Análisis de operaciones de fresado con CATIA

I Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Análisis de operaciones de fresado con CATIA Dpto. Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 Autor: Juan Francisco Navarrete Pérez Tutores: Francisco Javier Doblas Charneco Luis Valentín Bohórquez Jiménez III Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Análisis de operaciones de fresado con CATIA Autor: Juan Francisco Navarrete Pérez Tutores: Francisco Javier Doblas Charneco Luis Valentín Bohórquez Jiménez Profesor titular Dpto. de Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 V Trabajo de Fin de Grado: Análisis de operaciones de fresado con CATIA Autor: Juan Francisco Navarrete Pérez Tutores: Francisco Javier Doblas Charneco Luis Valentín Bohórquez Jiménez El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: VII Agradecimientos En primer lugar, a mis tutores Paco y Luis, por darme la oportunidad de realizar este trabajo con ellos, siempre con una completa disponibilidad y con un aporte continuo de buenas y útiles ideas y conocimientos necesarios para el desarrollo de este trabajo. A mi familia y seres queridos, en especial a mi madre y a mi padre, que siempre me han apoyado de manera continuada y sin descanso en este duro camino. A mis tres abuelos que ya no están por desgracia, en especial a mi abuela Catalina, la cual sé que se sentiría orgullosísima de mi. A todos los amigos y compañeros que me han tendido la mano y ayudado en este viaje, en especial a Cristóbal García Sobrino, Manuel López Moreno y Pablo Blanco Ostos. Juan Francisco Navarrete Pérez Sevilla, 2021 IX Resumen El método de estimación rápida del coste de fabricación de piezas obtenidas por mecanizado porpuesto por G. Boothroyd no respondía a las necesidades actuales del mundo del mecanizado en los procesos de fresado de piezas sencillas al no proporcionar un método o ecuación válida que permitiese calcular dichos costes. Por consecuente, en el presente trabajo se tratará de encontrar una fórmula que sea capaz de responder a esta necesidad devolviendo valores válidos para todo tipo de piezas, independientemente de la geometría, forma y tamaño. Con idea de tener una base de datos sólida con la cual comparar los resultados obtenidos a partir de dicha fórmula, se hará uso del programa CATIA V5 para el diseñado y posterior mecanizado de las piezas. Para que dicha fórmula devuelva valores lo más próximos posibles a los de CATIA, ésta se irá perfeccionando a lo largo del presente trabajo, hasta llegar a la ecuación deseada. XVI ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Área correspondiente a v·f para herramientas de forma 6 Figura 3.1 Piezas rectangulares sin isla 7 Figura 3.2 Piezas rectangulares con isla 8 Figura 3.3 Piezas triangulares sin isla 8 Figura 3.4 Piezas triangulares con isla 8 Figura 3.5 Piezas romboidales sin isla 9 Figura 3.6 Piezas romboidales con isla 9 Figura 3.7 Pieza octogonal sin isla 9 Figura 3.8 Pieza octogonal con isla 10 Figura 3.9 Pieza circular sin isla 10 Figura 3.10 Pieza circular con isla 10 Figura 3.11 Área de trabajo del “Part Design” 11 Figura 3.12 Área de trabajo del “sketch” 12 Figura 3.13 Generación de la superficie de la base del rectángulo 13 Figura 3.14 Generación del volumen del rectángulo 14 Figura 3.15 Generación de la superficie del cajeado del rectángulo 14 Figura 3.16 Vaciado del cajeado del rectángulo 15 Figura 3.17 Generación de la isla dentro del cajeado 15 Figura 3.18 Pieza rectangular con isla finalizada 16 Figura 3.19 Entorno VBA 17 Figura 3.20 Ventanas de las librerías 18 Figura 3.21 Ventana “record macro” 19 Figura 3.22 Área del trabajo del “Prismatic Machining” 20 Figura 3.23 Acceso al área de trabajo del módulo de mecanizado 21 Figura 3.24 Ventana del “Part Operation” 21 Figura 3.25 Ventana del “Machine Editor” 22 Figura 3.26 Ventana del “Part Operation” con el “Part Body” definido 23 Figura 3.27 Ventana del “Pocketing” con pieza sin definir 23 Figura 3.28 Ventana del “Pocketing” con pieza definida 24 Figura 3.29 Listado de herramientas con dentado frontal 25 Figura 3.30 Ventana del Pocketing con herramienta sin definir 26 Figura 3.31 Herramienta definida 26 Figura 3.32 Ventana del Pocketing con velocidades definidas 27 Figura 3.33 Ventana del “Pocketing” con “Approach” definido 28 XVII Figura 3.34 Ventana del “Pocketing” para definir la estrategia 29 Figura 3.35 Ventana del “Poketing”. Pestaña “Radial” 29 Figura 3.36 Ventana del “Poketing”. Pestaña “Axial” 30 Figura 3.37 Ventana del “Pocketing” con los tiempos de mecanizado 30 Figura 4.1 Mecanizado de la pieza octogonal sin isla con estrategia concéntrica 31 Figura 4.2 Mecanizado de la pieza circular sin isla con estrategia concéntrica 32 Figura 4.3 Mecanizado de la pieza circular sin isla con estrategia “Helicoidal” (superior) y “Back and Forth” (inferior) 35 Figura 4.4 Trayectoria seguida por la herramienta en mecanizado helicoidal 36 Figura 4.5 Área mecanizada en la primera pasada 37 Figura 4.6 Diagrama de barras para 𝐹1, 𝐹2 y 𝐹3 44 1 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Contexto