3. mecanizado. 3.1 generalidades. 3.2 exigencias...

Modelado y mecanizado mediante CNC del molde de una pala de pádel. Escuela Superior de Ingenieros.

Juan Manuel Hernández Guijarro. Dpto. de Ingeniería Gráfica.

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3. MECANIZADO.

3.1 Generalidades.

El mecanizado se proyecta con la intención de obtener un

mecanizado sencillo y eficaz del molde. Teniendo en cuenta que se busca

una fabricación barata de un pequeño número de moldes, y no la

fabricación de grandes series. A continuación se desarrollan los distintos

aspectos del mismo:

3.2 Exigencias en el acabado.

Los moldes mecanizados se emplearán para dar forma a una

preforma, bastante aproximada a la forma final, de palas de pádel

elaboradas con fibra de vidrio y resina epoxy.

Teniendo en cuenta la textura rugosa que adquieren dichos

materiales al curarse, y la necesidad de un lijado posterior a la

extracción de la pala del molde, se hace innecesario la búsqueda de un

acabado especialmente fino, que traería consigo un mayor coste

económico, de tiempo y computacional.

Se ha trabajado dejando unas crestas de mecanizado máximas en el

interior de los moldes de 0.01 mm. Este dato numérico se verifica según

las mediciones realizadas con Catia sobre el resultado del mecanizado.

En la fabricación de la pala, ambos moldes (superior e inferior)

deben asentarse perfectamente el uno sobre el otro, para asegurar esto la

última operación de mecanizado será el planeado de las caras en contacto

de los dos moldes.

3.3 Máquina-herramienta.

Para llevar a cabo el mecanizado del molde, es necesario, dadas las

características geométricas del mismo, una máquina-herramienta con al

menos, control sobre tres ejes espaciales cuyas restricciones

dimensionales de trabajo sean mayores que el tamaño de los moldes a

mecanizar.



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Atendiendo a las características del mecanizado, la máquina-

herramienta más aconsejable sería una fresadora horizontal. Las futuras

operaciones de mecanizado han sido proyectadas de acuerdo con un una

máquina de este tipo.

No se profundizará más en este apartado, debido a que el objeto del

presente proyecto es la realización informática de trayectorias y

características de las mismas en el mecanizado por parte de las

herramientas de corte. No un estudio exhaustivo de las posibles máquinas-

herramientas a emplear.

3.4 Material a mecanizar.

El material a utilizar en el molde, según la empresa fabricante de la

pala, será aluminio. Los distintos parámetros a tener en cuenta a la hora de

mecanizar, serán pues, los adecuados para la mecanización de dicho

material.

Como no ha habido una especificación exacta sobre cuál será el

aluminio a emplear se utilizan parámetros “estándar” para aluminio. Dicho

material permite realizar pasadas de mecanizado con profundidades

relativamente grandes sin problemas.

Se darán pasadas de desbastado con una profundidad máxima de

5mm. Y pasadas de acabado de 0.5-1mm. dependiendo de la zona a

terminar.

Las velocidades utilizadas para el mecanizado son las siguientes:

Tipo de pasada Velocidad de

Corte(m/min)

Velocidad de avance

(mm/min)

Desbaste 200 1000

Acabado 250 550

3.5 Herramientas utilizadas.

En la elección de herramientas a utilizar se han tenido en cuenta los

siguientes aspectos:



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1) Hoy día, existen herramientas fabricadas con materiales y diseños

específicos para cada material a mecanizar, la correcta elección de

dichas herramientas proporciona mejores resultados y un

incremento en la vida útil de la herramienta. Las herramientas

empleadas, son pues, específicas para el mecanizado de aluminio.

2) Con el fin de economizar el proyecto, se intenta utilizar el menor

número de herramientas posible, dentro siempre de la obtención de

un acabado correcto del molde.

3) Se intentan utilizar herramientas estándar, es decir, herramientas

ofertadas por los fabricantes de las mismas de manera genérica.

Como se verá más adelante, dadas las características geométricas

del molde, ha sido necesario el empleo de una herramienta que,

por sus dimensiones, debería ser fabricada de forma específica

para la ejecución de este proyecto.

4) Hay que tener siempre presente que no se pretende realizar

grandes series de productos mecanizados, en tal caso, habría que

plantearse la utilización de herramientas con plaquitas de corte en

lugar de filos de corte. Las herramientas con plaquitas constan de

un cuerpo en el cual se insertan plaquitas, que son los elementos

encargados del corte, de este modo, cuando se desgastan no se

sustituye la herramienta entera, únicamente las plaquitas. Son

herramientas cuya utilización pasa a ser rentable en grandes

series.

Las herramientas utilizadas en el presente proyecto, a excepción de

una herramienta que se comentará más adelante, han sido seleccionadas

del catálogo digital de la conocida marca suministradora de todo tipo de

material industrial UNCETA, las fresas pertenecen a las marcas Guhring y

STD.

A continuación se muestra la tabla resumen de herramientas

utilizadas, el uso de dichas herramientas será explicado con detalle dentro

de cada operación que constituye el proceso de mecanizado.



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Herramienta Designación Diámetro

(mm) Longitud de corte (mm)

Nº Dientes

Especific.

1 STD A9-9185 10 22 3 Desbaste de

Al.

2 Específica 1 15 1 Acabado de

Al.

3 Guhring A9

9300 16 Cono a 45º 6

Fresa angular para acabado de

Al.

4 STD AO-1390 5 6 2 Acabado de

Al.

