Mejora de las técnicas de maquinado | Polytec

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Las vibraciones por “rechinido (golpeteo)” siguen siendo el principal factor que limita el aumento de las tasas de eliminación de material en las herramientas de la máquina. Estas vibraciones ocurren debido a un mecanismo de excitación automática en la generación de espesor de la viruta durante el proceso de fresado.

Mejora de las técnicas de maquinado

Medición de vibraciones en procesos de fresado

Las vibraciones por “rechinido (golpeteo)” siguen siendo el principal factor que limita el aumento de las tasas de eliminación de material en las herramientas de la máquina. Estas vibraciones ocurren debido a un mecanismo de excitación automática en la generación de espesor de la viruta durante el proceso de fresado.

En el fresado, los modos estructurales del sistema instrumento-pieza de la máquina son excitados inicialmente por las fuerzas de corte. El perfil del acabado de la superficie debido a una excitación oscilatoria que queda por una sección del dentado, es subsecuentemente removido por la superficie del diente entrante, lo que causa un aumento de vibración en la estructura. Este fenómeno de corte auto-excitado puede volverse inestable y los rechinidos por vibración aumentan hasta que el instrumento se desprende del cortador, arruinando las tolerancias de superficie esperadas e incluso rompiéndose bajo fuerzas excesivas de corte.

El maquinado de alta velocidad es un proceso ampliamente utilizado en la industria aeronáutica para estructuras de máquinas de baja rigidez con paredes delgadas y suelos donde se requieran altas tolerancias. El maquinado de este tipo de estructuras puede experimentar vibraciones laterales regenerativas en algunas condiciones de corte. La naturaleza inherente de las condiciones variables dinámicas de estos procesos de fresado y maquinado, puede que sea la culpable de que las piezas tengan un acabado superficial pobre y que dichos procesos de fabricación resulten menos productivos. Los diagramas de lóbulos de estabilidad son una técnica común que utilizan información dinámica para definir regiones estables sobre las cuales sea posible hallar las combinaciones apropiadas y deseadas de parámetros de maquinado. Con esta técnica, se requieren Funciones Operacionales de Respuesta en Frecuencia (FORF) y regulares FRF para alimentar el Método Mejorado Multi etapa de Perturbación por Homotopía.

Comparación entre vibrometría láser y otros métodos de medición existentes

Es bien sabido que la influencia de la masa de carga del acelerómetro en estructuras pesadas resulta despreciable en mediciones dinámicas. Sin embargo, estos efectos no son despreciables cuando el peso de la pieza es pequeño. Ya que la exactitud de la FORF afecta directamente los diagramas de lóbulos, es importante estudiar los efectos de las masas de carga de los acelerómetros sobre los diagramas de estabilidad para predecir acertadamente el comportamiento dinámico cuando se realiza fresado en paredes delgadas.

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Con el fin de estudiar los efectos de las masas de carga del acelerómetro en estructuras con paredes delgadas, realizamos varias pruebas de impacto en diferentes locaciones sobre paredes de aluminio 7075 (1 x 35 x 50 mm) y recolectamos los FRFs correspondientes utilizando un acelerómetro de 0.6 gramos. Repetimos las mediciones utilizando un Vibrómetro láser compacto Polytec CLV-2534-2 que nos permitió mediciones dinámicas sin tener que agregar peso a la pieza. Las líneas punteadas en la figura 1, representan la función de respuesta en frecuencia adquirida por el acelerómetro y el vibrómetro Láser Doppler (LDV) bajo las mismas condiciones.

La figura 1 ilustra las diferencias más significativas entre las funciones FRF obtenidas por el acelerómetro y por el vibrómetro láser Doppler.

El vibrómetro láser sin el acelerómetro adjunto captura dos modos fundamentales de vibración con valores pico de 1105 Hz y 1722 Hz. Sin embargo, las mediciones realizadas con el acelerómetro muestran los mismos modos dinámicos pero con valores pico de 580 Hz y 1366 Hz. Estas diferencias en los FRF registrados se observaron en las pruebas experimentales debido al nivel de presión sonora producido por la pieza con la pared delgada. La variación de 525 Hz del valor FRF del primer pico se debe al efecto del peso del acelerómetro.

Para poder verificar estos resultados experimentales, realizamos mediciones usando el LDV con el acelerómetro unido a la pieza de trabajo. Los resultados mostrados en la línea punteada en la figura 1, son los mismos que los registrados por el acelerómetro. Esta prueba experimental confirmó los efectos de la masa de carga del acelerómetro en valores FRF, los cuales no sólo causan la variación en frecuencia en un 48%, sino también cambian considerablemente el amortiguamiento modal del sistema. Además, se esperan cambios en la rigidez calculada. Como era de esperarse, el efecto de la masa del acelerómetro incrementa cada que se remueve 1mm de espesor de la pared de la pieza durante el proceso de maquinado.

A fin de demostrar los efectos de la masa de carga del acelerómetro en la dinámica del proceso de cortado, calculamos los lóbulos de estabilidad utilizando el EMHPM tanto para las mediciones con acelerómetro y con vibrómetro. Los lóbulos de estabilidad mostrados en la figura 2 son generados por una fresa de ½ pulgada de diámetro con dos dientes, un ángulo de hélice de 20° y una profundidad radial de corte de 0,8 mm.

Como se puede observar en la figura 2, la profundidad estable de valores de corte en los lóbulos de estabilidad calculados es fuertemente influenciada por la masa de carga del acelerómetro.

Las mediciones con acelerómetro producen una variación en los lóbulos de estabilidad no sólo en el sentido de rotación el eje, sino también en la dirección de la profundidad axial, a comparación de las mediciones con vibrómetro. Por esta razón se exploran experimentalmente condiciones de corte inestables del LDV. El rayo se apuntó al centro de la parte superior de la pared delgada.

Para una velocidad de giro de 26, 500 rpm, se registraron las máximas variaciones de amplitud de hasta 0,3 m/s (fig. 3), con un comportamiento estable confirmado a través del espectro en frecuencia que corresponde a la frecuencia del instrumento y sus armónicos. Por otra parte, se exploró con respuestas FRF de un LDV, una región límite determinada como inestable por el acelerómetro (fig. 4). En este caso, la amplitud de velocidad a 30,000 rpm alcanzó 0.6 m/s. El dominio de frecuencia exhibe la frecuencia de un “rechinido”.

Conclusión

La figura 5 muestra una comparación entre los parámetros modales obtenidos utilizando el FRF para los datos registrados tanto por el acelerómetro como por el vibrómetro láser. Se puede observar que un acelerómetro de 0.6 gramos unido a la pequeña pieza de trabajo tiene un efecto significativo para mediciones FRF.

Authors: Contact| Prof. Dr. Alex Elías-Zúñiga, Daniel Olvera. Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM), Monterrey, Mexico www.topmak.com.mx Mario Pineda, Polytec Inc. | Acknowledgements: This work was funded by Fondo Mixto Conacyt #145045 and by Tecnológico de Monterrey through the research chairs in Nanotechnology and Intelligent Machines. Parts of this article are based on the paper “Experimental Stability Analysis of Thin Wall Structures using Laser Doppler Vibrometer Devices”, Proc. 9th Int. Conf. on High Speed Machining, San Sebastian, Spain, March 7 – 8, 2012.

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Traducción y adaptación de la revista original InFocus Issue02|2012 (www.polytec.com) Copyright © Polytec GmbH, 2012| Todos los derechos reservados

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