Mill+: fresaketa egonkor eta kalitatezkoentzako tresna

Gipuzkoako Ingeniaritza Eskola (EHU). CFAA Fabrikazio Aeronautiko Aurreratuko Zentroa (EHU).

Institute of Advanced Materials for Sustainable Manufacturing, Tecnológico de Monterrey.

Zabaldu:
Twitter
Facebook
Emaila

Fabrikazio mekanikoak, bereziki mekanizazioak, erronka handi bati egin behar dio aurre: bibrazioek produktibitatea mugatzen dute, eta gainazal-akabera txarra eragin. Euskal Herriko Unibertsitateak eta Monterreyko Teknologikoak Mill+ aplikazioa garatu dute, fresaketaren egonkortasuna eta gainazal-kalitatea ebaluatzeko eta, hala, erabakiak fidagarritasunez eta eraginkortasunez hartzen laguntzeko.

Fresaketa ohikoa da fabrikazio mekanikoan, eta piezari balio gehien ematen dion prozesuetako bat da. Baina bibrazioekiko oso sentikorra da; bereziki, chatter izeneko bibrazioak larriki arriskutsuak izaten dira piezentzat. Arazo hori gertatzen da ebaketa-sistemak ez duelako zurruntasun edota moteltze nahikoa ebaketa baldintza jakin batzuetan egiten denean. Fenomeno horrek, zarata eragiteaz gain, piezaren kalitatea okertzen du, eta erremintaren bizitza erabilgarria laburtzen. Chatter fenomenoa gertatzen denean, ebaketa-erremintaren bibrazioek lan-gainazala zakartzen dute, edo irregulartasunak eragiten dizkiote; bestalde, erreminta azkarrago higatzen da eta, beraz, produktibitatea murriztu egiten da, eta prozesuaren kostuak handitu [1-3].

Nahiz eta bibrazioen arazoa aspaldikoa izan, gaur egun erronka berriak planteatzen ditu, estandar handiagoak ziurtatu behar direlako mekanizazio-prozesuetan. Ebaketa-sistema aldatu ezin denean edo aldatu nahi ez denean, ebaketa-parametroak aldatzea da konponbidea. Hori da jarraian aurkeztuko dugun aplikazioa erabiltzeko argudio nagusia.

Zer da Mill+ eta nola konpontzen du chatter bibrazioen arazoa?

Euskal Herriko Unibertsitateak [4,5] eta Monterreyko Teknologikoak [6] urte askotako elkarlanari esker garatutako aplikazioa da Mill+, eta fresaketan gertatzen diren bibrazioak aurreikusteko eta kontrolatzeko diseinatuta dago. MATLAB App Designer inguruneko interfaze baten bidez, egonkortasun-mapak eskaintzen ditu, langileak ebaketa-parametro egokienak hautatu ditzan; adibidez, buru nagusiaren biraketa-abiadura (\(n\)) eta ebaketa-sakonera axiala (\(a_p\)) kalkulatzeko. Mapa horiek prozesu egonkorra edo bibrazio desatseginak eragiten dituzten parametro-konbinazioak erakusten dituzte, (\(n\) ,\(a_p\) ) bikotea batez ere.

1. irudia. Mill+ aplikazioa: simulazioaren prestaketa, parametro nagusiak finkatzen.

Mill+ aplikazioaren funtzioak

Fresatze-prozesu eraginkorra eta kalitate handikoa lortzeko, ezinbestekoa da ebaketa-parametro egokiak hautatzea. Parametro horiek, hala nola biraketa-abiadura, hortz bakoitzeko aitzinapena eta ebaketa-sakonera, zuzenean eragiten dute piezaren kalitatean, produktibitatean eta erreminten iraunkortasunean. Parametro horietan oinarriturik, berriak sortzen dira, landuagoak (eta aurreikusi daitezkeenak): aldagai batzuek —ebaketa-potentzia, ebaketa-indarrak, txirbil-emaria, gainazalaren zimurtasuna…— funtsezko papera betetzen dute.

Aldagai horiek ulertzeak eta kontrolatzeak, produktibitatea handitzen lagundu ez ezik, fresatze-prozesuaren egonkortasuna eta kalitate orokorra bermatzeko aukera eskaintzen du.

