Vibraciones Mecanicas CNC

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NUEVO LEON[pic 1][pic 2]

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

Máquinas de CNC

Vibraciones Mecánicas

Maestro: MC Fernando Flores

Alumno: Martin Alejandro Portales Cervantes

Matricula: 1521343

Grupo 5102

Hora N5

CD Universitaria, San Nicolás de Los Garza, Nuevo León, México.

Vibraciones Mecánicas

 Las vibraciones mecánicas son un fenómeno que se refleja por oscilaciones presentes en un cuerpo o sistema, las cuales se pueden producir por la aplicación de una fuerza externa o por efecto del propio funcionamiento de una máquina o equipo. En la mayoría de los procesos industriales las vibraciones mecánicas representan un problema ya que alteran el funcionamiento de las máquinas utilizadas en dichos procesos. El estudio de las vibraciones mecánicas es algo esencial para todo ingeniero mecánico porque son indeseables en la mayoría de las máquinas; de modo que se debería tener la capacidad de determinar las causas de estas vibraciones para poner en funcionamiento algún método de supresión o disminución de las mismas. Actualmente, el campo de estudio de las vibraciones mecánicas es un campo muy amplio dada su complejidad. El contenido discutido a continuación está formulado en el contexto de las máquinas herramientas, y proporciona información fundamental para el cumplimiento de los objetivos de esta investigación.

Vibraciones en Máquinas Herramientas

Las vibraciones en las máquinas herramientas son bien conocidas por causar problemas durante el maquinado, entre los cuales se pueden mencionar: desgaste de la herramienta, ruptura de la herramienta, desgaste y falla del husillo, acabado superficial inadecuado, ruido, calidad inferior del producto y un alto consumo de energía. Las estructuras elásticas que se emplean en la construcción de máquinas herramientas muestran, generalmente, modos de vibración extremadamente complejos. Estos problemas de vibraciones pueden muchas veces simplificarse de una forma considerable si las estructuras utilizadas en la realidad (y compuestas de una cierta masa y elasticidad distribuidas) se sustituyen por modelos teóricos equivalentes compuestos de masas con resortes y amortiguadores. Las características dinámicas del modelo son, evidentemente, las que aseguran que su comportamiento vibratorio se asemeja todo lo posible al real. En algunos casos, la vibración del sistema original puede reducirse a la vibración de un sistema compuesto de una masa equivalente única, un resorte y amortiguador equivalentes. Las vibraciones pueden ser clasificadas de distintas maneras de acuerdo al número de posibles factores que intervienen en ellas. Por el momento, las vibraciones se clasifican en vibraciones libres, vibraciones forzadas y vibraciones auto-excitadas. Es útil identificar los tipos de vibraciones que se presentan en las máquinas herramientas para evitar cualquiera de las consecuencias ya mencionadas. Las vibraciones se pueden modelar en uno, dos o infinitos grados de libertad. Se entiende por grados de libertad de un sistema mecánico el número de coordenadas que se requieren para definir la posición del sistema vibratorio en cualquier momento.

En máquinas herramientas se tiene, por ejemplo, que en el proceso de torneado las vibraciones presentes se pueden modelar en un grado de libertad, por el contrario en el proceso de fresado (objeto de estudio de esta investigación) las vibraciones se modelan mas apropiadamente con dos grados de libertad. Las ecuaciones que describen los modos de vibración para un grado de libertad, son aplicables igualmente para dos o infinitos grados de libertad pero a cada uno de sus distintos modos de vibración. El proceso de fresado es distinguido por una herramienta rotacional con uno o más dientes que remueven material mientras ésta se puede mover en diferentes ejes con respecto a la pieza de trabajo. El acoplamiento de cada diente en la pieza de trabajo es discontinuo en el proceso de fresado a diferencia del proceso de torneado. A medida que cada diente penetra el material, éste recibe un golpe seguidamente de una variación en la fuerza de corte. La excitación continua y la variación de la fuerza de corte inducen vibraciones entre la herramienta y la pieza de trabajo. Esto puede proveer la energía necesaria para excitar uno de los modos naturales de vibración en cualquier parte del sistema de mecanizado. Estas vibraciones deben ser minimizadas porque pueden, y frecuentemente lo hacen, que se degrade la exactitud del mecanizado y el acabado superficial. Por otra parte, en condiciones desfavorables estas vibraciones pueden volverse inestables, produciendo el fenómeno conocido como retemblado, el cual puede causar un desgaste acelerado de la herramienta o ruptura, un desgaste acelerado de la fresadora, e inclusive dañar la fresadora o las partes que la componen. Además este tipo de vibraciones disminuye enormemente la productividad de la empresa lo que se traduciría en pérdidas económicas.