5 STD A8-8200 32 40 6 Fresa para

planeado de Al.

Las características de estas herramientas pueden verse en el anexo

del proyecto.

Como objeto de estudio interesante, se propone, como ampliación

del presente proyecto, el cálculo del tiempo de vida útil de las herramientas

empleadas. Este dato sería interesante en caso de la fabricación masiva de

moldes. Esto, junto con otras posibilidades de mejora y sugerencias al

fabricante se exponen de manera más extensa en el apartado 2 “Mejoras al

proyecto”.

3.6 Tocho de inicio.

En todo proceso de mecanizado, se parte de una forma inicial del

material a mecanizar denominada tocho. En el caso que nos ocupa, la

empresa únicamente demandaba que el modelo del mismo tuviese las

dimensiones adecuadas para cumplir adecuadamente la función de molde.

Con esas premisas, se modela en Catia un paralepípedo de

dimensiones 542 x 340 x 40 mm.

En el plan de mecanizado, se deja para el final del mismo un

planeado de las caras de ambos moldes que estarán en contacto, de esta

forma, se asegura el perfecto asentamiento de las dos una vez se cierre el

molde.

Como se ha mencionado anteriormente, en el último apartado del

proyecto se verán posibles mejoras a este apartado.



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3.7 Lubricación.

El uso de lubricación durante el mecanizado proporciona mejores

resultados, ya que ayuda a la evacuación de virutas y a la disipación del

calor generado durante el proceso de mecanizado. Además de esto, alarga

la vida útil de la herramienta.

Para el mecanizado de aluminio es recomendable que se utilicen

productos emulsionables en agua con aditivos específicamente formulados

a tal fin que estén exentos de compuestos en base cloro y azufre.

3.8 Útiles de amarre.

Para obtener un buen acabado superficial en las operaciones de

mecanizado es necesario disponer de útiles que sujeten la pieza a fabricar

a la máquina-herramienta de manera sólida, evitando cualquier tipo de

movimiento o aumento de las vibraciones del sistema que traerían consigo

una disminución de la calidad de acabados y un deterioro prematuro tanto

de las herramientas como de la máquina.

Teniendo en cuenta que el número de moldes a fabricar será

reducido, y que se busca la economía del proyecto, no buscaremos ningún

sistema de amarre automático o similar que pudiese encarecer el proceso,

esto, junto con las dimensiones reducidas del trabajo nos llevan a elegir

como sistema de amarre mordazas de amarre de alta presión de

accionamiento manual.

3.9 Mecanizado con Catia.

Para afrontar el mecanizado emplearemos el módulo “Surface

Machining” de Catia. Debido al uso del ordenador, el plan de mecanizado

está estructurado en base a las posibilidades que permite el programa.

Para comprender mejor las decisiones tomadas en la elaboración de las

distintas etapas del plan de mecanizado, se exponen a continuación, de

forma breve, las operaciones disponibles en Catia para el mecanizado en

máquinas-herramientas de 3 ejes:

http://es.wikipedia.org/wiki/Cloro

http://es.wikipedia.org/wiki/Azufre



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1) Sweep roughing: Operación destinada al desbastado de piezas

mediante planos verticales.

2) Roughing: Operación destinada al desbastado de piezas mediante

planos horizontales.

3) Sweeping: Operación para semiacabado y acabado de piezas en

las que la herramienta sigue una trayectoria en base a planos

verticales y paralelos.

4) Z-level: Operación para semiacabado y acabado de piezas en los

que se mecaniza mediante planos horizontales paralelos.

5) Contour-driven: Operación en la que la herramienta utiliza un

contorno como guía.

6) Profile contouring: Operación empleada para el mecanizado de

cantos.

7) Spiral milling: Operación equivalente al planeado tradicional.

8) Isoparametric machining: Operación en que la herramienta utiliza

como guía curvas isoparamétricas de la pieza a mecanizar.

9) Pocketing: Operación para realizar cajeados.

10) Pencil: Operación destinada al repaso de crestas entre

superficies.

Cada una de estas operaciones dispone de gran cantidad de

parámetros comunes entre ellas y multitud de parámetros específicos, que

permiten trasladar al ordenador prácticamente cualquier requerimiento por

parte del diseñador. Estas operaciones están estructuradas por pestañas,

en las que se introducen los datos tecnológicos de cada operación, ya que

estos datos son precisamente las características del mecanizado, se

exponen a continuación, de forma breve, las pestañas que encontramos en

dichas operaciones y sus parámetros más importantes.

1) Strategy Tab Page: Permite definir la trayectoria seguida por la

herramienta e introducir los siguientes parámetros:



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1.1) Profundidad de corte. Determina la cantidad de material que es

mecanizado en cada pasada.

1.2) Máxima distancia entre pasadas. Permite introducir la distancia

entre pasadas de mecanizado consecutivas.

1.3) Tool path style: Permite elegir como se hará la transición entre

pasadas consecutivas. En zig-zag, en la misma dirección o en

direcciones alternas.

1.3) Stepover. Define como se miden las creces de mecanizado.

1.4) Machining tolerance.

1.5) Scallop height.