Horrenbestez, garatutako tresnak simulazio-gaitasun hauek eskaintzen ditu:

Aldagai anitzeko bistaratzea. Hautatutako ebaketa-parametroekin lortuko den egonkortasuna eta gainazal-zakartasuna aurreikusteko aukera ematen du. Horrela, operadoreak aurreikus dezake prozesua egonkorra izango den eta zein akabera lor daitekeen. Horrek egonkortasunaren eta gainazal-kalitatearen arteko oreka bilatzen laguntzen du; izan ere, kontuan hartu behar da bi alderdi horiek desberdinak direla. Produktibitatearen (edo txirbilaren kentze-tasaren) eta piezaren gainazal-akaberaren arteko oreka bat bilatu behar da. Noski, azken horrek garrantzi handiagoa hartzen du akabera-prozesuetan.

2. irudia. Emaitzak: koloretako egonkortasun-mapak (ezkerrean) eta aldagai anitzeko bistak (eskuinean).
Indar dinamikoen kalkulua. Aplikazioaren bidez, ebaketa-indarrak simula daitezke sareko edozein puntutan. Horrela, denboran zeharreko indar dinamikoen bilakaera ikus daiteke. Gainera, indarren profilean Fourierren transformazio azkarra (FFT) aplikatzeko aukera ematen du, chatter fenomenoa gertatzen den edo ez zorrotz zehazteko. Irizpidea honako hau da: FFTan indarren une gorenak hortzen arteko kolpeen maiztasunen biderkagarriekin bat badatoz, prozesua egonkorra da eta fresaketan bibrazio behartua dago (berezkoa da hori fresaketan). Aldiz, une gorenak kolpe-maiztasunetatik (eta horien biderkagarrietatik) aldentzen hasten badira eta sistemaren berezko maiztasunen inguruan agertzen badira, horrek chatter fenomenoa dagoela adierazten du.
Produktibitatearen eta kalitatearen optimizazioa. Optimizazioa izeneko fitxak produktibitatearen eta gainazal-akaberaren kalitatearen arteko oreka aurkitzea ahalbidetzen du. Aplikazioaren erabiltzaileak puntu optimo baten kokapena (\(n\) eta \(a_p\) koordenatuak) doitu dezake, berak hasieran definitutako balio-mugen arabera: txirbilaren kentze-tasa edo txirbil-emaria (puntu urdinak) eta helburutzat hartutako gutxieneko zimurtasuna \(R_a\) (puntu moreak). Bi baldintza horietatik abiatuta, puntu bat iradokitzen da diagraman. Irudian, hasierako puntua (gorria) maparen erdian ikusten da, eta azken puntu optimoa (berdea) bi ezaugarri horien arteko orekarik onena lortzen saiatzen da.

3. irudia. Produktibitatearen eta kalitatearen optimizazioa: orekaren bila.

Nori zuzenduta dago Mill+?

Mill+ aplikazioaren helburua da erabilgarria izatea bai industria-arloko profesionalentzat bai esparru akademikoan —ikasleentzat—. Profesionalek analisi azkar bat egin ahal izango dute fresatze-operazioen aurretik, eta parametroak optimizatu eta akatsak egiteko probabilitatea murriztu ahal izango dute; aplikazioa erabilerraza da, eta ez da prestakuntza handirik behar lan-fluxuan integratzeko. Arlo akademikoari dagokionez, Monterreyko Teknologikoan eta Euskal Herriko Unibertsitatean erabiltzen da jada, fresatze-prozesuko bibrazioei eta egonkortasunari buruzkoak irakasteko; hala, ebaketa-parametroek erreminten eta lan-piezen portaeran nola eragiten duten ikusi eta azter dezakete, eta teoria hobeto ulertu eta egoera praktikoetan aplika dezakete.

Bibliografia

[1] Tlusty, J., Polacek, M. The stability of machine tools against self-excited vibrations in machining. International Research in Production Engineering Conference, 1963, pp. 465-474.

[2] Altintas, Y. Manufacturing Automation: Metal Cutting Mechanics, Machine Tool Vibrations, and CNC Design, 2012, Cambridge University Press.

[3] Schmitz, T., Smith, K. Machining Dynamics: Frequency Response to Improved Productivity. Springer, 2009.

[4] Urbikain, G., Artetxe, E., López de Lacalle, L.N., Numerical simulation of milling forces with barrel-shaped tools considering runout and tool inclination angles. Applied Mathematical Modelling, 2017, vol. 47, pp. 619–636.

[5] Urbikain G. Modelling of static and dynamic milling forces in inclined operations with circle-segment end mills. Precision Engineering, 2019, vol. 56, pp. 123–35.

[6] Olvera D., Elías-Zúñiga A., Martínez-Alfaro H., López de Lacalle L.N., Rodríguez C.A., Campa F.J. Determination of the stability lobes in milling operations based on homotopy and simulated annealing techniques. Mechatronics, 2014, vol. 24(3), pp. 177–85.