del trabajo Hoy en día confeccionar un presupuesto de mecanizado CNC de piezas no es una tarea sencilla ni libre de costes. Naturalmente, para el que lo solicita, puede carecer de importancia, pero para quienes se dedican a este menester, puede llegar a representar un gran coste en horas de técnicos cualificados. Si quienes solicitan una oferta para una pieza mecanizada tienen en cuenta ciertos criterios, podrán entender mejor algunos de los retos a los que las empresas se enfrentan a la hora de preparar su presupuesto. Por otro lado, también resultarán útiles para los clientes una serie de consejos a la hora de concebir sus piezas, para reducir al máximo costes innecesarios, desde la misma fase del diseño. Para generar un presupuesto de mecanizado se siguen una serie de fases detalladas a continuación: • Materias primas. • Geometrías. • Procesos de mecanizado. • Lotes a fabricar. • Tolerancias. • Acabados • Plazos de entrega. 1.2 Objetivos Actualmente el cliente que desee un presupuesto de mecanizado deberá aportar una serie de datos a la empresa fabricadora. En lo que a la geometría se refiere, debe facilitar: • Estrategia de mecanizado, o cómo se ha de sujetar la pieza y cómo deberán de ser las trayectorias y movimientos de las herramientas • Tipología de herramienta a emplear. En este caso se refiere a tamaños de herramientas (y por lo tanto condiciones de máquina) y número de las mismas para todas las operaciones previstas. • Zonas no mecanizables. Es posible que exista algunos errores en el diseño inicial de la pieza o que se obvien radios de herramienta. Normalmente estos puntos se contrastan con el cliente. • Necesidad de mecanizados especiales, como corte por hilo o erosión por penetración, que originarán la necesidad de realizar trabajos externos en otros proveedores. Por otro lado, en lo que al proceso de mecanizado se refiere, a partir del análisis anterior, se determinan las diferentes fases que deberán emplearse para poder realizar la pieza final. Los procesos más habituales son: • Centro de Mecanizado CNC. • Torno CNC. • Talladora de engranajes. • Soldadura. • Roscadora. En este trabajo se va a aportar una solución o herramienta tanto a los clientes como a los fabricadores para el caso de piezas sencillas, de tal forma que se agilice el proceso de realizar un presupuesto para una pieza en concreto, y a su vez este sea más sencillo. 1. Introducción 2 El objetivo será conocer el coste de mecanizado de una pieza conociendo únicamente la longitud a mecanizar, es decir, la distancia recorrida por la herramienta durante el proceso, independientemente de la geometría de la pieza. Para ello se llevarán a cabo una serie de tareas que se exponen a continuación, haciendo uso en algunas de ellas del software CATIA V5 que será de gran utilidad: • Diseño de las piezas en CATIA V5. • Mecanizado de las piezas en CATIA V5. • Análisis de los resultados, comparándolos con las ecuaciones propuestas en la teoría de Estimación de Costes de Mecanizado según PDFMA. 1.3 Estructura de la memoria Se ha organizado en 5 capítulos, incluyendo la presente introducción. El Capítulo 2 presenta el PDFMA, explicando en qué consiste y desarrollando la ecuación general de costes, con idea de introducir el problema en cuestión y aplicar la fórmula de costes a dicho problema. Finalmente se hará una propuesta de fórmula que será el eje de este trabajo. En el Capítulo 3 se hará uso del software CATIA V5 para el diseño y posterior mecanizado de las piezas. Se explicará detalladamente los pasos a seguir para diseñar las piezas, así como el posible uso de macros con “Visual Basic for Applications” (VBA) para agilizar el proceso de diseño. Posteriormente, se explicará también en detalle el proceso de mecanizado aplicando las diferentes estrategias que CATIA ofrece al usuario. En el Capítulo 4 se expondrán los resultados obtenidos a través de CATIA. Se introducirán y explicarán las fórmulas propuestas y se calcularán los valores que resultan de la aplicación de las mismas. Finalmente, se compararán los resultados obtenidos y se representarán gráficamente. En el Capítulo 5 se presentarán las conclusiones principales de este trabajo. 3 2 PRODUCT DESIGN FOR MANUFACTURE AND ASSEMBLY (PDFMA) 2.1 Introducción al PDFMA Antes que nada, conviene presentar el método de estimación rápida del coste de fabricación de piezas obtenidas por mecanizado propuesto por G. Boothroyd en el capítulo 7 de su libro “Product Design For Manufacture and Assembly” y el capítulo 13 de “Fundamentals of Machining and Machine Tools”. Las operaciones de mecanizado a tratar se dividen en tres grupos: • Operaciones de desbaste con herramientas con filo definido. • Operaciones de acabado con herramientas con filo definido. • Operaciones con herramientas con filos indefinidos. Las operaciones con herramientas con filo definido son las realizadas normalmente en un torno, una fresadora, una taladradora, etc. Las operaciones con herramientas con filos indefinidos son todas las que usan abrasivos para arrancar el material: esmerilado, rectificado, pulido, etc. El coste de una pieza se divide en coste del material más coste de producción. Por coste de material se entiende el coste de la preforma que se va a mecanizar. Coste de producción será obviamente el resto. El coste de producción se dividirá en coste de mecanizado (el coste de arrancar la viruta) más el coste debido a todas las operaciones que no son arranque de virutas, mal llamadas “improductivas”. El coste de mecanizado viene principalmente por el tiempo que se emplea en arrancar material más el gasto de las herramientas. 