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“AUTOMATIZACIÓN DE LA PLANEACIÓN DEL PROCESO DE MECANIZADO
DE PRODUCTOS A PARTIR DE LA GENERACIÓN DE ESTRATEGIAS (FBM) Y
(KBM) EMPLEANDO LA HERRAMIENTA SIEMENS NX.”
JEFRY DANIEL RODRIGUEZ MORALES
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
DIVISION DE INGENIERIAS
BOGOTÁ D.C.
2018
“AUTOMATIZACIÓN DE LA PLANEACIÓN DEL PROCESO DE MECANIZADO
DE PRODUCTOS A PARTIR DE LA GENERACIÓN DE ESTRATEGIAS (FBM) Y
(KBM) EMPLEANDO LA HERRAMIENTA SIEMENS NX.”
JEFRY DANIEL RODRIGUEZ MORALES
Trabajo de grado en modalidad de solución de problema de ingeniería para
optar al título de Ingeniero Mecánico
Director
Ing. Carlos Julio Camacho
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
DIVISION DE INGENIERIAS
BOGOTÁ D.C.
2018
3
CONTENIDO
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................... 6
2 JUSTIFICACION ............................................................................................... 8
3 OBJETIVOS ...................................................................................................... 9
3.1 General ..................................................................................................... 9
3.1.1 Específicos .......................................................................................... 9
4 ESTADO DEL ARTE....................................................................................... 10
4.1 Planificación del proceso asistido por ordenador (CAPP) ....................... 10
4.1.1 Sistemas CAPP ................................................................................. 11
4.2 Manufactura asistida por computadora (CAM) ........................................ 12
4.3 FBM (mecanizado basado en operaciones, feature based machining)... 12
4.4 Mecanizado basado en conocimiento (KBM, knowledge based machining)
…...……………………………………………………………………………...13
4.5 Característica de mecanizado ................................................................. 13
4.5.1 Geometrías prismáticas (GP) ............................................................ 13
4.5.2 Información geométrica ..................................................................... 14
4.5.3 Información del material .................................................................... 14
4.5.4 Información de precisión y PMI (product manufacturing information) 15
4.5.5 Recursos de fabricación .................................................................... 16
4.6 Software con herramientas de automatización de programación NC ..... 16
4.6.1 Master CAM: ...................................................................................... 16
4.6.2 Catia V5 ............................................................................................. 17
4.6.3 Siemens NX ....................................................................................... 17
4.7 Automatización de la programación NC en la fabricación de aeronaves 19
5 Características y parámetros de las estrategias de mecanizado de geometrías
prismáticas ............................................................................................................ 21
5.1 Geometrías prismáticas .......................................................................... 21
5.1.1 Superficies planas ............................................................................. 21
5.1.2 Agujeros ............................................................................................ 22
5.1.3 Ranuras ............................................................................................. 22
5.1.4 Cajeras .............................................................................................. 24
5.1.5 Redondeos ........................................................................................ 24
4
5.1.6 Esquinas ............................................................................................ 25
5.2 Parámetros de las estrategias de mecanizado ....................................... 25
5.2.1 Dirección de corte .............................................................................. 26
5.2.2 Entrada en arco o tangencial ............................................................. 27
5.2.3 Entrada en rampa .............................................................................. 28
5.2.4 Profundidad por corte (Depth per cut) ............................................... 29
5.2.5 Profundidad de corte taladrado de centros ........................................ 29
5.2.6 Ancho de corte o Step over ............................................................... 30
5.2.7 Rotación en las esquinas de las trayectorias ..................................... 30
5.2.8 Demasía (stock) ................................................................................. 31
5.2.9 Pasadas de acabado ......................................................................... 32
5.2.10 Entrada con interrupción de avance ............................................... 33
5.2.11 Trayectoria de la herramienta ......................................................... 33
5.2.12 Cortes interrumpidos y agujeros ..................................................... 35
5.2.13 Saliente de la herramienta .............................................................. 36
5.2.14 Velocidad de rotación de la herramienta. ....................................... 36
5.2.15 Velocidad de corte .......................................................................... 37
5.3 Herramientas .......................................................................................... 37
6 Metodología para automatizar la programación de los procesos de
mecanizado
………………………………………………………………………………………...39
6.1 Fase 1. Establecer parámetros y características de las estrategias de
mecanizado de geometrías prismáticas. ............................................................ 40
6.2 Fase2. Análisis de la Herramientas FBM y KBM en el software CAD/CAM
42
6.2.1 Etapa 1. Caracterización de la herramienta FBM .............................. 43
Chaflanes ................................................................................................ 44
Ranuras de geometría compleja ............................................................. 44
Lectura de información geométrica y de precisión .......................................... 46
Lectura de información de precisión y Uso de PMI ................................. 47
Reconocimiento de la cara y cajeras heredadas ........................................ 48
6.2.2 Etapa 2. Bases de datos y almacenamiento ...................................... 49
Reglas de mecanizado ................................................................................... 52
5
Característica de las reglas de mecanizado ................................................... 53
6.2.3 Etapa 3. Generación de procesos de mecanizado con FBM ............. 55
6.3 Fase 3. Características y estrategias de mecanizado del proyecto ........ 62
6.3.1 Etapa 1. Caracterizar geometrías y su información ........................... 63
6.3.2 Etapa 2. Almacenamiento y captura del conocimiento ...................... 64
6.4 Fase 4. Automatización, implementación y control ................................. 65
6.4.1 Implementación flujo de trabajo ......................................................... 66
7 CASOS DE ESTUDIO .................................................................................... 67
7.1 Caso 1. Recuerdos Cursos Universidad Católica ................................... 67
7.1.1 Características de mecanizado.......................................................... 67
7.1.2 Captura y almacenamiento de conocimiento y herramientas ............ 67
7.1.3 Implementación de flujo de trabajo de FBM para la automatización . 68
7.1.4 Adaptación de metodología a cambios en el diseño .......................... 73
7.2 Caso 2. Producto Industrias Besttech LTDA ........................................... 74
7.2.1 Geometrías prismáticas y su información .......................................... 74
7.2.2 Captura y almacenamiento de conocimientos de mecanizado .......... 75
7.2.3 Herramientas de corte ....................................................................... 77
7.2.4 Implementación de flujo de trabajo de FBM para la automatización . 78
8 Conclusiones .................................................................................................. 84
9 Bibliografía ...................................................................................................... 86
6
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Las tecnologías CAD/CAM han ido avanzado en el desarrollo de automatización e
integración de diferentes actividades en el ciclo de diseño de producto y proceso.
A pesar de los avances realizados aún hay retos en la integración de CAD-CAM
puesto que el diseño definido a través del CAD se centra en la geometría
específica del elemento, mientras CAM se enfoca en las características
específicas de procesos y sus precisiones.
En la evolución hacia la integración, la planificación de procesos basada en
características de mecanizado juega un papel importante, ya que, determina los
procesos y su secuencia de mecanizado a través del reconocimiento de
características geométricas y de tolerancias del modelo CAD, integrando para tal
fin, la información de diseño y fabricación (PMI, product manufacturing information)
dentro una o varias operación de fabricación [1]. La planificación de procesos
realizados por el hombre llega a ser lenta y costosa, por esto es necesario el uso
de herramientas CAPP (Computer-aided process planning), debido a que, es una
buena opción para que los software CAD y CAM realicen intercambio de datos[2].
El objetivo de CAPP es automatizar tareas de planificación de procesos,
incluyendo los procesos de mecanizado necesarios y su secuencia con el fin de
reducir costos [3].
Los mecanizados basados en características (FBM, feature based machining) y en
conocimiento (KBM, Knowledge-based machining) son actualmente métodos
esenciales para la fabricación de componentes de alta calidad utilizando sistemas
CAD y CAM, puesto que proporcionan una mayor precisión y un manejo más
eficiente del proceso, tomando para tal efecto la información de diseño y
manufactura del producto (PMI, product manufacturing informantion). Con esa
finalidad, diferentes software dentro de los que se encuentran Siemens NX,
mastercam camedge etc. logran la automatización de la programación CNC
empleando FBM (Feature based machining), lo que permite determinar
automáticamente las estrategias necesarias y adecuadas de mecanizado para
diversas características geométricas a partir de la información de fabricación del
producto (PMI) tales como su forma y dimensiones, el acabado superficial, y las
tolerancias geométricas y dimensionales. Para la configuración de estas
estrategias es necesario emplear el conocimiento del diseñador y/o programador
CNC, ya que a través de este se determinan las operaciones y su secuencia de
mecanizado para producir geometrías prismáticas según la PMI [4].
Las estrategias basadas en el conocimiento permiten tomar la experiencia que se
tiene sobre los procesos de mecanizado para ser programados una única vez bajo
restricciones o reglas que logren hacer una secuencia de operaciones,
7
posteriormente sea empleada en diferentes productos, logrando de esta forma la
reducción del ciclo de planificación, la eliminación de errores que se puedan
presentar en la programación hecha por el humano y la eliminación de control de
calidad post-fabricación, debido a que después de calificar el primer producto con
planes de proceso establecidos, se tendrá la certeza de la efectividad de dichos
planes reduciendo costos, garantizando la calidad del producto y un aumento de la
productividad pues se logra poner el producto en el mercado en un tiempo más
corto.
Una correcta secuenciación para el mecanizado de las características será
relevante para minimizar el número de pasos de alistamiento y cambios de
herramienta logrando así, la reducción del tiempo de planificación del proceso de
generación de códigos CNC. Si se requiere obtener planeación de los procesos
automáticamente o utilizando procesos definidos por las experiencias previas,
estos se deben estandarizar con el fin de reducir tiempos y costos, mejorar la
calidad del producto y aumentar la productividad.
En Colombia se cuenta con tecnología de Centros de mecanizado vertical y
horizontal y software CAD/CAM para la fabricación de piezas en la industria y para
uso académico. El problema radica en que las herramientas computacionales no
son empleadas en su capacidad tecnológica total y la industria colombiana no es
competitiva, dado que emplea demasiado tiempo en la planeación de los procesos
de mecanizado de productos e incluso para efectos de preparar presupuestos, la
respuesta es demorada si se tiene en cuenta que en una fábrica hay varios
proyectos. Es por esto, que nace la necesidad de implementar de una técnica
CAPP para la integración de las tecnologías y metodologías para la generación
automática de las estrategias de mecanizado basadas en conocimientos a partir
del reconocimiento de características de mecanizado (FBM).
8
2 JUSTIFICACION
En Colombia la industria metalmecánica no es competitiva en comparación con
otros países industrializados, hay aspectos importantes que generan el avance y
competitividad que presentan otros países respecto a Colombia, como el estudio
amplio de técnicas eficientes de manufactura.
Estos avances en los procesos de mecanizado van de la mano con el desarrollo e
implementación de nuevas tecnologías, las cuales representan inversiones que
no son bien vistas en nuestro país, debido a la falta de exploración en temas
tecnológicos,
NX es uno de los software CAD/CAM que se ha interesado por la integración de
estas dos tecnologías a través de FBM, software que será empleado en el
desarrollo del proyecto para automatizar la programación de los procesos de
mecanizado, haciendo provecho de estas herramientas de la universidad Santo
Tomás y generando un espacio para exploración de estrategias eficientes de
mecanizado empleando recursos de la facultad.
Con la implementación de estas tecnologías se pretende lograr mayor
competitividad en la industria colombiana, pues la reducción del tiempo de
programación según fabricantes de software puede llegar a ser de un 90%[5],
haciendo que el producto llegue más rápido al mercado y ese tiempo de ahorro
pueda ser utilizado en producción de geometrías mucho más complejas que son
fabricadas en mercados exteriores, además de mejorar la eficiencia de los
procesos de manufactura al reducir los cambios de herramienta, tiempos muertos
que hay entre operaciones, también permite combinar los conocimientos con los
mejores procesos definidos por el software y aprovechar al máximo los recursos
de fabricación, una buena aplicación es la fabricación de moldes y partes
aeronáuticas, donde las características suelen ser geometrías que se repiten pero
con diferentes dimensiones, acabados y materiales.
