Vibración en procesos de mecanizado «chatter» ¿Cómo lo soluciono?

La vibración en los procesos de mecanizado o también conocido como chatter es una vibración auto excitada de piezas en sistemas de mecanizado. Está muy presente, en una amplia gama de procesos de corte y tiene un impacto tanto en la eficiencia como en la calidad del proceso de fabricación.

¿Qué es la vibración en los procesos de mecanizado?

Las caras vibradas o también conocido «chatter», se realiza por un proceso de corte interrumpido. La herramienta de corte en vez de cortar el material choca contra él, y al chocar la herramienta de corte con el material, la herramienta de corte patina contra el material en vez de cortar. La vibración se auto excita a medida que va siguiendo la trayectoria programada.

Con una superficie vibrada, obtenemos un mal acabado superficial, perdiendo la tolerancia de la pieza si la hubiera. Además, obtenemos un desgaste prematuro de la placa, e incluso pudiendo llegar a su rotura.

Tipos de vibraciones en los procesos de mecanizado

Vibraciones mecánicas

• Vibración libre: este tipo de vibración es causada, por el impacto de las placas contra la pieza.
• Vibración forzada: es causada por un desequilibrio entre engranajes, cojinetes, husillos de la máquina-herramienta. Pensar que la vibración es auto conducida hasta la máquina, pudiendo llegar a romper cojinetes y rodamientos en el cabezal de la máquina.
• Vibración auto excitada: es una vibración no atenuada causada por la fuerza alterna producida entre la herramienta y la pieza de trabajo. Este tipo de vibración aumenta la inestabilidad del sistema y lo hace incontrolable.

Vibraciones según el mecanismo de autoexcitación específico

• Vibración por fricción: es causada por la fricción mutua entre la herramienta y la pieza de trabajo en la misma dirección que la velocidad de corte. Trabajar clavando la herramienta en la pieza.
• Vibración de acoplamiento: es causada por el acoplamiento de suplementos en herramientas y provocan vibración debido a la ligera diferencia entre la rigidez de los elementos vibrantes en dos direcciones diferentes. Cuanto mayores acoples tengamos en la herramienta, menor rigidez vamos a tener.

¿Cuándo aparece la vibración en los procesos de mecanizado?

La vibración o chatter se da en varios procesos de mecanizado como: fresado, taladrado, mandrinado y torneado. Aparece cuándo algunas partes del sistema no trabajan en óptimas condiciones en un proceso de arranque de viruta.

 Dependiendo de qué parte del sistema se vea excitada cuando aparece la vibración podemos hablar de cómo la vibración puede afectar al trabajo que se está realizando:

• Vibraciones de máquina: si se trabaja persistentemente bajo las condiciones de vibración se pueden producir holguras y desgaste en los accionamientos de la máquina.
• Vibraciones a causa del conjunto herramienta-porta-husillo: este tipo de vibración implica la fractura y desgaste de la herramienta, rotura de los rodamientos del husillo. Además, ocasiona un mal acabado superficial de la pieza.
• Vibración de pieza: además, de provocar un mal acabado superficial en la pieza, puede ocasionar desgarros y marcas en la misma; así como un desgaste prematuro de la herramienta.

¿Por qué se da la vibración en un proceso de mecanizado?

Primero tenemos que ver que el estado de la máquina y de la herramienta está en óptimas condiciones. los principales problemas que afectan en la vibración en mecanizado son:

1. Flexión estática de la pieza y/o del conjunto: herramienta-porta herramienta-máquina.
2. Amplitud de la vibración forzada de la herramienta.

Flexión estática de la pieza o del conjunto herramienta-máquina

La flexión estática de la pieza o del conjunto herramienta máquina es uno de los problemas que hacen aparecer vibraciones en el fresado. Se obtienen formas o geometrías distintas a la trayectoria programada. Esto se produce porque el exceso de material es mayor del que teníamos previsto mecanizar y al tener unas velocidades de avance mal programadas, se produce la vibración.

Amplitud de la vibración forzada de la herramienta

Este problema se manifiesta de igual manera que la flexión estática, a diferencia de que los filos de la herramienta golpean contra la pieza. De esta manera las placas o filos de la herramienta se desgastan e incluso pueden llegar a su rotura si el golpeteo es muy acentuado.

Habitualmente en cortes de desbaste no es un problema puesto que la rigidez del conjunto de herramienta-porta-husillo es muy elevada; pero puede ser un problema en piezas con paredes o suelos delgados que están correctamente amarrados y en herramientas con un gran voladizo.

¿Cómo influyen los parámetros de corte, en la vibración en un proceso de mecanizado?

Partiendo de la situación ideal, en la que tanto la máquina como las herramientas son nuevas y se encuentran perfectamente ensambladas, la calidad del acabado en el mecanizado radica en el error producido por unos parámetros de corte mal establecidos:

1. Profundidad de corte axial (a_p): aumentar la profundidad de corte axial implica rebasar un valor límite a partir del cual puede volver al fresado inestable. Si se mantiene en un valor lo suficientemente modesto (profundidad crítica), no habrá oportunidad de que aparezca la vibración en el fresado, pero esto puedo ocasionar una disminución en la capacidad productiva.
2. Profundidad de corte radial (a_e): podemos decir que el efecto de a_p y a_e son casi similares El caso más contraproducente 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 (f_z): el parámetro de avance no suele contribuir en la aparición de vibración en el fresado en un principio, pero una vez que aparezca la vibración, ésta se elevará cuanto mayor sea el avance. Su efecto se contempla en los parámetros de los factores de corte que miden la dificultad del mecanizado de un material y que se realiza para un rango determinado de avances por diente.
4. Velocidad de corte (v_c): mientras sean más bajas las velocidades de corte, el conocido amortiguamiento del proceso o process damping evita la aparición de vibración. Este efecto es consecuencia del roce de la cara de incidencia del filo contra la pieza, que se percibe de forma más clara a velocidades de corte relativamente bajas.