2.2 Ecuación general de costes Todo trabajo de mecanizado parte de una pieza conformada más simple. Esta puede ser un trozo cortado de elementos simples (barras, tochos, palanquillas, cuadrados, chapas, chapones, tubos, etc.) disponibles en el mercado, o una preforma conformada por fundición, estampación, extrusión, etc. El coste de una pieza se estima como: 𝐶 = 𝑃𝑚𝑎𝑡 · 𝑊0+ 𝐶𝑝𝑟 (2.1) 𝐶: coste de la pieza fabricada (€). 𝑃𝑚𝑎𝑡: precio del material (preforma) puesto en fábrica (€/kg). 𝑊0: peso de la preforma (kg). 𝐶𝑝𝑟: coste de producción de la pieza (€). Para evaluar 𝐶𝑝𝑟 se parte de un número gordo M que Boothroyd define como “total machine and operator rate, including overheads, depreciation, etc.”. El coste de producción sería: 𝐶𝑝𝑟 = 𝑀 · 𝑡 + 𝐶𝑡· 𝑁𝑡+ 𝐶𝑤 (2.2) 𝑡: tiempo total invertido en producir la pieza. 𝐶𝑡: precio de una unidad de herramienta de corte con filo definido. 𝑁𝑡: número de herramientas gastadas en una pieza. 2. Product design for manufacture and assembly (PDFMA) 4 𝐶𝑤: coste de herramienta con abrasivos (material y colocación). El número de herramientas gastadas se calcula a partir del tiempo de mecanizado (tiempo que están las herramientas arrancando viruta) y la vida de la herramienta: 𝑁𝑡=𝑡𝑚 𝑇 (2.3) 𝑡𝑚: tiempo de mecanizado. 𝑇: vida de la herramienta. El tiempo de fabricación se divide en tiempo de mecanizado, tiempo de cambio de herramientas y el resto, mal llamado “no productivo”. El tiempo de mecanizado se divide a su vez en mecanizado con filo definido, mecanizado de acabado con abrasivos, mecanizado de desbaste con abrasivos y tiempo de spark-out. 𝑡 = 𝑡𝑚+ 𝑡𝑐𝑡 · 𝑁𝑡+ 𝑡𝑓𝑖𝑛 + 𝑡𝑠𝑝𝑜 + 𝑡𝑔𝑟 + 𝑡𝑙 (2.4) 𝑡𝑐𝑡: tiempo para cambiar una herramienta con filo definido. 𝑡𝑓𝑖𝑛: tiempo de acabado con abrasivos. 𝑡𝑠𝑝𝑜: tiempo de spark-out (abrasivos). 𝑡𝑔𝑟: tiempo de mecanizado de desbaste. 𝑡𝑙: tiempo en que no se mecaniza ni cambian las herramientas. Los sumandos de la ecuación (2.4) han de entenderse como sumatorios para todas las operaciones involucradas en la fabricación de la pieza. Reagrupando las ecuaciones (2.1), (2.2) y (2.4) se tiene que el coste de producción se puede expresar como: 𝐶𝑝𝑟 = 𝑀 · (𝑡𝑙+ 𝑡𝑓𝑖𝑛 + 𝑡𝑠𝑝𝑜)+ 𝑀 · 𝑡𝑚+(𝑀 · 𝑡𝑐𝑡 + 𝐶𝑡)·𝑡𝑚 𝑇+ 𝑀 · 𝑡𝑔𝑟 + 𝐶𝑤 (2.5) El coste horario total de operarios y máquinas, M, se supondrá conocido y predefinido. El resto de los factores no necesitan ser definidos en este trabajo tal y como se explicará más adelante. 2.3 Costes para operaciones de fresado Se va a estudiar el caso particular de piezas mecanizadas con una fresadora. Más concretamente, dicho mecanizado consistirá en un cajeado o “Pocketing”. Para ello se definirán una serie de piezas con diferentes geometrías y dimensiones. Volviendo a la ecuación de costes generales, y teniendo en cuenta que se va a llevar a cabo una operación de acabado sobre las piezas, se tiene que los tiempos para cambiar herramientas, aquellos en los que ni se mecaniza ni se cambian herramientas, los relativos al mecanizado con abrasivos y los que se refieren al mecanizado de desbaste con filos definidos carecen de relevancia en este apartado, por lo que dichos valores se toman nulos, quedando la ecuación: 𝐶𝑝𝑟 = 𝑀 · 𝑡𝑚 (2.6) 5 Análisis de operaciones de fresado con CATIA Tal y como se comentó, M es un valor fijado y predefinido, por lo que todo el interés reside en estimar el valor de 𝑡𝑚. En este punto hay que diferenciar entre operaciones de desbaste, y operaciones de acabado. La operación geométrica asociada con el desbaste es el volumen de material mecanizado, 𝑉 𝑚, que se calcula como: 𝑉 𝑚= 𝑉0− 𝑉 𝑝 (2.7) 𝑉0: volumen de la preforma (𝑚𝑚3). 𝑉 𝑝: volumen de la pieza tras la operación realizada (𝑚𝑚3). El acabado está asociado a una superficie, y por lógica, será la superficie de la pieza deseada. Hay algunas operaciones para las que el conocimiento del área a mecanizar es de poca utilidad por no disponer de variables de corte que puedan dar una velocidad areolar o de generación de área. En ciertas ocasiones es fácil predecir la trayectoria que va a recorrer la herramienta. En cuyo caso se tendrá una longitud asociada a la operación. Según cuál sea la magnitud geométrica asociada a la operación que se realiza (volumen, área o longitud) para calcular el tiempo de mecanizado 𝑡𝑚 e necesitará un caudal, una velocidad areolar o una velocidad de avance respectivamente. 𝑡𝑚=𝑉 𝑚 𝑍𝑤 𝑡𝑚=𝐴𝑏 𝑑𝐴/𝑑𝑡 𝑡𝑚=𝐿𝑤 𝑣𝑓 (2.8) 𝑉 𝑚: volumen mecanizado. 𝐴𝑏: área barrida por la herramienta. 𝐿𝑤: longitud recorrida por la herramienta. 𝑍𝑤: caudal de material arrancado. 