Actualmente la implementación de sistemas que integren PMI, FBM y KBM, han
centrado su aplicación en la fabricación de geometrías prismáticas, debido a la
dificultad en la estandarización de superficies complejas. Para tal fin, el proyecto
se limita a la producción de geometrías prismáticas en 2 ejes y eventualmente 2
ejes +1.
9
3 OBJETIVOS
3.1 General
Automatizar la programación de los procesos de mecanizado para la manufactura
de productos a partir de la generación de estrategias de mecanizado basadas en
características (FBM, feature based machining) y conocimientos previos (KBM,
Knowledge-based machining) empleando la herramienta Siemens NX.
3.1.1 Específicos
1. Identificar los parámetros y características de las estrategias de mecanizado
de geometrías prismáticas, según la información de diseño y manufactura de
un producto para su aplicación dentro de la herramienta Siemens NX.
2. Desarrollar una metodología para la automatización de la programación de los
procesos de mecanizado, de productos que incorporen reconocimiento de
geometría prismática, e información y conocimiento de la manufactura.
3. Aplicar la metodología propuesta para la automatización del proceso de
mecanizado según técnicas FBM y KBM en un caso de estudio real de la
industria.
10
4 ESTADO DEL ARTE
4.1 Planificación del proceso asistido por ordenador (CAPP)
La planeación de procesos se basa en la selección de los elementos de
producción como herramientas, soportes fijos, maquinaria, secuencia de
operaciones y ensamble. Estas actividades deben ser planeadas, tarea que
tradicionalmente ha sido desempeñada por los planeadores de procesos. Los
procesos de fabricación, la secuencia de procesos, las máquinas por emplear, el
tiempo normal de cada proceso e información similar, son documentados por
planeadores de procesos en una hoja de ruta, un ejemplo de estas hojas es la
¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. .Al realizar la planeación de
forma manual, se implica el consumo elevado de recursos tiempo y mano de obra
y esta se basa principalmente en la experiencia del planeador de procesos.
Ejemplo hoja de ruta simple Figura 1.
Fuente:[6]
11
La planeación de procesos asistida por computadora (CAPP, computer aided
process planning) realiza esta compleja tarea como un sistema integrado, de
manera que los pasos individuales comprendidos en la fabricación de cada parte
se coordinan con otros y se realizan de manera eficiente y confiable. Aunque la
CAPP requiere gran cantidad de software y buena coordinación con CAD/CAM
(computer aided design/computer aided manufacturing), es una herramienta
poderosa para planear y programar de manera eficiente los procesos de
manufactura. siendo efectiva en la producción de partes de bajo volumen y alta
variedad [6].
4.1.1 Sistemas CAPP
Existen dos tipos de sistemas de planeación de procesos asistida por
computadora: variante y generativo.
Sistema variante: Archivos de computadora contienen un plan de proceso
estándar para la pieza que se fabricará, la base de datos es analizada mediante
un código basado en la forma y característica de la manufactura de la pieza. El
plan de procesos variante incluye información como: los tipos de herramientas y
máquinas que se utilizarán, la secuencia de procesos de manufactura por realizar,
las velocidades, los avances y el tiempo requerido para cada secuencia. También
se pueden efectuar modificaciones menores, que suelen ser necesarias, a un plan
de procesos ya existente [6].
Sistema generativo: En éste se crea un plan de procesos automáticamente con
base en los mismos procedimientos lógicos que seguiría un planeador tradicional
de procesos en la fabricación de una pieza específica. Sin embargo, el sistema
generativo es complejo, porque debe contener información vasta y detallada de la
forma y las dimensiones de la parte, capacidades del proceso, selección de los
métodos de manufactura, maquinaria y herramientas, y la secuencia de
operaciones por realizar. El sistema generativo tiene la capacidad de crear un
nuevo plan y amplias ventajas como: (a) flexibilidad y consistencia de la
planeación de procesos de nuevas partes, y (b) calidad general de planeación
superior debido a la capacidad de la lógica de decisiones en el sistema para
optimizar la planeación y usar tecnología actualizada de manufactura [6].
Dentro de las CAPP el mecanizado basado en características (FBM, feature based
machining) y el conocimiento (KBM, Knowledge-based machining) son
herramientas que contribuyen al sistema de planeación generativo debido a la
utilidad del reconocimiento de características al momento de adquirir información
de la pieza para generar estrategias de mecanizado con base en conocimientos
del programador NC.
12
4.2 Manufactura asistida por computadora (CAM)
La manufactura asistida por computadora comprende el uso de ordenadores para
auxiliar todas las fases de manufactura de un producto.
Debido a los beneficios conjuntos, a menudo el diseño asistido por computadora
(CAD; computer aided design) y la manufactura asistida por computadora se
combinan en sistemas CAD/CAM.[7] Esta combinación permite transferir
información de la etapa de diseño a la etapa de planeación de manufactura sin
necesidad de introducir manualmente los datos sobre la geometría una y otra vez.
La CAM almacena y procesa la base de datos desarrollada durante el CAD con los
datos e instrucciones necesarios para operar y controlar maquinaria de
producción, equipo de manejo de materiales y ensayos e inspección
automatizados para alcanzar la calidad de los productos.
Un aspecto importante de CAD/CAM en las operaciones de maquinado es su
capacidad para describir la trayectoria de las herramientas. Las instrucciones
(programas) se generan en la computadora y el programador las puede modificar
para optimizar la trayectoria de las herramientas y evitar colisiones de esta [6].
4.3 FBM (mecanizado basado en operaciones, feature based machining)
FBM es una función de programación automatizada que elimina la entrada de
datos de forma manual leyendo información de diseño y manufactura que está
incorporada en modelos sólidos por la interfaz CAD, luego FBM analiza
rápidamente esta información y crea una estrategia de mecanizado completa,
generalmente sin cualquier intervención adicional por parte del programador [8].
El uso de CAM convencional para programar todas las estrategias de mecanizado
para la fabricación de un producto en una maquina CNC podría demorar varias
horas. El mecanizado basado en características FBM permite importar un modelo
CAD del producto al programa CAM para evaluar todas las operaciones dentro de
la pieza y crear automáticamente una serie de estrategias de mecanizado
efectivas. Este trabajo anteriormente laborioso, se completa en segundos y el
programa NC se genera en cuestión de minutos. Pronto puede configurar la pieza
para el mecanizado en la maquina CNC y dirigirse a realizar tareas que requieren
mucha más capacidad intelectual [9].
Como lo plantea SIEMENS con las avanzadas funciones de automatización de la
programación de control numérico de NX CAM que permiten mejorar la
productividad, el mecanizado basado en características (FBM) podrá reducir el
tiempo de programación de control numérico en hasta un 90%.
13
4.4 Mecanizado basado en conocimiento (KBM, knowledge based
machining)
Los procesos de mecanizado para la fabricación de geometrías prismáticas,
herramientas disponibles en el taller, son conocimientos necesarios para la
programación NC, este conocimiento puede reflejar las mejores prácticas seguidas
actualmente en la industria o puede reflejar las experiencias y preferencias que se
acumulan en un taller
Uno de los conceptos más comunes encontrados en el mecanizado basado en
conocimiento, es unir características con pasos de mecanizado. Los agujeros,
bolsillos y ranuras son ejemplos de características mecanizadas. Es posible
almacenar el conocimiento acerca de cómo mecanizar estas características en
una base de datos del software CAD/CAM. Este conocimiento puede incluir la
secuencia de pasos requeridos para producir la característica de una pieza en
particular, así como los parámetros de mecanizado apropiados para cada paso
(velocidades y avances basados en el material de la pieza de trabajo y el tipo de
herramienta de corte) [10].
4.5 Característica de mecanizado
En 2001 la Organización Internacional de Normalización (ISO) entregó la primera
edición del estándar para "Definición de productos mecánicos para la planeación
de procesos utilizando características de mecanizado" como uno de los protocolos
de aplicación (AP) en ISO 10303, también conocido como STEP [11].
STEP define una característica de mecanizado como un conjunto de información
que incluye geométrica prismática (GP), información geométrica (IG), información
de material (IM), información de precisión (IP) e información de recursos de
manufactura (IRM) tal como se muestra en la ¡Error! No se encuentra el origen
de la referencia. [11]. De acuerdo con esta definición, la representación
matemática de las características de mecanizado se puede expresar como en la
¡Error! No se encuentra el origen de la referencia..
Ecuación 1.
4.5.1 Geometrías prismáticas (GP)
Las geometrías prismáticas describen información acerca del diseño y modelado
de la pieza; las cuales están directamente relacionadas con las operaciones de
mecanizado, siendo el primer criterio para seleccionar el proceso de mecanizado
correcto dentro del software CAD/CAM.
Las geometrías prismáticas se dividen en: superficies, agujeros, ranuras,
protuberancias cilíndricas, cajeras, la ¡Error! No se encuentra el origen de la
referencia. muestra los tipos de figuras estándar.
14
4.5.2 Información geométrica
En la información geométrica están asignadas las dimensiones propias de cada
geometría prismática tales como: longitud, ancho, diámetro, radios, profundidades,
áreas, etc… también establece la posición de la geometría con respecto al sistema
coordenado de la pieza de trabajo.
4.5.3 Información del material
Establece el tipo de material (aluminio, acero al carbono, aleaciones etc…) y
algunas propiedades mecánicas del material como el módulo de Young, rango de
elasticidad y dureza medida en Brinell (Hb), propiedades que son necesarias para
establecer parámetros de corte (Velocidad de corte y de avance) y condiciones de
las herramientas de corte.
Configuración de las características de mecanizado Figura 2.
Fuente: [11]
15
Figuras estándar Figura 3.
Fuente: [11]
4.5.4 Información de precisión y PMI (product manufacturing information)
La ISO 1101 define PMI como el estándar que se utiliza en el diseño asistido por
computador (CAD) en 3D y proyectos colectivos para el desarrollo de fabricación
de productos. Tiene a su alcance la capacidad de incluir dimensiones en cotas 3D,
e información de precisión tal como tolerancias geométricas y dimensionales,
acabados superficiales entre otros. La importancia de esta información, radica en
el hecho de que es un parámetro fundamental en la selección adecuada de las
estrategias y herramientas para que en la fabricación se consigan resultados
deseados.
En el proceso de automatización de la programación NC, el PMI es el principal
portador de información necesaria para generar trayectorias de herramientas, la
¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. muestra el uso del PMI para
incluir información de precisión e incluso geométrica [12].
16
CAD con PMI en las diferente direcciones de mecanizado Figura 4.
Fuente:[12]
4.5.5 Recursos de fabricación
Los recursos de fabricación competen a las maquinas herramienta de 3 ejes, 3+1,
3+2, 4+1 o 5, operaciones de mecanizado para producir agujeros (taladrado,
barrenado, rimado, etc…), y para producir otro tipo de geometrías (planeado,
fresado de cara, fresado de pared, etc…) y sus herramientas de corte ya sea
rígida o de insertos, incorporando también información de su material.
4.6 Software con herramientas de automatización de programación NC
La automatización en la programación de NC brinda una gran oportunidad para la
ventaja comercial competitiva de compañías dedicadas a la manufactura en CNC.
La adición de mecanizado basado en características proporciona capacidades
para crear y modificar procesos de automatización basados en conocimientos de
mecanizado. Estas capacidades son especialmente valiosas para las tiendas que
desean pasar al siguiente nivel de automatización de NC, y en la actualidad
existen software CAD/CAM que han involucrado el mecanizado basado en
características dentro de sección de manufactura.
4.6.1 Master CAM:
Este software discrimina el uso de su herramienta en dos secciones: una para
taladrados (FBMdrill) y otra para fresados (FBM mil), ambos utilizan la información
de las características de mecanizado de la pieza en combinación con una
definición de valores para realizar las siguientes tareas:
Detectar todas las características para el tipo FBM elegido, donde el
usuario decide el tipo de criterio de búsqueda y la figuras que deseen ser o
no trabajadas.