Especial mención requiere el parámetro “Machining Tolerance”, su

definición es la precisión entre la trayectoria que puede realizar la

máquina-herramienta y la computada por el ordenador. Obviamente, lo

ideal sería ajustarlo hasta la precisión dada por la máquina-herramienta,

hoy día, estas máquinas alcanzan sin dificultades décimas y centésimas de

milímetro, sin embargo, debido a las limitaciones del hardware, únicamente

se ha “apurado” un poco en las operaciones más delicadas. Como

conclusión, manifestar que con el uso de un ordenador más potente se

podrían alcanzar resultados de mecanizado mucho más finos, resultados

que, como ya se mencionó anteriormente, tampoco son estrictamente

necesarios debido a la textura de la fibra de vidrio.

Otro parámetro a mencionar es el “Scallop height”, este parámetro

limita la altura de las creces de mecanizado dejadas en la operación.

Comentar que, aunque es un dato numérico, Catia no lo respeta de manera

estricta, si no más de bien de forma orientativa, por lo que después de

cada operación se hace conveniente utilizar la herramienta de medida de

Catia para verificar las imperfecciones dejadas (Ver apartado 1.9.8

“Verificación de creces de mecanizado). Otro detalle en cuanto al

“malfuncionamiento de Catia” es que este parámetro está íntimamente

relacionado con la distancia entre pasadas, sin embargo, generalmente hay

que especificar una distancia entre pasadas de la herramienta mucho más

pequeña de la que cabría esperar para obtener el acabado deseado.



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2) Geometry Tab Page: Proporciona al programa información sobre

cómo actuar con las formas geométricas implicadas en la operación.

Los parámetros implicados en esta pestaña son:

2.1) Part. Selecciona la parte o partes a mecanizar.

2.2) Limiting Contour. Define el contorno límite de la mecanización.

2.3) Check. Define la zona o zonas que debe evitar la herramienta.

2.4) Safety plane. Define un plano de seguridad al que regresa entre

pasadas la herramienta.

2.5) Top. Define el plano más alto por el que podrá pasar la

herramienta.

2.6) Bottom. Define el plano más bajo por el que podrá pasar la

herramienta.

2.7) Offset on part. Distancia mínima (sobre-espesor) que se debe

mantener respecto a la zona/zonas a mecanizar.

2.8) Offset on check. Distancia mínima (sobre-espesor) que se debe

mantener respecto a la zona/zonas a evitar.

2.9) Limit definition. Proporciona distintas opciones respecto a la

posición de la herramienta en los límites de mecanizado.

3) Tool Tab Page. En esta pestaña encontramos todos los datos

relacionados con la herramienta empleada en cada operación. Estos

datos, vienen a su vez estructurados por pestañas:

3.1) Geometry. Aquí podemos modificar todos los parámetros

relacionados con la geometría de la fresa. Longitud total, longitud de

corte,diversos diámetros, etc.

3.2) Technology. Aquí se incluyen datos referentes al material,

número de filos de cortes, ángulo máximo de trabajo, horas de vida,

etc.



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3.3) Feeds and Speeds. Incluye las velocidades de corte, avance,

aproximación etc. Catia permite introducir los datos relativos a

velocidades en las características de las herramientas o dentro de

las operaciones. En el presente proyecto se ha utilizado esta última

opción, ya que dichas velocidades son más representativas de los

materiales y operaciones que de las herramientas en cuestión,

siendo, desde el punto de vista del proyectista, una solución más

elegante y acorde a la realidad del mecanizado.

Hay que tener en cuenta que en el mercado existen fresas con

formas geométricas muy complejas, por lo que el programa tiene que

ofrecer la suficiente potencia y flexibilidad para poder modelar cualquier

herramienta que pudiese utilizarse. Hacer hincapié al lector, de la

superficialidad con la que se han explicado las opciones (no todas) que

brinda el programa.

4) Feeds and Speeds. Esta pestaña es prácticamente la misma que

la que podemos encontrar dentro de las herramientas, pero, como se

ha explicado en el anterior punto 3.3, definen los parámetros de una

operación de mecanizado concreta.

5) Macros Tab Page. Esta pestaña permite variar las trayectorias

que realiza por defecto Catia en los siguientes tipos de pasadas:

5.1) Approach. Aproximación.

5.2) Retract. Salida.

5.3) Clearance. Ante obstáculos.

5.4) Linking Retrac. Entre distintas pasadas de aproximación.

5.5) Linking Approach. Entre distintas pasadas de salida.

5.6) Between Passes. Entre pasadas.

En todo proceso de mecanizado, es fundamental, tanto para la vida

de la herramienta como para evitar daños en la máquina-herramienta,

verificar antes del mecanizado real que en ningún momento se produzcan

colisiones entre la herramienta y la pieza, es decir, que la herramienta solo



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estará en contacto con la pieza cuando los parámetros de velocidad y

trayectorias aseguren la integridad de la herramienta y la máquina

herramienta. Para esto, Catia dispone de una herramienta que le

proporciona al usuario información respecto a las colisiones en caso que

existan. Esta herramienta ha sido utilizada con todas y cada una de las

operaciones diseñadas en el presente plan de fabricación.

3.10 Plan de mecanizado.

Antes de la explicación detallada de cada operación, se muestran las

distintas zonas contempladas en el plan de mecanizado.

1) Desbaste inicial: Se realiza un desbastado aproximado de la

forma completa de la pala en el molde.

2) Brazo derecho del corazón: Se mecaniza la zona correspondiente

al marco de la pala a la altura del corazón de la misma.

3) Esquina derecha del corazón: Se mecaniza la esquina superior

derecha del corazón de la pala.

4) Brazo izquierdo del corazón: Se mecaniza la zona

correspondiente al marco de la pala a la altura del corazón de la

misma.



