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Vibraciones de mecanizado , también llamados charla , se corresponden con el movimiento relativo entre la pieza y la herramienta de corte . Las vibraciones dan como resultado ondas en la superficie mecanizada . Esto afecta los procesos de mecanizado típicos, como torneado , fresado y taladrado , y los procesos de mecanizado atípicos, como el rectificado .

Una marca de vibración es un defecto de superficie irregular dejado por una muela que está fuera de lugar en el rectificado [1] o una marca regular dejada al girar una pieza larga en un torno, debido a las vibraciones de mecanizado.

Ya en 1907, Frederick W. Taylor describió las vibraciones del mecanizado como el más oscuro y delicado de todos los problemas que enfrenta el maquinista , una observación que sigue siendo válida hoy en día, como se muestra en muchas publicaciones sobre mecanizado.

Tobias hizo la explicación del parloteo regenerativo de la máquina herramienta. SA y W. Fishwick en 1958, [2] modelando el circuito de retroalimentación entre el proceso de corte de metal y la estructura de la máquina herramienta, y vino con el diagrama de lóbulos de estabilidad. La rigidez de la estructura, la relación de amortiguación y el factor de amortiguación del proceso de mecanizado son los principales parámetros que definen el límite donde la vibración del proceso de mecanizado tiende a agrandarse con el tiempo.

Los modelos matemáticos permiten simular la vibración del mecanizado con bastante precisión, pero en la práctica siempre es difícil evitar las vibraciones.

Técnicas de evitación

Reglas básicas para el maquinista para evitar vibraciones:

  • Haga que la pieza de trabajo, la herramienta y la máquina sean lo más rígidas posible
  • Elija la herramienta que menos excite las vibraciones (modificando ángulos, dimensiones, tratamiento de superficies, etc.)
  • Elija frecuencias interesantes que limiten mejor las vibraciones del sistema de mecanizado (velocidad del husillo, número de dientes y posiciones relativas, etc.)
  • Elija herramientas que incorporen tecnología de amortiguación de vibraciones (con amortiguación de la estructura utilizando material de alta amortiguación en las áreas de las juntas y con amortiguadores de masa que utilizan una fuerza contrarrestante para estabilizar el movimiento).

Contexto industrial

El uso de mecanizado de alta velocidad (HSM) ha permitido un aumento de la productividad y la realización de piezas de trabajo que antes eran imposibles, como las piezas de paredes delgadas. Desafortunadamente, los centros de la máquina son menos rígidos debido a los movimientos dinámicos muy altos. En muchas aplicaciones, es decir, herramientas largas, piezas de trabajo delgadas, la aparición de vibraciones es el factor más limitante y obliga al maquinista a reducir las velocidades de corte y avances muy por debajo de las capacidades de las máquinas o herramientas.

Los problemas de vibración generalmente provocan ruido, mala calidad de la superficie y, a veces, rotura de la herramienta. Las fuentes principales son de dos tipos: vibraciones forzadas y vibraciones autogeneradas. Las vibraciones forzadas se generan principalmente por cortes interrumpidos (inherentes al fresado), descentramiento o vibraciones del exterior de la máquina. Las vibraciones autogeneradas están relacionadas con el hecho de que el espesor real de la viruta depende también de la posición relativa entre la herramienta y la pieza de trabajo durante el paso previo del diente. Por lo tanto, pueden aparecer vibraciones crecientes hasta niveles que pueden degradar gravemente la calidad de la superficie mecanizada.

Investigación de laboratorio

Los investigadores industriales y académicos [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] han estudiado ampliamente la vibración de mecanizado. Se han desarrollado estrategias específicas, especialmente para piezas de trabajo de paredes delgadas, alternando pequeñas pasadas de mecanizado para evitar la flexión estática y dinámica de las paredes. La longitud del filo en contacto con la pieza de trabajo también se reduce a menudo para limitar las vibraciones autogeneradas.

El modelado de las fuerzas de corte y las vibraciones, aunque no del todo exacto, permite simular un mecanizado problemático y reducir los efectos no deseados de las vibraciones. La multiplicación de los modelos basada en la teoría del lóbulo de estabilidad, que permite encontrar la mejor velocidad de husillo para el mecanizado, da modelos robustos para cualquier tipo de mecanizado.

Las simulaciones en el dominio del tiempo calculan la posición de la pieza y la herramienta en escalas de tiempo muy pequeñas sin sacrificar la precisión del proceso de inestabilidad y de la superficie modelada. Estos modelos necesitan más recursos informáticos que los modelos de lóbulos de estabilidad, pero brindan una mayor libertad (leyes de corte, excentricidad, arado, modelos de elementos finitos). Las simulaciones en el dominio del tiempo son bastante difíciles de robustecer , pero se está trabajando mucho en esta dirección en los laboratorios de investigación.

Además de la teoría del lóbulo de estabilidad, el uso de paso variable de la herramienta a menudo da buenos resultados, a un costo relativamente bajo. Estas herramientas son cada vez más propuestas por los fabricantes de herramientas, aunque esto no es realmente compatible con una reducción en el número de herramientas utilizadas. Otras líneas de investigación también son prometedoras, pero a menudo necesitan modificaciones importantes para ser prácticas en los centros de mecanizado. Hay dos tipos de software muy prometedores: las simulaciones en el dominio del tiempo, que aún no dan una predicción confiable, pero deberían progresar, y el software experto en mecanizado de vibraciones, basado pragmáticamente en el conocimiento y las reglas.