Selección de las herramientas adecuadas, ya sea a partir de una lista de
herramientas personalizada o de las bibliotecas especificadas.
Crea y asigna límites necesarios para conducir o restringir herramientas.
17
Genera automáticamente todas las trayectorias de herramientas necesarias
para mecanizar las características [13].
4.6.2 Catia V5
Catia V5 cuenta con sus propias herramientas de reconocimiento llamada
asistente de preparación de mecanizado prismático (MPA, Prismatic Machining
Preparation Assistant) y generación de procesos de mecanizado realizada
mediante el Producto de Mecanizado Prismático (PMG, Prismatic Machining
product)
El MPA ayuda al programador de NC a establecer el vínculo entre el diseño y la
fabricación. Proporciona un conjunto de funciones que generan todas las
características de mecanizado geométrico prismático de la pieza de diseño que se
mecanizará, por lo tanto, construye una vista de fabricación real de la pieza de
diseño con todas las características de perforación y fresado que se mecanizarán.
Gracias a su tecnología incrustada de reconocimiento de características de
mecanizado, MPA permite la creación de características de mecanizado
geométrico con todo tipo de piezas de diseño de CATIA, incluso aquellas sin
especificaciones de características de diseño.
El Asistente de Preparación de Mecanizado Prismático (MPA) está totalmente
integrado con el Producto de Mecanizado Prismático (PMG). Reduce
drásticamente los tiempos de programación mediante la construcción de forma
automática todas las áreas geométricas que deben ser mecanizadas con las
operaciones de mecanizado prismático, el tiempo empleado en la selección de la
geometría se disminuye considerablemente. Todas las características de
mecanizado geométrico se pueden mecanizar completamente con todas las
estrategias de mecanizado Prismático de CATIA, desde la creación de
operaciones de mecanizado elemental hasta la aplicación de procesos de
mecanizado complejos automáticos en los dominios de fresado y taladrado.
4.6.3 Siemens NX
La automatización de la programación en NX es posible gracias a la
implementación de FBM dentro de su sección de mecanizado. FBM puede
proporcionar una mayor calidad como resultado de menos errores y ofrecer una
mayor estandarización mediante el uso de procesos y recursos probados y
preferidos.
FBM determina el mejor proceso de mecanizado para cada característica, luego
genera las trayectorias de las herramientas para cada operación, todo de forma
automática.
La forma común de automatizar la programación es crear una amplia gama de
secuencias de mecanizado alternativas y almacenar cada una como una especie
18
de plantilla, donde cada una de ellas representa efectivamente otra variante del
proceso de mecanizado.
Cuando se identifica una característica en la pieza, el software FBM selecciona y
aplica la plantilla de proceso de mecanizado correspondiente más cercana para
ese tipo de característica [14].
Los beneficios obtenidos de la programación automatizada son amplios. Las
empresas han logrado beneficios cuantificables con la programación
automatizada, tales como:
• 80 por ciento de reducción en el tiempo de programación NC
• Errores de programación reducidos
• Reducción del tiempo de configuración de la máquina
• Mayor uso de la herramienta de la máquina
• Capacidad de capturar y reutilizar procesos probados en forma de estándares y
mejores prácticas
Integración del PMI:
La Integración de PMI Puede incorporar datos tales como acabado superficial o
redondez, en las reglas del proceso de características. En este caso, los
parámetros clave que afectan la selección de la operación de mecanizado
descendente, como las tolerancias y las etiquetas de acabado de superficie,
pueden leerse y utilizarse por NX CAM en el proceso de FBM. Estos valores de
PMI asociados a características reconocidas como en la ¡Error! No se encuentra
el origen de la referencia., se pueden utilizar para conducir la selección del
método de mecanizado. Esto se hace contrastando los criterios contenidos en la
base de datos de mecanizado. Por ejemplo, una tolerancia ajustada puede
requerir un proceso y una herramienta de acabado específicos. Este proceso de
acabado se selecciona como un paso en el conjunto secuencia de mecanizado
para esa característica. De esta forma, los datos de PMI agregados al modelo
CAM de NX durante el diseño realmente están impulsando el proceso
descendente de la programación NC y mecanizado [14].
PMI agregado al modelo NX cam Figura 5.
19
Fuente: [5]
Enseñanza de características interactivas:
Enseñanza de características interactivas Puede definir tipos de características
personalizadas de forma interactiva dentro del entorno de gráficos, para que de
manera inmediata se creen fácilmente definiciones de procesos de mecanizado
basados en conocimientos a partir de operaciones NX CAM e identifique
parámetros específicos del proceso [14].
El software NX es empleado para uso académico en la Universidad Santo Tomás
por la facultad de ingeniería mecánica, razón por la cual, se hace el
aprovechamiento del software y sus herramientas para realizar proyectos de
investigación enfocados en la diseño y manufactura.
4.7 Automatización de la programación NC en la fabricación de aeronaves
Las piezas estructurales de aeronaves son de materiales especiales y formas
complejas la mayoría con ajustes y paredes finas. El uso de piezas estructurales
de aviones integrales brinda un beneficio inmediato de ahorro de peso en
comparación con las estructuras remachadas, además, su uso tiene la intención
de reducir significativamente los costos de los materiales y los procesos de
mecanizado. La fabricación asistida por computadora (CAM) y las tecnologías de
control numérico computarizado (CNC) se han utilizado ampliamente en la
fabricación de piezas estructurales de aviones. Sin embargo, la baja productividad
de programación NC causa el problema de la baja tasa de utilización de equipos
de alto costo y precisión, lo que a su vez socava el margen de ventaja de pares
estructurales integrales. Según las estadísticas de la práctica actual en los casos
estudiados por los autores, la relación entre el tiempo de mecanizado y el tiempo
de programación NC es de 1 a 10 [15] Por lo tanto, la capacidad de creación de
programas NC para el mecanizado de piezas estructurales de aeronaves es un
factor crítico para reducir el tiempo de ciclo de desarrollo de los productos de
aeronaves grandes.
20
El método convencional para generar rutas de herramientas con una herramienta
CAM comercial requiere tediosas interacciones del usuario. Las máquinas,
herramienta, muchas geometrías de mecanizado y muchos parámetros de
proceso deben seleccionarse y definirse manualmente. La carga de trabajo
repetitiva causa una baja eficiencia de la programación NC. Los cambios de
diseño y proceso acompañan todo el proceso de fabricación. Para este proyecto
investigadores de la universidad de aeronáutica ya astronáutica de Nankín han
desarrollado un sistema de programación NC inteligente y dinámico para generar y
regenerar trayectorias de herramienta automáticamente para reflejar estos
cambios empleando la fabricación basada en operaciones (FBM) [16].
El modelo de sistema de generación de ruta de herramienta basado en
características para el mecanizado de acabado, desarrollado en CATIA V5, el
bastidor de avión de la Figura 6, es la parte seleccionada para aplicar el prototipo.
Bastidor de avión Figura 6.
Fuente:[16]
Esta parte tiene 9 cajeras, 5 agujeros, 10 nervaduras y 1 contorno externo.
Necesita 7 cortadores para crear 131 operaciones de mecanizado. En promedio,
por cada operación de mecanizado el usuario mediante el ratón y el teclado
requiere interacciones de 20 veces. Los resultados comparativos se muestran en
la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. [16].
Tabla 1. Resultados comparativos
Método Numero de interacciones
Creación de geometrías auxiliares
Tiempo de programación
Programación manual 2620 Manual Al menos 120
21
minutos
Método propuesto 5 Automático 15 minutos
Fuente:[16]
5 Características y parámetros de las estrategias de mecanizado de
geometrías prismáticas
Para la definición de los parámetros y características de estrategias de
mecanizado es necesario ampliar el tema de geometrías prismáticas que fue
mencionado en la sección 4.5.1. Con el fin de conocer y entender sobre los
parámetros y características de las geometrías prismáticas.
5.1 Geometrías prismáticas
Según el estándar para el intercambio de datos de modelos de productos (STEP),
las geometrías primaticas se dividen en superficies planas, redondeos, agujeros,
ranuras, cajeras y esquinas.
5.1.1 Superficies planas
Los parámetros de las superficies planas de forma general son: ancho y longitud
sin depender de la forma, el parámetro –radio- es agregado cuando la superficie
presenta redondeos, y puede ser el único parámetro, si es el caso que la
superficie plana sea redonda, como se muestra en la ¡Error! No se encuentra el
origen de la referencia.¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. ,los
parámetros para superficies planas donde (D) es la dirección de la profundidad o
el eje –Z y (L) en dirección positiva de la longitud con (0) como origen.¡Error!
Marcador no definido.
Parámetros superficies planas Figura 7.
Superficie plana Parámetros
22
longitud (l)
ancho (w)
rugosidad
Superficie redonda Parámetros
radio (r)
rugosidad
Parámetros como tolerancias, ajustes y acabado son asignados en el PMI
5.1.2 Agujeros
La geometría agujero se divide en dos: agujero pasante y agujero ciego, estas
geometrías poseen los mismos parámetros solo que para el agujero ciego
mostrado en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., el parámetro
-ángulo de chaflán de suelo- es adicionado.
-Chaflán, ángulo de chaflán, profundidad, diámetros, si es que el agujero está
compuesto por varios de ellos, ángulo de suelo, profundidad de chaflán de suelo y
las tolerancias, ajustes y acabado que sean agregados mediante el PMI- son los
parámetros de los agujeros.
Parámetros de agujero ciego Figura 8.
23
5.1.3 Ranuras
La geometría ranura incluye: ranura recta, ranura en forma de T, ranura en forma
de V y ranura en cola de milano, los parámetros generales para estas ranuras son:
profundidad, longitud y ancho, como se muestra en la ¡Error! No se encuentra el
origen de la referencia.¡Error! No se encuentra el origen de la
referencia.¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. muestran los
parámetros para ranuras donde (D) es la dirección de la profundidad o el eje –Z y
(L) en dirección de la longitud (0) como origen.¡Error! Marcador no definido.
Parámetros de ranuras Figura 9.
Ranura recta Parámetros
Profundidad (d)
Radio suelo (r)
Longitud (l)
Ancho (w)
rugosidad (piso y pared)
Ranura en forma de T Parámetros
Profundidad 1 (d1)
Profundidad 2 (d2)
Longitud (l)
Ancho 1 (w1)
Ancho 2 (w2)
rugosidad (piso y pared)
Ranura en forma de V Parámetros
Profundidad (d)
Longitud (l)
Ancho (w)
Ángulo (β)
rugosidad (piso y pared)
Ranura cola de milano Parámetros
24
Profundidad (d)
Longitud (l)
Ángulo (β)
Ancho 1 (w1)
Ancho 2 (w2)
rugosidad (piso y pared)
Fuente: Autor
5.1.4 Cajeras
Las cajeras cuadradas o de forma libre poseen los mismos parámetros, como los
muestra la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., donde (D) es la
dirección de la profundidad o el eje –Z y (L) en dirección de la longitud en sentido
positivo y (0) como origen, la longitud (l), el ancho (w), profundidad (d) y radio (r)
para la cajera recta, son en esencia los mismos que para la cajera de forma libre a
excepción del radio, debido a que la ranura forma libre está compuesta por varios
radios es necesario tener en cuenta el radio mínimo presente en la geometría, ya
que, este determinara la herramienta pertinente para lograr dicho parámetro en la
fabricación.
Parámetros de cajeras Figura 10.
Fuente: Autor
5.1.5 Redondeos
La geometría redondeos es la menos compleja en cuanto a la cantidad de
parámetros que poseen y comprende dos tipos: ranura convexa y ranura cóncava,
donde sus parámetros no cambian con respecto al otro, la ¡Error! No se
25
encuentra el origen de la referencia., Muestra los parámetros para estas
geometrías donde (D) es la dirección de la profundidad o el eje –Z y (L) en
dirección de la longitud en sentido positivo y (0) como origen.
Parámetro redondeos de borde Figura 11.
