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Vibraciones en los procesos de mecanizado

CHATTER

Son vibraciones que se dan en los procesos de mecanizado por arranque de viruta, aunque también se puede dar en aspectos muy vario pintos de la vida general.

Estas vibraciones hoy en día se pueden modelizar, evaluar, incluso predecir y evitar en la medida de lo posible.

¿Dónde se origina el Chatter o la vibración?

Vibraciones en los procesos de mecanizadoPartiendo de la situación idílica, en la que tanto maquina como herramientas están nuevas y perfectamente ensambladas, la calidad del acabado en el mecanizado radica en el error producido por la flexión estática de la pieza y del conjunto herramienta-maquina, un segundo error debido a la amplitud de la vibración el ultimo problema dinámico conocido como CHATTER, aunque no habría que olvidar las tensiones residuales que se podrían originar en la pieza al desmontarla.

  • Error por flexión estática: produce unas  geometrías finales diferentes a las pretendidas apareciendo exceso de material. Esto se puede solucionar eligiendo estrategias de corte optimizadas, rigidizando en lo posible la pieza o, para proceder de una manera mucho más teórica, calculando la flexión y compensando la trayectoria de la herramienta.
  • Error por la amplitud de la vibración forzada: tiene un origen similar al error por flexión estática. Partiendo de la idílica situación en la que todos los elementos de la maquina están perfectamente ensamblados y trabajan de una manera compensada, la única fuente de vibración forzada seria el golpeo de los filos contra la pieza. 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.
  • CHATTER 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.

Una vez conocido el origen, nos podemos preguntar lo siguiente:

¿Qué es el chatter y cuándo aparece?

El chatter regenerativo es una vibración auto excitada propia de los procesos en los que el filo de corte pasa por una superficie previamente mecanizada. Puede encontrarse en torneado, fresado, taladrado, mandrilado, 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 Vibraciones en los procesos de mecanizadoproceso 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.

 

Existen dos condiciones claves para que se produzca el chatter:

  • 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?

Dependiendo 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”.

Vibraciones en los procesos de mecanizadoSi la máquina está trabajando reiteradamente en condiciones de chatter puede producir holguras y desgastes en los accionamientos de la máquina. 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.

Uno de los rasgos característicos tanto del chatter de pieza como del de herramienta-porta-husillo es que aparezca un pitido agudo ciertamente molesto durante el corte.

 

¿Cómo influyen los parámetros de corte?

1.      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.

2.      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.

3.      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.

4.      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.

 

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