Dominando la Gestión del Desgaste de Herramientas: Impulsa la Calidad y Longevidad en Mecanizado CNC

En el mecanizado CNC, la realidad es que el metal encontrándose con metal resulta en desgaste de herramientas. Corte de metal, rectificado, taladrado, mandrinado y otras tareas son parte del mecanizado. Y como todas estas actividades son "metal contra metal", en algún punto, algo debe ceder.

Esta "cesión" viene en forma de desgaste de herramientas, donde la operación regular significa que las herramientas perderán superficie, filo y temple con el tiempo. Si equipos y procesos se monitorizan y optimizan, este desgaste es gradual y predecible. Si no lo están, el desgaste de herramientas puede resultar en problemas de calidad de piezas y rotura de herramientas.

Definición de Desgaste de Herramientas

El desgaste de herramientas es la degradación gradual de herramientas de máquina como resultado de la operación de corte, eventualmente llevando a fallo de la herramienta.

Porque herramientas y piezas de trabajo están en contacto constante con fricción y rozamiento severos, las herramientas se estresan con el tiempo. Este estrés es resultado del contacto metal-metal y alta tensión y presión. También está sujeto a temperaturas muy altas.

El fallo de herramientas debido al desgaste es típico, pero puede analizarse y abordarse con monitorización de herramientas. El desgaste generalmente ocurre con el tiempo y es un fallo gradual en un proceso acumulativo que afecta la vida de la herramienta. El desgaste también variará dependiendo de forma de herramienta, profundidad, fluido de corte y velocidad de corte. Esto impacta la nitidez y efectividad de la herramienta y significa que algunas herramientas pueden cambiar sutilmente de forma.

Fuente

Tipos de Desgaste de Herramientas

El desgaste de herramientas depende de muchas variables. Tipo de equipo, dureza de materia prima, número de operaciones realizadas en la pieza, fuerza aplicada para cada tarea y otras variables contribuirán al desgaste. Debido a estas variables, el desgaste tomará muchas formas, incluyendo:

Desgaste Abrasivo

Dependiendo del uso final, la materia prima metálica en piezas de trabajo usadas en mecanizado CNC variará en pureza. Cuando existen impurezas, pueden resultar en acumulación de fragmentos de filo. Estos fragmentos pueden abrasar la herramienta, reduciendo su nitidez y efectividad con el tiempo. La abrasión es una forma mecánica de desgaste que ocurre más a menudo a baja velocidad de husillo.

Desgaste de Flanco

El desgaste de flanco ocurre paralelo al filo de corte y puede resultar en fallo del filo. A medida que las piezas de trabajo encuentran desgaste abrasivo y adhesivo, se forman altas temperaturas que impactan la herramienta y características de rendimiento de la pieza. A medida que el desgaste de flanco aumenta, la velocidad del corte debe aumentarse también.

Fuente

Desgaste de Cráter

A medida que las herramientas impactan la cara de trabajo a alta velocidad, se forman virutas y dañan la cara de arranque de la herramienta. Este flujo de virutas a través de la cara deja una hendidura, o cráter, como una cicatriz. La formación de cráteres es un tipo típico de desgaste que puede no impactar la calidad de la herramienta a menos que deforme directamente la superficie de corte. El desgaste de cráter generalmente ocurre cerca del filo de corte.

Fuente

Desgaste por Adhesión

Porque la fricción de herramientas y pieza de trabajo causa altas temperaturas, puede ocurrir desgaste por adhesión. Aquí, virutas fluyendo sobre la cara de la herramienta pueden unirse con la cara de la herramienta misma, como un efecto de soldadura por puntos. Esto también puede impactar la precisión dimensional de la pieza de trabajo misma. El desgaste por adhesión puede ocurrir más a menudo si se usa fluido incorrecto o cantidad incorrecta.

Fuente

Identificación del Desgaste de Herramientas

Detectar el desgaste de herramientas puede hacerse manualmente por observación de mecanizadores y operadores o de forma automatizada, usando un sistema de monitorización de herramientas. Históricamente, el desgaste se identificaba solo después de notar su impacto, como la realización de que la herramienta produce piezas de mala calidad. Sin embargo, con el desarrollo de soluciones de software automatizado, las partes interesadas pueden identificar mejor el desgaste y fallo de herramientas tan pronto como ocurre, o incluso predecir y prevenir que ocurra. Algunos enfoques para detectar desgaste incluyen:

1. Astillado

El astillado ocurre en la cara de corte y crea un filo de corte rugoso o marcado. Puede resultar de una configuración de máquina inadecuada o porque el portaherramientas no está correctamente asegurado. Esto también puede ocurrir en piezas de trabajo grandes donde las virutas pueden ser llevadas hasta media rotación antes de ser impactadas por fluido.

Fuente

2. Agrietamiento Térmico

Las piezas mecanizadas CNC generan calor excesivo entre la herramienta y la pieza. Gestionar este calor asegura la velocidad correcta, configuración adecuada de herramienta para portaherramientas y cantidad correcta de fluido. Si el calor generado es demasiado alto o bajo, o si las variaciones de temperatura cambian rápidamente de corte a corte, puede afectar las características de rendimiento del metal de la pieza. Esto puede causar formación de grietas espaciadas uniformemente y perpendiculares al filo de corte de la herramienta de torneado.