Redondeo Cóncavo Parámetros
Profundidad (d)
Radio suelo (r)
Longitud (l)
Ancho (w)
rugosidad (piso y pared)
Redondeo Convexo Parámetros
Profundidad (d)
Radio suelo (r)
Longitud (l)
Ancho (w)
rugosidad (piso y pared)
Fuente: Autor
5.1.6 Esquinas
Las esquinas o escalones son geometrías simples, la ¡Error! No se encuentra el
origen de la referencia., donde (D) es la dirección de la profundidad o el eje –Z y
(L) en dirección de la longitud en sentido positivo y (0) como origen. muestra los
parámetros para escalones, la longitud (l), el ancho (w), y la profundidad son
parámetros similares en la geometría a y b, solo que para el caso de escalones
con radio el parámetro radio (r) se añade ya que definirá el radio máximo de la
herramienta a utilizar.
Parámeros de escalones Figura 12.
Fuente: Autor
26
5.2 Parámetros de las estrategias de mecanizado
La optimización de trayectorias mediante el uso de sistemas CAM ha sido algo
muy habitual durante un tiempo, especialmente en los sectores de moldes y
matrices. Sin embargo, ha sido recientemente cuando los talleres han comenzado
a combinar dicha capacidad con estrategias de mecanizado relativamente nuevas
y herramientas de corte enterizas y rotativas especialmente diseñadas para
optimizar las operaciones de mecanizado [17].
La vida útil de la herramienta y la falla prematura de la herramienta son
preocupaciones en cada aplicación de mecanizado. Algo tan simple como la
selección de la ruta de la herramienta, y la forma en que una herramienta ingresa
por primera vez, puede marcar la diferencia, en esta sección se encuentran los
parámetros relacionados con las mejores estrategias de mecanizado moderno.
5.2.1 Dirección de corte
Cada vez que un filo de la fresa entra en contacto con el material en su función de
corte, se ve sometido al impacto de carga. Es necesario tener en cuenta el tipo de
contacto correcto entre el filo y material en la entrada y la salida para conseguir un
buen fresado.
En el proceso de fresado a favor la herramienta de mecanizado avanza en el
mismo sentido que la rotación como muestra la Figura 13.
El espesor de la viruta se reduce gradualmente a partir del inicio del corte
hasta alcanzar el valor cero al final del corte. Esto evita la alta fricción del
filo contra la superficie antes de iniciar el corte.
Las fuerzas de corte tienden a empujar la pieza hacia la fresa, manteniendo
el filo en el corte [18].
Corte a favor Figura 13.
27
Fuente: [18]
En el proceso de en contraposición, el sentido de avance de la herramienta es
opuesto al de rotación fresado como muestra la Figura 14.
El espesor de la viruta empieza en cero y se incrementa hacia el final del
corte. Las fuerzas de corte tienden a separar la fresa de la pieza.
Los altos esfuerzos de tracción, producidos cuando el filo sale de la pieza,
suelen provocar un rápido fallo del filo [18].
Corte en contraposición Figura 14.
Fuente:[18]
5.2.2 Entrada en arco o tangencial
La vida útil de las herramientas se reduce en momentos de variaciones de fuerza
repentinas, especialmente al ingresar a la pieza de trabajo. Con la inserción
directa en el material (que es típico para casi cualquier trayectoria de herramienta),
el efecto es comparable al impacto en el filo con un martillo.
En su lugar, debe pasar cuidadosamente el filo a lo largo de la tangente. Es
necesario elegir una trayectoria de movimiento, tal que la herramienta ingrese al
material en un arco, y no en un ángulo recto como ilustra la Figura 15. Al fresar
desde una viruta gruesa a un arco delgado, el cortador debe coincidir con la
dirección de rotación de la herramienta. La trayectoria del arco proporciona un
aumento gradual en la fuerza de corte, evitando tirones y aumentando la
estabilidad de la herramienta. Al mismo tiempo, la generación de calor y el grosor
de la viruta a la salida siendo inicialmente cero, también aumentan gradualmente
hasta el momento de la inmersión completa en la pieza de trabajo [19].
Incrustacion en arco Figura 15.
28
Fuente: [19]
5.2.3 Entrada en rampa
La rampa se refiere al movimiento radial y axial simultáneo de una herramienta de
corte, haciendo una trayectoria angular. A menudo, este método se utiliza para
acercarse a una pieza cuando existe la necesidad de crear formas cerradas, como
cajeras, cavidades, grabados y agujeros. Al hacerlo, se elimina la necesidad de
sumergir una fresa o un taladro para crear un punto de partida. La rampa es
particularmente empleada en la apertura de cavidades, ya que, el más mínimo
desequilibrio en las fuerzas de corte puede causar fallas en la herramienta [20].
La rampa produce virutas más pequeñas en comparación con el hundimiento, lo
que hace que la evacuación de viruta sea más rápida y fácil.
La Figura 16 muestra los dos tipos de rampa que existen, rampa helicoidal y
rampa lineal.
Rampa helicoidal y lineal Figura 16.
Fuente: [20]
La rampa lineal implica mover una herramienta de corte a lo largo de dos ejes (el eje zy uno de los ejes x, y). Este método tiene un mayor compromiso radial con fuerzas de corte aumentadas complementarias distribuidas en solo dos ejes.
29
La rampa helicoidal (Interpolación helicoidal) tiene un movimiento en espiral de la herramienta de corte que se aplica a los tres ejes (x, y, yz). Este método generalmente tiene un menor compromiso radial en la herramienta de corte, con las fuerzas de corte distribuidas en los tres ejes diferentes. Este es el método es el más recomendado para garantizar la vida útil más larga de la herramienta [20]. La compañía Harvey Performance sugiere los siguientes ángulos de rampa:
Materiales blandos / no ferrosos: 3 ° - 10 °
Materiales duros / ferrosos 1 ° - 3 °
5.2.4 Profundidad por corte (Depth per cut)
La profundidad de corte es la longitud del lado de las flautas que en realidad están
cortando. Como en la Figura 17, la fabricación de la geometría se realiza mediante
varias pasadas y no en la profundidad total de la geometría, esto con el fin de
evitar deflexión y vibración en la herramienta por las elevadas fuerzas de corte.
Profundidad por corte Figura 17.
Fuente:[21]
5.2.5 Profundidad de corte taladrado de centros
Para calcular la profundidad de la punta de la broca para chaflanes de diámetros,
o la profundidad del punto de la broca para la profundidad del barrenado requerido
se emplea la Ecuación 2.
Ecuación 2. Profundidad del punto
Fuente:[22]
Para calcular la profundidad del punto el diámetro la Tabla 2 muestra el factor que
debe ser tenido en cuenta para chaflanes y taladrado de centro en función del
Angulo de la broca.
30
Tabla 2. Factores para ángulos de puntos
Angulo del punto de barrenado (DPA) Factor
60° 0,866
82° 0,575
90° 0,5
118° 0,3
120° 0,288
135° 0,207
Fuente:[22]
5.2.6 Ancho de corte o Step over
El ancho de corte, también llamado Step over, es el grosor total de la herramienta
en condición de corte como muestra la Figura 18 donde el ancho de corte se
denomina (ae).En cuanto a la operaciones de acabado, el ancho de corte no
puede ser el 100% del diámetro del cortador.
Ancho de corte / Step over Figura 18.
.Fuente: [23]
5.2.7 Rotación en las esquinas de las trayectorias
Los cambios bruscos en la dirección de corte producen los mismos que la
inserción directa de la herramienta en el material, las trayectorias de herramientas
generalmente se crean para seguir la forma general del área que se está
mecanizando como se muestra en la Figura 19, donde el fresado periférico debe
31
mecanizar alrededor de las esquinas exteriores y durante el planeado se generan
virutas gruesas a la salida [23].
Direccion trayectoria convencionales Figura 19.
Fuente: [23]
Siempre se debe aplicar rotación alrededor de las esquinas Figura 20 como un
paso clave para optimizar y fortalecer el proceso aumentando gradualmente las
fuerzas de corte.
El fabricante de herramientas Sandvik Coromant recomienda que el ancho de
corte de la herramienta debe ser un 70% de diámetro de corte, para garantizar la
máxima cobertura de la esquina y evitar sobre materia en esa zona cuando se
termine la operación [23].
Empañe o rotacion en las esquinas Figura 20.
Fuente: [23]
5.2.8 Demasía (stock)
Las demasías son esos valores de sobre material que quedan en suelo y pared
Figura 21, después de emplear operaciones de desbaste, los valores de la
demasía de suelo y pared son valores que se deben fijar en función de las
operaciones de acabado y sus herramientas.
Demasía suelo y pared Figura 21.
32
Fuente: [24]
5.2.9 Pasadas de acabado
Las Pasadas de acabado permiten crear pasadas adicionales a lo largo de la
misma ruta que la última pasada en el desbaste como lo indica la Figura 22.
Pasadas de acabado Figura 22.
Fuente: [24]
Estas pasadas al emplear un ancho de corte mucho menor en la herramienta
reducen el problema que se presenta en la "esquina interna”, donde el ángulo de
interacción de la herramienta aumenta significativamente como muestra la Figura
23a. Donde el ancho de corte pasó de ser de 20% el diámetro de corte a un 90%.
Pasada de acabado con reduccion de ae Figura 23.
33
Fuente: [23]
5.2.10 Entrada con interrupción de avance
El fresado con interrupciones de avance es una alternativa al mecanizado en
rampa para abrir cavidades en material enterizo. Produce virutas largas y genera
fuerzas de corte poco deseables sobre la fresa, por ello sólo se debe utilizar
cuando sea necesario mecanizar ranuras cerradas cortas.
Entrada con interrucpcion de avance Figura 24.
Fuente: [23]
5.2.11 Trayectoria de la herramienta
Los ingenieros de software se han combinado con expertos en fabricación para
crear rutas de herramientas más eficientes a lo largo del tiempo. Las rutas iniciales
de la herramienta CAM fueron simplemente versiones computarizadas de las rutas
de herramientas manuales: Zig y Zig-Zag. Estos movimientos mostrados en la
Figura 25 imitan la capacidad de un maquinista para alimentar la mesa de un
molino manual [25].
Trayectorias zig y zig-zag Figura 25.
34
Fuente: [25]
Como se puede ver en la Figura 25 todos los movimientos rojos (rápidos), Zig
tardan más tiempo en retraerse y reposicionarse para cada corte. Estas
trayectorias son ideales para superficies, o cajeados rectangulares, ya que fabricar
un cajeado de forma irregular con zig-zag obliga al programador a generar
trayectorias de compensación para limpiar paredes como muestra la Figura 26
[25].
Zig-zag en cajeados de forma irregular Figura 26.
Fuente: [25]
Para la solución de este problema la trayectoria de herramienta siguiendo el
perfil como muestra la Figura 27.
35
Trayectoria seguiiento de perfil Figura 27.
Fuente: [25]
Las trayectorias de las herramientas que siguen el perfil tienen problemas cuando
los desplazamientos se encuentran en el ángulo agudo mostrado en el círculo rojo
de la Figura 27 debido a que el step over de la herramienta en ese punto tendera
al 100%. Para contrarrestar eso, se desarrolló la ruta de la herramienta trocoidal.
El objetivo de la trayectoria trocoidal es detectar las áreas en las que se produce
el Step over total de la herramienta de corte y luego modificar esa parte de la ruta
para que se convierta en una serie de círculos. Los círculos actúan para eliminar el
Step over completo de la herramienta como muestra la Figura 28 para el ángulo
agudo [25].
Mecaizado trocoidal Figura 28.
Fuente: [25]
5.2.12 Cortes interrumpidos y agujeros
Como se ha venido mencionando, los problemas ocasionados en la herramienta
por la inmersión directa en el material, también se presentan en características
36
con presencia de agujeros y otras geometrías que ocasionan cortes interrumpidos,
es por esto, que la trayectoria de la herramienta debe evitar esos vacíos como lo
muestra la Figura 29.
Corte evitando agujeros y vacios Figura 29.
