Monitorización en Tiempo Real de Fuerzas de Corte Mejora Precisión y Eficiencia

Figura 1. Las fuerzas de corte en mecanizado pueden medirse indirectamente con alta precisión, aplicando sensores de deformación piezoeléctricos como el 9232A de Kistler. (Imagen: Kistler Group)

Factores clave para fabricantes industriales

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

Monitorización de máquinas con sensores de deformación PE

Las soluciones de monitorización de máquinas de Kistler Group, Winterthur, Suiza, cuentan con sensores que pueden integrarse en el entorno mecánico y eléctrico de una máquina. Sin embargo, solo se instalarán en posiciones definidas aquellos sensores que sean realmente necesarios. Este enfoque minimiza tanto la complejidad como el coste del sistema de monitorización de la máquina, aunque la integración de los sensores en las estructuras mecánicas y eléctricas de la máquina siga siendo un desafío.

El tipo y la posición del sensor son factores críticos de éxito para capturar procesos altamente dinámicos con 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 ninguna influencia que no sea el corte real. La monitorización de las fuerzas de corte juega un papel clave para garantizar las operaciones de mecanizado estables necesarias para producir componentes con tolerancias ajustadas. Los usuarios que optan por soluciones de monitorización de este tipo también pueden avanzar hacia el mecanizado autónomo y reducir sus costes totales de mecanizado al hacerlo.

Medición indirecta de fuerzas de corte cerca del filo

Una forma de capturar las fuerzas de corte es midiendo las fuerzas de deformación que actúan sobre la estructura de la máquina herramienta. Esto puede lograrse con sensores de deformación superficial piezoeléctricos adheridos o integrados en la estructura de la máquina. En un proyecto reciente con MINGANTI GLOBAL AB, Lidköping, Suecia, tornos verticales fueron equipados con un sensor de deformación superficial PE integrado Kistler 9232A, que ofrece la alta sensibilidad necesaria para medir tanto tensiones como compresiones en una superficie gracias a un rango de medición de ±600 microstrain (µε).

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

Este sistema de monitorización de máquinas está destinado a detectar alto desgaste de herramienta y rotura de herramienta y a detener la máquina en caso de choques. Además, una vez establecido el control de fuerza sobre la base de datos de medición precisos, puede usarse para monitorizar y mejorar la precisión del perfil. Las grandes fuerzas radiales que ocurren en el torneado duro causan deformación elástica del ariete que porta los portaherramientas de corte. La deformación es muy pequeña y puede compensarse parcialmente por la unidad de control de la máquina. Pero aun así, sigue siendo lo suficientemente grande como para ser capturada por un sensor de deformación con buena precisión ubicado muy cerca del filo de corte.

La monitorización de máquinas también puede basarse en 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 un sistema de control de máquina dirigido al desgaste de herramienta o calidad del producto.

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

Lograr alta precisión de perfil superficial sin esfuerzo extra

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

El sistema de monitorización de máquinas extendido se usa para monitorizar desgaste de herramienta, detectar rotura de herramienta y detectar y controlar choques de máquina. Aprende automáticamente los niveles de señal regulares y luego monitoriza cambios para detectar desviaciones. Esto permite a los operadores iniciar acciones necesarias como cambios de herramienta, paradas de máquina y otras. Los fallos de herramienta (roturas, astillado de filo, etc.) pueden ser causados por varias razones, incluyendo datos de corte incorrectos cargados en el control numérico, baja calidad de filo de corte, presión de refrigerante incorrecta, o anillos demasiado ovalados, lo que lleva a cambios mayores en profundidad de corte con cada rotación. Cuando ocurren tales fallos, su efecto es claramente visible en ambas señales de fuerza y vibración.

Uno de los parámetros de calidad más importantes para componentes de rodamientos es la precisión del perfil ('rectitud') de las superficies. Este parámetro afecta la fricción entre los elementos rodantes y los anillos en un rodamiento. Mantener tolerancias ajustadas (3-6 µm) en un anillo de gran tamaño (1 a 2 metros de diámetro) es un aspecto desafiante del proceso de torneado duro, por lo que muchos productores de rodamientos realizan rectificado u honing como paso extra. El sistema de monitorización de máquinas 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 puede usarse directamente durante la operación de torneado para cambiar condiciones de corte con la ayuda de control en lazo cerrado, de modo que las deflexiones puedan compensarse.

Importancia de la monitorización precisa para mecanizado preciso

Aunque la monitorización de señales de máquina puede proporcionar información sobre condiciones de operación, podría indicar problemas que no están directamente relacionados con la precisión del mecanizado real. Como describimos en este artículo, sin embargo, Kistler tiene métodos, como galgas extensométricas y acelerómetros, que monitorizan directamente el proceso de corte. La monitorización de fuerzas de corte juega un papel clave para garantizar las operaciones de mecanizado estables necesarias para producir componentes con tolerancias ajustadas. La medición precisa de fuerzas de corte es un paso importante para mantener la precisión del perfil, dijo Marcus Caldana, Presidente de Minganti Global AB.

Este artículo fue escrito por Buelent Tasdelen, Gerente de Desarrollo de Negocio en Kistler. Para más información, vaya aquí.