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Las vibraciones en mecanizado: un enemigo vencible

07/10/2007

¿Qué mecanizador no ha sufrido las vibraciones en su torneado, fresado o mandrinado? Casi todos, desde el primer día que dedicaron su tiempo, afición y buen hacer al oficio de arrancar viruta. Taylor, el abuelo del mecanizado moderno, definió en 1903 el chatter (vibración) del mecanizado como “ese problema tan complicado de modelizar y de saber sus causas”. Han tenido que pasar más de cien años para que esta afirmación ya no sea cierta ni rotunda: las vibraciones en el mecanizado se pueden modelizar, evaluar, predecir y, en cierta forma, evitar, y en las líneas que se siguen están las claves para hacerlo.

¿De dónde vienen los problemas en el proceso de fresado?

Partiendo de que la máquina y la herramienta están en buenas condiciones, los principales problemas que afectan a la calidad final de la pieza son fundamentalmente el error por flexión estática de la pieza y del conjunto herramienta-máquina, el error debido a la amplitud de la vibración forzada de la herramienta y el problema dinámico conocido como chatter. También son de importancia las tensiones residuales que pueden provocar la deformación de la pieza después de desmontarla del utillaje.

El error por flexión estática de pieza o herramienta se traduce en geometrías finales distintas de las pretendidas apareciendo habitualmente un exceso de material. Puede solucionarse eligiendo estrategias de corte optimizadas, rigidizando en lo posible la pieza o, de manera más académica, calculando la flexión y compensando la trayectoria de la herramienta.

El error por la amplitud de la vibración forzada se manifiesta de la misma manera que el error estático. Suponiendo que todos los elementos que giran de la máquina trabajan equilibrados, la única fuente de vibración forzada es el golpeo de los filos contra la pieza. Se puede ver acentuada por el runout o por el desgaste de los filos. Habitualmente en cortes de desbaste no es un problema puesto que la rigidez del conjunto herramienta-porta-husillo es muy elevada, pero puede ser un problema en piezas con paredes o suelos delgados que están correctamente utillados y en herramientas con un gran voladizo.

El chatter (retemblado) es un problema dinámico que se traduce en la aparición de vibraciones, bien de máquina, bien del conjunto herramienta-porta-husillo, o bien de pieza. Se traduce en un mal acabado superficial, rotura de herramienta y desgaste de los componentes del husillo o máquina, o desgarros en la pieza en paredes delgadas y suelos delgados. De los tres problemas mencionados, es el chatter el que afecta más directamente a la integridad de la máquina y de la pieza.

¿Qué es el chatter y cuándo aparece?

El chatter regenerativo es una vibración autoexcitada propia de los procesos en los que el filo de corte pasa por una superficie previamente mecanizada. Puede encontrarse en torneado, fresado, taladrado, mandrinado, etc. En el caso concreto del fresado, su mecanismo de aparición es el siguiente:

En primer lugar, por ser el fresado un proceso de corte interrumpido, es inherente al proceso que un filo de la herramienta vibre al chocar contra el material. Como resultado, el diente no deja una superficie lisa, sino que es ondulada. Por ello, el siguiente diente que entra a cortar, se encuentra una superficie variable, con lo que a la fuerza de corte nominal se le suman una serie de “impactos” debidos a la ondulación. Esos impactos, excitan modos de vibración de la máquina, del conjunto herramienta-porta-husillo o de la pieza, apareciendo una vibración a dichas frecuencias modales. Si esa vibración no decae lo suficiente entre dos pasadas consecutivas del filo de corte, se amplifica indefinidamente por los sucesivos impactos hasta alcanzar un punto de saturación. Se suele decir que el proceso se ha vuelto inestable.

Dos son las condiciones que deben darse simultáneamente para su aparición:

  • Que exista un cierto desfase entre la ondulación dejada por el filo anterior y la vibración del actual, estando el desfase más desfavorable en 90º. Esto quiere decir que si se consigue un régimen de funcionamiento en fase, no aparecería chatter. Encontrar ese régimen es posible en la práctica hasta cierto punto, como se verá.
  • Que la energía aportada por cada filo impida la atenuación o amortiguamiento de la vibración a la frecuencia natural. La energía depende directamente de la profundidad de corte, por lo que si se trabaja con una profundidad de corte suficientemente pequeña no se tendrán problemas de chatter.

¿Qué consecuencias tiene la aparición de chatter?

En función de qué parte del sistema se vea excitada cuando aparece la vibración de tipo chatter, se hablará de “chatter de máquina”, “chatter de herramienta” o “chatter del conjunto herramienta-porta-husillo”, o “chatter de pieza”.

Una máquina trabajando reiteradamente en condiciones de chatter puede acabar presentando problemas de holguras y desgastes en los accionamientos. No es frecuente ya que la enorme vibración que se produce es atajada por el operario cambiando las condiciones de corte.

El chatter de herramienta-porta-husillo conlleva roturas de herramienta, así como desgaste y rotura de los rodamientos del husillo. También se refleja en un mal acabado superficial.

El chatter de pieza provoca un mal acabado superficial, desgarros y marcas en la pieza, así como un desgaste prematuro de la herramienta. Es característico tanto del chatter de pieza como del de herramienta-porta-husillo que aparezca un pitido agudo ciertamente molesto durante el corte.

¿Cómo influyen los parámetros de corte?

Profundidad de corte axial: Aumentar la profundidad de corte axial siempre conlleva rebasar un valor límite a partir del cual el fresado se vuelve inestable. Si se mantiene en un valor suficientemente pequeño (profundidad crítica), nunca aparece chatter, pero se pierde capacidad productiva.

Profundidad de corte radial: En general se puede afirmar que el efecto de la profundidad de corte radial y axial es aproximadamente similar. El caso más desfavorable es el de inmersión radial plena o ranurado. Para inmersiones radiales menores la profundidad de corte axial límite es progresivamente mayor. Sin embargo, existe una excepción, que es el caso de corte con herramientas de gran voladizo e inmersiones radiales muy pequeñas, menores al 30% del diámetro, donde la profundidad límite puede ser menor incluso que en el ranurado. Visualmente en esos casos se aprecia un efecto de “rebote” de la herramienta contra la pieza. Cabe afirmar que no es exactamente el valor de la profundidad de corte radial el que se tiene en cuenta, sino el ángulo de entrada y el de salida del filo respecto a la zona de corte (por ejemplo, en ranurado, el ángulo de entrada sería 0º y el de salida 180º).

Avance por diente:En principio el avance no influye en la aparición de chatter. Su efecto está contemplado en la caracterización de los coeficientes de corte, que cuantifica la dificultad de mecanizar un material y que se realiza para un rango determinado de avances por diente, como se explica más adelante. Eso sí, una vez que aparece la vibración de chatter, ésta será más severa cuanto mayor sea el avance.

Velocidad de corte: A bajas velocidades de corte, el conocido como amortiguamiento del proceso o process damping evita la aparición de chatter. Este efecto se debe, entre otros fenómenos, al roce de la cara de incidencia del filo contra la pieza, que se manifiesta de forma más acusada a velocidades de corte relativamente bajas.

Régimen de giro del husillo: La influencia de este parámetro es enorme, ya que seleccionando el régimen de giro de acuerdo a una serie de criterios, se encontrarán velocidades de giro más estables, es decir, con una profundidad límite mayor, y otras menos estables. Es en las más estables donde convendrá mecanizar. Pequeños cambios de incluso menos de 100 rpm pueden suponer que se pueda aumentar la profundidad de pasada de forma muy notable.

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