𝑣𝑓: velocidad de avance. El caudal 𝑍𝑤 se puede obtener a partir de la energía específica de corte 𝑝𝑠 (energía por volumen de viruta arrancada) y la potencia máxima 𝑃 𝑚 (energía por unidad de tiempo). 𝑝𝑠=𝑑𝑊 𝑑𝑉 𝑚 → 𝑍𝑤=𝑑𝑉 𝑚 𝑑𝑡 =𝑃 𝑚 𝑝𝑠 (2.9) En procesos con simetría de revolución la velocidad areolar es el producto (𝑓 · 𝑣) del avance 𝑓 por la velocidad de corte 𝑣, pero hay que tener cuidado con interpretar correctamente el área que la herramienta está barriendo. Para estimar el área 𝐴𝑏 se debe ver en cada operación con simetría de revolución qué es físicamente el producto 𝑣 · 𝑓. En toda operación con simetría de revolución la velocidad de corte es tangente a la superficie generada y está contenida en un plano perpendicular al eje de la pieza. Si se considera el avance como un vector se tienen dos casos: vector avance tangente a la generatriz de la superficie (cilindrado, contorneado, mandrinado, etc.) o vector avance según el radio de la sección transversal de la pieza (tronzado, ranurado, etc.). En el primer caso el área 𝐴𝑏 será el área de la superficie generada por la herramienta (superficie cilíndrica con generatriz recta o curva). En el segundo caso será la corona circular de la sección de la pieza que describa el punto del filo que más tiempo esté cortando el material. En el caso del tronzado será la sección transversal de 2. Product design for manufacture and assembly (PDFMA) 6 la pieza cortada ya que la herramienta llega al mismo eje de la pieza. Figura 2.1 Área correspondiente a v·f para herramientas de forma En los procesos sin simetría de revolución el producto 𝑣 · 𝑓 no tiene significado geométrico alguno. En estos procesos la velocidad areolar es el producto 𝑣𝑓· 𝑤 de la velocidad de avance 𝑣𝑓 por la penetración del ancho de corte 𝑤. Dado que el ancho del trabajo depende fuertemente de las herramientas elegidas, esta expresión es de escasa utilidad para una estimación rápida de costes. Por lo que, para poder realizar una estimación del tiempo de mecanizado 𝑡𝑚, hay que tener en cuenta que éste depende de la longitud 𝐿 y de la velocidad de corte 𝑣𝑐, dado que 𝑡𝑚=𝐿 𝑣𝑐 . Conocida la longitud se podrá hallar el tiempo de mecanizado dada una velocidad de corte previamente conocida y fijada. Con idea de obtener dicha longitud 𝐿, se ha propuesto la siguiente fórmula, la cual se irá perfeccionando a lo largo de los capítulos venideros: 𝐿 = 𝐴 𝐷 (2.10) 𝐿: distancia recorrida por la fresa mientras mecaniza. 𝐴: área del cajeado que se va a mecanizar. 𝐷: diámetro de la fresa. Conocido el área a mecanizar 𝐴 (el área del cajeado) y el diámetro de la herramienta 𝐷, se puede hallar una longitud recorrida por la fresa en el proceso de mecanizado 𝐿. Acto seguido, se estima el tiempo de mecanizado 𝑡𝑚 aplicando la fórmula (2.10). Para llevar a cabo este trabajo, tal y como se comentó con anterioridad, se hará uso del software CATIA V5 con idea de diseñar las piezas por un lado y, posteriormente, mecanizarlas. Se obtendrán así los tiempos de mecanizado que se compararán con los obtenidos de aplicar la fórmula propuesta, viendo hasta qué punto ésta es válida y se aproxima a los resultados proporcionados por CATIA. 7 3 DISEÑO Y MECANIZADO CON CATIA V5 3.1 Introducción a CATIA V5 CATIA (Computer-Aided Three dimensional Interactive Application) es un programa informático de diseño, fabricación e ingeniería asistida por computadora comercial realizado por Dassault Systèmes. El programa está desarrollado para proporcionar apoyo desde la concepción del diseño hasta la producción y el análisis de productos. Provee una arquitectura abierta para el desarrollo de aplicaciones o para personalizar el programa. Las interfaces de programación de aplicaciones, CAA2 (o CAAV5), se pueden programar en Visual Basic y C++. Fue inicialmente desarrollado para servir en la industria aeronáutica. Se ha hecho un gran hincapié en el manejo de superficies complejas, CATIA también es ampliamente usado en la industria del automóvil para el diseño y desarrollo de componentes de carrocería. Concretamente empresas como el Grupo VW (Volkswagen, Audi, SEAT y Škoda), BMW, Renault, Peugeot, Daimler AG, Chrysler, Smart y Porsche hacen un amplio uso del programa. Esto permite que varias disciplinas aprovechen las aplicaciones especializadas de CATIA V5 y lo utilicen en todas las fases del proceso de desarrollo de sus productos. Hay distintos módulos de trabajo dentro de CATIA V5, que a su vez tienen distintos submódulos. Aquellos que se van a utilizar y se verán a continuación son: • Mechanical Design, más concretamente en el submódulo Part Design. • Machining, en concreto en el submódulo Prismatic Machining. Referencia [1] 3.2 Piezas La idea principal es llevar a cabo el diseño y mecanizado de varios tipos de piezas con geometrías y dimensiones diferentes para obtener varios valores y poder trabajar con ellos. Es por ello por lo que, para un mismo tipo de geometría, se trabajará con una, dos o tres dimensiones diferentes. Además, se estudiarán los casos de piezas con isla y sin isla en el interior del cajeado. Los tipos de piezas que se van a desarrollar son: • Rectangulares sin isla, donde el parámetro 𝑎 está asociado a la base, y el parámetro 𝑏 hace referencia a la altura. Se toma 𝑎 = 100𝑚𝑚. 