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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Tema A2b Manufactura: Manufactura sustentable
“Comparación del consumo de potencia de dos estrategias de fresado CNC”
R E S U M E N
Este artículo presenta una comparación del consumo de potencia del maquinado de cavidades (pocket) utilizando dos
estrategias de corte; High Speed Dynamic (HSD) y True Spiral (TS). El propósito es conocer cuál de las dos estrategias
requiere menor consumo de energía. Para realizar la comparación, para ambas estrategias de corte, se establecieron 3
parámetros de corte importantes como variables (velocidad de corte, avance por diente y profundidad de corte) con 3
posibles niveles cada uno (bajo, medio y alto). A partir de lo anterior, se utilizó la metodología Taguchi para definir 9
experimentos representativos para cada estrategia con parámetros de corte particulares. Empleando los parámetros de corte
establecidos por cada experimento se maquinó una cavidad con dos réplicas. Del análisis de los resultados de los
experimentos, se concluyó que la estrategia High Speed Dynamic presenta ventajas significativas sobre la True Spiral, con
respecto al consumo de energía y productividad
Palabras Clave: Energía en maquinado, maquinado sustentable, estrategias de maquinado, CNC
A B S T R A C T
This article presents a comparison of the power demand, energy consumption and production time in a CNC pocket
machining process between two cutting strategies; High Speed Dynamic (HSD) and True Spiral (TS). The purpose of this
work is to find out which strategy of the two requires the lowest energy demand maintaining good productivity rates. Three
cutting parameters were taken into consideration as important variables: cutting speed Vc, feed per tooth fz, and depth of
cut ap; each parameter has three levels: low, medium, high. Considering those three variables with three levels each one,
a Taguchi L9 array was used to choose the 9 most representative experiments for each cutting strategy. From the analysis
of the results, HSD strategy is found to achieve higher performance and more advantages than TS cutting strategy in
regards to energy consumption and production time.
Keywords: Machining power, sustainable manufacture, toolpaths, CNC.
1. Introducción
La creciente tasa en la demanda eléctrica a nivel mundial,
así como la elevada generación de gases de efecto
invernadero, han provocado que el sector industrial, los
gobiernos y la academia emprendan acciones al respecto.
Por lo anterior, temas como la reducción de emisiones de
𝐶𝑂2 al medio ambiente [1,2], se han vuelto de interés para
el sector manufacturero, incluido el relacionado con el
maquinado.
La reducción en la demanda eléctrica durante la producción
en serie, es atractiva para las empresas que buscan disminuir
emisiones contaminantes y costos de producción. De ahí que
desde 2007, se han realizado esfuerzos por desarrollar
algoritmos heurísticos para definir parámetros de corte que
disminuyan el consumo de energía durante la manufactura
[3,4,9].
Frecuentemente se cuestiona la excesiva demanda eléctrica
Álvaro Ayalaa*, Vicente Borjaa, Emilio Rajmea, Michelle Muñoz-Buensucesoa
aFacultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México Av. Universidad 3000, Ciudad de México, 04510, México,
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en los procesos por arranque de viruta, debido a su baja
eficiencia; tan sólo el 14.8% de la energía en el maquinado
se utiliza en el corte de material [4]. Así, seleccionar
adecuadamente los parámetros de corte y trayectorias de
manufactura podrían ahorrar entre el 6 y el 40% de la energía
usada durante los procesos de manufactura [6].
La maximización de los parámetros de corte involucra
diversas contradicciones. Tal es el caso, de los
requerimientos de sustentabilidad y los tiempos de
producción [5]. Mientras el punto de vista sustentable dirige
la manufactura hacia una menor demanda de potencia,
comúnmente provoca mayor tiempo de maquinado y por
ende menor productividad. El enfoque de disminuir el
tiempo de producción, favorece lo contrario; mayor
productividad a un costo energético elevado.
Actualmente la comunidad académica y la industria no
cuentan con un método robusto para calcular la energía que
será utilizada durante el maquinado de una pieza [13].