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5) Esquina izquierda del corazón: Se mecaniza la esquina superior

derecha del corazón de la pala.

6) Corazón: Se mecaniza la zona del molde correspondiente al

corazón de la pala.

7) Marco: Se mecaniza la zona del molde correspondiente al marco

de la pala.

8) Superficie de impacto: Se mecaniza la zona del molde

correspondiente a la superficie de impacto de la pala.

9) Mango: Se mecaniza la zona del molde correspondiente al mango

de la pala.

10) Planeado final: Se realiza el planeado de la superficie del molde.

Se exponen a continuación las distintas operaciones utilizadas en

Catia para el mecanizado del molde, los detalles más relevantes y las

herramientas utilizadas en cada una de ellas.

3.10.1 Desbaste inicial.

Con esta operación se busca una primera aproximación a la forma

final de la pala. Dado que la pala presenta una superficie de impacto de

grosor creciente se opta por el empleo de la operación Sweep roughing.



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Posteriormente serán necesarias más operaciones, el uso de esta

operación, frente a otras posibles operaciones de Catia se fundamenta más

que nada en que su filosofía geométrica coincide con la forma final del

molde. (Ver página 38)

La fresa empleada es una Fresa STD de la familia A9-9185 de

diámetro 10 mm. Esta medida se elige como compromiso intermedio entre

número de pasadas, coste de la herramienta y creces de mecanizado que

quedarán para futuras operaciones.

Hay que mencionar en cuanto al diámetro de la fresa empleada, por

alguna razón desconocida, para diámetros un poco mayores que el elegido

Catia generaba trayectorias tales que daban lugar a colisiones de la

herramienta con la pieza.

A continuación se especifican los parámetros fundamentales de la

operación:

1) Limiting Contour (contorno límite de la mecanización): Se utiliza el

borde exterior de la forma de la pala embebida en el molde. Se hace

referencia a ello como Limit line en la siguiente imagen.

2) Check (zona a evitar): Se selecciona la superficie del molde.



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3) Offset (sobre-espesor): Se utiliza el mismo tanto para la pieza

(offset on part) como para las zonas a evitar (offset on check). 1mm.

4) Tool path style: Zigzag. Permite reducir el tiempo de mecanizado.

5) Machining tolerance: Ya que es una operación de desbaste, se fija

a 0.02 mm. para reducir las exigencias al ordenador.

6) Max. Distance between pass. Se utiliza una distancia entre

pasadas de 3.5 mm.

7) Scallop height: Este parámetro no puede ajustarse dentro de las

operaciones de tipo Sweep roughing.

Se emplean las velocidades de mecanizado citadas en el

apartado 1.9.4 “Material a mecanizar” para las operaciones de

desbaste.

Se muestra una imagen del resultado de dicha operación y comienzo

de la siguiente.

Para asegurar la integridad tanto de la herramienta como de la

máquina-herramienta, una vez concluida la operación, se verifica con Catia

la inexistencia de colisiones.



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El cuadro resumen de esta operación sería el siguiente:

Desbaste inicial Nº Operación: 1

Tiempo Mec. Tiempo Total

1h 22min 19seg 1h 26min 39seg

Herramienta: STD A9-9185 Ø 10

3.10.2 Brazo derecho del corazón.

Inicialmente, tanto para esta operación como para su simétrica,

podría pensarse en realizarla de manera conjunta con el mecanizado del

marco, sin embargo, y como se explicará más detalladamente en el

apartado específico del mecanizado del mismo, debido al uso de

herramientas distintas se realizan en operaciones independientes.

Como puede verse en la imagen adjunta, la mayor dificultad

geométrica (remarcada por una elipse roja) de esta zona, como de la zona

colindante perteneciente al corazón, es el mecanizado de la zona inferior

del valle que forma el brazo de la pala en el molde.

Existen distantes posibilidades en cuanto a las fresas y

procedimientos a utilizar:



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1) Inicialmente, cabría pensar que lo ideal sería utilizar una

herramienta con punta semiesférica, ya que así evitamos el

problema del valle, sin embargo, debido a la menor superficie de

contacto, y por tanto, menor capacidad de arranque de viruta por

pasada, precisaríamos de un mayor número de pasadas, con el

consiguiente incremento de exigencias al ordenador. Hay que

mencionar que debido a la complejidad de las trayectorias, para

poder finalizar el mecanizado hubo que recurrir a un ordenador de

última generación distinto al que se utilizó para las primeras

operaciones.

A pesar de esto, el principal motivo por el que hubo que

abandonar esta idea fue por los resultados obtenidos al utilizar

parámetros y tiempos de mecanizado similares con ambas

herramientas, al final de este apartado se mostrarán las mediciones

de acabados tomadas con Catia para las dos posibilidades que se

barajan.

2) La siguiente posibilidad, es utilizar fresas con la punta “plana” de

un diámetro tal que permitan la realización de forma satisfactoria del

valle. Al final del apartado se mostrarán los resultados de esta idea

3) Por último, se podría pensar en dividir el mecanizado en dos, una

zona inferior, que mecanizase el citado valle, y una zona superior,

que realizase el mecanizado del brazo. Esta idea se desestimó

debido a que Catia no permite fijar límites creados por el usuario, si

no que deben apoyarse en límites naturales de la pieza, por lo que la

única solución, hubiese sido crear dos operaciones con parámetros

de “Offset” que se solapasen. Esta idea era muy poco elegante en

cuanto a la programación y daba lugar a la necesidad de utilizar una

fresa más.

