Proyectos con Latinoamerica

Proyecto de colaboración

Control de la deformación de microherramientas en los procesos de micromecanizado

Proyecto en colaboración entre la Universidad Politécnica de Madrid y la Universidad de la Frontera (Chile)

Breve descripción del proyecto.

El proyecto tiene como finalidad el control de las deformaciones de las herramientas que por su reducido tamaño sufren deformaciones que originan errores en la fabricación de micropiezas. Estas deformaciones dan lugar a que las piezas a producir se obtengan con una sobredimensión que las aleja de su dimensión final. El control de estas deformaciones se va a realizar inicialmente off-line mediante el modelado y la simulación del proceso y on-line mediante la actuación de un sistema piezoeléctrico y de un sistema de control numérico que van a corregir las trayectorias y las velocidades de las herramientas.

Las herramientas a utilizar son del tipo de fresa con diámetros de dos filos de 0,1 a 0,3 mm de diámetro y también de herramientas de filo único con dimensiones en la punta del mismo orden.

De esta manera se conseguirá un incremento de la precisión de los componentes fabricados y una mayor seguridad en el proceso.

Participantes de las instituciones.

Los participantes por parte de la Universidad Politécnica de Madrid serían:

· Antonio Vizán Idoipe

· Juan de Juanes Márquez Sevillano

· José Ríos Chueco

· Jesús María Pérez García

· Juan Carlos Matías Hernández

· Ramón San Miguel Carrasco

· Javier Tena Pérez

Por parte de la Universidad de la Frontera (UFRO) (Chile)

·

· Eduardo Ignacio Díez Cifuentes

· Renato A. Hunter Alarcón

· Mario Andrés Guzmán Villaseñor

 

Antecedentes del proyecto.

Una de las evoluciones más aceleradas que actualmente se está produciendo, es en relación con la reducción del tamaño de las piezas individuales (micropiezas) y también con la reducción en las formas geométricas contenidas en piezas más grandes. Algunos de los procesos actuales basados en láser, electroerosión o por deposición no llegan a alcanzar la precisión que alcanzan los procesos de mecanizado. Por este motivo sigue siendo de gran interés el estudio de los procesos de micromecanizado con herramientas.

La micropiezas con objetos que son difíciles de manipular, dado que no forman parte de una base o sustrato que permita manejarlas con facilidad. Este aspecto dificulta todavía más el mecanizado de micropiezas individuales.

Aunque la identificación de la deformación de las herramientas viene siendo un tema que se estudia desde hace tiempo, no se ha conseguido su corrección en tiempo real en una máquina y mucho menos en el caso de microfabricación.

En algunos casos las fuerzas generadas durante el mecanizado provocan también la deformación de la pieza con efectos similares.

El control de las deformaciones de piezas flexibles es un tema menos estudiado y ha sido abordado en el marco de un proyecto AL14-PID-19, obteniéndose resultados interesantes (artículo 1 de la siguiente lista). Esta experiencia se trata de trasladarla al control de deformación de herramientas que aunque tiene ciertos aspectos comunes tiene características propias. Con ello se asegura la viabilidad del proyecto y la continuidad de las relaciones con el equipo de la Universidad chilena.

Por lo tanto el incremento continuo de la precisión y la reducción de tamaño de las piezas obliga a controlar la deformación de las herramientas y de las piezas.

La mejora de esta precisión hasta un cierto límite se puede realizar empleando procedimientos convencionales de mecanizado en base a una selección adecuada de sus condiciones de mecanizado. Pero estos procedimientos penalizan apreciablemente los tiempos de producción y por lo tanto la eficiencia proceso ya que utilizan condiciones muy conservadoras de mecanizado. A además no evitan del todo los errores consecuencia de la deformación.

La optimización de estas estrategias fuera de línea del proceso ha permitido mejorar la eficiencia, pero el modelo de mecanizado en el que se basa necesita de ser actualizado constantemente a las condiciones del proceso y a los materiales que en cada momento se están procesando.

