Las técnicas tradicionales de manufactura en la Industria Minera Mexicana, requieren de un alto número de pruebas experimentales, utilizan largos periodos de tiempo de maquinado y generan altos costos económicos. Para resolver tal problemática, se propone utilizar la técnica de simulación computacional, la cual resulta ser una técnica más rápida, de bajo costo, de gran exactitud, sencilla y confiable para evaluar el desempeño de una herramienta de corte. Además, con esta técnica es posible simular diferentes geometrías durante el proceso de maquinado. Si además se utilizan las técnicas de diseño de experimentos, es posible reducir drásticamente los costos de la experimentación.


Como ejemplo de las bondades de la combinación del diseño de experimentos y el método de volumen finito, se presenta en este breve texto el diseño de una herramienta de corte para la cuerda interna de brocas de perforación.


Para el diseño de la nueva herramienta de corte se realizaron algunas simulaciones computacionales con el software SolidWorks®. Más específicamente, se llevó a cabo un análisis paramétrico combinado con un análisis de esfuerzos por elemento finito.


En la nueva herramienta de corte también se consideró un cambio de sección transversal. Es bien sabido que los cambios de sección implican una concentración de esfuerzos y que, al cambiar gradualmente, se reduce el factor de concentración. El cambio gradual genera una geometría cónica y el ángulo de cono fue uno de los principales parámetros a optimizar en este trabajo. El otro parámetro a optimizar fue el diámetro menor de la herramienta. La Figura 1 muestra la forma física de la herramienta propuesta en su parte superior y en la parte inferior el modelo computacional. En ambos casos se puede apreciar el cono que marca el cambio en la sección transversal.  Y


Para los experimentos numéricos se evaluaron 4 diferentes diámetros menores, entre 18 y 19.5 mm y 5 diferentes ángulos de cono, entre 18° y 20°. Vale destacar que, al ser los experimentos numéricos, no es necesario realizar réplicas.
Una vez realizados los experimentos numéricos se obtiene que con 9.5 mm de radio y 18° de ángulo de cono se minimiza la deformación de la herramienta, lo cual garantiza el mejor acabado y las mejores tolerancias en las brocas fabricadas. Mientras tanto, el menor esfuerzo se encontró con 9.5 mm de radio y 18.5° de ángulo de cono, estos parámetros son los que maximizarían la durabilidad de la herramienta. Por último, se encontró que aún las herramientas con 8 mm de diámetro soportarían los esfuerzos generados durante el maquinado y permitirían fabricar las brocas con las tolerancias necesarias para su buen funcionamiento. Este dato es importante puesto que la broca más delgada es la más económica.

Figura 1. Herramienta propuesta y su modelo computacional

La Figura 2 muestra la distribución de esfuerzos en la herramienta. Como era de esperarse, el esfuerzo máximo se observa cerca del concentrador de esfuerzos pero también se observa que es un esfuerzo fácilmente admisible.

Figura 2. Distribución de esfuerzos.


Finalmente, la Figura 3 muestra la distribución del desplazamiento. Al igual que pasa con el esfuerzo, la deformación de la herramienta es permisible y se podrá fabricar las cuerdas internas de las brocas de perforación con las tolerancias geométricas necesarias para su buen funcionamiento.

Figura 3. Distribución de deformación.

Conclusión.
Mediante la combinación del diseño de experimentos y el método del elemento finito es posible evaluar el diseño de herramientas de corte para minería con bajo costo y gran confiabilidad en los resultados.

Por Dr. José luis Carrera Escobedo Docente Universidad Autónoma de Fresnillo