𝑎 = 𝑏 𝑎 = 2𝑏 𝑎 = 5𝑏 Figura 3.1 Piezas rectangulares sin isla 3. Diseño y mecanizado con CATIA V5 14 Figura 3.14 Generación del volumen del rectángulo Seleccionando el plano correspondiente a la cara superior de dicha pieza, y con la herramienta “sketch” se dibuja un nuevo rectángulo de 80𝑚𝑚 de lado. Figura 3.15 Generación de la superficie del cajeado del rectángulo Tras regresar a la interfaz de diseño y haciendo uso de la herramienta “Pocket”, se genera el cajeado de la pieza. 15 Análisis de operaciones de fresado con CATIA Figura 3.16 Vaciado del cajeado del rectángulo Hasta aquí el procedimiento es idéntico para los casos de piezas con isla y de pieza sin isla. Para continuar con el caso de pieza con isla, se selecciona el plano de la base interior de la pieza y de nuevo se procede con la herramienta “sketch”. De nuevo, y tal y como se mostró con anterioridad, se dibuja un rectángulo (la isla) con una longitud de 20𝑚𝑚 de lado, y se sale de la interfaz de dibujo con “Exit workbench” para finalmente realizar un “Pad” (generando la isla) y por consecuente la pieza final. Figura 3.17 Generación de la isla dentro del cajeado Cabe la posibilidad de generar en un único “sketch” tanto la isla como el cajeado. Pero dado que tenemos que 3. Diseño y mecanizado con CATIA V5 16 crear tanto piezas con isla como piezas sin isla, se ha optado por el uso de un método que sirva como vía común para ambos tipos de sólidos. Generando la pieza sin isla, únicamente se debe de añadir un “sketch” y un “Pad” para obtener la pieza con isla. Figura 3.18 Pieza rectangular con isla finalizada 3.4 Visual Basic for Applications (VBA) El proceso de diseño de piezas puede ser automatizado gracias al uso de las macros que CATIA incorpora dentro de su software. Esto permite generar piezas a partir de un código escrito en lenguaje de programación VBA de una forma rápida y mecánica. Visual Basic for Applications (VBA) es el lenguaje de macros de Visual Basic V6. VBA incorpora las librerías y herramientas de Visual Basic, a las que añade librerías de objetos propias de cada software donde está incluido. La debilidad de este lenguaje radica en que la compilación de la macro no puede realizarse si no se dispone del entorno en el que se ha desarrollado. CATIA incorporó VBA a su entorno con la versión V5, pudiendo realizar macros en VBA y en lenguaje C++. Actualmente, CATIA sigue usando los mismos lenguajes para su versión V6. 3.4.1 Entorno Una macro consiste en una serie de funciones escritas en un lenguaje de programación que agrupa una serie de comandos, los cuales permiten realizar las operaciones requeridas de manera automática. Son usadas para ahorrar tiempo y reducir la posibilidad de errores humanos a la hora de realizar operaciones que se llevan a cabo de forma repetitiva. Para acceder al entorno de trabajo VBA no es necesario estar en ningún módulo de CATIA en específico ya que se trata de una interfaz paralela. Se puede acceder a él desplegando la pestaña “Tools” y accediendo a “Macro” → “Visual Basic Editor…”. 17 Análisis de operaciones de fresado con CATIA Figura 3.19 Entorno VBA En la figura 3.19 se observa la ventana de trabajo para las macros. En la parte superior izquierda se pueden apreciar todos los proyectos creados, correspondientes a cada tipo de pieza. Por ejemplo, para el caso pieza rectangular con isla, se despliega una carpeta denominada “Modules” donde están ubicadas las macros de los tres sólidos rectangulares con isla. En la parte central se encuentra el código en lenguaje VBA, el cual es generado y modificado tal y como se explicará más adelante para obtener las diferentes piezas. 3.4.2 Librerías Las macros de CATIA pueden ser almacenadas en las librerías de macros de tres formas posibles: Folders (vbscript y CATScript), Project Files (catvba) o CATParts/CATProducts. Solo una de esas tres librerías de macros puede ser utilizada a la vez. En este caso se han creado las librerías del tipo VBA Projects donde se generarán las macros con la extensión .catvba. Para crear una librería se deben seguir los siguientes pasos: 1. Ir a “Tools” → “Macro” → “Macros…”. 2. Acceder a “Macro Libraries…”. 3. Seleccionar en “Library type:” la opción “VBA projects”. 4. Abrir “Create new library…”. 5. Escribir la dirección dónde será almacenada la librería, seguido del nombre de la misma y la extensión .catvba. Por ejemplo: C:\Users\Juanfra\Desktop\TFG NUEVO\PIEZAS\Sin Mecanizar\ESPESOR 15mm\1.