A continuación se exponen imágenes de la operación siguiendo la

metodología 1 y 2. Se mostrarán mediciones de las creces de mecanizado

(consultar aparatado 3.11 “verificación de las creces de mecanizado”) con

la intención de mostrar al lector el porqué de la elección de la segunda

metodología posible.



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Fresa con punta semiesférica:

Se muestra una secuencia de imágenes para la mejor comprensión

del zoom realizado. Las imágenes en las que la pieza aparece en blanco y

negro proceden de la herramienta de medición de Catia.



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La distancia, de forma aproximada, medida en altura entre dos

aristas separadas 0.072 mm. es de 0.073 mm. para la fresa con punta

semiesférica.

Fresa con punta plana:

Se muestra directamente la imagen de la medición. La distancia de

forma aproximada, medida en altura entre dos aristas separadas 0.026

mm. es de 0.006 mm. para la fresa con punta semiesférica.



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Como puede verse, aunque los valores de la fresa de punta

semiesférica son buenos, los de la fresa de punta plana son mucho

mejores, esto, junto con la menor exigencia de cálculo hacen que esa sea

la metodología elegida.

Hay que mencionar que esto es así porque se ha limitado el tiempo

de mecanizado, y por tanto, el número de trayectorias de la herramienta,

en caso de disponer de más potencia computacional y no importar el

tiempo de mecanizado (que también influiría en la vida de la herramienta)

una herramienta con punta semiesférica produciría mejores acabados.

Se expone a continuación la resolución de esta operación con una

herramienta de punta plana.

Las fresas de un diámetro suficientemente pequeño proporcionadas

por los fabricantes de herramientas, no tenían la longitud de corte

suficiente para mecanizar toda la pared sin que se produjesen colisiones

con la misma, por lo que se recurre al pedido de una fresa específica para

nuestro proyecto. Las únicas características dimensionales reseñables de

la misma serían un diámetro de 1mm. y una longitud de corte de 15mm.

Es una operación de acabado, modelada en Catia como Contour-

driven.



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operación:

1) Guiding Strategy: Esta operación, al ser de contorneado, necesita

una guía, que será utilizada como trayectoria perpendicular a las

pasadas de mecanizado. En este caso, se utiliza como tal la zona

inferior del valle formado por el corazón y el brazo de la pala. Más

adelante se muestra una imagen explicativa de esto.


borde exterior de la forma de la pala embebida en el molde.

En la imagen siguiente podemos apreciar estos dos parámetros, el

primero de ellos aparece en la imagen como “Guide1”, mientras que

el segundo aparece con el nombre “Limit line”.

3) Check (zona a evitar): Se definen como tal las superficies

colindantes a la zona a mecanizar. En la imagen anterior, serían las

superficies a la derecha de “Guide1”.

4) Offset (sobre-espesor): Puesto que es una operación de acabado,

se deja un sobre-espesor nulo, tanto para la pieza (offset on part)

como para las zonas a evitar (offset on check).




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6) Machining tolerance: Puesto que es una operación de acabado,

esta parámetro se reduce hasta 0.005 mm.


pasadas de 0.2 mm.

8) Scallop height: Se fija a 0.001 mm.


apartado 1.9.4 “Material a mecanizar” para las operaciones de

acabado.


Brazo derecho corazón Nº Operación: 2


22 min 36 seg 23 min 53 seg

Herramienta: Específica

3.10.3 Esquina derecha del corazón.

Esta operación y su simétrica, se realizan a causa que la operación

con la que se resuelve el mecanizado del corazón dejaba unas creces de

mecanizado excesivamente grandes para las especificaciones que se

pretendían conseguir, para solucionar esto había dos caminos, afinar

mucho la precisión del cálculo, con el consiguiente incremento en los

requerimientos de cálculo para el ordenador, o realizar una operación

intermedia que conjuntamente con la posterior mecanización del corazón

consiguiese los resultados deseados.

Debido a que con cálculos más finos, el ordenador no era capaz de

renderizar los resultados de operaciones posteriores, se optó por utilizar

una operación intermedia.

En la imagen se muestra dicha operación finalizada. Para ahorrar

tiempo de mecanizado, y, en caso que la producción de moldes

aumentase, aumentar la vida útil de la herramienta, únicamente se trabaja

de forma fina (con mayor concentración de pasadas) la zona que



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posteriormente daría problemas de acabado sin esta operación (zona

bordeada en rojo), tratándose de una manera más basta el resto de pieza.

Esta operación se modela con la orden Contour-driven, con la misma

fresa que la anterior.


operación:



pasadas de mecanizado. En este caso, se utiliza como tal el borde

del corazón. Se muestra en la siguiente imagen como la línea verde

denominada guía.

2) Limiting Contour (contorno límite de la mecanización): Se utilizan

como límites de mecanización los bordes dibujados en rojo de la

siguiente imagen.



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colindantes a la zona a mecanizar así como el plano que forma la

parte superior del corazón del molde.








pasadas de 0.2 mm.



apartado1.9.4 “Material a mecanizar” para las operaciones de acabado.


Esquina derecha corazón Nº Operación: 3




Guía



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3.10.4 Brazo izquierdo del corazón.

Esta operación se realiza exactamente igual que el brazo derecho,

se muestran a continuación el cuadro resumen y el resultado de la misma.

Brazo izquierdo corazón Nº Operación: 4




3.10.5 Esquina izquierda del corazón.

Esta operación se realiza exactamente igual que la esquina derecha,

se muestran a continuación el cuadro resumen y el resultado de la misma.

