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Vibraciones en máquina-herramienta: un enemigo vencible

27/02/2015

La detección y solución de errores en producción fue uno de los contenidos estrella de las Jornadas Qué y cómo se va a producir en 2025 (edición 2014) organizadas por IMHE. Dentro de este contenido destacaron a su vez las vibraciones o chatter, como lo denominan en ámbitos más ligados a la investigación. A continuación se recoge un resumen del contenido de la ponencia presentada durante dichas jornadas por Alex Iglesias de IK4-IDEKO. El contenido completo de esta ponencia y de toda la Jornada se puede consultar en www.izaro.com. Igualmente, este año continuaremos con las jornadas presenciales sobre este mismo contenido y otros temas nuevos.

Teoría que hay detrás del Chatter
Lo que ocurre en un proceso de chatter es que cuando estamos haciendo un mecanizado, la herramienta vibra levemente y esto afecta al espesor de viruta que varía según esa vibración. Debido esto se pueden producir dos hechos: que la viruta no crezca y tendremos corte estable; y puede ocurrir, en función de la dinámica de la máquina, que el espesor de viruta crezca. Si no tenemos suficiente amortiguamiento la fuerza de corte crece, aumenta la vibración y aparece el chatter. Este proceso es regenerativo ya que la vibración aumenta más y nos puede llevar a tener malos acabados superficiales, rotura de herramienta y puede afectar a los componentes mecánicos de la máquina (como rotura de rodamientos…). Es un proceso catastrófico y difícil de controlar y afecta directamente a la productividad.

Herramientas para predecir el chatter
Tenemos los llamados lóbulos de estabilidad que son unos gráficos donde se representa en el eje horizontal la velocidad de giro y en el eje vertical la profundidad de corte axial y nos representa cuales son las condiciones óptimas para realizar el mecanizado. Este gráfico tiene forma lobular y hay unas zonas donde el corte es estable, y otra donde se produce el chatter. Este gráfico tiene una serie de picos denominados “sweet spot” que son las condiciones en cada zona en las que la productividad es máxima. Así mismo el gráfico se puede dividir en cuatro zonas, una primera zona denominada A que es de baja velocidad que nos indica que a velocidades bajas aumenta la profundidad de corte (cuando estamos en esta zona bajar la velocidad ayuda a aumentar la capacidad de corte); una segunda denominada B que tiene una gran cantidad de lóbulos y es complicado de buscar sweet spots que den una clara diferencia de capacidad de corte; en tercer lugar tenemos la zona C donde se tiene una gran zona de sweet spot en la que con cambios pequeños de velocidad se tendrán grandes diferencias de capacidad de corte; y, por último, la zona D que es la zona de alta velocidad donde ocurre lo inverso de la zona A y tendremos que a mayor velocidad obtendremos mayor estabilidad. Es importante saber siempre en que zona de los lóbulos de estabilidad nos encontramos en nuestro proceso. Así mismo es importante saber en qué punto del lóbulo de estabilidad nos encontramos ya que en función de esta posición podemos aplicar una u otra estrategia bien aumentando o disminuyendo la velocidad o la profundidad de corte.

Estrategias de eliminación de vibraciones
Las estrategias de eliminación de vibraciones las podemos orientar desde tres ámbitos: Proceso, Diseño y Control.

Desde el ámbito del proceso tenemos
E1: Selección de condiciones mediante lóbulos de estabilidad
En este apartado hay que distinguir dos casos:
a) Vibración de herramienta en MAV (clásico en el mecanizado de alta velocidad)
b) Vibración estructural de máquina (clásico del desbaste con máquinas más lentas y/o más pesadas).
Un ejemplo práctico de obtención de los lóbulos de estabilidad se consigue mecanizando una pieza, con forma de rampa, en la que se realizan unos fresados de tal forma que varíe la profundidad de corte, en nuestro caso de 0 a 3 mm. Mecanizamos a diferentes velocidades y se ve como el lóbulo va quedando dibujado en la pieza. Como lectura experimental de los lóbulos de estabilidad se puede poner como ejemplo que en desbaste de aluminio las frecuencias de chatter se pueden mover entre 300-2500Hz y lo que queda afectado es la herramienta, el porta-herramienta, el eje de cabezal, etc. En cambio en el desbaste de acero las frecuencias se pueden mover entre 15-150 Hz y es la estructura la parte afectada. Como consecuencia de estos estudios se desprende que la rigidez dinámica de la estructura de la máquina limita la estabilidad de los grandes desbastes de acero. Es interesante conocer la capacidad de corte de la máquina en la fase de diseño y para esto es importante tener un modelo de estabilidad del proceso que nos permita predecir la capacidad de corte de la máquina.
Para calcular los lóbulos de estabilidad del mecanizado a alta velocidad tenemos tres grupos de datos que hay que tener en cuenta en el proceso. Por una parte tenemos los coeficientes del corte que son función del material y de la herramienta a utilizar; por otra parte está la dinámica de la máquina para lo que necesitamos saber los modos de vibración y las frecuencias naturales y los amortiguamientos de cada uno de los modos y, por último, los parámetros del proceso, las condiciones de corte que se van a utilizar. Todos estos datos se introducen en un modelo matemático y se calculan los módulos de estabilidad. Para hacer este cálculo se pueden emplear dos métodos: por un lado está el “dominio de la frecuencia” y el modelado por el “dominio del tiempo”. Existen programas informáticos comerciales en el mercado para llevar a cabo estos cálculos.

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