En este trabajo se presenta un estudio comparativo de 2
estrategias de corte (High Speed Dynamic y True Spiral) de
fresado por control numérico de una cavidad (pocket) para
determinar la estrategia de menor demanda de potencia,
menor tiempo de corte y menor consumo de energía. El
estudio incluyó un diseño de experimentos con la
metodología Taguchi, para identificar la combinación de
parámetros que provoquen la menor demanda de potencia
con una productividad aceptable.
2. Material y diseño de experimentos
En esta investigación se utilizaron placas de acero AISI 1018
cold rolled con dureza 145 HB; y herramientas SANDVIK
CoroMILL Plura de 10 mm con recubrimiento de AlCrN. La
combinación del material a cortar y la herramienta tuvo el
propósito de disminuir el desgaste de la herramienta para
eliminar esta variable del estudio.
Para las diferentes estrategias de corte, High Speed Dynamic
(HSD) y True Spiral (TS), se utilizó soluble sintético con
concentración del 8%. Para la estrategia HSD se fijó un
traslape de 17% del diámetro del cortador, mientras que para
la estrategia TS se fijó traslape de 40%, según
recomendación del fabricante de la herramienta.
Para realizar la comparación, para ambas estrategias de
corte, se establecieron 3 parámetros de corte importantes
como variables: velocidad de corte Vc, avance por diente fz
y profundidad de corte ap con 3 posibles niveles cada uno
(bajo, medio y alto).
A partir de lo anterior, se utilizó la metodología Taguchi
para definir los 9 experimentos más representativos, según
el arreglo ortogonal L-9, entre los 27 posibles para cada
estrategia. Empleando los parámetros de corte establecidos
para cada experimento, se maquinaron las cavidades
utilizando un centro de maquinado HAAS VF1 (Fig. 1).
Los experimentos se repitieron 3 veces cada uno para contar
con suficientes datos para efectuar el análisis estadístico de
los mismos.
Figura 1: Centro de maquinado HAAS VF1
3. Desarrollo
El procedimiento para la realización de los experimentos del
estudio se muestra en la figura 2.
Figura 2: Metodología empleada para la realización de los experimentos
con ambas estrategias de corte (HSD y TS)
Se utilizó un software CAM para generar los códigos G, y
se midió la demanda de potencia con el analizador de redes
FLUKE 435 Series II (Fig. 3).
Figura 3: Conexión del analizador de redes FLUKE 435 Series II a la
instalación eléctrica del centro de maquinado.
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3.1. Experimentos
El experimento consistió en el maquinado de cavidades
usando dos estrategias de corte. En el presente trabajo,
“estrategia de maquinado” o “estrategia” es el conjunto de
todos los desplazamientos lineales y circulares que sigue la
herramienta a partir de las instrucciones de los códigos G y
M.
Durante los experimentos, se maquinaron cavidades de 70 x
30 mm con 10 mm de profundidad. Estas dimensiones se
definieron para realizar la comparación del tiempo de
maquinado e identificar diferencias en los patrones de
consumo de potencia. Las dimensiones de las placas se
eligieron de tal forma que acomodaran los 27 maquinados
de una estrategia en una cara de la placa y los 27 de la otra
estrategia en la otra cara de la placa y así minimizar los
desperdicios (Fig. 4).
Figura 4: Vista isométrica de la placa con cavidades maquinadas para
análisis de potencia con estrategia de corte True Spiral
3.2. High Speed Dynamic
En la figura 5 se aprecia el modelo tridimensional de una
cavidad y las trayectorias de la estrategia de corte High
Speed Dynamic.
Figura 5: Trayectorias de corte que conforman la estrategia de corte High
Speed Dynamic. En azul, espiral descendente. En anaranjado
interpolaciones lineales y circulares.
En la figura 6 se muestra el modelo tridimensional de la
estrategia simulada en el software CAM.
Figura 6: Modelo tridimensional de la estrategia de corte HSD.