Factores que afectan a la vibración en un proceso de mecanizado

Ángulo de entrada

El ángulo de entrada es importante ya que determina la dirección de las fuerzas de corte. Cuando aumentan las fuerzas de corte radiales se observa una mayor vibración. Para conseguir la profundidad máxima de corte de la fresa antes de que se produzca la vibración, es aconsejable un ángulo de entrada reducido combinado con un voladizo más corto. En este caso, en la siguiente imagen vamos a ver las diferencias que tenemos tanto en fresado como en torneado.

Tenemos que tener una cosa clara: cuanto menor sea el contacto de la placa con la pieza, menos vibrara. De esta forma obtenemos un ángulo positivo que favorece la extracción de viruta. En el caso del fresado los platos de alto avance (HFC) la geometría de sus placas es siempre positiva o superpositiva, de esta manera alcanzan grandes velocidades de avance con apenas vibración.

Geometría de herramientas

Geometría de plaquitas

En el caso de las fresas de plaquitas intercambiables, la geometría de la herramienta de corte debe ser ligeramente positiva para generar menores fuerzas de corte. Cuanto más contacto haya, mayor será la vibración. Esto se reduce gracias al paso diferencial de las herramientas de fresado.

Paso diferencial en el fresado, aliado contra la vibración

El paso diferencial es la distancia irregular entre los dientes que componen una fresa. Este diseño reduce la vibración y el ruido entre la máquina, la herramienta y la pieza. Por lo general, los dientes de las fresas mantienen entre sí un espacio regular dispuesto de manera uniforme. Sin embargo, para aumentar la productividad, especialmente en las operaciones de escuadrado, es importante minimizar los riesgos de vibración. Las fresas con paso diferencial aumentan significativamente la estabilidad cuando la velocidad es limitada.

Geometría de fresas de metal duro con paso diferencial

En el caso de las fresas integrales de metal duro la geometría de filo de corte con labios helicoidales irregulares de ángulos helicoidales desiguales para lograr un paso “no-periódico”. Si la cantidad de labios es par, sea de 2 o 4 labios, los mismos están diseñados con dos tipos de ángulos helicoidales diferentes (labios helicoidales irregulares) y constituyen un paso diferencial observado desde la parte inferior del filo de corte.

Esta geometría resulta en un paso no-periódico del impacto intermitente y resistencia al corte durante el mecanizado y puede prevenir vibraciones. Con un paso no- periódico, conseguimos que la fresa penetre en el material de forma más suave y obteniendo una mejor estabilidad.

Geometría de fresas esféricas

En el caso de las fresas esféricas los ángulos de paso del filo de corte están divididos de forma irregular (paso diferencial), y la curva del filo de corte está formada con una geometría irregular (curva variable) sin perder la exactitud de la fresa esférica. Este diseño único permite generar impactos no-periódicos y resistencia al corte durante el mecanizado. Particularmente, en la fresa esférica, el mecanizado es conducido al utilizar no sólo el filo periférico sino también el punto central del filo cuando la velocidad de corte es baja. 

Temperatura

Las altas temperaturas pueden alterar el funcionamiento del sistema anti vibratorio. Utilice aire o refrigerante interior siempre que sea posible. Un valor n (rpm) extremo también puede reducir la capacidad de funcionamiento del sistema anti vibratorio.

Soluciones a la vibración en un proceso de mecanizado

Vamos a seleccionar las opciones para evitar la vibración en un proceso de fresado:

1. Optimizar la herramienta acorde a la cantidad de material que vamos a mecanizar.
2. Modificar la estrategia de fresado.
3. Evitar voladizos en los amarres de herramientas o piezas. Aportando rigidez al conjunto.
4. Modificar la velocidad del husillo de forma intermitente continuamente.
5. Trabajar compensando la trayectoria de mecanizado.
6. Utilizar herramientas con sistemas de amortiguación, cuándo no podemos evitar grandes voladizos.
7. Utilizar herramientas de paso variable en el caso del fresado.
8. En el torneado utilizar el radio de punta más pequeño posible para reducir la vibración.
9. Utilizar herramientas con una geometría de corte adecuado al material que estamos mecanizando.
10. Utilizar sistemas externos para amortiguar la vibración, cómo algunos sistemas de punto cero.
11. Evitar el desgaste de las placas, ya que de lo contrario no tendremos ángulo de entrada óptimo para el mecanizado. La placa al tener mayor contacto producirá vibraciones.

Resumen

Cómo veis está problemática que tenemos en el mecanizado, siempre ha sido caso de estudio desde hace muchos años. Tanto los fabricantes de herramientas, como los de softwares CNC y software Cad/Cam están incorporando nuevas soluciones para evitar la vibración en los procesos de mecanizado. También es cierto, que el tener una buena experiencia a pie de maquina con geometrías complejas, ayuda cuando no se disponen de dispositivos especiales para amortiguar las vibraciones en el mecanizado. Los nuevos sistemas de amarre de piezas de punto cero, también son de gran ayuda contra la vibración.