Análisis: uso de dientes de paso asimétrico para eliminar la vibración

La vibración es un problema costoso y persistente en el fresado. El efecto de la vibración puede ser lo suficientemente grande como para dañar la herramienta, hacer que la pieza de trabajo se deseche e incluso dañar la máquina herramienta. Para empeorar las cosas, debido al riesgo de vibración, los operadores de máquinas herramienta pueden ser demasiado conservadores al seleccionar los parámetros de procesamiento, lo que hace que las capacidades de la máquina no puedan aprovecharlas al máximo. Por lo general, la capacidad de procesamiento de la máquina herramienta solo se utiliza la mitad o una fracción de ella.

El aleteo es un tipo de vibración autoexcitada, lo que significa que la energía de entrada estable del motor del husillo se convierte en vibración a través de un determinado mecanismo. El principal mecanismo de vibración de una máquina herramienta es la amplificación por retroalimentación positiva de la onda de vibración. Básicamente, la rigidez dinámica del sistema de mecanizado (incluidas la herramienta y la pieza) es insuficiente. Cuando el diente del cortador corta la pieza de trabajo, provocará vibración y el diente del cortador vibratorio formará ondas en la superficie de la pieza de trabajo. Cuando el siguiente diente está en contacto con la superficie corrugada, la corrugación de la superficie hará que el espesor de la viruta cambie, el espesor de la viruta modificado hará que la fuerza de corte cambie y la fuerza de corte modificada provocará vibración.

Una forma de eliminar el mecanismo de vibración es probar las características dinámicas del sistema de mecanizado, utilizar los resultados de estas pruebas para calcular un mapa de área de corte estable y seleccionar las condiciones de corte dentro del rango estable. Esta estrategia de rango de control previo se basa en ajustar la vibración de la herramienta para que coincida con la superficie corrugada. Cuando las ondulaciones delantera y trasera coinciden entre sí, el espesor de la viruta ya no cambia y la vibración se detiene. Cuando el número de ondas de vibración entre dientes adyacentes es exactamente 1, 2 o cualquier número entero, aparece un intervalo estable en el gráfico de la curva sinusoidal de estabilidad. Este tipo de estrategia de procesamiento necesita conocer la velocidad estable, mantener una velocidad estable dentro del rango de velocidad permitido del husillo, tener dientes de corte distribuidos uniformemente y controlar con precisión la velocidad del husillo.

Una estrategia alternativa es suprimir el mecanismo de amplificación de retroalimentación positiva de las ondas de vibración cambiando el espacio entre los dientes. Si los dientes del cortador tienen un paso asimétrico (desigual), la superficie corrugada dejada por el diente del cortador anterior cortado por cada diente del cortador tiene una forma de onda diferente, suprimiendo así la vibración. En comparación con las herramientas con dientes igualmente espaciados, las herramientas con espacios desiguales entre dientes generalmente pueden lograr una profundidad de corte axial más estable.

Sin embargo, para obtener tales resultados se requiere una estimación cuidadosa. Debido a que el avance es constante, el cambio en el paso de los dientes hará que el avance por diente sea diferente. Esto generalmente significa que solo un diente puede soportar la carga total de la viruta, mientras que el resto de los dientes no pueden cortar con la carga completa. Por esta razón, se debe reducir el avance efectivo por revolución de la herramienta y la reducción del avance debe igualarse aumentando la profundidad de corte axial hasta que los dientes estén justo equilibrados.

Por ejemplo, consideremos una fresa de mango de 4 canales con dientes distribuidos uniformemente y la profundidad de corte axial más estable (10 mm). Los dientes están distribuidos uniformemente a 90° y las direcciones de disposición son 0°, 90°, 180° y 270° respectivamente. Si la carga de viruta permitida (avance por diente) es de 0,2 mm, el avance por revolución será de 0,8 mm/rev. Si la orientación de un solo diente cambia 10°, la orientación de estos dientes será 0°, 100°, 190° y 280°. Por tanto, el espaciamiento entre dientes es de 100° (espaciamiento máximo), 90°, 90° y 80° (espaciamiento mínimo).

Para evitar que el avance por diente en el espaciado máximo exceda el valor límite permitido, el espaciado máximo se utiliza como espaciado de control. Es necesario reducir la cantidad de avance de acuerdo con la relación entre el espaciado igual y el espaciado máximo (90°/100° en este ejemplo) en base al avance de los dientes del cortador igualmente espaciados. De esta forma, las cargas de viruta correspondientes a cada intervalo entre los dientes son de 0,2 mm, 0,18 mm, 0,18 mm y 0,16 mm, respectivamente. El avance por revolución es de 0,72 mm/rev. Para esta herramienta, el aumento permitido en la profundidad de corte axial estable debe ser mayor que la relación 100/90, lo que significa que 11,1 mm es justo el valor crítico de la tasa de eliminación de metal. En términos generales, cuando se utiliza este método para suprimir la amplificación de retroalimentación positiva de la onda de vibración, para que la herramienta de espaciado desigual tenga valor de aplicación, es necesario permitir que la profundidad axial de corte duplique la relación de espaciado máximo/espaciamiento igual.

De manera similar, cambiar la velocidad del husillo también puede suprimir la amplificación de retroalimentación positiva de la onda de vibración, pero cuando el husillo gira más de una revolución, el espacio entre los dientes de la herramienta también se puede cambiar de manera efectiva. Sin embargo, dado que el avance es fijo, la distancia máxima aún puede controlar el avance. Antes de que se pueda lograr cualquier aumento en la tasa de eliminación de metal, el cambio en la velocidad del husillo debe permitir que la profundidad de corte axial estable duplique la relación de paso máximo/paso igual.