ES2271626T3 - Un aparato amortiguador para amortiguar vibraciones. - Google Patents
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Abstract
Aparato amortiguador para el amortiguamiento de vibraciones en soportes de herramientas, elementos de má- quinas y piezas en máquinas herramienta y otros objetos expuestos a vibraciones indeseadas, adaptado para dispo- nerse en o sobre el objeto, incluyendo un cuerpo amorti- guador sustancialmente cilíndrico (1) con un agujero (6) que lo atraviesa y un cuerpo central longitudinal (3) que se extiende a través del agujero (6) y rígidamente conec- table al objeto que ha de ser amortiguado, y el cuerpo amortiguador (1) está conectado al cuerpo central longi- tudinal (3) a través de dos elementos elásticos (2) con un agujero por donde pasa el cuerpo central longitudinal (3), dos arandelas (5) rígidamente conectadas al cuerpo central longitudinal (3) de modo que el cuerpo amortigua- dor (1) esté colocado entre estas arandelas (5) caracterizado porque los elementos elásticos (2) in- cluyen dos caras de extremo opuestas; la arandela (5) en cada lado del cuerpo amortiguador (1) y los elementos elásticos (2) está fijada rígidamente al cuerpo central longitudinal (3); y una de las dos caras de extremo opuestas de cada elemento elástico (2) está fijada rígidamente a cada una de las dos arandelas (5) y la otra de las dos caras de extremo opuestas está fijada rígidamente al cuerpo amor- tiguador (1).
Description
Un aparato amortiguador para amortiguar
vibraciones.
La presente invención se refiere a un aparato
amortiguador que está diseñado en particular, aunque no
exclusivamente, para barras de mandrinar y barras de soporte de
herramienta similares usadas en máquinas herramienta. Los ejemplos
típicos son barras de mandrinar usadas para maquinado de corte de
virutas (torneado, fresado, etc.) en construcciones débiles, tales
como ejes y elementos similares. El aparato también se puede usar en
"amortiguamientos", otras partes de una máquina, y piezas. Las
oscilaciones autogeneradas son el resultado típico de la rigidez
dinámica de una construcción demasiado pequeña.
Se conocen previamente aparatos amortiguadores
similares, y se muestra un aparato relacionado en la patente NO 128
725. Esta patente se refiere a un dispositivo amortiguador que se
debe colocar necesariamente en un agujero en la barra de mandrinar,
porque el agujero constituye una parte importante del dispositivo
amortiguador, en el que el efecto amortiguador es un resultado de
una interacción entre el cuerpo amortiguador y el agujero
propiamente dicho, a través de elementos elásticos dispuestos entre
el cuerpo amortiguador y el agujero.
El desarrollo tiende hacia una proporción
incrementada entre longitud/diámetro (proyección) en soportes de
herramientas. Esto da lugar a una reducción de la rigidez dinámica
del soporte de herramienta y de nuevo impone nuevos requisitos al
dispositivo amortiguador que debe estar adaptado consiguientemente.
El problema del dispositivo amortiguador según la técnica conocida
es que, para adaptar el dispositivo amortiguador a estas nuevas
condiciones, hay que disminuir la frecuencia del cuerpo
amortiguador. Para lograrlo, se precisan elementos elásticos con
una constante elástica inferior, o un cuerpo amortiguador con mayor
masa.
La densidad de los cuerpos amortiguadores hoy
día usados ya está entre las más altas disponibles en el mercado.
Para aumentar la masa, hay que incrementar consiguientemente el
volumen del cuerpo amortiguador. Esto dará lugar a problemas
relacionados con el espacio y tamaño y debilitamiento de la
construcción donde se haya de colocar el aparato amortiguador.
Para poder reducir la constante elástica con
soluciones según la técnica conocida, como se describe por ejemplo
en la patente NO 172 677, hay que cambiar consiguientemente el
material del elemento elástico o a un material más blando con una
constante elástica inferior, o hay que reducir la resistencia del
elemento elástico reduciendo el tamaño del elemento. Al mismo
tiempo, los elementos elásticos deben resistir el calor desarrollado
durante el proceso de corte de virutas, y como resultado de la
absorción de energía en el material, además de dimensionarse para
que resistan las fuerzas a las que están expuestos. Se ha demostrado
que éstas son propiedades contradictorias.
La conclusión es que las soluciones según la
técnica conocida no están consiguientemente bien adecuadas al
desarrollo hacia una mayor relación longitud/diámetro y una menor
frecuencia natural para un sistema que ha de ser amortiguado,
debido a limitaciones de los propiedades del material entre otras
cosas.
A menudo se usan altas velocidades rotacionales,
y por lo tanto también es importante que un sistema amortiguador
pueda resistir la rotación rápida. Se ha demostrado que esto también
es problemático con aparatos según la técnica conocida.
