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Vibraciones en máquina-herramienta: el enemigo oscuro

29/04/2015

A pesar de sufrir durante largo tiempo sus consecuencias, muchos fabricantes continúan viendo a las vibraciones en máquina-herramienta como a un enemigo oscuro. Es verdad que se lleva mucho camino recorrido en esta lucha. Ello, debido a que es una prioridad para la empresa de mecanizado garantizar unos niveles adecuados de acabado superficial e integridad en la pieza o evitar averías graves que den lugar a períodos de parada. De aquí, se deducen algunas de las consecuencias más catastróficas de las vibraciones. Conocer qué es lo que pasa en una máquina cuando empieza a vibrar no debería ser hoy día una tarea ardua, sino más bien un punto ya resuelto para combatir el problema desde su origen. Hasta ahora, el saber hacer e intuición del operario ha podido bastar. Sin embargo, hoy día no puede bastar este argumento en una empresa que busque calidad y ser competitiva.

Las vibraciones en máquina-herramienta llevan acompañando al operario y al mecanizado desde sus primeros pasos. El proceso de corte puede verse como un combate entre herramienta y pieza donde las rigideces de ambas se ponen a prueba ante la mayor o menor agresividad del corte. El sistema máquina-herramienta es, por tanto, un universo complejo donde se ponen en juego una gran cantidad de variables que afectan a la calidad del corte. Aunque se lleva mucho camino recorrido en el ámbito académico-científico para atajar los posibles problemas en el mecanizado, queda quizá lo más difícil: acercar una herramienta práctica basada en el conocimiento que resulte de verdadera utilidad en el taller mecánico.

Tipos de vibraciones durante el mecanizado
Dependiendo de las características de la fuerza externa aplicada, pueden distinguirse tres tipos fundamentales de vibración en un sistema de arranque de material: libre, forzada y autoexcitada:

- Vibraciones libres: se definen a partir de la capacidad de un sistema para vibrar y están por tanto asociadas a los modos propios del mismo. Aparecen a causa de un impacto sobre el sistema, como por ejemplo impulsos transmitidos a la estructura por cambios de sentido en el movimiento de partes móviles como mesas o carros de la máquina o también por el contacto de la herramienta sobre la pieza al inicio del corte. El resultado es un movimiento con un desplazamiento que decae en el tiempo en función del amortiguamiento y de las características dinámicas del sistema y con una frecuencia de vibración igual a la frecuencia amortiguada del sistema (Figura 1a).

- Vibraciones forzadas: aparecen cuando se somete al sistema a una fuerza o excitación periódica F(t). Ejemplos de este tipo de vibraciones son ejes rotativos desequilibrados, componentes periódicas de fuerzas en fresado donde hay corte intermitente por el corte consecutivo de varios dientes o también vibraciones inducidas por maquinaria en las proximidades. El movimiento vibratorio resultante alcanza un estado estacionario donde la amplitud X0 es constante y la frecuencia de vibración es precisamente la de excitación. Si la frecuencia de excitación coincide con la natural del sistema, se habla entonces de resonancia. En ese caso, la amplitud de las vibraciones es máxima (Figura 1b).

- Vibraciones autoexcitadas: en ellas, se presenta una fuerza no periódica que va a ser modulada modulada pero, a diferencia de las vibraciones libres, la vibración se produce a una frecuencia próxima a la natural. En realidad, se produce un aporte de energía continuo que el sistema no es capaz de disipar de un ciclo a otro. Como consecuencia, el sistema se inestabiliza de un ciclo a otro hasta alcanzar una amplitud de equilibrio (Figura 1.2).

Por tanto, las características fundamentales de las vibraciones auto-excitadas son: 1- la amplitud de vibración se incrementa hasta que se estabiliza a un valor constante; 2- la frecuencia de la vibración está cercana a la frecuencia natural del sistema; 3- no hay fuerza periódica externa; 4- existe una fuerza de energía estacionaria a partir de la cual el sistema produce una fuerza periódica a través de su propia vibración. Ejemplos de vibraciones auto-excitadas aparecen en mecanizado como en otras disciplinas de la ingeniería. Por ejemplo, en aeroelasticidad aparece el llamado flameo (flutter) de las alas de un avión o de un puente.

