El monitoreo de la fuerza de corte en tiempo real mejora la precisión y la eficiencia

Figura 1. Las fuerzas de corte en el mecanizado se pueden medir indirectamente con alta precisión, aplicando sensores de tensión piezoeléctricos como el 9232A de Kistler. (Imagen:Grupo Kistler)

Alta productividad, bajos costos de fabricación y alta calidad de las piezas de trabajo:estos son los factores clave que brindan sostenibilidad, rentabilidad y ventaja competitiva a los fabricantes industriales. La monitorización fiable de las máquinas proporciona información valiosa en tiempo real sobre los procesos en curso; es la base para una fabricación fiable, productiva y reproducible y ayuda a los operadores de máquinas a tomar decisiones bien fundadas sobre mejoras tanto a corto como a largo plazo. Esta tecnología puede incluso capturar anomalías en procesos de mecanizado altamente dinámicos, de modo que los usuarios puedan responder instantáneamente para garantizar una alta productividad, disminuir las tasas de desechos y prolongar la vida útil de las herramientas. Gracias a todas estas ventajas, la monitorización continua de máquinas y procesos basada en una tecnología de sensores adecuada es un factor crítico de éxito en la industria manufacturera actual.

Monitoreo de máquinas con sensores de deformación de PE

Las soluciones de monitoreo de máquinas de Kistler Group, Winterthur, Suiza, cuentan con sensores que se pueden integrar en el entorno mecánico y eléctrico de una máquina. Sin embargo, sólo se instalarán en posiciones definidas de la máquina aquellos sensores que sean realmente necesarios. Este enfoque minimiza tanto la complejidad como el costo del sistema de monitoreo de la máquina, aunque la integración de los sensores en las estructuras mecánicas y eléctricas de la máquina aún puede ser un desafío.

El tipo y la posición del sensor son factores críticos de éxito a la hora de capturar procesos altamente dinámicos con la máxima precisión. El sensor debe colocarse cerca del punto de corte de tal manera que no interfiera con el proceso de mecanizado, pero al mismo tiempo no debe estar sujeto a otras influencias que el propio corte. El monitoreo de las fuerzas de corte juega un papel clave para garantizar las operaciones de mecanizado estables que se necesitan para producir componentes con tolerancias estrictas. Los usuarios que opten por soluciones de monitorización de máquinas de este tipo también pueden avanzar hacia el mecanizado autónomo y reducir sus costes totales de mecanizado al hacerlo.

Una forma de capturar las fuerzas de corte es midiendo las fuerzas de deformación que actúan sobre la estructura de la máquina herramienta. Esto se puede lograr con sensores piezoeléctricos de tensión superficial conectados o integrados en la estructura de la máquina. En un proyecto reciente con MINGANTI GLOBAL AB, Lidköping, Suecia, se equiparon tornos verticales con un sensor de deformación superficial Kistler PE 9232A integrado, que ofrece la alta sensibilidad necesaria para medir deformaciones de tracción y compresión en una superficie gracias a un rango de medición de ±600 microdeformación (με).

Medición de la fuerza de corte indirecta cerca del filo

Figura 2. El ariete de la máquina donde se sujetan los portaherramientas de corte. (Imagen:Grupo Kistler)

Este sistema de supervisión de la máquina está destinado a detectar un alto desgaste y rotura de herramientas y detener la máquina en caso de colisión. Además, una vez que se establece el control de fuerza sobre la base de datos de medición precisos, se puede utilizar para monitorear y mejorar la precisión del perfil. Las grandes fuerzas radiales que se producen en el torneado en duro provocan una deformación elástica del carnero que porta los portaherramientas de corte. La deformación es muy pequeña y puede compensarse parcialmente mediante la unidad de control de la máquina. Pero aun así, sigue siendo lo suficientemente grande como para ser capturado por un sensor de tensión con buena precisión ubicado muy cerca del filo.

