Análisis de desgaste de herramienta y optimización de proceso mecanizado mediante visión computarizada y consumo eléctrico

Resum

En un entorno competitivo como el actual las empresas se ven obligadas a reducir costes en la producción para poder competir en precios con países de bajo coste en mano de obra. En los procesos de mecanizado por arranque de viruta las herramientas de corte constituyen una gran parte de los costes asociados, principalmente cuando se trata de mecanizar materiales de alta dureza como el acero AISI H13 utilizado en la fabricación de matrices de forja para componentes de automóvil. Motivados por la necesidad de la industria para reducir costes en la fabricación se propone en este trabajo de investigación un procedimiento de control del desgaste de herramientas de corte para la optimización de su vida útil basado en tres métodos de medición complementarios entre sí. La experimentación se realiza en dos etapas. La primera analiza el desgaste de herramientas ISO APKT durante el mecanizado en condiciones de desbaste de un acero AISI H13 recocido de dureza 21 HRC. La segunda etapa de la experimentación analiza y compara el desgaste sufrido por dos tipos de herramientas ISO APKT de gran radio de punta durante el mecanizado en condiciones de acabado de un acero AISI H13 bonificado de dureza 47 HRC, según se realiza en la industria. Para la medición del desgaste se aplican tres metodologías diferentes. La medición de la herramienta de corte por métodos ópticos, midiendo el desgaste en los flancos de la herramienta y en la cara de desprendimiento sobre las distintas imágenes realizadas, es la primera metodología que se propone. Durante el trabajo de investigación se analiza la viabilidad de esta metodología para la obtención del desgaste de la herramienta y los inconvenientes que puede tener para la implantación dentro de un sistema productivo. Estas mediciones directas se complementan con otros dos métodos indirectos. El primero trata la medición del consumo de potencia de la máquina herramienta durante el mecanizado, introduciendo un analizador de corriente que registra el consumo en línea de la máquina. El aumento en el consumo de potencia asociado al desgaste de la herramienta puede ser detectado y relacionado con el desgaste de la herramienta de corte. Por último, la medición de la topografía superficial es el tercer método analizado para obtener la relación entre la calidad superficial de la pieza mecanizada y de la herramienta de corte con el desgaste que se produce en la herramienta. Finalmente se plantea un procedimiento para el control del desgaste de la herramienta en combinación de los tres métodos analizados.In the present competitive environment, companies have to reduce manufacturing costs to compete in prices with countries having low cost workforce. In the process of machining by chip removal, cutting tools are a great part of global costs, mainly when it is about machining materials with high hardness like AISI H13 steel used in forge diez manufacturing for automotive components. Justified by the necessity of the industry to reduce manufacturing costs, the following thesis proposes an investigation about a process to manage the cutting tools wear to optimise tool life based on three complementary methods of measurement. The experiment is done in two steps. First, analyse the wear of ISO APKT tool during rough machining of an annealed AISI H13 steel with a 21 HRC hardness. Second, analyse and compare the wear of two kinds of ISO APKT tools with a large radius tip during the finish machining of a quenched and tempered AISI H13 steel with a 47 HRC hardness as it’s done in the industry. To measure the wear, we use three different methodologies. Measure of the cutting tool by optical methods, measuring the flank wear and cutting edge retract on rake face with the different pictures made, this is the first proposed method. During the investigation piece, we analyse the viability of this methodology to obtain the tool wear and the drawbacks that can occur for the layout in a productive system. These direct measures are completed with other indirect methods. The first is about measuring power consumption of the machine tool during machining, introducing a current analyser which record the online consumption of the machine. The increase of the power consumption associated to the tool wear can be detected and linked with the cutting tool wear. Lastly, the measure of the surface topography is the third method analysed to obtain the relation between the surface quality of the machined part and the cutting tool with the tool wear. Finally, a procedure is considered to manage the tool wear combined with the three analysed methods.