Chatter: ¿Qué es y cómo se reconoce?
Las vibraciones autoexcitadas en mecanizado constituyen uno de los mayores problemas en aquellos procesos de corte donde el filo de la herramienta vuelve a pasar por una superficie previamente mecanizada, tal es el caso del torneado, fresado, mandrinado, taladrado, etc. Si esa superficie no es perfecta, sino que posee una ondulación, puede ocurrir que durante el siguiente paso de la herramienta (siguiente vuelta en torneado o paso de diente en fresado), ésta encuentre un exceso de material inicialmente no previsto: se puede producir entonces una modulación de unas fuerzas de corte que inicialmente se daban como estables y constantes.
En la vibración auto-excitada, la modulación de la vibración inicial la realiza el propio sistema. La Figura 2 muestra el lazo físico de realimentación y el diagrama de bloques representativo del fenómeno. El origen de la vibración relativa pieza-herramienta puede ser un grano duro o discontinuidad en el material. El sistema devuelve una respuesta en función de sus características dinámicas cerrando y realimentando el defecto inicial que es un desplazamiento relativo entre pieza y herramienta. La vibración se mantiene y amplifica en los ciclos siguientes hasta que, llegado un punto, la herramienta se despega de la pieza. Por eso, llegado un punto, las vibraciones se mantienen y nunca crecen infinitamente, es decir, la vibración se autorregula.
El efecto regenerativo es una vibración producida por la interacción de la dinámica del proceso de arranque de viruta con la dinámica estructural del sistema máquina-herramienta. Dentro del primer bloque, se incluyen el tipo de operación (cinemática), geometría de corte y parámetros de corte. Dentro del segundo, están los parámetros que caracterizan la rigidez del elemento más limitante del sistema (parámetros de corte). La suma de estos dos aspectos da lugar a un corte estable o inestable, dependiendo de las condiciones. De forma general, siempre se debe a una falta de rigidez y amortiguamiento en alguno de los componentes del sistema de corte. Serán casos problemáticos:

- Herramientas con gran voladizo
- Piezas esbeltas o con paredes delgadas
- Máquina no lo suficientemente rígida para las condiciones de operación.

Existen distintas clasificaciones que atienden al mecanismo que lo genera al origen de la vibración, etc. (Tabla 1). El chatter tipo A es el más habitual y se refiere a condiciones donde la herramienta presenta una fuerte componente de vibración en la dirección de avance de la herramienta. Por el contrario, el chatter tipo B se produce en herramientas con una fuerte tendencia a vibrar en la dirección de la velocidad de corte. En cuanto a la columna derecha, aparecen los casos de: 1- chatter de pieza o de utillaje: habitual durante el acabado de las piezas, con un rango relativamente amplio de frecuencias dependiendo de si es un fenómeno más o menos local; 2- chatter de herramienta: para herramientas con alta relación de aspecto L/D; 3- chatter de máquina: con bajas frecuencias de vibración y asociado a procesos de desbaste.
La raíz del problema está en la variación en el espesor de viruta no deformada h entre dos períodos consecutivos (Figura 3). En régimen de corte estable, este parámetro permanece constante (en torneado, es simplemente el avance por vuelta multiplicado por el seno del ángulo de posición de la placa). Sin embargo, en presencia de chatter, esta magnitud se vuelve oscilante.
El problema se interpreta muy fácilmente de forma geométrica. Dado que el efecto regenerativo se debe al efecto de realimentación del espesor de viruta y éste se mide entre dos instantes separados una vuelta de pieza, la diferencia de fase entre las ondas exterior e interior será la que determine la severidad del chatter. Siguiendo el razonamiento, se deduce que el régimen de giro (de la pieza en torneado o de la herramienta en fresado) es determinante ya que divide la ondulación generada en más o menos ciclos.
Para evitar el chatter, se ha recurrido en las últimas décadas a la construcción de diagramas de lóbulos que son representaciones del estado límite del sistema en una gráfica que tiene por abcisas la velocidad de giro del cabezal S y en ordenadas la anchura de corte b. Las combinaciones de S y b que dan como resultado un punto por encima de la curva representan puntos de operación inestables. Y al revés. Dependiendo de la velocidad de giro, se obtiene diferente desfase y, por tanto, mayor o menor grado de chatter. En la Tabla 2, aparecen 3 condiciones diferentes de desfase que dan lugar a los puntos del diagrama: 1 vibrado pero con espesor constante y puntos 2-3, ambos inestables.

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