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Amortiguación, un paso decisivo hacia la precisión

26/01/2015

Las nuevas generaciones de guías lineales han de permitir abordar estos nuevos retos haciendo especial hincapié en los aspectos de rigidez dinámica yamortiguación de vibraciones.
Las causas de las vibraciones se pueden clasificar en:

  • Vibraciones de excitación independiente
  • Vibraciones armónicas
  • Desequilibrio, defectos del rodamiento
  • Excitación en forma de impulso
  • Corte interrumpido, impactos medibles
  • de engrane, sacudidas desde el exterior
  • Vibraciones auto excitadas
  • Efecto regenerador (chatter), acoplamiento entre capas, formaciónde la estructura de corte.

Debido a la rigidez finita de la máquina-herramienta y a las fluctuaciones inevitables de las fuerzas de corte en la mecanización con arranque de viruta, es imposible evitar las vibraciones autoexcitadas.
Con mucha frecuencia, se producen también excitaciones ocasionadas por los impactos de engrane o por el corte interrumpido. Mientras que es relativamente sencillo calcular con precisión las rigideces estáticas y/o los desplazamientos resultantes de los componentes en la transmisión de fuerza, hay muchos factores en la determinación de la rigidez dinámica que resultan más difíciles de evaluar. Sobre todo son las influencias desconocida de amortiguación de los puntos de acoplamiento las que producen unas desviaciones importantes entre el cálculo y la realidad.
A partir de una serie de análisis modales llevados a cabo por el Grupo Schaeffler se sabe que la mayor parte de los modos de vibraciones registrados, el 50%, son las vibraciones de flexión y torsión de los componentes grandes así como las vibraciones de los conjuntos de mesa. Llama la atención, sin embargo, que a ello contribuyen también, con un 15%, las 'vibraciones de proceso' de los ejes. El motivo para ésta es la falta de rigidez de los husillos de accionamiento y/o su acoplamiento a la construcción anexa (soporte del rodamiento).
Posibilidades de reducir las vibraciones Cuando se aumenta la rigidez estática de los componentes o de los elementos de guiado (incorporando adicionalmente un carro o aumentando la precarga), se obtiene un valor más alto de la frecuencia propia del sistema.
Con ello se impide la excitación en un determinado punto de funcionamiento dinámico de la máquina. Ello se puede conseguir también en el lado del excitador, es decir, de la herramienta o del proceso, mediante el diseño constructivo y la variación de las revoluciones y de la velocidad de corte. Se puede aumentar por el factor 2, por ejemplo, la sección de corte límite al distribuir de forma irregular los filos en el perímetro de la herramienta sin modificar las demás condiciones. En condiciones desfavorables (avance lento con el eje en máxima posición avanzada), la pulsación de carrera de los sistemas de guiado lineal que resulta de la entrada y salida de los elementos rodantes, pueden influir negativamente en la superficie de la pieza a mecanizar. Mediante una geometría de rodadura optimizada en el cuerpo soporte del carro se puede minimizar el valor para la pulsación de carrera. el Grupo Schaeffler ha reconocido con antelación las consecuencias y ha modificado los carros correspondientemente en sus nuevas generaciones de sistemas lineales XLife RUE E y KUVE B.
Otra posibilidad para reducir las vibracionesen las máquinas-herramienta, sobre todo de forma preventiva, consiste en aplicar un sistema de amortiguación en la herramienta y/o en la estructura de la máquina. Distinguimos entre sistemas de amortiguación activos y pasivos.
Mientras que en los sistemas de amortiguación pasivos se suelen acoplar masas adicionales al componente vibratorio a través de elementos de amortiguación de muelles que transforman la energía vibratoria en calor de fricción, en los sistemas de amortiguación activos se introduce energía externa desfasada (que contrasta con la vibración del componente).
La forma más sencilla en la que se acopla una masa adicional a través de un muelle, reduce la frecuencia resonante del sistema completo, pero inicia al mismo tiempo otra frecuencia natural debido a una masa adicional. No obstante, esto puede tener efectos negativos en otro punto de funcionamiento dinámico de la máquina. Las amplitudes de la vibración apenas varían. Cuando se acopla la masa adicional a través de un elemento de amortiguación de muelle (amortiguador de masa auxiliar) también se genera una frecuencia natural adicional, sin embargo, las amplitudes están a un nivel mucho más bajo.
Las masas adicionales que se acoplan solamente a través de un elemento amortiguador no inducen ninguna frecuencia resonante adicional, con lo cual se reducen claramente las amplitudes de las vibraciones.
Mientras que los sistemas arriba comentados funcionan de forma óptima sólo en un punto de funcionamiento dinámico de la máquina y en la posición correcta, los sistemas de amortiguación activos y regulados pueden tener efecto en todo el área de trabajo.
Interacción entre rigidez y amortiguación El aumento de la dinámica requiere una disminución de las masas en movimiento así como un aumento de la rigidez dinámica. Los componentes deben usarse de acuerdo con los requerimientos de modo que, para conseguir una rigidez dinámica total lo más elevada posible a nivel de mecanización, propiedades como la amortiguación, la rigidez estática y la capacidad de carga deben tener aquellos valores que la estructura mecánica exija en su correspondiente lugar de montaje. Cuando se consigue convertir la energía vibratoria generada en otra forma energética, es decir, cuando se amortiguan las vibraciones resultantes, se puede mejorar considerablemente el rendimiento de la máquina. Una elevada amortiguación general a nivel de herramienta - pieza significa una capacidad de corte más elevada, mejor calidad superficial y elevada precisión, a la vez que velocidades de traslación más altas.
La interrelación entre la amortiguación y la rigidez puede demostrarse usando un sencillo modelo.

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