Esquina izq. corazón Nº Operación: 5






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3.10.6 Corazón.

Una vez mecanizadas las zonas colindantes al corazón, así como

una primera operación sobre las esquinas del mismo para asegurar el

acabado final del mismo, se procede al mecanizado completo del corazón.

Se modela según una operación del tipo sweeping. Por el mismo

motivo explicado en el apartado 3.10.2 se continúa utilizando la misma

fresa que en las operaciones anteriores.


operación:

1) Limiting Contour (contorno límite de la mecanización): Se utilizan

como límites de mecanización los bordes coloreados de rojo en la

imagen de la página siguiente.


colindantes a la zona a mecanizar, es decir, las correspondientes a

las zonas denominadas brazos (izquierdo y derecho) del corazón, así

como el plano que forma la parte superior del corazón del molde.



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pasadas de 0.1 mm.


8) Offset-Limit definition: Debido a que esta zona de la pala está

modelada de forma híbrida entre superficies y sólidos, en la

operación booleana utilizada para obtener el molde Catia produce

“errores”.

Estos errores son filos no existentes. De ellos, solo dos dan lugar a

problemas a la hora de afrontar el mecanizado. En la figura siguiente

podemos apreciar como Catia dibuja dos líneas paralelas y

separadas una distancia, de forma tal, que durante el mecanizado

del corazón, una vez la herramienta llegaba a estas líneas evitaba su

mecanizado.



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A continuación se muestran dos imágenes que representan las

trayectorias de contacto de la herramienta de corte con la pieza. Tras

la observación de ellas es fácil llegar a la conclusión que para Catia,

los errores mencionados en el párrafo anterior representan los filos de

una especie de lámina de grosor nulo.



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Para solucionar esto se recurrió a utilizar un offset en los límites de

definición de 0.3 mm. Esto fuerza a que la herramienta mecanice 0.3

mm. más allá de los límites iniciales. Mecanizando la zona que de

forma automática Catia no mecanizaba inicialmente.

Se utilizan las velocidades especificadas en el apartado 1.9.4

“material a mecanizar” para operaciones de acabado.


Esquina derecha corazón Nº Operación:6


1 h 24min 4 seg 1 h 26min


3.10.7 Marco.

La principal característica de esta parte de la pala a la hora de

mecanizar son los surcos que presenta el marco en la zona superior de la

misma. Estos surcos, que en la pala son hendiduras, dan lugar a

protuberancias en el molde de la pala. Se incluye a continuación una

imagen del detalle citado para facilitar su comprensión.



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Observando el corte longitudinal del molde, vemos como para

mecanizar ese detalle, si empleásemos una fresa con geometría cilíndrica

(también representada en la imagen), la única forma posible de realizarlo

sería con una máquina herramienta que permitiese el giro de la

herramienta respecto a su eje longitudinal. Como ya se expuso en el

apartado 1.9.3 “Máquina-herramienta”, la maquina empleada es de 3 ejes,

por lo que para afrontar el mecanizado de esta parte se recurre a una fresa

angular. Este tipo de fresa (se aconseja ver su geometría en el anexo para

una más fácil comprensión) permite mecanizar el molde manteniendo el eje

longitudinal de la herramienta sin ningún giro, es decir, perpendicular

respecto a la mesa de trabajo.

Para evitar el uso de distintos proveedores de herramientas, se

buscó la fresa necesaria en el catalogo de Unceta, dicho proveedor posee

fresas con las características geométricas necesarias, la fresa utilizada es

una fresa angular Guhring A9-9300 de 16 mm de diámetro exterior y cono

de 45º. La elección de esta familia de fresas, es, además de por la

geometría antes citada, porque permiten el mecanizado frontal y de

contorno. Mencionar que existen fresas con la misma geometría pero que

no permiten la eliminación de material en la zona inferior de la herramienta.

Este mecanizado se realiza en Catia con una operación del tipo

Contour-driven, en la siguiente imagen puede observarse el detalle de la

fresa y la mejora en el acabado del marco que supone esta operación.



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operación:



pasadas de mecanizado. En este caso, se utiliza como tal el límite

común entre el marco y la superficie de impacto.


borde exterior de la forma de la pala embebida en el molde. En la

siguiente imagen pueden observarse claramente estos parámetros.



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3) Check (zona a evitar): Se definen como tal la superficie de

impacto de la pala.




5) Tool path style: Zigzag. Permite reducir el t iempo de mecanizado.




pasadas de 0.2 mm.





Marco Nº Operación: 7


2 h 11 min 1 seg 2 h 12 min 13 seg

Herramienta: Guhring A9-9300 Ø16

3.10.8 Superficie de impacto.

Esta zona se modela como una operación del tipo Sweeping.

La fresa empleada es una Fresa STD de la familia A0-1390 de

diámetro 5 mm. Esta medida se elige como compromiso intermedio entre

número de pasadas, coste de la herramienta y calidad en los resultados

obtenidos.



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operación:


límite común entre el marco y la superficie de impacto. Esto es, la

misma geometría que para la guía de la operación anterior.

Mencionar, que en este tipo de operación no se requiere guía.

2) Check (zona a evitar): Se definen como tal las superficies en

contacto con el límite anterior, en este caso, la zona del molde

correspondiente al marco y al corazón de la pala.





5) Machining tolerance: Dada la simpleza geométrica de esta

operación, este parámetro puede reducirse hasta 0.1 mm. sin

sacrificar la calidad de los acabados. De este modo se reduce el

esfuerzo computacional del ordenador.