Fuente: [23]
5.2.13 Saliente de la herramienta
Saliente mas conocido como overhang es el valor en milimetros (mm) o el
porcentaje de la herramienta en funcion del diámetro de corte Dc, que debe salir
como muestra la Figura 30, una vez se logre la pasada sobre la supeficie.
Saliente de la herramienta Figura 30.
Fuente: [26]
5.2.14 Velocidad de rotación de la herramienta.
La velocidad de rotación del husillo portaherramientas se expresa habitualmente
en revoluciones por minuto (rpm). En las fresadoras de control numérico, esta
velocidad es controlada con un sistema de realimentación en el que puede
seleccionarse una velocidad cualquiera dentro de un rango de velocidades, hasta
una velocidad máxima [22].
37
5.2.15 Velocidad de corte
Se define como velocidad de corte: la velocidad lineal de la periferia de la pieza
que está en contacto con la herramienta. La velocidad de corte que se expresa en
milímetros por minuto (mm/min), depende especialmente de la calidad y tipo de
herramienta que se utilice, de la profundidad de pasada, de la dureza y la
maquinabilidad que tenga el material que se mecanice y de la velocidad de avance
empleada [22].
A partir de la determinación de la velocidad de corte se puede determinar las
revoluciones por minuto que tendrá el cabezal del torno, según la siguiente
fórmula:
Ecuación 3. Velocidad de corte
Fuente: [22]
Donde Vc es la velocidad de corte, n es la velocidad de rotación de la herramienta
y Dc es el diámetro de corte de la herramienta.
5.3 Herramientas
Para lograr operaciones de fresado existen varios tipos, tamaños y propiedades de
herramientas, es importante conocer los parámetros de las herramientas de corte
en un proyecto de automatización de la programación NC, donde es necesario
establecer las herramientas con las que cuenta el taller y que son necesarias para
el proyecto.
A pesar de contar con una amplia gama de herramientas en el mercado, los
parámetros generales para los cortadores verticales que se deben conocer
mostrados en la Figura 31 son los siguientes:
Diámetro del cortador
Radio de esquina
Radio de nariz
Ángulo del cortador
Número de filos
Longitud total de la herramienta
Longitud de corte
Parámetros de cortadores verticales Figura 31.
38
Fuente: [27]
Para la fabricación de agujeros con taladrados las herramientas empleadas son
las brocas, la Figura 32 muestra los parámetros que se deben tener en cuenta:
Diámetro
Número de flautas
Longitud de flauta
Ángulo de la hélice
Longitud total
Parámetros de las brocas Figura 32.
Fuente: [27]
39
6 METODOLOGÍA PARA AUTOMATIZAR LA PROGRAMACIÓN DE LOS
PROCESOS DE MECANIZADO
Este capítulo contiene la metodología que se debe implementar, en el desarrollo
de proyectos de automatización de la programación de procesos de mecanizado,
empleando reconocimiento de características de mecanizado y conocimiento
sobre estrategias de mecanizado. La metodología se diseñó en 4 fases, algunas
fases deben ser desarrolladas por etapas como muestra la Figura 33.
Fases de automatizacion Figura 33.
Fuente: Autor Este método ha sido estructurado para adquirir información y/o datos geométricos
y de precisión, a través de la herramienta FBM para posteriormente emplear dicha
40
información en la elección y generación de estrategias de mecanizado de manera
automática, estrategias de mecanizado que se proporcionan a través de la
información aportada por la compañía acerca de sus de sus conocimientos en
estrategias de mecanizado, cada fase y sus etapas son definidas a continuación.
Se estableció un tutorial para una cajera abierta que lleva a cabo la metodología
propuesta en esta sección.
Anexo A. Tutorial para la automatización de la programación de estrategias de
mecanizado para una cajera empelando FBM y KBM en NX 10
6.1 Fase 1. Establecer parámetros y características de las estrategias de
mecanizado de geometrías prismáticas.
Esta es la fase inicial del proyecto y se enfoca en el conocimiento o identificación
de las estrategias de mecanizado, la Figura 34 ilustra el proceso que se debe
llevar a cabo, para la obtención de los parámetros y las características de
estrategias de mecanizado.
Fase1: Recolectar parámetros y características de las estrategias de Figura 34.mecanizado de geometrías prismáticas.
Fuente: Autor
Identificar cada geometría prismática sus parámetros y características:
En un proyecto para la automatización de la programación NC con reconocimiento
de características, se debe iniciar con la identificación y/o aprendizaje de las
41
geometrías prismáticas, así como la información geométrica y de precisión (PMI)
presentes en cada una, esta información es importante, ya que, son parámetros
que se deben lograr a aplicar los procesos y estrategias de mecanizado; en el
capítulo anterior se definieron las geometrías prismáticas: cajeras, ranuras,
agujeros, esquinas, superficies y redondeos, también se definieron los parámetros
para cada una.
Establecer estrategias de mecanizado prismático para CNC, sus parámetros
y características:
Una vez definidas las geometrías y su información, se establecen estrategias de
mecanizado para CNC, sus parámetros y características, en el capítulo 5 se
definieron estrategias de mecanizado pertinentes para las geometrías prismáticas.
En conclusión del capítulo 5 se realizó la ¡Error! No se encuentra el origen de la
referencia. para definir los parámetros y características de manera genérica para
los procesos de mecanizado prismático.
Tabla 3. Parámetros estrategias de mecanizado
PARAMETROS DE LAS ESTRATEGIAS DE MECANIZADO
Material
Imagen geometría
Geometría
Dirección de corte
Profundidad de corte (mm)
Proceso
Entrada de la herramienta
Área
Abierta Lineal:
Tangencial:
Cerrada
Rampa lineal: Angulo:
Rampa helicoidal: Angulo:
Clavada:
Patrón de corte
Step over % diámetro (Dc)
Pasadas de acabado # de pasadas
Step over pasadas de acabado % diámetro (Dc)
Demasía (mm) Suelo: Pared:
Esquinas
Velocidad de rotación (RPM)
Velocidad de corte/avance (mmpm)
Overhang % diámetro (Dc)
Herramienta Diámetro (mm):
Longitud de corte (mm):
42
Fuente: Autor
6.2 Fase2. Análisis de la Herramientas FBM y KBM en el software
CAD/CAM
Esta es la etapa secundaria en un proyecto de automatización y se inicia con el
software CAD/CAM que se empleara para la automatización, la ¡Error! No se
encuentra el origen de la referencia. muestra el diagrama metodológico que se
debe cumplir en esta fase, también se hace la introducción al software que se
emplea en este proyecto, NX10.
Fase 2.Analisis de la herramienta FBM y KBM en software CAD/CAMFigura 35.
43
Fuente: Autor
6.2.1 Etapa 1. Caracterización de la herramienta FBM
Para llevar a cabo esta etapa es necesario el uso de modelos CAD, para su uso
dentro del ambiente de trabajo el CAM, donde se dará inicio a la herramienta FBM.
Para el análisis en NX10 se ha tomado los CAD del curso de CAD/CAM dirigido
por la Universidad Santo Tomás a estudiantes de la Universidad Católica, donde
se fabricaron algunos recuerdos mostrados en la Figura 36, los recuerdos fueron
modelados en NX al igual que la programación de mecanizado, realizando la
fabricación en el centro de mecanizado de la facultad de ingeniería mecaniza de la
USTA.
Recuerdos Figura 36.
Fuente: Curso CAD/CAM
6.2.1.1 Análisis de reconocimiento de características:
Los métodos de reconocimiento propuesto por el software deben ser probados
para las diferentes geometrías prismáticas con el fin de evaluar la lectura de 3
44
elementos importantes: la geometría prismática, su información geométrica y su
información de precisión (PMI).
El software Siemens NX presenta un sistema de reconocimiento paramétrico muy
completo, con geometrías prismáticas estándar cargadas en su base de datos, al
aplicar el sistema de reconocimiento en cada modelo CAD se evidencia problemas
de reconocimiento en 3 geometrías.
Chaflanes
En Siemens NX los chaflanes son reconocidos únicamente para agujeros, no
existe un sistema dentro de NX que permita reconocer chaflanes para contornos, y
más aún, cuando hay presencia de caras planas debido a que como muestra la
Figura 37, es reconocida como superficie plana y su eje Z es perpendicular a la
cara, situación donde se tendría que rotar la pieza. Y este proyecto solo trabaja 2
ejes y 2 ejes +1.
Eje z chaflán de pared recta Figura 37.
Fuente: Autor
Ranuras de geometría compleja
La ranura compuesta por 3 paredes rectas y dos curvas configurada de la manera mostrada en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia..a, es reconocida por NX como ranura rectangular parcial, pero cuando la complejidad de la geometría aumenta, es decir, la configuración de estas caras cambia o se agregan caras curvas o planas a la geometría como en la Figura 38b, el sistema de reconocimiento no logra identificarlas, esta ranuras no reconocidas será denominada en el proyecto como ranura de forma libre.
Ranura rectangular y de forma libre Figura 38.
45
a) Ranura rectangular parcial
b) Ranura de forma libre
Fuente: Autor
Contornos circulares
En NX los contornos circulares no se encuentran dentro de las figuras estándar de NX, el sistema de reconocimiento pasa por alto las paredes de esta geometría reconociendo únicamente el suelo como una superficie plana sin tener en cuenta la pared Figura 39.
Contorno circular Figura 39.
Fuente: Autor
46
Lectura de información geométrica y de precisión
En el reconocimiento de cada geometría prismática se debe garantizar la lectura
completa de la información geométrica y de precisión, en NX esta información se
denomina: atributos como ilustra la Figura 40.
Atributos (información geométrica y de precision en NX)Figura 40.
Fuente: [17]
La no lectura de esta información afecta directamente la selección de los procesos
de mecanizado, por esto, es importante que se garantice la lectura completa de
esta información, a continuación se presenta los mecanismo que se deben
emplear para que se garantice la lectura de la información de precisión y
geométrica.
Lectura de información geométrica y uso de atributo de cara
En el sistema de reconocimiento paramétrico no hay dificultad con la lectura de la
información geométrica, es muy precisa en coordenadas y dimensiones pero para
el sistema de reconocimiento de cara y cajera heredada, se dificulta la lectura de
esta información.
Atributo de cara Figura 41.
47
Fuente: Autor El atributo de cara permite agregar esta información al igual que el PMI, se emplea
en el modelado CAD para garantizar su lectura al aplicar el reconocimiento en
CAM, cabe aclarar, que el atributo debe estar directamente relacionado con la
cara, la Figura 41 muestra la adición del atributo altura.
Lectura de información de precisión y Uso de PMI
La lectura de la información de precisión dentro de NX se realiza mediante la
implementación de la herramienta (PMI, product manufacturing information), esta
herramienta que se emplea en el modelo CAD, es básicamente un sistema de
acotación donde se podrá asignar tolerancias, ajustes y acabados superficiales,
con la intención de garantizar la lectura de la información de precisión se realizó
un ejercicio de un agujero con tolerancia de + 0,02 mm y acabado de 0.4 micras,
se realizó la respectiva acotación con la herramienta PMI dentro del modelado
CAD y en CAM se hizo la verificación de la lectura de esta información después de
haber aplicado el reconocimiento para el agujero como ilustra la Figura 42.
Asignacion de PMI y su reconocimiento Figura 42.
48
Fuente: Autor
6.2.1.2 Definir mecanismos de reconocimiento:
Una vez realizado el análisis de cada sistema de reconocimiento se debe
establecer para cada geometría un mecanismo de reconocimiento que garantice la
lectura completa de la información geométrica y de precisión.
