Descubra el más alto desempeño en maquinado de alta velocidad

Siemens PLM Software
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
1
Un proceso recién propuesto
2
Conclusión
6
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 HRc
Acero duro >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
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 HRc
5-6
0.070/0.041*
0.051
0.072
Acero duro >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
16
0.060
0.076
0.108
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.
5
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.
7
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.
8
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vida del producto (PLM) y cuenta con 6.7 millones de licencias y más
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