- Rectangulares\Con Isla\RectangularesConIsla.catvba 3. Diseño y mecanizado con CATIA V5 18 Figura 3.20 Ventanas de las librerías 3.4.3 Macro recording Una vez creadas las librerías donde se almacenarán las macros, el siguiente paso es generar el código de dichas macros. Para ello CATIA habilita la opción de ir generando el código VBA mientras el usuario manualmente va diseñando la pieza tal y como se detalló en el apartado 3.3. A la hora de generar una macro por este procedimiento hay que tener una serie de factores en cuenta: • No seleccionar “Workbenches” (entornos de trabajo) mientras se está grabando una macro. • No grabar más de lo que sea absolutamente necesario. • No usar la opción “deshacer” mientras se está grabando. • Ser consciente de la configuración de CATIA cuando se está grabando. • Salir de los sketches (dibujos) antes de finalizar la grabación. • Verificar cada macro una vez se haya grabado. Para empezar a grabar y generar el código de la macro, primeramente, se debe acceder al módulo de trabajo, en este caso al módulo “Part Design”. Una vez en él, se despliega la pestaña “Tools” y se accede a “Macro” → “Start Recording…”. 19 Análisis de operaciones de fresado con CATIA Figura 3.21 Ventana “record macro” A continuación, se selecciona la librería donde se desea almacenar la macro, y se le adjudica un nombre a dicha macro en “Macro name:”. Una vez se presione “Start”, CATIA comenzará a generar el código VBA de todas las operaciones y acciones que se realicen manualmente. Para el caso anteriormente descrito de pieza rectangular con isla, el código generado se puede consultar en el Anexo, al igual que los de todas las piezas diseñadas. Para generar las piezas restantes de la misma familia, en este caso las rectangulares con isla, simplemente debemos ir modificando las coordenadas de los puntos. Por ejemplo, se ha generado la macro para el rectángulo de base 𝑎 = 100𝑚𝑚. Dim point2D1 As Point2D Set point2D1 = factory2D1.CreatePoint(100#, 0#) point2D1.ReportName = 3 Dim line2D3 As Line2D Set line2D3 = factory2D1.CreateLine(0#, 0#, 100#, 0#) Si queremos que su base sea 𝑎 = 200𝑚𝑚, simplemente debemos modificar la ubicación del punto, y crear una línea que va desde el origen (0,0) a dicho punto. Dim point2D1 As Point2D Set point2D1 = factory2D1.CreatePoint(200#, 0#) point2D1.ReportName = 3 Dim line2D3 As Line2D Set line2D3 = factory2D1.CreateLine(0#, 0#, 200#, 0#) 3. Diseño y mecanizado con CATIA V5 20 De esta forma podemos generar las piezas de una misma familia simplemente modificando los puntos y las líneas que generan el sólido. 3.5 Módulo Prismatic Machining 3.5.1 Introducción Uno de los módulos más interesantes de CATIA V5 desde el punto de vista de la fabricación es el de “Prismatic machining”. Dicho módulo permite simular el proceso de mecanizado con las distintas operaciones que sean necesarias para obtener la pieza final deseada a partir de un tocho. El último paso dentro de CATIA para materializar el diseño en un objeto real consiste en definir, de manera gráfica e interactiva, las operaciones y movimientos que debe hacer una máquina herramienta de control numérico a partir del stock para llegar al objetivo. Una vez definidas las operaciones, se variará entre las diferentes estrategias que el programa ofrece para el mecanizado de la pieza, obteniendo así diferentes tiempos de mecanizado. Para acceder al módulo de mecanizado, tras iniciar CATIA o tenerlo iniciado se selecciona “Start” → “Machining” → “Prismatic Machining”. Figura 3.22 Área del trabajo del “Prismatic Machining” En la figura 3.22 se observa la ventana de trabajo en la cual se procederá al mecanizado de las piezas. En el margen superior izquierdo se encuentra la “Process List”, que como su propio nombre indica se trata de la lista de procesos que se han de seguir. En esta rama se define tanto el tipo de máquina, como los procesos de mecanizado. En la parte derecha se proporcionan las distintas herramientas y operaciones para llevar a cabo el mecanizado de las piezas. En este caso el proceso llevado a cabo es el de cajeado o “Pocketing”, cuyo icono es: . 3.5.2 Pocketing Para realizar el mecanizado de las piezas hay que seguir una serie de pasos los cuales se detallan a continuación. Se va a seguir trabajando con el ejemplo práctico del capítulo 3.3.3. 21 Análisis de operaciones de fresado con CATIA Una vez diseñada la pieza a mecanizar dentro del módulo de “Part Design”, se inicia el módulo de mecanizado tal y como muestra la figura 3.23 y se explicó con anterioridad. Figura 3.23 Acceso al área de trabajo del módulo de mecanizado Una vez se ha accedido al módulo de mecanizado el primer paso consiste en definir la máquina que se va a utilizar y la pieza que se va a mecanizar. Para ello se realiza doble clic en el icono de “Part Operation.1”, abriéndose así la ventana de la figura 3.24. Figura 3.24 Ventana del “Part Operation” Para definir el tipo de máquina se selecciona el icono “Machine” . La primera opción que aparece es la 3. Diseño y mecanizado con CATIA V5 22 máquina de 3 ejes (3 axis Machine) tal y como se muestra en la figura 3.25, que será la utilizada en este caso dado que tiene la capacidad de realizar las operaciones deseadas y es la más simple de todas. Figura 3.25 Ventana del “Machine Editor” Se dejan todos los valores que vienen por defecto y se presiona el botón “OK”. Una vez definida la máquina, toca definir la pieza a mecanizar. Al tratarse de piezas no muy complejas cuyo objeto de interés es el proceso de cajeado, no se ha procedido a definir el “Stock” manualmente, sino que CATIA generará uno por defecto totalmente válido para nuestros resultados. Para definir la pieza se despliega la rama de “Product List” situada debajo de la “Process List” hasta que aparezca la pestaña “Part Body”. En el menú de la figura 3.24 se selecciona el icono de “Design part for simulation” , y a continuación se realiza doble clic sobre la pestaña “Part Body”. De esta forma queda definida la pieza a mecanizar tal y como se muestra en la figura 3.26. Por último, se presiona el botón “OK” para guardar los cambios y continuar con el proceso. 