Métodos industriales utilizados para limitar las vibraciones de mecanizado

El método habitual para configurar un proceso de mecanizado todavía se basa principalmente en conocimientos técnicos históricos y en el método de prueba y error para determinar los mejores parámetros. De acuerdo con las habilidades particulares de una empresa, se estudian con prioridad varios parámetros, como la profundidad de corte, la trayectoria de la herramienta, la configuración de la pieza de trabajo y la definición geométrica de la herramienta. Cuando ocurre un problema de vibración, generalmente se busca información del fabricante de la herramienta o del minorista de software CAM ( fabricación asistida por computadora ), y pueden brindar una mejor estrategia para mecanizar la pieza de trabajo. A veces, cuando los problemas de vibración son un perjuicio financiero excesivo, se puede recurrir a expertos para que prescriban, después de la medición y el cálculo, las velocidades del husillo o modificaciones de la herramienta.

En comparación con los intereses industriales, las soluciones comerciales son raras. Para analizar los problemas y proponer soluciones, solo unos pocos expertos proponen sus servicios. Se propone software computacional para lóbulos de estabilidad y dispositivos de medición pero, a pesar de la publicidad generalizada, siguen siendo relativamente raros. Por último, los sensores de vibración a menudo se integran en los centros de mecanizado, pero se utilizan principalmente para el diagnóstico de desgaste de las herramientas o del husillo. Los portaherramientas de nueva generación y especialmente los portaherramientas de expansión hidráulica minimizan en gran medida los efectos indeseables de la vibración. En primer lugar, el control preciso de la lectura total del indicador.a menos de 3 micrómetros ayuda a reducir las vibraciones debido a la carga equilibrada en los bordes de corte y la poca vibración creada en ellos es absorbida en gran parte por el aceite dentro de las cámaras del portaherramientas de expansión hidráulica.

La vibración de mecanizado a menudo proviene del portaherramientas que tiene una alta relación L / D y baja rigidez. El endurecimiento del portaherramientas con material de carburo de tungsteno se usa ampliamente cuando el diámetro / peso de la herramienta es pequeño y el costo del material del carburo de tungsteno no es alto. Un alcance más largo en L / D por encima de 4 hasta 14, es necesario un amortiguador de masa para amortiguar eficazmente la vibración con una fuerza contraria a la estructura de la herramienta. La forma simple del amortiguador de masa tiene un peso pesado (hecho de tungsteno o plomo) sostenido por anillos de goma, con o sin un mecanismo de ajuste. El mecanismo de ajuste permite que el amortiguador de masa cubra un rango de relación L / D más amplio (asociado con la frecuencia de vibración). Un amortiguador de masa más avanzado en herramientas de corte utiliza un fluido viscoso o aceite de amortiguación para mejorar la eficiencia de amortiguación en la relación L / D deseada (frecuencia de vibración).El último amortiguador de masa en herramientas de corte utiliza polímeros especiales que tienen una rigidez dependiente de la frecuencia, y usan estos polímeros para realizar autoajustes / ajustes para cubrir una relación L / D más amplia.

Las máquinas herramienta con sensores integrados, que pueden medir la vibración en el mecanizado y proporcionar una retroalimentación para ajustar automáticamente el amortiguador de masa, ya están demostradas a escala de laboratorio. El despliegue de tales soluciones aún está pendiente de su facilidad de uso y costo.

Ver también

Referencias

  1. ^ "Formación de abrasivos, preparación y alineación - U-SME de utillaje" . www.toolingu.com .
  2. ^ SA Tobias y W. Fishwick, "Una teoría de la charla regenerativa", The Engineer-London, 1958.
  3. ^ Daghini, L. (2012). Mejora del rendimiento del sistema de mecanizado mediante amortiguación integrada: soluciones de modelado, análisis y diseño. (Tesis doctoral). Estocolmo: KTH Royal Institute of Technology
  4. ^ Archenti, A., 2011. Un marco computacional para el control de la capacidad del sistema de mecanizado: desde la formulación hasta la implementación (Tesis doctoral, KTH Royal Institute of Technology).
  5. ^ Rashid, A., 2005. Sobre el control pasivo y activo de la dinámica del sistema de mecanizado: análisis e implementación (Tesis doctoral, KTH).
  6. ^ Österlind, T., 2017. Estimación de las propiedades dinámicas del sistema de mecanizado: medición y modelado (tesis doctoral, Kungliga Tekniska högskolan).
  7. ^ Altintas, Yusuf. Automatización de fabricación: mecánica de corte de metales, vibraciones de máquinas herramienta y diseño CNC . Cambridge University Press, 2000, ISBN 978-0-521-65973-4 
  8. ^ Cheng, Kai. Dinámica de mecanizado: fundamentos, aplicaciones y prácticas . Springer, 2008, ISBN 978-1-84628-367-3 
  9. ^ Schmitz, Tony L., Smith, Scott K. Dinámica de mecanizado: respuesta de frecuencia para mejorar la productividad . Springer, 2008, ISBN 978-0-387-09644-5 
  10. ^ Maekawa, Obikawa. Mecanizado de metales: teoría y aplicaciones . Butterworth-Heinemann, 2000, ISBN 978-0-340-69159-5 


Enlaces externos