3. Fractura

A veces, las fuerzas de corte aumentadas entre la herramienta y la pieza pueden ser demasiado grandes para superar. Esta fuerza causa la pérdida repentina y completa de la herramienta y daño a la pieza y quizás a la máquina misma. Las causas de fractura pueden estar en configuraciones de profundidad de corte, velocidad o avance de material. Puntos calientes a lo largo de la pieza también pueden causar fractura al desafilar la herramienta hasta que falla. Prevenir la rotura de herramientas evita preocupaciones de seguridad y evita eventos de inactividad.

4. Entallado

Cuando la herramienta contacta el hombro de la pieza, el rozamiento de las dos piezas puede crear una reacción química en la herramienta. El resultado crea tanto abrasión como adhesión y puede llevar a desgaste de flanco. Si el desgaste es excesivo, puede llevar a fallo completo de la herramienta.

5. Deformación Plástica

La deformación plástica es un problema térmico cuando el material en la herramienta de corte se ablanda. Si el grado de material de la pieza es más alto que el de la herramienta, esta puede cambiar de forma o perder nitidez. Este daño puede evitarse entendiendo la dureza de la herramienta en relación con la dureza del material y sus características de rendimiento inherentes.

6. Fallo

El fallo ocurre cuando la herramienta se rompe o fractura por completo. Prevenir la rotura e incluso fallo catastrófico son posibles asegurando configuraciones de velocidad adecuadas, profundidad de corte y fuerza. También requiere usar el fluido apropiado. El fallo también puede detectarse cuando hay vibración o ruido anormal presente, indicando un portaherramientas o configuración fuera de especificación.

7. Filo Acumulado

Diferentes materias primas metálicas para piezas pueden tener diferentes características de rendimiento. Pueden ser más blandas o duras dependiendo del metal. Cuando el metal es más blando, puede ocurrir un efecto de recocido donde el metal blando, semifundido se adhiere a la herramienta de corte. Si el filo se acumula demasiado, la herramienta puede fallar. Velocidad y fluido adecuados pueden reducir o eliminar este problema.

Ejemplos de BUE (Filo Acumulado) en caras de herramienta. (Fuente)

Efectos del Desgaste de Herramientas

Cuando las herramientas comienzan a alcanzar el final de su ciclo de vida, o cuando un evento las ha impactado, el desgaste en la herramienta puede crear efectos específicos. Estos efectos influyen en la calidad de piezas producidas, la eficiencia del equipo o la inactividad asociada con intervención del operador. La importancia de entender los efectos del desgaste es que pueden usarse para desarrollar umbrales y algoritmos para detectar y prevenir el desgaste en el futuro.

Los efectos del desgaste pueden incluir:

Fuerza de Corte Aumentada

A medida que el desgaste se acumula, puede requerirse fuerza de corte aumentada para compensar. Habrá aumentos de tolerancia aceptables para tanto la herramienta como la pieza. Pero si el desgaste es significativo, la fuerza podría exceder la tolerancia aceptable y requerir cambio.

Temperatura de Corte Aumentada

La fricción metal-metal de corte, taladrado y otras tareas dentro de la máquina CNC siempre creará altas temperaturas. Si el fluido de corte es demasiado bajo o no el tipo correcto, puede resultar temperatura más alta. La temperatura también puede subir si la profundidad de corte es demasiado severa o si el avance es demasiado alto. Finalmente, mayor velocidad también puede contribuir a aún más calor.

Precisión Disminuida de Piezas Producidas

A medida que ocurre el desgaste, la precisión de la pieza disminuye. Habrá tolerancias aceptables para cualquier pieza. Pero un solo tipo de desgaste puede aumentar hasta el punto que la pieza sale de especificación para esa actividad de corte, causando pérdida de la pieza. Múltiples tipos de desgaste pueden coincidir, cascando la deformación y, por tanto, la precisión de la pieza. Esto puede crear un problema mayor de calidad ya que las piezas necesitarán ser desechadas o retrabajadas. Gestionar efectivamente el desgaste y entender cuándo ocurrirá el fallo es parte importante de mantener alta calidad de manera eficiente.

Vida de Herramienta Disminuida

Diferentes tipos de desgaste, la dureza diferencial entre herramienta y pieza, y temperaturas repetidamente altas a bajas pueden causar vida de herramienta reducida. Estos factores pueden gestionarse basándose en experiencia y formación y conocimiento del operador de la pieza y material de herramienta. Pero también pueden monitorizarse por software avanzado de monitorización de herramientas de MachineMetrics. La vida de herramienta disminuida es un tema controlable con la monitorización automatizada correcta en marcha.

Acabado Superficial Deficiente

Cuanto más crítico el desgaste, mayor el impacto en el acabado superficial. Herramientas desafiladas pueden causar caras de corte desiguales o irregulares en la pieza. Y taladrado o corte puede causar acumulación superficial o aumentos en tierra de desgaste, contribuyendo a astillado y cratering, afectando el acabado. Especialmente en mecanizado de alta precisión, esto puede desarrollar problemas severos de calidad, significando que piezas necesitarán ser retrabajadas o desechadas.