23 Análisis de operaciones de fresado con CATIA Figura 3.26 Ventana del “Part Operation” con el “Part Body” definido El siguiente paso es definir el proceso de cajeado o “Pocketing” que se va a realizar. Para ello se selecciona “Manufacturing Program.1” dentro del árbol de la “Process List”, y se presiona sobre “Pocketing” cuyo icono es . Seguidamente se desplegará el menú que se muestra en la figura 3.27. Figura 3.27 Ventana del “Pocketing” con pieza sin definir Dentro de dicho menú se seguirán los pasos descritos a continuación: 1. Asociar la figura a la pieza. Al ser una pieza cerrada, se clica sobre la opción “Open Pocket” y CATIA lo cambiará a “Closed Pocket”. A continuación, se selecciona la base de la figura en color rojo y se selecciona acto seguido la base de la pieza. 3. Diseño y mecanizado con CATIA V5 30 En la pestaña “Axial” se definen el número de pasadas y la profundidad de cada una. Como el estudio se centra en la distancia recorrida, se ha escogido una única pasada de 15mm de profundidad. En el supuesto de hacerse en dos pasadas, la longitud resultaría el doble, luego es innecesario aumentar el número de pasadas. Figura 3.36 Ventana del “Poketing”. Pestaña “Axial” Una vez completado este proceso paso a paso, se selecciona la opción “Tool Path Replay” a través del icono Entonces CATIA implementará todo el proceso de mecanizado, y nos proporcionará los tiempos tanto de mecanizado como el total. Figura 3.37 Ventana del “Pocketing” con los tiempos de mecanizado Ya solo quedaría ir pieza por pieza y estrategia por estrategia anotando los tiempos de mecanizado que CATIA va calculando. En el siguiente capítulo se analizarán estos resultados. 31 4 RESULTADOS 4.1 Valores de CATIA Una vez mecanizadas todas las piezas con todos los tipos de estrategias que se mencionaron en el apartado anterior, se ha obtenido una tabla de resultados. Hay que destacar que, tal y como era de esperar, hay algunas piezas incompatibles con ciertas estrategias, en concreto dos situaciones. La primera de ellas es la pieza octogonal sin isla mecanizada con la estrategia concéntrica. Figura 4.1 Mecanizado de la pieza octogonal sin isla con estrategia concéntrica Tras buscar información en internet sobre el error “Replaying Tool Path. No tool position to display” no se ha llegado a ninguna conclusión dado que ni los usuarios de los foros consultados se ponían de acuerdo entre sí. Por otro lado, dado que este dato no tiene mayor relevancia de cara al futuro análisis, no tiene sentido dedicarle más tiempo. La segunda incidencia está relacionada con la pieza circular sin isla mecanizada también con la estrategia concéntrica. 4. Resultados 32 Figura 4.2 Mecanizado de la pieza circular sin isla con estrategia concéntrica En este caso la estrategia no mecaniza correctamente la pieza, tomando por tanto como no válidos los resultados proporcionados por CATIA. Salvo estos dos casos puntuales, se han mecanizado el resto de las piezas sin ningún incidente. Se muestran a continuación los tiempos de mecanizado obtenidos (en segundos [𝑠]) por grupos de piezas. • Piezas rectangulares. ESTRATEGIAS Dimensiones Helicoidal Back and Forth Concéntrica Espiral Sin Isla 𝑎 = 𝑏 1976 1924 4132 2554 𝑎 = 2𝑏 4576 4524 9146 5949 𝑎 = 5𝑏 12376 12324 25294 16170 Con Isla 𝑎 = 𝑏 1795 1743 4554 2893 𝑎 = 2𝑏 3595 3543 8714 5721 𝑎 = 5𝑏 9421 8943 21357 14504 Tabla 4.1 Tiempos de mecanizado [s] para piezas rectangulares 33 Análisis de operaciones de fresado con CATIA • Piezas triangulares. ESTRATEGIAS Dimensiones Helicoidal Back and Forth Concéntrica Espiral Sin Isla ℎ = 𝑎 2118 1997 4601 3199 ℎ = 2𝑎 4842 4610 9721 7925 Con Isla ℎ = 𝑎 1985 1812 4866 3717 ℎ = 2𝑎 3728 3401 8846 7479 Tabla 4.2 Tiempos de mecanizado [s] para piezas triangulares • Piezas romboidales. ESTRATEGIAS Dimensiones Helicoidal Back and Forth Concéntrica Espiral Sin Isla 𝑏 = 2𝑎 1955 1795 3961 2654 𝑏 = 3𝑎 2952 2726 6159 4746 Con Isla 𝑏 = 2𝑎 1797 1618 4818 3444 𝑏 = 3𝑎 2779 2469 6948 5454 Tabla 4.3 Tiempos de mecanizado [s] para piezas romboidales 4. Resultados 34 • Piezas octogonales. ESTRATEGIAS Dimensiones Helicoidal Back and Forth Concéntrica Espiral Sin Isla 𝑎 1494 1432 − 1768 Con Isla 𝑎 1394 1294 3627 1943 Tabla 4.4 Tiempos de mecanizado [s] para piezas octogonales • Piezas circulares. ESTRATEGIAS Dimensiones Helicoidal Back and Forth Concéntrica Espiral Sin Isla 𝑅 1549 1442 − 1850 Con Isla 𝑅 1412 1301 3778 2083 Tabla 4.5 Tiempos de mecanizado [s] para piezas circulares Estos son los datos de partidas con los cuales se trabajará en ese Capítulo 4. Cabe destacar que las estrategias con menores tiempo de mecanizado son las “Helicoidal” y la “Back and Forth”. Dentro de estas dos estrategias, la que presenta mejores acabados y un mejor mecanizado de la pieza es la estrategia “Helicoidal”, ya que la “Back and Forth” como su propio nombre indica es de ida y vuelta, y no se ajusta del todo bien a las superficies circulares o con esquinas. Un ejemplo podría ser la figura 4.3, donde se aprecia la diferencia de acabado entre ambas estrategias. 