Una alternativa que puede abordarse es la de permitir la compensación de las deformaciones mediante la utilización de un sistema activo que corrija la posición relativa de la pieza-herramienta y su velocidad según sea su deformación. Es en esta dirección, en la que se va a plantear en este proyecto.

En este sentido ya se han hecho trabajos conjuntos con la Universidad chilena y se han desarrollado modelos completos de comportamientos de la herramienta en relación con los errores de alabeo. También y en relación con este tema, se han diseñado un sistema de actuación piezoeléctrica que han actuado sobre el posicionamiento de la herramienta para corregir errores de alabeo inferiores a 10 μm, a la frecuencia de rotación de la herramienta.

El proyecto que se presenta por lo tanto es una continuación de la colaboración entre la UPM y la UFRO (Universidad de la Frontera) para la extensión de los sistemas hasta ahora desarrollados a la resolución de otras problemáticas de microfabricación.

Esta colaboración continuada ha dado lugar a la formación de 4 doctores, profesores de la Universidad de la Frontera, y actualmente a la codirección de dos tesis. Estos doctorados se han realizado en el marco de los siguientes proyectos del Plan Nacional:

• Desarrollo, optimización y control del proceso de microlimado. MICROLIM. (DPI2009-14535)

• Integración de tecnologías de microfabricación y micromontaje. MICROFAB. DPI2005-08932-C02-02

• Diseño y fabricación de microcomponentes para fluídica mediante tecnologías emergentes. MICROFLU.

Las publicaciones que han resultado de esta colaboración (los miembros de la Universidad de la Frontera están subrayados), han sido:

1. Diez E., Perez H., Marquez J.J., Vizan A., Feasibility study of in-process compensation of deformations in flexible milling. International Journal of Machine Tools and Manufacture, Volume 94, 1-14, 2015. Q1.

2. Hilde Perez, Eduardo Diez, Juan de Juanes Marquez, Antonio Vizan. Generic Mathematical Model for Efficient Milling Process Simulation, Mathematical Problems in Engineering, vol. 2015, article ID 875045, 10 pages. doi:10.1155/2015/875045. Q2.

3. H. Pérez; E. Diez; J.J. Márquez; A. Vizán, An enhanced method for cutting force estimation in peripheral milling. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, DOI 10.1007/s00170-013-5153-0. Q2.

4. Diez E., Perez H., Guzman M., Vizan A., An improved methodology for the experimental evaluation of tool runout in peripheral milling. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Volume 65, Issue 1 (2013), Page 283-293. Q2.

5. E. Diez Cifuentes, H. Pérez García, M. Guzmán Villaseñor, A. Vizán Idoipe, Dynamic análisis of runout correction in milling. International Journal of Machine Tools and Manufacture. Vol.50. pages 709-717 2010. Q1.

6. H. Pérez, J. Ríos, E. Díez, A. Vizán, Fixture knowledge model development and implementation based on a functional design approach. Robotics and Computer Integrated Manufacturing Volume 24, Issue 2, 1 April 2008, Pages 187-199. Q2.

7. H. Pérez, J. Ríos, E. Díez, A. Vizán, Increase of material removal rate in peripheral milling by varying feed rate. Journal of Materials Processing Technology 201 (2008) pp 486-490. Q1.

8. H. Pérez, A. Vizán, J.C. Hernández, M. Guzmán, Estimation of cutting forces in micromilling through the determination of specific cutting pressures. Journal of Materials Processing Technology 190 (2007) pp 18–22. Q1.

9. R. Hunter, J. Ríos, J. M. Pérez, A. Vizán, A functional approach for the formalization of the fixture design process. Intl. Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 46, nº 3, pp 683-697, (2006). Q1.

10. Hunter R.; Vizán A.; Pérez J.; Ríos J.; Knowledge model as en integral way to reuse the knowledge for fixture desing process. Journal of materials processing Technology, Vol. 164, May 2005, P. 1510-1518. Q1.