En Siemens NX el sistema de reconocimiento paramétrico es muy completo
cuenta con una amplia gama de características estandarizadas, y a la vez cuenta
con la opción de ampliar y personalizar esta característica, es el sistema de
reconocimiento que se debe emplear y en el caso de cajeras abiertas se debe
emplear el siguiente sistema de reconocimiento:
Reconocimiento de la cara y cajeras heredadas
Este sistema de reconocimiento se debe emplear cuando la geometría no es reconocida por el sistema de reconocimiento paramétrico y al realizar la enseñanza de la geometría el software presenta dificultades con la interpretación del eje Z de la geometría, una cajera heredada es una geometría en algún punto interrumpida ya sea por un área abierta o la intersección de otra geometría, en la Figura 43¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. La geometría que se pretende identificar ha sido mapeada en el modelo CAD, es decir, se han asignado los atributos de cara de una cajera rectangular sabiendo que la geometría puede ser fabricada por el mismo proceso que una cajera rectangular, es por eso que se ha asignado la figura cajera rectangular recto (POCKET_RECTANGULAR_STRAIGHT) también se selecciona el piso de la figura debido a que hace contacto con todas las demás caras.
Recococimiento de cara y cajera heredada Figura 43.
49
Fuente: Autor
6.2.2 Etapa 2. Bases de datos y almacenamiento
En esta segunda etapa de la fase inicial se trabaja con las bases de datos de la
herramienta FBM
6.2.2.1 Bases de datos:
Es necesario conocer la ubicación de las bases de datos e interfaces de
administración de estas, para posteriormente definir el mecanismo necesario para
la alimentación de las siguientes bases de datos:
HERRAMIENTAS: El proyecto debe contar con su lista de herramientas y
el almacenamiento de estas en el archivo indicado es necesario, para que
la herramienta FBM haga uso delas herramientas de corte adecuadas.
GEOMETRÍAS: En la etapa 1 de esta fase se definieron geometrías que la
herramienta no puede reconocer, cargar estas geometrías con sus
parámetros en la base de datos para que el software realice el
reconocimiento y del mismo modo se establece el método de
reconocimiento para las nuevas operaciones
ESTRATEGIAS DE MECANIZADO: El mecanismo para crear y almacenar
nuevas bases de datos debe ser claro a la hora de establecer los
parámetros, que fueron reconocidos en la primera etapa, pues el
cumplimiento de cada parámetro garantiza la estrategia adecuada.
Siemens NX 10 cuenta con una interfaz para el manejo de base de datos. El editor
de conocimientos de mecanizado (MKE, machining knowledge editor) es la
interfaz encargada de administrar todos los datos de mecanizado, herramientas y
geometrías, en esta sección se encuentran los mecanismos empleados para
alimentar las bases de datos o bibliotecas como es denominada por el software.
50
La interfaz MKE cuenta con un sistema de librerías como muestra la Figura 44.
Interfaz MKE Figura 44.
Fuente: Autor
6.2.2.2 Definir sistemas para almacenamiento de los datos
Una vez se determinan las bases de datos y la interfaz pertinente para la
administración de cada una de las bases de datos,, se debe estandarizar el
proceso necesario para el almacenamiento de datos para cada base de datos.
Para NX 10 se ha definido el sistema de alimentación para cada base de datos:
Herramientas:
Al igual que en la programación CAM la herramienta es creada de la misma
manera asignando parámetros como diámetro, número de acanaladuras, longitud
de herramienta y acanaladura entre otros, para exportar la herramienta a la
biblioteca se asigna una referencia y muy importante establecer la clase de
destino como se muestra en la Figura 45, ya que en los procesos de mecanizado
uno de los datos iniciales es el tipo de herramienta.
Almacenamineto de herramientas en base de datos Figura 45.
51
Fuente: Autor
Geometrías:
El mecanismo para alimentar la base de datos de geometrías en NX es la
enseñanza de figuras, El éxito de la enseñanza de figuras consiste en la
identificación de los parámetros o atributos de cada geometría así mismo la
aplicación de la herramienta PMI y atributo de cara, para garantizar que sus
parámetros o atributos sean reconocidos por el sistema paramétrico, en este caso
de enseñanza el PMI se emplea para la adición de información geométrica y en su
acotación siempre se acompaña del atributo como se ilustra en la Figura 46.
Enseñanza de atributo/parametro Figura 46.
Fuente: Autor
Las tres geometrías identificadas como no reconocidas al inicio de este capítulo fueron adicionadas en la base de datos a través de la enseñanza de figuras, la Tabla 4 muestra los atributos establecidos para cada geometría y el medio empleado para su adición PMI o atributo de cara.
Tabla 4. Geometrías enseñadas
geometría Parámetros o atributos Medio de enseñanza
Chaflanes Depth top chamfer PMI
Angle top chamfer Atributo de cara
Ranura de forma libre Depth PMI
Min radius PMI
Width PMI
52
Length PMI
Side_roughness PMI
Bottom roughness PMI
Contorno circular Depth PMI/atributo de cara
Min radius PMI
Side_roughness PMI
Bottom roughness PMI
Diameter 1 PMI
Diameter 2 PMI
Fuente: Autor
Estrategias de mecanizado:
Como ya se mencionó en este capítulo el editor de conocimientos de mecanizado
(MKE) es la interfaz que permite administrar las bibliotecas o bases de datos, y es
el medio para programar estrategias de mecanizado o reglas de mecanizado como
son denominadas por el editor, para que una vez sea empleado el reconocimiento
se generen estas estrategias o reglas de mecanizado desde la biblioteca de
reglas.
Reglas de mecanizado
Una regla de mecanizado define como un geometría final de mecanizado MWF
(More Worked Feature) se pueden fabricar a partir de otra geometría inicial de
mecanizado LWF (Less Worked Feature) empleando una herramienta de corte de
determinada clase y determinada operación.
Regla de mecanizado Figura 47.
Fuente: [18]
Una regla de mecanizado es básicamente una operación de fabricación y como se
ilustra en la Figura 48, donde esta describe:
53
Cuando se admite la operación
Resultado que puede lograr (geometría, tolerancia y acabados que se
pueden lograr
Tipo de herramienta y sus condiciones de mecanizado
La Figura 48 muestra los datos en una regla seleccionada dentro de la interfaz de
programación además de la variable llamada prioridad (priority)
Datos de una regla Figura 48.
Fuente: [19]
La prioridad es el valor numérico que determina la jerarquía de una regla de
mecanizado sobre otras reglas que puedan producir el mismo mwf.
Característica de las reglas de mecanizado
Para cada regla o estrategia de mecanizado se establecen una serie de
características, inicialmente la definición del o de los materiales para los cuales se
aplica la regla y las condiciones que se definen en 4 grupos como muestra la
Figura 49.
Vista condiciones en interfaz (MKE) Figura 49.
Fuente: [19]
54
Criterios de aplicación (Application criteria)
Los criterios de aplicación establecen cuando se admite una regla de
mecanizado, en general se relacionan con el tamaño y calidad de MWF por
ejemplo rugosidades, tolerancias, un ejemplo más claro de la interfaz (MKE) se
muestra en la Figura 50 donde se asignó la rugosidad como criterio de
aplicación.
Criterio de rugosidad Figura 50.
Fuente: Autor
El ejemplo define si el valor de la rugosidad será mayor o igual a 1.6 micras
será aplicable la regla, de lo contrario se seguirá evaluando con otras reglas.
Atributos de herramienta
Los atributos de herramienta definen la herramienta (forma, tamaño), la Figura
51 es un ejemplo del diámetro de la herramienta que debe corresponder al
diámetro de la MWF y debe estar entre sus valores de tolerancias, también se
define la longitud de la herramienta que debe ser mayor que la profundidad.
Atributos para definir selección de herramientas Figura 51.
Fuente: Autor
Atributos de características antes de mecanizado ( Less Worked Feature
attribute)
55
Cuando se inicia mecanizado en blanco no se define la geometría inicial, si la
operación se va emplear en sobre otra geometría será necesario agregar
condiciones, donde simplemente se definen algunos atributos de la geometría
inicial.
Atributos de operación o procesos de mecanizado (Operarion Atrributes)
En esta condición se especifica los atributos de la operación, atributos como la
Figura 52 muestra que profundidad de la herramienta en movimiento debe ser
igual que la profundidad de la geometría final.
Atributo de operacion Figura 52.
Fuente: Autor
Las Constantes de mecanizado son valores codificados, como en la Figura 53
donde se ha condicionado la regla para ser usada únicamente cuando el diámetro
sea menor que le límite de taladrado de centros.
Constante de taladrado de centros Figura 53.
Fuente: Autor
6.2.3 Etapa 3. Generación de procesos de mecanizado con FBM
Luego de caracterizar la herramienta FBM al inicio de esta fase con la creación
del flujo de trabajo de la herramienta FBM para la generación automática de
estrategias de mecanizado a partir de reconocimiento de geométricas y su
información.
Flujo de trabajo de FBM para la automatización
El flujo de trabajo que se establece para la generación de procesos de
mecanizado de manera automática debe incluir el menor número de pasos posible
en selección de material, material en bruto, pieza de trabajo, reconocimiento del
mayor número de operaciones posibles y generación de la estrategias de
mecanizado previamente programadas, la Figura 54 muestra el diagrama para el
flujo de trabajo del proceso automatizado de generación de estrategias de
mecanizado basadas en conocimientos a partir de reconocimiento de geometrías.
56
Diagrama de flujo de proceso automatizado en NX Figura 54.
Fuente: autor
Paso 1:
En la interfaz CAM se debe seleccionar la pieza de trabajo, el material de la pieza
y el material en bruto como lo muestra la Figura 55.
Piesza de trabajo y material Figura 55.
57
Fuente: Autor
Paso 2
Para las piezas que contienen geometrías en sus diferentes vistas isométricas es
necesario la creación de nuevos sistemas de coordenadas para vista y del mismo
modo ajustar los ejes como muestra la Figura 56.
Creacion de sistemas coordenados Figura 56.
58
Fuente:[26]
Paso 3
Luego de especificar pieza y material en bruto así como la descripción del material
se debe revisar la presencia de chaflanes de contorno dentro de la pieza a
trabajar, la Figura 57 ilustra los chaflanes de contorno presentes dentro de los
recuerdos 2 y 3.
Casos de presencia de chaflanmes de contorno Figura 57.
Chaflanes rectos en contorno Chaflán en contorno
Fuente:[26]
Luego de hacer la acotación necesaria se enseñara la figura, el tipo de figura y la
regla de reconocimiento estarán cargados previamente y a medida que se
enseñen chaflanes con caras rectas se podrán usar de manera consecutiva para
el caso de enseñar uno por primera vez se emplearan las de nombre
CHAFLAN_CONT_1, para la enseñanza de un nuevo chaflán el tipo de figura será
CHAFLAN_CONT_2 en como muestra la Figura 58 y así sucesivamente.
59
Enseñanza de chaflanes en contornos Figura 58.
Fuente: [26]
Paso 4.
Revisar la presencia de cajeras abiertas no estándar dentro de la pieza, luego de
identificar estas figuras se emplea el sistema de reconocimiento de la cara y cajera
heredada como se muestra en esta fase de la metodología, y proceder a buscar
figuras, como muestra de la Figura 59, un ejemplo que se diseñó únicamente para
mostrar este paso. Las cajeras han sido reconocidas como bolsillo recto
rectangular, método especificado para reconocer estas geometrías.
Reconocimiento de ranuras no estándar Figura 59.
Fuente: [26]
60
Paso 5.
Sin cerrar la ventana de búsqueda figuras se emplea el sistema de reconocimiento
paramétrico para buscar las demás características seleccionando las casilla de
(parametric fetuares) y (sample color features) que es donde se encuentran la
características estándar y las que han sido enseñadas respectivamente. a Figura
60 muestra el sistema de reconocimiento paramétrica y la Figura 61 muestra las
geometrías reconocidas por el sistema.
Reconocimiento paramétrico Figura 60.
Fuente: [26]
61
Geometrías reconocidas Figura 61.
Fuente: [26]
Paso 4.
Crear el proceso de las caracteristicas utilizando la biblioteca empleando la
biblioteca donde se han almacenado datos de conocieminto como se muestra en
la Figura 62.
Creación de procesos de mecanizado Figura 62.
Fuente: [26]
62
Pasó 6
El último paso en la automatización es la generación de los procesos de
mecanizado y se realiza con el comando crear proceso de figura como muestra la
Figura 63.
Generacion de procesos de mecanizado Figura 63.