La presente invención resuelve dichos problemas
proporcionando un nuevo aparato amortiguador. El aparato
amortiguador según la invención se define en reivindicación 1 y es
adecuado para amortiguar vibraciones autogeneradas en barras de
mandrinar, barras de soporte de herramientas y análogos,
preferiblemente elementos de máquinas rotativas, en particular
elementos con refrigeración por fluido interno, y el aparato
amortiguador incluye un cuerpo amortiguador de forma
sustancialmente cilíndrica.
La solución se basa en una tecnología donde las
fuerzas son transferidas desde la barra al cuerpo amortiguador a
través de elementos elásticos, donde los elementos elásticos están
expuestos sustancialmente a fuerzas de cizalladura, en
contraposición a la técnica conocida donde elementos elásticos
correspondientes están expuestos principalmente a fuerzas de
presión. La ventaja de transferir las fuerzas como fuerzas de
cizalladura en vez de fuerzas de presión es que se puede reducir la
constante elástica y las propiedades amortiguadoras del material se
incrementan al transferir las fuerzas en la dirección de cizalladura
en contraposición a transferir las fuerzas en compresión.
El módulo G, que expresa la rigidez de
elastómeros expuestos a fuerzas de cizalladura, es considerablemente
inferior a Ec, que expresa la rigidez a elastómeros expuesto a
presión, y aproximadamente 1/3 de Es que expresa la rigidez de
elastómeros expuestos a tensión. En un aparato amortiguador donde
los elementos elásticos/elementos resilientes (los elastómeros)
están expuestos sustancialmente a fuerzas de cizalladura, la
constante elástica del sistema se reducirá potencialmente, y por
ello es posible reducir considerablemente la frecuencia natural del
aparato amortiguador sin cambiar la composición del material del
elemento elástico, y sin reducir el tamaño o la resistencia del
elemento. Tampoco hay que incrementar la masa del cuerpo
amortiguador. Otra ventaja es la mayor anchura de banda de la
función amortiguadora, y que el tamaño del elemento elástico hecho
por ejemplo de caucho, se puede incrementar y por ello dar lugar a
mayor amortiguamiento, sin incrementar la frecuencia natural en
relación a las soluciones existentes del mismo tamaño. Por ello, el
aparato amortiguador puede permitir una mayor variación en la
relación entre longitud y diámetro. Una ventaja de esto es la
posibilidad de eliminar el fluido amortiguador como un medio
amortiguador porque una mayor cantidad de caucho u otros materiales
elásticos es suficiente como el único absorbente de energía en el
sistema.
Una ventaja de la capacidad de disminuir la
frecuencia es que se puede reducir la masa del cuerpo amortiguador
logrando al mismo tiempo la misma frecuencia natural que los
sistemas existentes. Esto hace que la invención sea más útil en
aplicaciones donde el sistema amortiguador gira a una alta
velocidad, con considerables fuerzas centrífugas, tal como en
aplicaciones de fresado a alta velocidad.
El hecho de poder reducir la masa del cuerpo
amortiguador es útil porque se puede incrementar el diámetro de un
tubo central, que puede transportar fluido de corte al borde de
corte. Con esta solución se puede incrementar la cantidad de fluido
de corte impulsada en comparación con las soluciones actuales. La
ventaja de una mayor cantidad de fluido de corte es una extracción
más efectiva de virutas del borde cortante.
Otro problema conocido de la solución descrito
en la patente NO 172 677 es que el fluido amortiguador en la
cavidad entre la masa y el tubo central puede escapar por el
elastómero usado como un elemento elástico, si éste se utiliza como
una junta estanca dinámica y no está unido a las partes
circundantes.
La solución propuesta en la presente invención
elimina este problema porque el elastómero elástico está unido
directamente a la estructura circundante, o si se usan
alternativamente juntas estancas dinámicas.
El cuerpo amortiguador del aparato amortiguador
tiene un agujero axial que lo atraviesa. Los elementos elásticos o
los elementos resilientes están dispuestos en cada extremo del
elemento amortiguador y están conectados a cuerpo central
longitudinal o tubo que se extiende axialmente a través del
agujero.
En una aplicación, el aparato puede estar
dispuesto en una cavidad adaptado con una forma sustancialmente
axial y cilíndrica dentro de una barra de mandrinar. El tubo se
puede conectar rígidamente a un agujero interno para fluido
refrigerante en la barra de mandrinar (puesto que los elementos
elásticos o resilientes se mantienen en posición por medio de
arandelas dispuestas por fuera).