También se ha presentado ponencias conjuntas en más de 20 congresos internacionales.


Objetivos del proyecto.

Los objetivos del proyecto son:

1. Desarrollo de un modelo de mecanizado para microfresas considerando su deformación. Con este modelo es posible simular el proceso y optimizar fuera de línea las condiciones de mecanizado en orden de mejorar la precisión de las piezas fabricadas.

2: Desarrollo y construcción de un sistema de control de deformaciones producidas durante el mecanizado. Con ello se pretende en tiempo real actuar sobre la máquina para corregir parcialmente las deformaciones y mejorar la precisión de la piezas.

Actividades previstas.

Las actividades más importantes a realizar se van a dirigir hacia el desarrollo de un modelo de mecanizado que considere la deformación que se produce en la herramienta durante el mecanizado y el desarrollo de un sistema que permita controlar esta deformación.

Para ello se parte de los desarrollos ya realizados en los que se consideraba la deformación de la pieza y que suponen un buen punto de partida para el presente proyecto.

Por lo tanto las actividades principales a desarrollar, serán:

Actividad 1: Desarrollo de un modelo de mecanizado considerando la deformación de la herramienta.

Actividad 2: Desarrollo y construcción de un sistema de control de la deformación de la herramienta.

Actividad 3: Elaboración de publicaciones con los resultados del proyecto.

La actividad 1 tiene como finalidad desarrollar un modelo donde se incorpore la deformación de la pieza. Las fuerzas desarrolladas durante el mecanizado deforman la pieza dando lugar a una variación en el ancho de corte. En el caso de las microfresas además se produce un incremento de las tensiones en la herramienta que con frecuencia provocan la rotura de las mismas. Este problema se ve agravado por la existencia de errores de alabeo que provocan incrementos importantes de las fuerzas de corte muy superiores a las estimadas con el correspondiente efecto negativo que se acaba de indicar.

A partir del modelo a desarrollar se podrá simular el efecto que para una determinada herramienta y material de la pieza, se tendrá en relación con la precisión del mecanizado y la solicitación de la herramienta.

Estos trabajos se van a realizar fundamentalmente en la UPM con la colaboración de la Universidad de la Frontera.

La actividad 2 se dedica al diseño y construcción de un sistema de control de la deformación de la herramienta y de sus consecuencias. En este sentido se realizarán dos actuaciones paralelas: el desarrollo de un actuador piezoeléctrico que desplace incrementalmente la pieza para variar el ancho de corte o el desarrollo de un control adaptativo que actúe sobre la velocidad de avance de la herramienta.

La actuación de ambos sistemas se basará en el modelo desarrollado en la actividad anterior.

Esta actividad se realizará en la UPM y en la UFRO ya que se desarrollarán dos sistemas.

La actividad 3 se dedicará a la elaboración de publicaciones asociadas a los resultados obtenidos. Se espera realizar un artículo en una revista JCR.

Esta actividad se realizará en la UPM y en la UFRO.

Cronograma trabajo año 2016:

Enero- Septiembre:

-Tarea 1. Desarrollo del modelo de mecanizado con piezas deformables.

-Tarea 2. Ensayos de validación del modelo.

Abril-Noviembre:

-Tarea 3. Desarrollo del sistema de control activo de la deformación de la herramienta.

Septiembre-Noviembre:

-Tarea 4. Elaboración de ponencias de congreso (previsto y ajustable a la convocatoria del congreso).

Noviembre-Diciembre:

-Tarea 5. Elaboración del artículo.

Resultados esperados.

Los resultados del proyecto serán:

Desde el punto de vista científico:

1. El desarrollo de sistema físico de control de las deformaciones de herramienta que se producen en las piezas durante el mecanizado.

Y desde el punto de vista de la difusión de los resultados:

2. Elaboración de un artículo JCR y la participación en dos congresos