La definición de los parámetros y sus niveles (alto, medio y
bajo) utilizados en la estrategia HSD se muestran en la tabla
1.
La tabla 2 presenta los parámetros de corte utilizados
durante la experimentación, definidos de acuerdo a lo
explicado en la sección 2.
Tabla 1: Parámetros de corte y niveles para estrategia HSD
Nivel
Parámetro
Vc fz ap
[m/min] [mm/diente] [mm]
bajo 135 0.027 10
medio 160 0.041 5
alto 185 0.055 2
Tabla 2: Arreglo ortogonal L-9 con parámetros de corte utilizados
para experimentos con estrategia de corte HSD.
Experimento
Parámetro
Vc fz ap
[m/min] [mm/diente] [mm]
1 135 0.027 10
2 135 0.041 5
3 135 0.055 2
4 160 0.027 5
5 160 0.041 2
6 160 0.055 10
7 185 0.027 2
8 185 0.041 10
9 185 0.057 5
El resultado de las pruebas se presenta en la figura 7, las
cavidades se marcaron para identificar el número de
experimento y la repetición. Los experimentos se efectuaron
siguiendo el orden 1.1, 1.2, 1.3, 2.1, 2.2, 2.3, 3.1 y así
sucesivamente hasta finalizar con el 9.3.
Figura 7: Placa de acero AISI 1018 donde se aprecian los 27 maquinados
con estrategia de corte HSD.
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3.3. True Spiral
En la figura 8 se muestra el modelo tridimensional de una
cavidad y las trayectorias de la estrategia de corte TS.
Figura 8: Trayectorias de corte que conforman la estrategia de corte True
Spiral. A la izquierda, descenso en línea recta. A la derecha,
interpolaciones lineales y circulares.
La figura 9 muestra el maquinado durante las pruebas
empleando la estrategia TS.
Figura 9: Pieza manufacturada utilizando la estrategia TS.
La definición de los parámetros y sus niveles (alto, medio y
bajo) utilizados con la estrategia TS se presentan en la tabla
3.
La tabla 4 muestra los parámetros de corte empleados con
los experimentos TS, definidos de acuerdo a lo explicado en
la sección 2.
Tabla 3: Parámetros de corte y niveles para estrategia TS
Nivel
Parámetro
Vc fz ap
[m/min] [mm/diente] [mm]
bajo 135 0.027 2
medio 160 0.041 1
alto 185 0.055 0.6
Tabla 4: Parámetros de corte utilizados para experimentos con
estrategia de corte TS
Experimento
Parámetro
Vc fz ap
[m/min] [mm/diente] [mm]
1 135 0.027 2
2 135 0.041 1
3 135 0.055 0.6
4 160 0.027 1
5 160 0.041 0.6
6 160 0.055 2
7 185 0.027 0.6
8 185 0.041 2
9 185 0.057 1
La secuencia empleada para la realización de las pruebas
inició con la cavidad 1.1 y finalizó con la 9.3 (Fig. 10); la
secuencia de los maquinados con la estrategia TS fue la
misma que la de la estrategia HSD.
Figura 10: Placa de acero AISI 1018 con los maquinados de las 27
cavidades con estrategia de corte TS
4. Resultados
Un aspecto de interés en este trabajo es la demanda
instantánea de potencia que se midió con el analizador de
redes. Las figuras 11 y 12 muestran las etapas del maquinado
con un código de colores. Debido a la frecuencia de
adquisición de datos del analizador de redes hay picos de
potencia muy altos en un gráfico que no aparecen en el otro.
Figura 11: Gráfico potencia vs tiempo que muestra el comportamiento de
la potencia, durante el maquinado l con estrategia de corte HSD.
Las etapas de maquinado de la figura 11 se identifican de la
siguiente manera: rojo - G28 a plano de seguridad, azul -
descenso en línea recta al borde superior del material,
morado - hélice descendente, amarillo - corte con trayectoria
HSD, verde - fin de corte a G28.
