez-Romero, L.N. López de Lacalle C. Rodríguez, H. Martínez Alfaro, Combination of simulated annealing and pseudo spectral methods for the optimum removal rate in turning operations of nickel-based alloys, Advances in Engineering Software, Vol. 115, 2018.

[4] G. Urbikain, D. Olvera, Mill+: herramienta para fresados estables y de calidad, Elhuyar, 09/12/2024.