La monitorización de la máquina también puede basarse en las señales de la máquina, pero en esta aplicación la calidad depende tanto del tipo de máquina como del estado de desgaste. Las señales de la máquina a veces muestran desviaciones que no están relacionadas con el proceso de corte, por lo que no son suficientes para que un sistema de control de la máquina se ocupe del desgaste de la herramienta o la calidad del producto.

Minganti y Kistler decidieron instalar un segundo sensor para completar la solución de monitoreo de la máquina. Esto proporciona cierta redundancia y también tiene en cuenta el elevado coste de las piezas. Para ello se integró adicionalmente en el ariete un acelerómetro piezoeléctrico de un eje 8274A de Kistler. Complementa las mediciones de fuerza (deformación) proporcionando mediciones de mayor frecuencia para que se puedan detectar cambios repentinos en el proceso. Ambas entradas de sensor se procesan con un amplificador de carga digital, que está conectado al control de la máquina a través de PROFINET. Una de las principales ventajas de este amplificador de carga es que sus usuarios pueden realizar automáticamente un filtrado de paso bajo y alto, lo que facilita centrarse en la parte altamente dinámica de la señal.

Lograr una alta precisión del perfil de superficie, sin esfuerzo adicional

Figura 3. El diagrama muestra una buena correlación entre la señal de fuerza (deformación) del sensor de deformación de Kistler (gráfico superior) y la medición del perfil de la superficie después del corte (gráfico inferior). (Imagen:Grupo Kistler)

El sistema de monitoreo de máquinas ampliado se utiliza para monitorear el desgaste de las herramientas, detectar roturas de herramientas y detectar y controlar accidentes de máquinas. Aprende automáticamente los niveles de señal regulares y luego monitorea los cambios para detectar desviaciones. Esto permite a los operadores iniciar acciones necesarias como cambios de herramientas, paradas de máquinas y otras. Los fallos de las herramientas (roturas, astillamiento de los bordes, etc.) pueden deberse a diversos motivos, incluidos datos de corte incorrectos cargados en el control numérico, baja calidad del filo, presión de refrigerante incorrecta o anillos demasiado ovalados, lo que provoca cambios importantes en la profundidad de corte con cada rotación. Cuando ocurren tales fallas, su efecto es claramente visible tanto en las señales de fuerza como de vibración.

Uno de los parámetros de calidad más importantes para los componentes de los rodamientos es la precisión del perfil ("rectitud") de las superficies. Este parámetro afecta la fricción entre los elementos rodantes y los anillos de un rodamiento. Mantener tolerancias estrictas (3 - 6 μm) en un anillo de gran tamaño (1 a 2 metros de diámetro) es un aspecto desafiante del proceso de torneado en duro, razón por la cual muchos productores de rodamientos realizan el rectificado o bruñido como un paso adicional. El sistema de monitoreo de máquinas de Kistler puede medir indirectamente la deformación (deflexión) de la herramienta, por lo que la precisión del perfil (desviación de forma) es claramente visible en la señal de deformación (fuerza indirecta). La entrada de señal de fuerza se puede utilizar directamente durante la operación de torneado para cambiar las condiciones de corte con la ayuda del control de bucle cerrado, de modo que se puedan compensar las deflexiones.

La importancia de una supervisión precisa de la máquina para un mecanizado preciso

Aunque monitorear las señales de la máquina puede proporcionar información sobre las condiciones operativas, puede indicar problemas que no están directamente relacionados con la precisión del mecanizado real. Sin embargo, como describimos en este artículo, Kistler tiene métodos, como galgas extensométricas y acelerómetros, que monitorean directamente el proceso de corte. El monitoreo de las fuerzas de corte juega un papel clave para garantizar las operaciones de mecanizado estables que se necesitan para producir componentes con tolerancias estrictas. La medición precisa de las fuerzas de corte es un paso importante para mantener la precisión del perfil, afirmó Marcus Caldana, presidente de Minganti Global AB.

Este artículo fue escrito por Buelent Tasdelen, director de desarrollo empresarial de Kistler. Para obtener más información, vaya aquí  .