En una realización, la presente invención
permite un suministro de fluido refrigerante a un borde cortante en
el que el fluido refrigerante es conducido a través de la zona axial
del aparato amortiguador cuando el cuerpo central longitudinal se
configura como un tubo. Esta construcción permite que la misma
cavidad en la barra de mandrinar pueda incluir un cuerpo
amortiguador. El intervalo entre el cuerpo amortiguador y la pared
de la cavidad se puede reducir considerablemente, de modo que el
diámetro del cuerpo amortiguador se pueda incrementar.
En una realización, el diámetro exterior del
cuerpo central longitudinal que se extiende axialmente está adaptado
al diámetro del agujero con un pequeño intervalo para recibir un
medio amortiguador, por ejemplo un fluido amortiguador tal como
aceite amortiguador.
En una realización, el intervalo para el medio
amortiguador puede ser colocado cerca del eje del cuerpo
amortiguador y la barra de mandrinar para reducir el efecto de la
fuerza centrífuga en el medio a un nivel aceptable, lo que tiene un
efecto favorable cuando el sistema amortiguador debe girar a alta
velocidad.
El aparato amortiguador se describirá ahora con
referencia a realizaciones y a los dibujos acompañantes, donde
La figura 1 representa el aparato amortiguador
en su realización más simple y básica.
La figura 2 representa el aparato amortiguador
en una realización donde se ha considerado el montaje y la
instalación.
La figura 3 representa un amortiguador según la
técnica conocida incorporado en una barra de mandrinar.
Y la figura 4 representa una forma de instalar
el aparato amortiguador cuando éste se ha de colocar sobre un objeto
plano a amortiguar.
La figura 1 representa un ejemplo de un diseño
simple de un aparato amortiguador según la invención. El cuerpo
amortiguador sustancialmente cilíndrico 1 está provisto de un
agujero axial 6 a su través. Dentro del agujero hay un cuerpo
central longitudinal o tubo 3 que se extiende axialmente y que está
adaptado generalmente para fijarse rígidamente en sus extremos
exteriores dentro de una barra de mandrinar o al objeto que ha de
ser amortiguado. El tubo 3 está adaptado preferiblemente para
conducir un fluido refrigerante a su través en comunicación con un
canal que se extiende además a la barra de mandrinar. En cada
extremo exterior del cuerpo amortiguador 1 se ha conectado
elementos elásticos 2 con una forma circular, por ejemplo, con una
sección transversal rectangular. Los elementos elásticos 2 se
pueden conformar por ello como arandelas elásticas o cilindros
huecos cortos, con un agujero para el paso del cuerpo central
longitudinal 3 y dos caras de extremo opuestas. Las caras de
extremo serán normalmente sustancialmente paralelas. Los elementos
elásticos 2 pueden ser, por ejemplo, de caucho u otro material
elástico. El cuerpo central longitudinal 3 está conectado
rígidamente con una de las caras de extremo, y el cuerpo
amortiguador 1 está conectado rígidamente con la otra cara de
extremo en la que los elementos elásticos 2 están conectados además
a arandelas o piezas de extremo 5 que de nuevo se conectan al tubo
3, por ejemplo, por vulcanización o unión adhesiva. Las arandelas 5
se fijan preferiblemente al tubo 3 con una conexión roscada, pero
no tienen que estarlo necesariamente. La frecuencia natural del
sistema se varía cambiando las dimensiones o las propiedades del
material del elemento elástico 2.
La figura 2 representa un ejemplo se considera
donde el montaje de las varias partes. En este ejemplo los
elementos elásticos 2, están conectados a arandelas intermedias 7 en
cada lado.
La conexión se puede hacer durante el moldeo de
los elementos elásticos 2 y se realiza aplicando adhesivos en las
caras de contacto de las arandelas intermedias 7. Las arandelas
intermedias 7 facilitan el montaje de los elementos elásticos 2 en
el cuerpo amortiguador 1 y las arandelas 5. Las arandelas
intermedias 7 se pueden fijar, por ejemplo, a estas partes con
adhesivos, y sellar contra el escape de aceite. Alternativamente se
pueden fijar con enclavamiento mecánico, y con aros herméticos 8 en
las caras de contacto para evitar el escape, como se representa en
la figura 2. Las arandelas 5 están fijadas al tubo 3 con una
conexión roscada, y de esta forma están conectadas rígidamente al
tubo o el cuerpo central longitudinal 3. El cuerpo amortiguador 1
se coloca entre estas arandelas 5. Se colocan dos elementos
elásticos 2 entre las dos arandelas 5 y el cuerpo amortiguador 1,
de modo que una de las caras de extremo de cada elemento elástico 2
esté conectada rígidamente a las dos arandelas 5. La otra cara de
extremo de cada elemento elástico 2 está conectada rígidamente al
cuerpo amortiguador 1.