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pasadas de 2 mm.


8) Offset-Limit definition: Por el mismo motivo que en la operación

anterior, se utiliza en esta ocasión un offset de 0.4 mm.




Superficie de imp. Nº Operación: 8



Herramienta: STD AO-1390 Ø 5

3.10.9 Mango.

Esta zona presenta una sencilla mecanización, a excepción de si se

buscase la perfecta realización de las esquinas del mismo. Es decir, un

acabado perpendicular entre las superficies laterales inferiores y la

superficie inferior del mismo. Hay que tener en cuenta que esta zona de la

pala irá encintada, por lo que el usuario final no verá el acabado de la

misma, y que el acabado perfecto no supondría nada más que un

encarecimiento del mismo, por esto, se realiza el mecanizado con el

acabado deseado pero sin conseguir las esquinas del molde de forma

perfecta en cuanto a su geometría.

La mecanización de esta zona se modela con una operación

Sweeping. Debido a la geometría a mecanizar vuelve a aparecer el mismo

problema en cuanto a posibles colisiones que apareció en el mecanizado

de los brazos del corazón, esto, junto al afán del empleo de la menor

diversidad de herramientas, hace que se recurra a la misma herramienta

específica que en operaciones anteriores.



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operación:

1) Limiting Contour (contorno límite de la mecanización): Se emplean

los bordes naturales de la zona correspondiente a mecanizar en el

molde. Se muestra en la imagen siguiente como Limit line.

2) Check (zona a evitar): Dada la geometría de la operación no es

necesario designar zonas con este parámetro.


se deja un sobre-espesor nulo.


5) Machining tolerance: En este caso se emplea 0.01 mm. Como en

operaciones anteriores, la validez de este parámetro se comprueba

con las creces medidas en Catia tras realizar la operación.

6) Max. Distance between pass: Se utiliza una distancia entre

pasadas de 2 mm.




34

8) Offset-Limit definition: Dada la configuración geométrica de la

operación a realizar no es necesario utilizar offset-Limit, es decir, se

fija a 0 mm.


Una vez realizada dicha operación, se concluye con las operaciones

a realizar sobre dicha esta zona del molde.

3.10.10 Planeado final.

Para que se produzca un cierre perfecto entre el molde superior e

inferior de la pala, como última operación, se realiza un planeado de las

caras que estarán en contacto de ambos moldes.

Se modela con una operación del tipo Spiral Milling. Se utiliza una

fresa de planear STD A8-8200 de 40 mm. de diámetro por 32 mm de largo.

Catia no posee este tipo de fresas por defecto, debido a esto, la

herramienta se modela utilizando como base una fresa cilíndrica con las

características de la fresa real. Hay que decir que, aunque a priori esta

forma de modelar la herramienta es totalmente válida, en caso que el

presente proyecto se llevase a la práctica sería necesario supervisar esta

operación, debido a la diferencia de anclaje de un tipo de fresa respecto a

la otra.


operación:


borde exterior de la forma de la pala embebida en el molde. Es el

mismo contorno que en la operación de desbaste inicial, salvo que

Mango Nº Operación: 9


1 h 6 min 10 seg 1 h 6 min 17 seg




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en este caso se mecaniza el lado contrario de dicho contorno. (Ver

página 44)

2) Check (zona a evitar): Dada la geometría de la operación no es

necesario designar zonas con este parámetro.


se deja un sobre-espesor nulo.

4) Tool path style: Debido a las trayectorias helicoidales que emplea

este tipo de operación este parámetro no tiene sentido aquí.

5) Machining tolerance: En este caso se emplea 0.05 mm. Como en

operaciones anteriores, la validez de este parámetro se comprueba

con las creces medidas en Catia tras realizar la operación.

6) Max. Distance between pass: Se utiliza una distancia entre

pasadas de 10 mm.

7) Scallop height: No existe en este tipo de operaciones.

8) Offset-Limit definition: Se utiliza un offset de 4 mm.

Se muestra a continuación una imagen del desarrollo de esta operación.



36


Planeado final Nº Operación: 9



Herramienta: STD A8-8200 40 x 32 mm.

3.10.11 Resumen del plan de mecanizado.

A continuación se muestra un cuadro resumen el plan de

mecanizado:

Nº Nombre Op Tipo Herramienta Vc

(m/min)

Va

(mm/min)

1 Desbaste inicial Desbaste STD A9-9185 Ø 10 200 1000

2 Brazo derecho corazón Acabado Específica 250 500

3 Esquina derecha corazón Acabado Específica 250 500

4 Brazo izquierdo corazón Acabado Específica 250 500

5 Esquina izquierda

corazón Acabado Específica 250 500

6 Corazón Acabado Específica 250 500

7 Marco Acabado A9-9300 Ø16 250 500

8 Superficie de impacto Acabado STD AO-1390 Ø 5 250 500

9 Mango Acabado Específica 250 500

10 Planeado final Acabado STD A8-8200 40 x

32 mm. 250 500

3.11. Verificación de creces de mecanizado.

Catia dispone de una herramienta de medida y visualización real de

la pieza mecanizada, para ello, el programa genera una pieza con las

características geométricas reales del mecanizado, es decir, en lugar de

mostrar las superficies ideales que presenta el modelo tridimensional que

es necesario hacer inicialmente para poder definir las distintas operaciones

a realizar, da lugar a una pieza con todas las creces de mecanizado e

imperfecciones que se producen en la pieza debido a la existencia de un

mecanizado real.



