Control de las fuerzas de fresado mediante actuadores piezoeléctricos

Abstract

Resumen El alabeo de la herramienta y sus efectos constituyen una importante línea de investigación dentro del modelado, simulación y control de fuerzas de corte en fresado. El alabeo de la herramienta hace que los filos corten de manera desigual, por lo que las fuerzas de corte sobre cada filo resultan diferentes. Esto afecta la vida de la herramienta y deteriora la calidad superficial de la pieza. En este trabajo se propone un procedimiento para disminuir los efectos del alabeo de la herramienta en las fuerzas de corte en fresado. El procedimiento se basa en la modificación del espesor de viruta por medio de la corrección rápida del avance por filo en cada vuelta del husillo. La modificación rápida del avance se logró por medio de la utilización de un sistema de avance rápido (FFDS) para la pieza, que funciona en paralelo con el sistema de avance convencional de la máquina herramienta CNC, conformando un sistema combinado de avance. Previamente se desarrolló un procedimiento mecanicista para el cálculo de las fuerzas de corte considerando el alabeo de la herramienta que fue utilizado para desarrollar un modelo del comportamiento dinámico de la corrección de las fuerzas de corte en fresado. Este modelo incorpora tanto el comportamiento dinámico estructural de la herramienta y el sistema de avance, así como la respuesta dinámica del actuador piezoeléctrico. El modelo de fresado dinámico desarrollado permite evaluar la influencia de la variación rápida del avance en las fuerzas de corte, tomando en cuenta el efecto regenerativo presente en el mecanizado. El modelo desarrollado se utilizó para realizar simulaciones numéricas del efecto que tiene la variación rápida del espesor de viruta sobre las fuerzas de corte en fresado. Las simulaciones numéricas de la fuerza de corte y del movimiento del sistema de posicionamiento fueron contrastadas con mediciones experimentales de la fuerza de corte y del movimiento del sistema de posicionamiento obtenidas a partir de ensayos de fresado para varias condiciones de corte. La comparación entre las mediciones experimentales y las simulaciones numéricas revela un alto nivel de ajuste tanto del modelo de fuerzas de corte en presencia de alabeo, como de la corrección del efecto del alabeo en las fuerzas de corte. Abstract Tool runout and its effects is an important area of research within modelling, simulation, and control of milling forces. Tool runout causes tool cutting edges to experience uneven forces during milling. This fact also affects tool life and deteriorates workpiece surface quality. In this work a procedure, in order to diminish the effects of tool runout, is presented. The procedure is based on chip thickness modification by means of the fast correction of the tool feed rate. Dynamic feed rate modification is provided by superposing our own design of a fast feed system driven by a piezoelectric actuator to the conventional feed drive of the CNC machine tool. Previously, a mechanistic procedure was developed to calculate cutting forces in milling allowing tool runout. This procedure was used to build up a model of the dynamic behaviour of the cutting force correction in milling. The model incorporates the piezoelectric actuator response as well as the structural dynamics of the tool and the designed Fast Feed Drive System (FFDS). The proposed model permits to evaluate the influence of the fast feed variation on the cutting forces in milling, taking into account the regenerative effects of the machining process. Numerical simulations of the cutting forces and fast feed drive system performance were contrasted with experimental measurements of the cutting force and the fast feed drive system movements respectively. Comparison of the experimental measurements and Abstract numerical simulations revealed a high fitting level in both the cutting force model allowing tool runout and the model of the cutting force correction in milling