Tool geometry and cutting conditions optimisation for face milling and reaming machining operations based on the modelling of cutting forces, process stability and surface roughness

Resumen

Las empresas que pretenden ser líderes en el sector de la fabricación necesitan dar cada vez una mejor respuesta a los clientes. Siendo el mecanizado una de las operaciones de fabricación más importantes para la industria manufacturera, representando entre el 3 % y el 10 % del Producto Interior Bruto (PIB) de los países desarrollados, todavía se emplean estrategias de prueba-error durante los procesos de fabricación y diseño de producto. En consecuencia, los tiempos de respuesta son altos y se pierde la capacidad de ofrecer un producto personalizado a las necesidades del cliente. Una de las soluciones a este problema pasa por implantar modelos predictivos de mecanizado. Sin embargo, suelen requerir largos tiempos de cálculo, y las predicciones se realizan usualmente de una en una, lo que también da lugar a numerosos reajustes de las condiciones de corte y de la geometría de la herramienta. De esta manera, los costes económicos son elevados y las penalizaciones de tiempo son numerosas. La presente tesis doctoral, por tanto, presenta una serie de modelos predictivos para operaciones de fresado planeado y escariado que, en conjunto, permiten optimizar tanto las geometrías de las herramientas como las condiciones de corte mediante la predicción de las fuerzas de corte, la estabilidad del proceso y la rugosidad superficial, especialmente en condiciones de acabado. Respecto a las fuerzas de corte, se implementó el modelo ortogonal a oblicuo. Dependiendo de si el material es frágil (48-2-2 γ-TiAl) o dúctil (A-356, JETHETE-M152), se establecieron dos metodologías para el desarrollo de las bases de datos. Estas tres aleaciones se consideran clave para las industrias de la automoción y la aeronáutica. Para mejorar su precisión en condiciones de acabado, se propuso tener en cuenta el efecto del radio de arista de corte y el ángulo de incidencia, así como considerar variable el coeficiente específico del filo. Así, los errores de predicción no superaron los 16 N para ambas operaciones de corte. Respecto a la estabilidad del proceso, se implementaron modelos en los dominios de la frecuencia y del tiempo para la predicción del chatter. Los primeros se basaron en los enfoques del “Average Tooth Angle approach” y “Fourier Series Approach”. Se determinó su precisión, concluyendo que este último es más preciso para el fresado planeado, mientras que ambos son válidos para el escariado. Se demostró la importancia de calcular con precisión la energía específica de corte, ya que este parámetro afecta a la anchura de los lóbulos de estabilidad y a la longitud de contacto límite.