37

Mencionar que Catia permite generar con esta opción un archivo

.Product (Una de las extensiones empleada para las piezas 3-D

normalmente creadas con Catia) que contendrá una pieza con la geometría

real del mecanizado, hay que destacar que en el presente proyecto, para

poder obtener dicho archivo hubo que instalar Catia en un ordenador de

última generación, ya que el usado normalmente ira incapaz de generar el

archivo .Product correspondiente al mecanizado más allá de las primeras

operaciones. Como dato, decir que el archivo que contiene la geometría

ideal del molde ocupa 5.5 Mb mientras que el que contiene la geometría

final del mecanizado ocupa casi 47 Mb.

A continuación se muestra una secuencia de imágenes ordenadas

según el zoom empleado para mostrar al lector como se realiza la

comprobación de las creces de mecanizado. En este caso en particular son

las dejadas por la operación de mecanizado del brazo derecho del corazón,

en dichas imágenes se activó la visualización mediante color negro de las

aristas existentes en la pieza:



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En la imagen anterior se ve claramente la diferencia existente entre

una superficie con el mecanizado ya acabado (zona más oscura de la

imagen, es decir, con mayor concentración de aristas) y otra que

únicamente ha sufrido una operación de desbaste. (zona con menor

número de aristas, pero más protuberancias).



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La última imagen muestra el cuadro de dialogo de la herramienta de

medición. Las dos aristas en rojo son las creces de mecanizados medidas

en esta ocasión.

4. MEJORAS AL PROYECTO.

Las posibles mejoras al proyecto actual pueden clasificarse en tres

tipos distintos:

4.1. Aplicación del M.E.F.

El M.E.F usa un sistema de discretización de piezas y estructuras

reales mediante puntos llamados nodos que hacen una red mallada. Esta

malla esta programada para contener el material y las propiedades de la

estructura que definen cómo ésta reaccionará ante ciertas condiciones de

carga.

Se toma un conjunto de funciones que definan de manera única el

campo de desplazamientos dentro de cada “elemento finito” en función de

los desplazamientos nodales de dicho elemento y se determina un sistema

de fuerzas concentradas en los nodos, tal que equilibre las tensiones en el

contorno y cualesquiera cargas repartidas resultando así una relación entre



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fuerzas y desplazamientos de la forma F = k . u, que como vemos es

similar a la del cálculo matricial.

La resolución del sistema anterior permite obtener los

desplazamientos en los nodos y con ellos definir de manera aproximada el

campo de desplazamientos en el elemento finito.

Catia permite realizar estudios de elementos finitos sobre las piezas

y estructuras diseñadas en el. Para que este estudio sea posible, es

necesario que la geometría del modelo tridimensional sea exacta en todas

sus características (dimensiones, densidad, uniones, etc.) a la pieza real.

Debido a la inexperiencia previa a este proyecto con Catia, y como

se expuso en el apartado 2.2 “Generalidades del modelado”, el modelo

actual cumple perfectamente en cuanto a las exigencias para el modelado

exterior y mecanizado del mismo, pero debería ser modificado en ciertos

aspectos para poderle aplicar el M.E.F en Catia, en tal caso, podrían

obtenerse las siguientes mejoras:

1) Conocimiento preciso de los esfuerzos a los que está sometida la

pala. Dado que estamos ante un proyecto de ingeniería inversa, es

decir, la pala real ya existía antes que el modelo informático y

cumplía perfectamente con las exigencias a la misma, estos datos

podrían ser más útiles de cara optimizar y minimizar el material

empleado en la fabricación de la pala que en la resistencia de la

misma.

2) Estudio de vibraciones. En el mundo del pádel, está en auge

promocionar las palas basándose en la disminución de vibraciones

transmitidas al jugador. El uso de Catia permitiría modificar la

geometría de la pala o incluir en la misma elementos destinados a la

reducción de vibraciones.

3) Estudio de transmisión de calor. Aplicar el M.E.F. al modelo

informático del molde sería útil para mejorar el proceso de curado de

la pala dentro del mismo.



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4.2. Mejoras en el diseño de la pala.

El objeto de este proyecto no es cambiar la forma del modelo de pala

proporcionado por la empresa, sin embargo, tras el estudio del mismo se

pueden sugerir varios puntos de mejora del diseño de la pala:

1) Incremento de la longitud del mango. Ya que el original posee un

tamaño muy justo para una mano adulta. Para esto habría que

modificar la geometría de la pala, ya que su longitud total está al

límite de la normativa de juego.

2) Incorporación de un elemento de protección para la parte superior

del marco, o, darle la posibilidad al usuario de adquirir uno

específico para este modelo. Ya que es en esta zona donde se

producen la mayor parte de roces de la pala contra las paredes y el

suelo.

3) Como ya se mencionó en el apartado anterior, inclusión de un

sistema de reducción de vibraciones.

4.3. Incremento de la producción.

El proyecto actual se ha desarrollado con la premisa inicial de un

pequeño volumen de producción y elaboración sencilla del mismo, para

volúmenes de producción elevados sería conveniente realizar:

1) Estudio de la vida útil de las herramientas, para poder preveer el

fallo de las mismas sin necesidad de un control continuo.

2) Estudio sobre la viabilidad de introducir elementos de amarre y

alimentación automáticos a la máquina herramienta.

3. mecanizado. 3.1 generalidades. 3.2 exigencias...

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