Fuente: [26]
6.3 Fase 3. Características y estrategias de mecanizado del proyecto
Esta fase inicia con el análisis de los productos que se desean fabricar con la
implementación de este proyecto, la Figura 64 muestra el diagrama metodológico
que se debe cumplir en esta fase.
63
Fase 3. Características y estratégias de mecanizado del proyecto Figura 64.
Fuente: Autor
6.3.1 Etapa 1. Caracterizar geometrías y su información
Para dar inicio a esta fase la etapa uno se centra netamente en el producto.
Productos para fabricación:
Para el proyecto de automatización se debe seleccionar el grupo de piezas o la
pieza que se desea fabricar, es importante especificar el tipo de material sobre el
que se va a trabajar y de la misma manera establecer el material en bruto.
Determinar características de mecanizado presentes
Para cada una de las geometrías prismáticas que están presentes en los
productos, se debe determinar su información geométrica y de precisión; a
continuación se mencionan las geometrías prismáticas que se producen a través
de estrategias de fresado y taladrado, en las que cada geometría identificada debe
ser clasificada.
Agujeros (pasantes, ciegos, de varios diámetros)
Cajeras (abiertas, cerradas)
Ranuras (en forma de u, en v. cola de milano…)
Superficies (rectangulares, redondas)
64
Escalones
Perfiles (circulares-cuadrados)
La Figura 65 es un pequeño ejemplo de algunas características de mecanizado
encontradas en una pieza, y aunque no es necesario realizar este tipo de tablas
para cada producto, si es muy importante que el programador o desarrollador del
proyecto pueda identificar las geometrías y su información.
Caracterización de geometrias Figura 65.
Fuente: Autor
La Información geométrica y de precisión (PMI) son los parámetros que se deben
conseguir con estrategias de mecanizado, profundidad, altura, diámetro, longitud,
radio, son ejemplos de parámetros de información geométrica que se deben
definir, al igual otros parámetros como tolerancias, ajustes y acabados que hacen
parte de la información de precisión.
6.3.2 Etapa 2. Almacenamiento y captura del conocimiento
En esta etapa se establecen las estrategias de mecanizado para la fabricación de
cada característica dentro del proyecto, para cada operación se define un proceso
de mecanizado y todos sus parámetros que se determinan con la experiencia y
conocimientos de la compañía y/o su programador la ¡Error! No se encuentra el
origen de la referencia. de la sección 6.1 debe ser diligenciada para cada
geometría prismática presente en la figura, una vez capturado el conocimiento se
debe almacenar como se estableció en la etapa 2 de la fase 2.
65
Las estrategias de mecanizado suelen ser fabricadas por medio de varios
procesos la secuencia de estos procesos también se debe establecer en esta
etapa. La Figura 66 es un ejemplo de secuencias que se pueden emplear en la
fabricación de un agujero avellanado.
Secuencia de estrategias de mecanizado Figura 66.
Agujero pasante
Secu
enci
a 1
secu
en
cia
2
pre-taladrado
taladrado de centros 1
agujeros
taladrado en blanco 1
taladrado sobre pre- 2
rimado
bruñido
Chaflanes
taladrado de chaflán 3 2
fresado de chaflán Fuente: Autor
6.4 Fase 4. Automatización, implementación y control
Esta fase final inicia al establecer la estandarización del proceso de
automatización de la generación de los procesos de mecanizado la Figura 67
muestra el diagrama metodológico que se debe cumplir en esta fase.
Automatizacion, implentacion y control Figura 67.
66
Fuente: autor
6.4.1 Implementación flujo de trabajo
En implementación inicial del flujo de trabajo para la automatización en las piezas
propuestas se debe evaluar el cumplimiento de:
Alcance máximo en la cantidad de geometrías prismáticas reconocidas.
Lectura correcta de información geométrica y PMI de la operación.
Estrategias generadas deben cumplir los parámetros de fabricación
establecidos en la primera fase.
Herramienta seleccionada debe ser ideal para el material que se quiere
fabricar además de sus velocidades y avances.
En la secuencia de estrategias generadas se debe evidenciar el mínimo
cambio de herramienta y la jerarquización de las operaciones mecanizadas
establecida por la compañía.
El tiempo de ejecución del mecanizado se compara con las mismas
estrategias que han sido programadas de manera manual.
67
7 CASOS DE ESTUDIO
En este capítulo se evidencia la implementación de la metodología propuesta en el
capítulo anterior, aplicándola a productos que se fabricaron mediante
programación CAM.
7.1 Caso 1. Recuerdos Cursos Universidad Católica
Los recuerdos que se fabricaron en la universidad Santo Tomas, a través de la
programación CAM realizada por el curso de CAD/CAM dirigido a estudiantes de
la universidad católica, también son empleados en esta sección
7.1.1 Características de mecanizado
Para los recuerdos 1, 2 y 3 se identificaron las siguientes geometrías:
Superficies planas
Cajeras
Chaflanes
Agujeros pasantes y ciegos
Contornos
Escalones
Ranuras de forma libre
7.1.2 Captura y almacenamiento de conocimiento y herramientas
Los conocimientos que fueron programados en el editor (MKE) fueron adquiridos
directamente de la programación CNC realizada al modelado recuerdo_1 de
manera manual en el curso dirigido a la universidad católica, en cada operación se
68
analizaron los parámetros en ajustes de trayectoria, parámetros de corte,
parámetros de movimientos sin corte y parámetros de avances y velocidades,
programando uno a uno en el editor (MKE), y la adición de las herramientas que
se evidencian en la Figura 68 se vuelve practica ya que los parámetros de la
herramienta ya se encuentran definidos en la programación manual y solo se
deben cargar en la base datos como se indicó en la sección 6.2.2.2.
Procesos de mecanizado y herramientas (recuerdo 1) Figura 68.
Fuente: Autor
7.1.3 Implementación de flujo de trabajo de FBM para la automatización
La intensión en esta sección a la hora de generar las estrategias de mecanizado
que fueron programadas en el editor MKE, es visualizar que para cada geometría
reconocida se genere de manera automática la programación de los procesos de
mecanizado con la selección adecuada de la herramienta y que los parámetros
definidos estén establecidos garantizando tiempos de mecanizado similares a los
establecidos en la programación manual.
7.1.3.1 Recuerdos
Las estrategias de mecanizado programadas de forma manual para el recuerdo_1
se ilustran en la Figura 69, además de sus herramientas, y tiempos de
mecanizado.
69
Estrategias programadas de forma manual Figura 69.
Fuente: Autor
7.1.3.2 Selección de la herramienta
En la Figura 70 se muestra las estrategias de mecanizado basadas en los
conocimientos del curso CAD/CAM que se generaron empleando el flujo de
trabajo de la herramienta FBM, comparando estas estrategias con las que se
programaron de forma manual se evidencian tres ítems muy importantes:
Herramientas: cada herramienta generada a través de FBM en cada
estrategia es seleccionada de manera correcta.
Tiempo de mecanizado: la sumatoria de los tiempos de mecanizado para
las estrategias generadas por FBM en este caso es idéntica, un tiempo de 6
minutos y 12 segundos, y 1 minuto y 11 segundos en alistamiento, cambio
de herramientas y movimientos sin corte, a pesar que algunas estrategia
aumentan unos segundos la reducción en otras logro compensar el tiempo,
esto debido a que la estrategia de piso y pared prioriza el control de la
forma de región de corte.
Geometría: cada estrategia muestra la geometría que fue reconocida
previamente a la generación de estrategias.
NOTA: Los procesos generados de manera automatizada si bien cumplen con la
jerarquía en cada característica, para cada geometría es necesario organizar los
procesos de mecanizado de en función de la jerarquía de operaciones.
Estrategias generadas de forma automatizada-recuerdo_1 Figura 70.
70
Fuente: Autor Al igual que el recuerdo 1, para los recuerdo 2 y 3 también se logra identificar cada
geometría con la lectura correcta de su información, para posteriormente generar
de manera automatizada las estrategias de mecanizado mostradas en la ¡Error!
No se encuentra el origen de la referencia. y ¡Error! No se encuentra el origen
de la referencia..
Estrategias generadas de forma automatizada-recuerdo_2 Figura 71.
Fuente: Autor
Estrategias generadas de forma automatizada-recuerdo_3 Figura 72.
71
Fuente: Autor
7.1.3.3 Tiempo estimado de mecanizado
Se evidencia mediante la generación de las estrategias de mecanizado a través de la implementación del flujo de trabajo de FBM, el logro de reducir el tiempo estimado de mecanizado gracias a la optimización en la trayectoria de la herramienta de corte que genera FBM al realiza grupos de características del mismo tipo, en este caso superficies planas, para generar una única operación que permita la fabricación de ese grupo de características.
La Figura 73 muestra los tiempos y trayectorias definidas al generar las estrategias programadas de forma manual.
Trayectotias de superficies-programacion manual Figura 73.
72
Fuente: Autor
La sumatoria de los tiempos para las superficies planas de la Figura 73 es de 1 minuto y 35 segundos, en cambio al emplear el flujo de trabajo de FBM, se evidencia en la generación de estrategias de mecanizado Figura 74, como se unifica el proceso de mecanizado para este grupo de superficies planas, estableciendo un tiempo estimado de mecanizado de 1 minuto y 23 segundos, una pequeña reducción de 12 segundos, se produce una eliminación de tiempos de no corte en la trayectoria optimizada que se generó.
Trayectotias de superficies-programacion automatizada Figura 74.
Fuente: Autor
73
7.1.4 Adaptación de metodología a cambios en el diseño
Para evidenciar la influencia del uso del PMI en relación a la lectura de información cuando se presentan cambios de diseño y la adaptación que hace la herramienta FBM para generar las estrategias de mecanizado apropiadas, se realiza una pequeña modificación en el diseño del recuerdo 1, más específicamente en el agujero donde el diámetro ha aumentado, también se le asignó una rugosidad de 0.4 micras y un ajuste H7 como muestra la Figura 75.
Cambio en diseño de recuerdo 1 Figura 75.
Fuente: Autor
Implementando el flujo de trabajo de la herramienta FBM, se generan las estrategias de mecanizado establecidas en el editor de conocimientos de mecanizado (MKE) apropiadas como punteado y rimado como indica la con la selección de herramientas de la Universidad Santo Tomás, el proceso de rimado permite obtener una rugosidad de 0.4 micras a 0.8 micras herramientas seleccionada como la rima H7 de 8mm.
Procesos para agujero H7, rugosidad 0.4 micras Figura 76.
Gracias a la implementación de KBM, la metodología responde a cambios en el diseño estableciendo procesos de mecanizado capaces de cumplir con la información de diseño y manufactura de la pieza estableciendo herramientas y tiempos estimados de mecanizado
74
7.2 Caso 2. Producto Industrias Besttech LTDA
Se ha desarrollado una metodología para la automatización de los procesos de
mecanizado empleado FBM y KBM en el software. Para verificar la metodología
propuesta en el sector industrial, la compañía Besttech Ltda de Bogotá, esta ha
facilitado una pieza mostrada en la Figura 77, esta pieza es una brida de sujeción
empleada en la fabricación de radiadores, además de esto la compañía ha
facilitado información de sus herramientas de corte y de los procesos de
manufactura que emplean para la fabricación de geometrías presentes en este
tipo de bridas.
Bridas de sujeción Figura 77.
Fuente: Besttech ltda
7.2.1 Geometrías prismáticas y su información
Este elemento de sujeción empleado en el ensamble de radiadores, es fabricado
en acero 4340 y consta de caracterizas de mecanizado:
Muesca esquinera con radios
Cajera abierta
Agujero ciego
Agujero pasante abocardado
Muesca esquinera
Ranura recta
Ranura en forma de u
La Tabla 5 muestra las geometrías y los parámetros acotados por medio del PMI
para alimentar la base de datos de geometrías.