Economía de Operaciones de Corte

El corte y mecanizado son tecnologías de producción costosas. El alto coste de equipos, formación de operadores, herramientas de alta calidad y selección adecuada de materia prima pueden verse impactados por desgaste. Cada reducción de vida de herramienta y cada pieza desechada añade coste a la corrida y reduce margen de beneficio. Y herramientas desgastadas también son un peligro para el operador y máquina, arriesgando costes de reparación aún mayores.

6 Métodos para Reducir el Desgaste de Herramientas

1. Reconocer Señales de Advertencia

Herramientas desgastadas exhibirán comportamiento observable y predecible en muchas pero no todas las instancias. Temperatura, fuerza de corte aumentada y otros factores de desgaste pueden crear signos que se manifiestan como vibración o ruido. Aprender estos signos puede ayudar a operadores a ajustar para reducir desgaste.

2. Reconocer Tipos de Desgaste de Herramientas

Como se discutió, hay muchos tipos de desgaste. Algunos son mecánicos; otros pueden crearse a través de configuraciones de equipo o error del operador. Y algunos, como gestión de temperatura, requieren una danza hábil para crear el mejor ambiente para reducir desgaste. Es crítico que operadores conozcan los tipos de desgaste y que cada uno puede ser causado por diferentes circunstancias que ocurren solas o en combinación.

3. Estar Atento a Efectos de Temperatura

La alta temperatura en un proceso de mecanizado metal-metal es inevitable. Pero la gestión de temperatura es crítica. Si se hace correctamente, la mayor parte del calor se elimina con la viruta volando.

4. Usar Refrigerante Adecuado

Con tanto calor transferido desde el vuelo de virutas, el tipo y cantidad correctos de fluido de corte deben usarse para eliminar virutas y ayudar a dirigir el exceso de calor lejos. Entender el material de la pieza y herramienta y las especificaciones, velocidad y tasa de avance determinará la tasa de aplicación de refrigerante durante el corte.

5. Considerar el Material de la Pieza

Los metales tienen características de rendimiento muy diferentes. Metales endurecidos pueden crear mayor temperatura y requerir más fuerza, mientras metales más blandos con puntos de fusión más bajos pueden tener mayor filo acumulado. Conocer las características de la materia prima, la calidad y características de la herramienta, e incluso la edad y capacidades de la máquina puede ayudarle a elegir la herramienta correcta para el metal adecuado.

6. Ajustar la Herramienta a la Tarea

La selección de herramienta es crítica e incluir consideraciones de nitidez, geometría, recubrimiento y función. Esta selección también requiere entender tipos y edad de equipo y capacidades de sujeción de herramienta, dependiendo de la materia prima.

Cómo Aplicar Estos Métodos con Monitorización de Herramientas MachineMetrics

Tradicionalmente, el desgaste de herramientas era experiencial. En una operación de mecanizado, operadores tenían que someterse a años de formación para aprender por "sensación" y observación cuándo una herramienta experimentaba desgaste excesivo. Y muchas configuraciones y parámetros se determinaban experimentalmente o simplemente se aceptaban basándose en programas proporcionados por OEMs de herramientas de máquina. Pero este enfoque es altamente inexacto, resultando en piezas de mala calidad, vida de herramienta sin usar e inactividad excesiva.

Afortunadamente, reducir y gestionar el desgaste puede automatizarse rápida y eficientemente con el sistema de Monitorización de Herramientas MachineMetrics. Configuraciones pueden monitorizarse a un grado no posible con intervención humana, y variaciones se reportan a través de paneles intuitivos que muestran condiciones de máquina con precisión. MachineMetrics puede incluso analizar la frecuencia de señales dentro de la máquina para predecir fallo de herramienta.

Los insights y análisis ofrecidos por el software pueden entregar beneficios inmediatos para optimizar procesos, abordar problemas no detectados y prescribir soluciones para reducir coste, aumentar calidad y aumentar capacidad. Para descubrir cómo MachineMetrics puede entregar soluciones para ayudarle a gestionar y controlar el desgaste y obtener lo mejor de sus herramientas y equipos, reserve una demo hoy.

Prediciendo y Previniendo Fallos de Herramientas: Un Caso de Estudio con BC Machining

BC Machining, un fabricante de piezas metálicas fabricadas, producía tales grandes cantidades de desperdicio que se veían obligados a correr sus máquinas al 200% de capacidad solo para alcanzar sus objetivos de producción. Sin insight sobre cuándo las herramientas estaban desgastadas o a punto de romper, BC Machining acumulaba costes significativos por producir desperdicio y reemplazar herramientas rotas.

Para prevenir producción de desperdicio y maximizar vida de herramienta, se asociaron con MachineMetrics. Lea nuestro caso de estudio para aprender cómo BC Machining virtualmente erradicó el desperdicio por desgaste, redujo significativamente sus tiempos de cambio y ahorró $72k por máquina anualmente. Lea el caso de estudio completo.