Caracterización del proceso de fresado periférico a partir de señales de emisión acústica
Authors:   , Alzugaray Franz Ricardo Andrés 
Published: May 2024

En la actualidad, los métodos de supervisión de las operaciones de mecanizado se basan principalmente en el uso de sensores de fuerza, particularmente dinamómetros piezoeléctricos. Estos sensores poseen una gran confiabilidad y precisión, sin embargo, su integración en ambientes industriales es limitada debido a los altos costes y restricciones de montaje en el entorno de la máquina. En este contexto, la utilización de sensores de emisión acústica puede presentar mayores ventajas.

En esta tesis, se presenta una caracterización de las operaciones de fresado periférico de acabado a través del análisis de la señal de la emisión acústica. Lo anterior, tiene como objetivo la evaluación de la aptitud de esta señal para la estimación de los parámetros de corte y la determinación de la evolución del desgaste progresivo de la herramienta.

Para abordar la complejidad que supone trabajar con la señal de emisión acústica de alta frecuencia, se desarrolló un método original de procesamiento de la señal basado en la definición de una envolvente RMS. Con ello, se obtiene una nueva señal descriptora del proceso a partir de la cual es posible extraer valores característicos asociados a las condiciones de operación. La utilización de la emisión acústica en operaciones de mecanizado se sustenta en la relación que tiene su señal con la energía del proceso de corte y que permite establecer comparaciones directas con la evolución de la sección de viruta sin deformar.

En cuanto al proceso de generación de la envolvente, su diseño toma en cuenta las características propias de la emisión acústica en este tipo de operaciones de mecanizado, lo que permite rescatar la parte continua de la señal que es sensible a las condiciones de operación del proceso. A partir de lo anterior, y aprovechando el carácter cíclico de las operaciones de fresado, se plantea un método para la estimación instantánea de las profundidades de corte radial y axial basado en la extracción de características temporales de la forma de onda de la envolvente en cada ciclo de rotación de la herramienta y la evaluación de un modelo geométrico de la evolución de la zona de contacto entre la herramienta y la pieza de trabajo. Las características temporales de la envolvente corresponden a los puntos de transición entre las distintas fases del proceso de corte en la medida que el filo de la herramienta avanza a lo largo del arco de empañe.

En el caso de la determinación del desgaste de la herramienta, se realiza la extracción de valores característicos de la señal de la emisión acústica de alta frecuencia en el dominio tiempo. Este proceso incluye el cálculo del valor cuadrático medio, el valor pico, la curtosis y el factor de cresta, así como su respectiva desviación estándar. Estos valores son calculados en cada ciclo de corte de la herramienta y se consideran como indicadores instantáneos de la progresión del desgaste del flanco del filo primario de la herramienta.

Se realizan verificaciones experimentales y se analizan las principales fuentes de incertidumbre del método de estimación. Los resultados validan la efectividad del método, con errores relativos inferiores al 5%, lo que es comparable con los resultados alcanzados con dinamómetros piezoeléctricos. En el caso de los ensayos de desgaste, se confirma que la emisión acústica es una variable sensible a los cambios en el estado de la herramienta, permitiendo incluso distinguir cómo se desarrolla el perfil de desgaste.

Estos hallazgos confirman la aplicabilidad de los sensores de emisión acústica, reforzando sus ventajas de implantación en ambientes industriales debido a su costo reducido, facilidad de instalación y baja invasividad.

ABSTRACT

Current machining monitoring systems often rely on force sensors, particularly piezoelectric dynamometers. These sensors are known for their reliability and precision, although their integration in industrial environments is limited due to high cost and practical machine mounting constraints, whereas in this context, acoustic emission sensors could offer significant advantages.

This dissertation presents a comprehensive characterisation of peripheral milling operations in terms of the acoustic emission signal analysis, aiming to assess its feasibility for estimating cutting parameters and determining tool wear progression.

The complexity of working with the raw acoustic emission signal is addressed by adopting a tailor-made Root Mean Square (RMS) envelope as a process descriptor. The latter is based on its relationship with the energy of the cutting process, enabling to establish direct comparisons with the evolution of the theoretical uncut chip section.

The main attribute of the acoustic emission envelope lies in its ability to capture the continuous part of the raw signal, which is sensitive to the operating conditions of the machining process. From this feature, and, and by taking advantage of the cyclic nature of milling operations, a method for estimating the instantaneous radial and axial depths of cut is proposed. This method is developed by extracting time-based features from the waveform pattern of the acoustic emission envelope and the evaluation of a geometric model of the tool-workpiece contact zone. Extracting the time-based features involves determining the occurrence of the transition between cutting phases when the cutting edge is within the engagement zone.

In determining the progression of tool wear, characteristic values are extracted from the raw acoustic emission signal in the time domain. This extraction process includes calculating the Root Mean Square (RMS) value, peak value, kurtosis, and crest factor, as well as the standard deviation for each of these characteristic values. These computations are carried out for each cutting cycle of the tool, providing an instantaneous indication of tool wear progression on the primary cutting edge.

Experimental verifications are conducted, assessing the main sources of uncertainty. The results showed that the predicted depths of cut yield relative errors below 5%, approaching the precision level obtained by means of piezoelectric dynamometers. In the case of tool wear tests, it is confirmed that acoustic emission is a variable sensitive to changes in tool condition, enabling the identification of localised tool wear occurrences.

These results confirm the capabilities of using acoustic emission sensors, reinforcing their advantages for implementation in manufacturing environments due to their reduced cost, easy installation, and low invasiveness.