Existen dos fuentes principales del retemblado en el proceso de fresado: a) Vibraciones Forzadas y b) Vibraciones Autoexcitadas. Estas fuentes de vibración serán explicadas más adelante.

Vibraciones Libres

Si una fuente de energía externa es aplicada al sistema para iniciar las vibraciones y luego removida, las vibraciones resultantes en el sistema se conocen como vibraciones libres. En ausencia de fuerzas no conservativas, las vibraciones libres se mantienen y son periódicas. Las vibraciones libres producen oscilaciones en una o más de las frecuencias naturales del sistema y, como todas las estructuras físicas tienen algún tipo de amortiguamiento (o disipación de energía), las oscilaciones producidas por vibraciones libres van decayendo y generalmente duran periodos cortos de tiempo.

En máquinas herramientas la acción de una excitación pulsante puede tratarse como vibraciones libres. Una excitación pulsante en una máquina herramienta puede tener origen como consecuencia de:

• ¾ Las fuerzas producidas por el contacto al corte de la herramienta de un proceso de fresado.
• ¾ Las fuerzas de inercia o el movimiento reciprocante de las partes movibles
• ¾ Las vibraciones transmitidas por los bastidores de las máquinas
• ¾ Imperfecciones en el material

Para la definición de las ecuaciones que describen las vibraciones libres se utilizará el siguiente esquema:

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Vibraciones Forzadas

Las vibraciones forzadas toman lugar cuando una excitación continua y periódica produce una respuesta en el sistema que se divide en dos partes, una respuesta debido a la vibración libre (que desaparece después de un tiempo) y una respuesta permanente con la misma frecuencia del sistema (que es el tipo de vibración predominante en este caso). Para los sistemas de mecanizados en las operaciones de fresado, la herramienta, el porta herramienta y el husillo forman el ensamblaje de la herramienta, y la pieza de trabajo y sus accesorios forman el ensamblaje de trabajo. Cuando la excitación continua y la variación de la fuerza de corte son aplicadas al ensamblaje de la herramienta y de trabajo, estos inducen vibraciones en estas estructuras elásticas. Las vibraciones forzadas tienen un gran impacto en el proceso de mecanizado cuando una o más de las frecuencias de la excitación continúa y la variación de fuerza de corte son iguales o cerca de uno de los modos de frecuencia natural del sistema de mecanizado. Si la frecuencia del paso de los dientes de la herramienta es igual o muy cercana a la frecuencia natural del ensamble de la herramienta, la variación cíclica de la fuerza de corte se excitará hasta llegar a resonancia y por lo tanto la herramienta vibrará excesivamente. En un proceso de fresado de alta velocidad, si la velocidad del husillo es suficientemente alta para la frecuencia de pasada de los dientes de la herramienta hasta alcanzar una frecuencia natural del sistema de mecanizado, las vibraciones forzadas pueden llegar a generar retemblado. En este caso, el problema puede ser eliminado seleccionando cuidadosamente una velocidad del husillo de manera que la frecuencia del paso de los dientes de la herramienta no sea igual o cercana a alguna de las frecuencias naturales del sistema de mecanizado una vez que estas sean identificadas. Por lo tanto, es vital tener las frecuencias naturales del sistema de mecanizado antes de realizar un proceso de corte. A continuación se especificarán las ecuaciones que rigen las vibraciones forzadas para un grado de libertad. Para la definición del comportamiento genérico se tiene el siguiente esquema:

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