Contribución al estudio de la rugosidad superficial obtenida mediante el proceso de fresado en alta velocidad, en la fase de acabado, de aceros templados de moldes y matrices

Abstract

The production of components of the moulds and dies sector is increasingly demanding. On the one hand, a better manufacturing quality is required, that requires, among other aspects, the improvement of the surface finish, and on the other hand, a continuous reduction of production times and costs, in order to be more competitive. Based on these needs, taking into account the industrial experience of the doctoral student in the sector of machining of mould and dies components, the motivation and purpose of this doctoral thesis, developed in the Mechanical Engineering Department of the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), where the necessary facilities and equipment are available to perform the experimental tests and analyze the results, which constitute a new contribution to High Speed Machining (HSM).

In the present thesis have been studied and analyzed the different factors that influence the surface finish obtained by the high speed milling technology, on different pieces type, representing some of the geometries present in the components of molds and dies, manufactured with different hardened steels with different hardness, depending on the material and its application. The milling process has been studied, with the operations of copying and contouring. On the one hand, the effect of different aspects of the machining on the surface roughness has been determined: the machine-tool and its numerical control (CNC), the materials of manufacture of the moulds and dies, the software of design / machining (CAD / CAM ), the tools and their cutting conditions, the work clamping systems and the tool attachment to the machine and the lubrication systems. On the other hand, from the methodology of the design of experiments, mathematical models have been found that allow to relate the cutting parameters with the surface roughness obtained in different concrete cases. Based on the knowledge of the influence of the most significant parameters and the limitations of the technologies involved, the operators will be able to carry out the preparation and programming of the machine tool in a more appropriate way, more adapted to their own machining process. If the numerical control program, or the CAM simulation software, allows the introduction of the predictive mathematical model, one can adapt the cutting conditions proper for each specific case (cutting speed, feed per tooth, axial or radial cut depth) and obtain a preliminary estimate of the surface roughness that is going to be obtained in the process.

La producción de componentes del sector de moldes y matrices es cada vez más exigente. Por un lado, se requiere una mejor calidad de fabricación que exige, entre otros aspectos, la mejora del acabado de las superficies, y por otro lado, una reducción continua de los tiempos y costes de producción, para ser más competitivos. A partir de estas necesidades, teniendo en cuenta la experiencia industrial del doctorando en el sector de mecanizado de componentes de moldes y matrices, surgió la motivación y el objeto de la presente tesis doctoral, desarrollada en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), donde se dispone de las instalaciones y equipamientos necesarios para realizar las pruebas experimentales y analizar los resultados, que constituyan una nueva aportación al Mecanizado en Alta Velocidad (MAV). En la presente tesis se han estudiado y analizado los diferentes factores que influyen en el acabado superficial obtenido mediante la tecnología de fresado en alta velocidad, sobre diferentes piezas tipo, que representan algunas de las geometrías presentes en los componentes de moldes y matrices, fabricados con diferentes aceros templados a durezas distintas, según el material y su aplicación. Se ha estudiado el proceso de fresado, con las operaciones de copiado y contorneado. Por una parte se ha determinado el efecto de diferentes aspectos del mecanizado sobre la rugosidad superficial: la máquina-herramienta y su control numérico (CNC), los materiales de fabricación de los moldes y matrices, los programas de diseño/mecanizado (CAD/CAM), las herramientas y sus condiciones de corte, los sistemas de sujeción de pieza y fijación de la herramienta a la máquina y los sistemas de lubricación. Por otra parte, a partir de la metodología del diseño de experimentos, se han hallado modelos matemáticos que permiten relacionar los parámetros de corte con la rugosidad superficial obtenida en diferentes casos concretos. A partir del conocimiento de la influencia de los parámetros más significativos y de las limitaciones de las tecnologías implicadas, los operarios podrán realizar la preparación y programación de la máquina-herramienta de forma más adecuada, más adaptada a su propio proceso de mecanizado. Si el programa de control numérico, o el programa de simulación CAM, permite introducir el modelo matemático predictivo, se pueden adaptar las condiciones de corte propias para cada caso concreto (velocidad de corte, avance por diente, profundidad de corte axial o radial) y obtener una estimación previa de la rugosidad superficial que se va a obtener en el proceso

A la present tesi s'ha estudiat i analitzat els factors que influeixen en l'acabat superficial obtingut mitjançant fresat d'alta velocitat de components de motlles i matrius fabricats amb acers endurits. Amb aquest estudi s'ha determinat el grau d'influència dels diferents paràmetres de mecanitzat o variables més significatives sobre la rugositat superficial i s'han obtingut diferents models predictius del paràmetre de rugositat Ra, en diferents operacions de mecanitzat. Les principals tecnologies i factors implicats que s'han tingut en compte en aquest estudi són: la màquina-eina i el seu control numèric, els materials de fabricació dels motlles i matrius, els programes de disseny/mecanitzat i les seves estratègies de mecanitzat, les eines i les seves condicions de tall, els sistemes de subjecció de peça i eina a la màquina i diferents sistemes de lubricació. Un major coneixement del procés implica la reducció de costos de fabricació