Desarrollo e integración de métodos de análisis de sistemas de sujeción en máquinas-herramientas

Abstract

[SPA] El proceso de diseño de los sistemas de sujeción de piezas a máquinas herramienta consta de cuatro fases: descripción del problema de sujeción de la pieza, análisis del sistema, optimización de las variables de diseño para que realice sus funciones con la mayor corrección posible, y verificación del diseño realizado tanto sobre el montaje sujeción-pieza como en las dimensiones finales obtenidas en el mecanizado. La presente tesis se centra en la fase de análisis, que pretende asegurar la adecuada ejecución de las funciones asignadas al sistema de sujeción dentro del proceso de fabricación. La primera función del sistema de sujeción de piezas a máquinas-herramienta consiste en el posicionamiento de la pieza en la mesa de trabajo en una localización determinada y precisa. La segunda función del sistema de sujeción consiste en asegurar firmemente la posición de la pieza frente a la acción de las fuerzas de corte, para lo que se emplean los llamados mecanismos de apriete. Para el análisis de esta segunda función se estudia el problema desde dos enfoques: el global o estructural, y el local o de contacto. La extensión de ambos permite considerarlos como dos análisis distintos. Como alternativa para realizar este tipo de análisis, se propone un método que utiliza el MEF como herramienta auxiliar sin utilizar elementos de contacto, para que los cálculos sean más rápidos y proporcionen resultados más intuitivos. En los actuales procesos de mecanizado, debido a las exigencias de productividad, las fuerzas de corte y apriete requeridas son cada vez mayores y, por lo tanto, mayor es la probabilidad de que el elemento de fijación o de apoyo deforme plásticamente una superficie ya acabada, además de las imprecisiones que se produzcan en el posicionamiento debido a las deformaciones locales. Los métodos de análisis de tensiones y deformaciones actuales son, o bien analíticos, donde se estudian las geometrías esférica y cilíndrica convencionales; o bien numéricos, como el MEF o el método de los elementos de contorno (MEC), que pueden tratar cualquier tipo de geometría. Sin embargo, se echan en falta métodos que permitan diseñar geometrías de contacto distintas de las esféricas y cilíndricas convencionales, y así, reducir las tensiones superficiales y las deformaciones que deslocalicen la pieza; y cuyo proceso de cálculo sea, a la vez, más eficiente que el aportado por el MEF y el MEC. Esta tesis desarrolla un método de análisis, que con la suficiente aproximación y mínimo coste computacional, es capaz de determinar tensiones, deformaciones y desplazamientos en las geometrías de contacto no convencionales de los elementos de sujeción, y de establecer criterios para su aplicación. Por último, debido a la variedad de los análisis anteriores y la información heterogénea que generan, se desarrolla una base de datos relaciona1 que permite una ágil búsqueda y extracción de los datos críticos. Con ello, se consigue la integración final de los sistemas CAD, CAPP, CAE y CAM para que las variables de diseño seleccionadas aseguren la función de sujeción de la pieza en una posición fija y precisa en la máquina-herramienta, sin que se dañen sus superficies.

[ENG] The process of designing the arrangements for securing parts to machine tools consists of four phases: description of the problem of securing the part, system analysis, optimization of design variables to perform its functions as possible correction, and design verification performed on both the subject-piece assembly and in the final dimensions obtained in the machining. This thesis focuses on the analysis phase, which aims to ensure the efficient performance of the functions of the fastening system in the manufacturing process. The first task of clamping parts to machine tools is the positioning of the workpiece in the working table in a given location and precise. The second function of restraint system is to ensure a strong position against the piece of the action of cutting forces, which used the so-called tightening mechanisms. For the analysis of this second feature looks at the problem from two approaches: the global or structural, and or local contact. The extension allows both regarded as two different analysis.

As an alternative for this kind of analysis, a method used by the MEF as an auxiliary tool without using contact elements, so that the calculations are faster and provide more intuitive results. In machining processes, due to the demands of productivity, cutting and clamping forces required are increasing and therefore the greater the probability that the element of fixing or support a plastically deformed surface and finished in addition to the inaccuracies that occur in the position due to local deformations. The methods of analysis of stresses and deformations are present, or analytical, are studied in the spherical and cylindrical geometries conventional or digital, such as the MEF or the method of boundary element method (SCM), which can treat any geometry. However, it was a lack of methods that allow the company to contact various geometries of conventional spherical and cylindrical, and thus reduce the surface tensions and deformations relocate the piece and whose calculation process is both more efficient that provided by the MEF and MEC. This thesis develops a method of analysis, with sufficient approximation and lower computational cost, is able to identify tensions, strains and displacements in geometries of non-contact clamp elements, and establish criteria for its implementation. Finally, due to the variety of the above analysis and information generated by heterogeneous, develop a database that allows relaciona1 a quick search and extraction of critical data. This will get the final integration of CAD, CAPP, CAM and CAE for the design variables selected to ensure the function of holding the workpiece in a fixed position and precisely in the machine tool, without damaging their surfaces.