Pese a ser similar, se aprecian diferencias en las figuras 11 y
12. Las etapas del maquinado de la figura 12 se muestran de
la siguiente manera: rojo - G28 a plano de seguridad, azul -
descenso en línea recta, amarillo - corte con trayectoria TS,
verde - fin de corte a G28.
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Figura 12: Gráfico potencia vs tiempo que muestra el comportamiento de
la potencia, durante el maquinado de una cavidad con estrategia TS.
Los resultados de las mediciones y el tratamiento de los
datos obtenidos a partir de los experimentos con ambas
estrategias se presentan en las figuras 13 a 15 para su
comparación.
Figura 13: Gráfico muestra la potencia instantánea durante el maquinado
de los experimentos y réplicas.
En la figura 13 se muestran los resultados de la potencia
instantánea por experimento, los cuales se arreglaron de
menor a mayor de izquierda a derecha. El experimento 8 con
estrategia HSD requiere de 3.77% menos potencia que el
experimento 9 con TS. Por otra parte, el experimento 3 con
TS utiliza 13.46% más potencia que el experimento 7 con
HSD.
Finalmente, el promedio de demanda instantánea de
potencia de los experimentos con trayectoria HSD fue de
1622.12 [W] y el de la trayectoria TS fue de 1759.78 [W].
Figura 14: Gráfico que muestra el comportamiento de las estrategias de manufactura con respecto al tiempo.
La figura 14 muestra que la estrategia TS requirió de hasta
74.41% más tiempo que con la estrategia HSD. También se
aprecia que la combinación de parámetros del experimento
6 es la que obtuvo el menor tiempo de manufactura.
El tiempo promedio de maquinado de los 9 experimentos
con trayectoria HSD fue de 0.156 [h] (9 min 22s) mientras
que el de la trayectoria TS fue de 0.21 [h] (12 min 36s). El
tiempo de maquinado, es el factor que más afecta la energía
requerida en el maquinado (Fig. 15).
La figura 15 muestra que el experimento 4 de la estrategia
de corte HSD requirió 49.2% menos energía ([Wh]) que
aquel con estrategia TS, siendo éste el experimento con la
mayor diferencia porcentual. La menor diferencia
porcentual de potencia es de 22.76%, la cual se presentó en
el experimento 3. La menor diferencia de potencia fue de
44.706 [Wh] y se presentó en el experimento 6.
Figura 15: Gráfico donde se muestra de manera ordenada de menor a mayor la lectura de la energía promedio
El promedio de consumo de energía de los 9 experimentos
con trayectoria HSD fue de 243.158 [Wh] mientras que el de
la trayectoria TS fue de 381.333 [Wh].
5. Conclusiones
En este artículo se presentan los resultados de estudios
realizados con dos estrategias de corte, High Speed Dynamic
y True Spiral, en el fresado por control numérico de una
cavidad (pocket). Los resultados mostraron que la estrategia
High Speed Dynamic requirió la menor demanda de potencia
1622.12 [W], el menor tiempo de maquinado 0.1562 [h] (9
min 22s) y el menor consumo de energía 243.15 [Wh].
Los mejores parámetros para minimizar el consumo de
potencia considerando ambas estrategias son los utilizados
en el experimento 6. Para HSD los parámetros de corte
fueron: Vc = 160[m/min], fz = 0.055[mm/diente] y ap =
10[mm] y para el experimento 6 con TS, fueron los
parámetros: Vc = 185[m/min], fz = 0.055[mm/diente] y ap
= 2[mm]
Se observó que la estrategia de corte HSD puede remover la
misma cantidad de material en hasta 50.8% menos tiempo
que la estrategia de corte TS. Por lo que HSD es la mejor
solución para desbaste y mayor productividad.
Agradecimientos
La investigación reportada en este artículo fue realizada
gracias a los Programas de Apoyo a Proyectos UNAM-
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DGAPA-PAPIIT IT101816 y UNAM-DGAPA-PAPIIT
IT102617.
También se agradece la colaboración de José Ángel
Rodríguez en el desarrollo de los experimentos.
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