Tabla 5. Muescas y sus parámetros para enseñanza
Muesca esquinera con radios Parámetros
75
DEPTH (profundidad)
RAIDIUS (radio)
WIDTH (ancho)
BOTTOM ROUGHNESS (RUGOSIDAD DEL SUELO)
SIDE ROUGHNESS (RUGOSIDAD EN PAREDES)
Fuente: Autor
Atributo de cara paracajera abierta Figura 78.
Fuente: Autor
Con el fin de garantizar el reconocimiento y la lectura correcta y completa de las
geometrías y su información para la cajera abierta es necesario agregar atributos
de cara, ya que, esta geometría debe ser reconocida por el sistema de
reconocimiento de cara y cajera heredada, la Figura 78 ilustra el atributo de cara
profundidad para la cajera abierta, el atributo ancho (WIDTH)
7.2.2 Captura y almacenamiento de conocimientos de mecanizado
Captura de conocimientos
La compañía industrias Besttech Ltda ha suministrado información acerca de sus
conocimientos en los procesos de mecanizado empleados para la fabricación de
cada geometría, esta información ha sido capturada a través del diligenciamiento
de la Tabla 3, la Figura 79 muestra los parámetros de las estrategias de
mecanizado para el proceso de desbaste de la cajera abierta presente en la pieza.
Estrategias de mecanizado cajera abierta Figura 79.
76
Fuente: Autor
Para los procesos de acabado de la cajera abierta, al igual que para las demás
características de mecanizado presentes en la pieza, se logra la captura de los
conocimientos, situación que se evidencia en: Parámetros de estrategias de
mecanizado brida
Anexo B. Parámetros de estrategias de mecanizado brida
Todos los conocimientos que se logran capturar para la fabricación de la brida son
programados en el editor de conocimientos de mecanizado (MKE), los parámetros
de las estrategias para la geometría cajera abierta se muestran en la Figura 80.
Parámetros programados en MKE (cajera abierta) Figura 80.
X
50
0
0
0,20,2
100
> = (ancho/2)
> (profundidadx5)
Overhang
Longitud de corte (mm):
% diámetro (Dc)
270
Demasía (mm) Suelo: Pared:
PARAMETROS DE LAS ESTRATEGIAS DE MECANIZADO
Área
Abierta
Material
Geometría
Dirección de corte
Profundidad de corte (mm)
Proceso Desbaste
Acero 4340
Cajera abierta
Rampa helicoidal:
Clavada:
Lineal:
A favor
Step over pasadas de acabado
Diámetro (mm):
Entrada de la
herramienta Rampa lineal:
Tangencial:
Cerrada
Herramienta
Fresa de 6 mm
% diámetro (Dc)
# de pasadas
% diámetro (Dc)
Rotación de la herramienta
2400
EsquinasVelocidad de rotación (RPM)
Velocidad de corte/avance (mmpm)
0,2
Pasadas de acabado
Step overPatrón de corte Seguir la periferia
77
Fuente: Autor
Las estrategias de mecanizado son programadas para cada proceso de desbaste
y acabado en el editor de conocimientos de mecanizado (MKE).
7.2.3 Herramientas de corte
Las herramientas de corte para cada proceso de mecanizado fueron definidas
como parte del conocimiento en industrias Besttech Ltda la Tabla 6 muestra las
herramientas para la fabricación de la brida.
Tabla 6. Herramientas brida 1
Geometría op Proceso Herramienta
78
escalón con radios
1 desbaste fresa-4 insertos Ø40mm
2 acabado piso fresa Ø10mm
3 acabado pared fresa Ø4m
Agujero ciego 4 taladrado de centros broca de centros #2
5 taladrado de ciclos broca Ø3,5mm
Cajera abierta 6 desbaste fresa Ø6mm
7 acabado fresa Ø4mm
agujero pasante
8 taladrado de centros broca de centros #4
9 taladrado de ciclos broca Ø6mm
10 abocardado escariador 8mm
escalón
11 desbaste fresa-4 insertos Ø40mm
12 acabado piso fresa Ø12mm
13 acabado pared fresa Ø12mm
ranura recta 14 desbaste fresa Ø6mm
ranura en forma de U 15 desbaste fresa Ø5mm
Fuente: Autor
7.2.4 Implementación de flujo de trabajo de FBM para la automatización
En esta sección se encuentra la aplicación de la automatización de la
programación de los procesos de mecanizado basados en los conocimientos de la
compañía industrias Besttech Ltda sobre su pieza de fabricación.
Del mismo modo que se programaron los conocimientos de la compañía en el
editor (MKE), también se emplearon estos conocimientos para realizar la
programación de los procesos de mecanizado de forma manual o tradicional, la
Figura 81 muestra los tiempos de mecanizado, las herramientas y los procesos de
mecanizado realizados de la forma manual para cada brida de sujeción.
Programación manual brida Figura 81.
79
Fuente: Autor
Las estrategias generadas de manera automatizada para la brida se ilustran en la
Figura 82, es claro que las geometrías fueron identificadas en su totalidad además
que generar cada proceso de la manera correcta seleccionando parámetros y
herramientas establecidas en los conocimientos además de los tiempos de
mecanizado, tiempo que para la brida 1 se logró comprobar de manera directa ya
que en el momento de realizar la visita a la compañía el centro de mecanizado se
encontraba en la fabricación de esta, la Figura 83 muestra la brida fabricada, el
tiempo que se estimó es aproximadamente 1 hora y 45 minutos.
Estrategias generadas de forma automatizada Figura 82.
Fuente: Autor
80
Brida 1 mecanizada en acero 4340 Figura 83.
Fuente: Industrias Besttech LTDA
7.2.4.1 Adaptación de la metodología a conocimientos de la compañía
La compañía propone operaciones de acabado para evitar el alto desgaste de la
herramienta pues en algunas características herramientas de diámetros pequeños,
menores a 10 mm definen el perfil de la geometría, pero emplearla para remoción
de grandes volúmenes desgastaría excesivamente la herramienta.
Se emplean operaciones de desbaste con diámetros grandes de herramienta para
la remoción de grandes volúmenes y operaciones de acabado con diámetros
pequeños.
Para cumplir con el requerimiento de la compañía de cuidar sus herramientas, la
regla de mecanizado se condiciona al maximo de rugosidad optenida por fresado
(constant.Achievable_Rouhness_Mill_rough) que es 6,3 micras, para piso y pared.
La Figura 84 muestra que para una rugosidad menor a 6,3 micras se deben
emplear operaciones de acabado que tambien son programadas en el editor
(MKE).
81
Regla de desbaste Figura 84.
Fuente: Autor
La Figura 85 muestra el reconocimiento de información asignada en el PMI, la
rugosidad de 6,2 micras, y también otros parámetros reconocidos.
Lectura de PMI ajustado Figura 85.
Fuente: Autor
La implementacion de KBM permite adaptarse a los conocimientos de la
compañía, para establecer procesos de mecanizado que permitan remociones de
la maxima cantidad de material posible con herramientas de diámetros grandes,
antes de emplear herramientas pequeñas para definir perfiles de la geometría, la
Figura 86 muestra las operaciones de desbaste y acabado generadas para la
ranura con radios.
Operaciones de acabado y desbaste con FBM Figura 86.
Fuente: Autor
82
7.2.4.2 Interpretación de la pieza de trabajo en cada geometría
La herramienta FBM de NX garantiza la correcta interpretación de la pieza de
trabajo en proceso, como muestra la Figura 87 se interpreta que la zona señalada
hace parte de le geometría, escalón con radios y para la generación de las
estrategias de mecanizado se tiene en cuenta esta sección garantizando entradas
de la herramienta para ese punto evitando colisiones de la herramienta. Situación
que puede ser confusa para la programación manual pues es necesario que el
programador dibuje partes del material en bruto, para lograr una correcta
interpretación, de lo contrario se pueden generar errores al momento de generar
las estrategias de mecanizado.
Pieza de trabajo en proceso Figura 87.
Fuente: Autor
7.2.4.3 Selección de velocidades y avances
Para la compañía que establece la velocidad de avance y las RPM del husillo para
cada diámetro de herramienta se establece un rango de velocidades para dichos
diámetros. Y ya que la compañía facilita estos datos, se programa el cálculo de la
velocidad de corte (ecuación 4) y avance por diente (ecuación 5) en función del
diámetro de la herramienta como lo muestra la Figura 1 .
83
Ecuación 4. Velocidad de
corte
(
)
Fuente: [23]
Ecuación 5. Avance por diente
Fuente: [23]
Avances y velocidades en funcion de la herramienta Figura 88.
Fuente: Autor
Gracias a la implementación de KBM, avances y velocidades son seleccionados
de manera automática adaptándose a las condiciones de la herramienta
seleccionada.
7.2.4.4 Reducción en toma de decisiones del programador
Con el fin de medir el porcentaje en el que el proceso de generación de
estrategias de manera automatizada ha reducido la interacción del programador
en comparación a la gran interacción que hace el programador al realizar la
programación de forma tradicional o manual, partiendo del número de veces en
que el programador emplea el mouse o el teclado, una interacción será un clic o
una tecla oprimida, se realizó el conteo tanto para la programación de forma
manual y automatizada para cada brida, resultado obtenidos se evidencia en la
Tabla 7.
Tabla 7. Conteo interacciones del programador
Método # interacciones brida 1
Programación manual 1022
Metodología para la automatización 138
Fuente: Autor
Las interacciones del usuario a la hora de generar operaciones, para las dos
piezas la reducción de interacciones entre el método manual y el método
automático esta entre el 86% para la brida.
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8 Conclusiones
1. La implementación de la metodología propuesta incide de manera
realmente positiva, en la reducción del tiempo de programación de los
procesos de mecanizado y de la misma manera la reducción de la
intervención del programador pues se logra la generación de múltiples
procesos con pequeñas intervenciones por parte del programador sin que
este se vea involucrado en toma de decisiones.
2. La reducción en las intervenciones por parte del programador fue de un 86
%, logrando así un 6% más del propuesto por el fabricante del software.
3. La posibilidad de estandarizar geometrías que no son reconocidas por el
software, es una gran ventaja para las compañías dedicadas los
mecanizados, pues a medida que crecen las geometrías estándar en su
base de datos con nuevos proyectos, también crece su índice de
estandarización de procesos de manera que el tiempo de programación que
se empleaba antes de la automatización puede ser empleado en
geometrías más complejas.
4. Es importante que el desarrollador del proyecto de automatización tenga
conocimientos en procesos de mecanizado y en programación de control
numérico, ya que, esto facilita la comprensión de la metodología propuesta,
de la herramienta FBM y la programación de los procesos de mecanizado y
sus estrategias dentro de la base de datos.
5. También es indispensable que se tenga muy claro el tipo de geometrías
prismáticas existentes sus parámetros y su sistema coordenado, pues
dependiendo de la posición dentro de la pieza el eje de la herramienta
cambiará con relación a las caras de la geometría.
6. En la implementación de la metodología se recomienda realizar el análisis
del almacenamiento de los procesos de mecanizado, en bases de datos de
forma paralela con la programación tradicional porque esto facilita la
programación de las diferentes estrategias de mecanizado en bases de
datos.
7. FBM es una herramienta muy valiosa para ambientes de fabricación donde
existen cambios constantes de diseño y dimensionales, pues al estar
programados los parámetros de las estrategias de mecanizado en función
de la información geométrica y de precisión, se logra cambios directos en
los procesos de mecanizado con las modificaciones de diseño sin ningún
tipo de intervención por parte del programador.
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8. Gracias a la agrupación de geometrías del mismo tipo que realiza
internamente FBM para unificar procesos de mecanizado, se obtienen
trayectorias optimizadas reduciendo tiempos de no corte y tiempos
estimados de mecanizado.
9. El mecanizado basado en conocimiento (KBM) es una herramienta muy
importante para lograr que los procesos de mecanizado se adapten a los
cambios en diseño, esto es de gran utilidad en ambientes de trabajo donde
constantemente se presentan cambios en el diseño, además el uso de esta
herramienta permite que FBM se adapte a secuencias de operaciones que
establezca la compañía y la generación de las velocidades y avances
pertinentes para cada herramienta.
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