35 Análisis de operaciones de fresado con CATIA Figura 4.3 Mecanizado de la pieza circular sin isla con estrategia “Helicoidal” (superior) y “Back and Forth” (inferior) Por este motivo se escogerá como “mejor” estrategia la helicoidal. Ambas presentan prácticamente los mismos tiempos de mecanizados, pero la “Back and Forth” es menos precisa y el acabado no es del todo el deseado. 4.2 Fórmulas propuestas y valores obtenidos Una vez obtenidos los datos de partida, es el momento de operar con la fórmula propuesta. 𝐿 = 𝐴 𝐷 (4.1) 4. Resultados 36 𝐿: distancia recorrida por la fresa mientras mecaniza. 𝐴: área del cajeado que se va a mecanizar. 𝐷: diámetro de la fresa. Como se comprobará a continuación, esta fórmula no se aproxima a los valores proporcionados por CATIA. Es más, si se observan detenidamente se puede apreciar como los resultados obtenidos son prácticamente la mitad de los de CATIA. Por este motivo se va a proponer una segunda ecuación (4.2) con idea de “mejorar” la anterior. 𝐿 = 𝐴 𝑅 (4.2) 𝑅: radio de la fresa. Analizando al detalle la trayectoria seguida por la herramienta durante el proceso de mecanizado, y con idea de seguir perfeccionando la ecuación (4.2), se observa lo siguiente. Figura 4.4 Trayectoria seguida por la herramienta en mecanizado helicoidal La longitud recorrida por la fresa no es exactamente 𝐿 = 𝐴 𝑅 , ya que se puede apreciar como la primera pasada se mecaniza con el diámetro de la herramienta y no con el radio. Esto es debido a que se trata de un mecanizado “interior” o “cerrado”. En el caso de mecanizado exterior, se podría comenzar a mecanizar directamente por el lateral de la pieza con una penetración de valor el radio de la fresa. Con idea de simular un mecanizado “abierto”, al área total se le ha restado el área barrida en la primera pasada, y se ha añadido la longitud recorrida en dicha pasada. 37 Análisis de operaciones de fresado con CATIA 𝐿 = 𝐴 − 𝑙𝑚𝑒𝑐 · 𝐷 𝑅+ 𝑙𝑚𝑒𝑐 → 𝐿 = 𝐴 𝑅−𝑙𝑚𝑒𝑐 · 2𝑅 𝑅+ 𝑙𝑚𝑒𝑐 → → 𝐿 = 𝐴 𝑅− 2 · 𝑙𝑚𝑒𝑐 + 𝑙𝑚𝑒𝑐 → 𝐿 = 𝐴 𝑅− 𝑙𝑚𝑒𝑐 (4.3) 𝑙𝑚𝑒𝑐: longitud recorrida por la fresa en la primera pasada. Figura 4.5 Área mecanizada en la primera pasada La longitud recorrida por la herramienta en la primera pasada en función del perímetro 𝑝 y del diámetro 𝐷 es fácil de calcular para el caso de piezas rectangulares, y tiene la siguiente expresión: 𝑙𝑚𝑒𝑐 = 4 · (𝑙 − 2 · 𝑅) → 𝑙𝑚𝑒𝑐 = 4 · (𝑙 − 𝐷) → 𝑙𝑚𝑒𝑐 = 𝑝 − 4 · 𝐷 (4.4) 𝑝: perímetro del cajeado. 𝑙: longitud del un lado del cajeado. Siendo la diferencia entre el perímetro y la longitud de mecanizado de la primera pasada equivalente a cuatro veces el valor del diámetro. Para el resto de las piezas se ha calculado esta diferencia manualmente obteniendo los valores de 𝑝 y 𝑙𝑚𝑒𝑐 a través de CATIA. 4. Resultados 38 Teniendo en cuenta que 𝑥 = 𝑝 − 𝑙𝑚𝑒𝑐. Dimensiones 𝑥 RECTANGULAR 𝑎 = 𝑏 4 · 𝐷 𝑎 = 2𝑏 4 · 𝐷 𝑎 = 5𝑏 4 · 𝐷 TRIANGULAR ℎ = 𝑎 ~5,24 · 𝐷 ℎ = 2𝑎 ~6,56 · 𝐷 ROMBOIDAL 𝑏 = 2𝑎 5 · 𝐷 𝑏 = 3𝑎 ~6,67 · 𝐷 OCTOGONAL 𝑎 ~3,32 · 𝐷 CIRCULAR 𝑅 𝜋 · 𝐷 Tabla 4.6 Valores de 𝑥 para cada tipo de pieza Con idea de proporcionar una ecuación común a todas las piezas y tamaños, se ha calculado la media de 𝑥, obteniéndose: 𝑥 ~ 4,66 · 𝐷 → 𝑥 = 4,5 · 𝐷 Por tanto: 𝑙𝑚𝑒𝑐 = 𝑝 − 4,5 · 𝐷 (4.5) Combinando (4.3) y (4.5) la última ecuación propuesta queda: 𝐿 = 𝐴 𝑅− 𝑙𝑚𝑒𝑐 → 𝐿 = 𝐴 𝑅− 𝑝 + 4,5 · 𝐷 (4.6) Una vez expuestas las tres fórmulas ya sólo quedaría conocer las áreas y perímetros de cada pieza, dado que 𝐷 y 𝑅 son conocidos (𝑅 = 3𝑚𝑚). 39 Análisis de operaciones de fresado con CATIA • Piezas rectangulares. ÁREAS PERÍMETRO Dimensiones Área Cajeado Área Isla Área Total 𝑝 Sin Isla 𝑎 = 𝑏 6400 0 6400 320 𝑎 = 2𝑏 14400 0 14400 520 𝑎 = 5𝑏 38400 0 38400 1120 Con Isla 𝑎 = 𝑏 6400 400 6000 320 𝑎 = 2𝑏 14400 2400 12000 520 𝑎 = 5𝑏 38400 8400 30000 1120 Tabla 4.7 Áreas y perímetros para piezas rectangulares • Piezas triangulares. ÁREAS PERÍMETRO Dimensiones Área Cajeado Área Isla Área Total 𝑝 Sin Isla ℎ = 𝑎 6920 0 6920 381 ℎ = 2𝑎 15471 0 15471 637 Con Isla ℎ = 𝑎 6920 450 6470 381 ℎ = 2𝑎 15471 3025 12446 637 Tabla 4.8 Áreas y perímetros para piezas triangulares 46 REFERENCIAS [1] Emmet Ross, VB Scripting for CATIA V5. Segunda Edición. [2] https://www.pferd.com/media/PDF-es/manual-de-herramientas/Herramientas-fresado-PFERD-es.pdf [3] https://www.youtube.com/watch?v=ynmjwmhbpSM&t=48s [4] https://www.youtube.com/watch?v=uX7Hb3n4b_M 47 ANEXO a. Piezas rectangulares con y sin isla. Anexo 48 Anexo 49 Anexo 50 b. Piezas triangulares con y sin isla. Anexo 51 Anexo 52 c. Piezas romboidales con y sin isla. Anexo 53 Anexo 54 d. Piezas octogonales con y sin isla. Anexo 55