En el mecanizado , las vibraciones , también llamadas vibraciones de vibración , son los movimientos relativos entre la pieza de trabajo y la herramienta de corte . Las vibraciones dan lugar a ondas en la superficie mecanizada. Esto afecta a los procesos de mecanizado típicos, como el torneado , el fresado y el taladrado , y a los procesos de mecanizado atípicos, como el rectificado .
Una marca de vibración es un defecto superficial irregular que deja una rueda descentrada durante el rectificado, [1] o marcas regulares que quedan al tornear una pieza larga en un torno , debido a las vibraciones del 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 cierta hoy en día, como se muestra en muchas publicaciones sobre mecanizado.
La explicación del chatter regenerativo de la máquina herramienta fue hecha por Tobias SA y W. Fishwick en 1958, [2] modelando el bucle 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 amortiguamiento y el factor de amortiguamiento del proceso de mecanizado, son los parámetros principales que definen el límite donde la vibración del proceso de mecanizado es propensa a aumentar con el tiempo.
Los modelos matemáticos permiten simular con bastante precisión las vibraciones del mecanizado, pero en la práctica siempre es difícil evitarlas.
Reglas básicas para el maquinista para evitar vibraciones:
El uso del mecanizado de alta velocidad (HSM) ha permitido aumentar la productividad y realizar piezas que antes eran imposibles, como piezas de paredes delgadas. Desafortunadamente, los centros de mecanizado son menos rígidos debido a los movimientos dinámicos muy elevados. En muchas aplicaciones, es decir, herramientas largas, piezas delgadas, la aparición de vibraciones es el factor más limitante y obliga al maquinista a reducir las velocidades de corte y los avances muy por debajo de las capacidades de las máquinas o herramientas.
Los problemas de vibración generalmente se traducen en ruido, mala calidad de la superficie y, en ocasiones, rotura de la herramienta. Las principales fuentes son de dos tipos: vibraciones forzadas y vibraciones autogeneradas. Las vibraciones forzadas se generan principalmente por corte interrumpido (propio del fresado), descentramiento o vibraciones externas a 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 anterior del diente. Por lo tanto, pueden aparecer vibraciones crecientes hasta niveles que pueden degradar gravemente la calidad de la superficie mecanizada.
Los investigadores industriales y académicos [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] han estudiado ampliamente las vibraciones durante el 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 de corte en contacto con la pieza de trabajo también suele reducirse para limitar las vibraciones autogeneradas.
La modelización de las fuerzas de corte y de las vibraciones, aunque no es totalmente precisa, permite simular mecanizados problemáticos y reducir los efectos no deseados de las vibraciones. La multiplicación de los modelos basados en la teoría de los lóbulos de estabilidad, que permite encontrar la mejor velocidad del husillo para el mecanizado, proporciona modelos robustos para cualquier tipo de mecanizado.
Las simulaciones en el dominio del tiempo calculan la posición de la pieza y de la herramienta en escalas de tiempo muy pequeñas sin sacrificar mucho la precisión del proceso de inestabilidad y de la superficie modelada. Estos modelos necesitan más recursos computacionales que los modelos de lóbulo de estabilidad, pero brindan mayor libertad (leyes de corte, descentramiento, 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 de lóbulos de estabilidad, el uso de herramientas de paso variable suele dar buenos resultados a un coste relativamente bajo. Los fabricantes de herramientas proponen cada vez más estas herramientas, aunque esto no es realmente compatible con una reducción del 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. Dos tipos de software son muy prometedores: las simulaciones en el dominio del tiempo, que aún no ofrecen predicciones fiables pero que deberían progresar, y el software experto en mecanizado por vibración, basado pragmáticamente en conocimientos y reglas.
El método habitual para configurar un proceso de mecanizado se basa principalmente en conocimientos técnicos históricos y en el método de ensayo y error para determinar los mejores parámetros. Según las habilidades particulares de una empresa, se estudian varios parámetros de forma prioritaria, como la profundidad de corte, la trayectoria de la herramienta, la configuración de la pieza y la definición geométrica de la herramienta. Cuando se produce un problema de vibración, normalmente se solicita información al fabricante de la herramienta o al distribuidor de software CAM ( fabricación asistida por ordenador ), que puede ofrecer una mejor estrategia para mecanizar la pieza. A veces, cuando los problemas de vibración suponen un perjuicio financiero excesivo, se puede recurrir a expertos para que prescriban, tras la medición y el cálculo, las velocidades del husillo o las modificaciones de la herramienta.
En comparación con las soluciones industriales, las soluciones comerciales son escasas. Para analizar los problemas y proponer soluciones, sólo unos pocos expertos ofrecen sus servicios. Se proponen software computacional para lóbulos de estabilidad y dispositivos de medición, pero, a pesar de la amplia publicidad, siguen siendo relativamente poco utilizados. Por último, los sensores de vibración se integran a menudo en los centros de mecanizado, pero se utilizan principalmente para el diagnóstico del desgaste de las herramientas o del husillo. Los portaherramientas de nueva generación y, en particular, los portaherramientas de expansión hidráulica minimizan en gran medida los efectos no deseados de las vibraciones. 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 filos de corte y la pequeña vibración creada en ellos es absorbida en gran medida por el aceite dentro de las cámaras del portaherramientas de expansión hidráulica.
La vibración del 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 de 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 que contrarreste 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 más amplio de relación L/D (asociado con la frecuencia de vibración). Un amortiguador de masa más avanzado en herramientas de corte utiliza fluido viscoso o aceite de amortiguación para mejorar la eficiencia de amortiguación en la relación L/D objetivo (frecuencia de vibración). El amortiguador de masa más reciente en herramientas de corte utiliza polímeros especiales que tienen rigidez dependiente de la frecuencia y usa estos polímeros para hacer autoajuste/ajuste para cubrir una relación L/D más amplia.
Las máquinas herramienta con sensores integrados, capaces de medir la vibración durante el mecanizado y proporcionar una retroalimentación para ajustar automáticamente el amortiguador de masas, ya se han probado a escala de laboratorio. La implementación de estas soluciones aún depende de su facilidad de uso y su coste.