En la figura 3 se representa un aparato
amortiguador según la técnica conocida, incorporado en una barra de
mandrinar 9. La barra de mandrinar 9 tiene un conducto refrigerante
11 en comunicación directa con el tubo central 3, y estos están
alineados con el eje 12 de la barra de mandrinar.
También es posible usar el aparato amortiguador
según la invención para amortiguamiento externo, por ejemplo, de un
objeto plano, y la figura 4 representa una ménsula de montaje para
tal uso. El cuerpo central longitudinal que se extiende axialmente
3 se fija entonces a dos ménsulas 13 que de nuevo se fijan
rígidamente al cuerpo que ha de ser amortiguado. El resto del
aparato amortiguador es de la misma realización que el de la figura
2. En este caso, el cuerpo central longitudinal no es necesario que
sea hueco.
El aparato amortiguador opera en general de la
forma siguiente:
Cuando la construcción que ha de ser
amortiguado, por ejemplo, el soporte de herramienta, se pone en
movimiento debido a efectos de fuerzas externas, por ejemplo, de
una herramienta de corte, parte de este movimiento es transferido a
través de los elementos elásticos a la masa del cuerpo amortiguador.
Debido a la geometría y la conexión entre las arandelas y el cuerpo
amortiguador, los elementos elásticos experimentarán esto como
fuerzas de cizalladura. El movimiento (energía) que no se transfiera
del soporte de herramienta a través del tubo y mediante los
elementos elásticos al cuerpo amortiguador se transformará en
energía en forma de calor en los elementos elásticos, y en algunos
casos, el fluido amortiguador. En este caso, el calor es generado
por rozamiento interno en el fluido amortiguador y en los elementos
elásticos, además de en las varias interfaces.
Durante el funcionamiento continuo, tiene lugar
un movimiento oscilante típico y el soporte de herramienta y el
cuerpo amortiguador se moverán sustancialmente con la misma
frecuencia, pero la fase y la aceleración serán ligeramente
diferentes. La diferencia de fase produce la necesaria
deformación/rozamiento en los elementos elásticos y el fluido
amortiguador, que sufre una pérdida de energía como generación de
calor. Por lo tanto, también la aceleración del soporte de
herramienta y el cuerpo amortiguador es diferente, y la fuerza
amortiguadora está en relación directa con esta diferencia.
Claims (8)
1. Aparato amortiguador para el amortiguamiento
de vibraciones en soportes de herramientas, elementos de máquinas y
piezas en máquinas herramienta y otros objetos expuestos a
vibraciones indeseadas, adaptado para disponerse en o sobre el
objeto, incluyendo un cuerpo amortiguador sustancialmente cilíndrico
(1) con un agujero (6) que lo atraviesa y un cuerpo central
longitudinal (3) que se extiende a través del agujero (6) y
rígidamente conectable al objeto que ha de ser amortiguado, y el
cuerpo amortiguador (1) está conectado al cuerpo central
longitudinal (3) a través de dos elementos elásticos (2) con un
agujero por donde pasa el cuerpo central longitudinal (3), dos
arandelas (5) rígidamente conectadas al cuerpo central longitudinal
(3) de modo que el cuerpo amortiguador (1) esté colocado entre
estas arandelas (5)
caracterizado porque los elementos
elásticos (2) incluyen dos caras de extremo opuestas;
la arandela (5) en cada lado del cuerpo
amortiguador (1) y los elementos elásticos (2) está fijada
rígidamente al cuerpo central longitudinal (3); y
una de las dos caras de extremo opuestas de cada
elemento elástico (2) está fijada rígidamente a cada una de las dos
arandelas (5) y la otra de las dos caras de extremo opuestas está
fijada rígidamente al cuerpo amortiguador (1).
2. Aparato amortiguador según la reivindicación
1,
caracterizado porque los elementos
elásticos (2) se hacen de un material elastomérico y se fijan por
unión química o durante un proceso de vulcanización.
3. Aparato amortiguador para el amortiguamiento
de vibraciones según la reivindicación 1,
caracterizado porque los elementos
elásticos (2) se hacen como arandelas elásticas o cilindros huecos
cortos con caras de extremo paralelas.
4. Aparato amortiguador según la reivindicación
1,
caracterizado porque los elementos
elásticos (2) están conectados al cuerpo amortiguador (1) y las
arandelas (5) a través de arandelas intermedias (7) conectadas a
las arandelas (5) por ejemplo con unión adhesiva o enclavamiento
mecánico.
5. Aparato amortiguador según la reivindicación
1,
caracterizado porque un grosor de los
elementos elásticos (2) o distancia entre caras de extremo está
dimensionado para determinar la frecuencia natural del cuerpo
amortiguador (1), y porque su frecuencia natural se puede regular
cambiando este grosor.
6. Aparato amortiguador según la reivindicación
1,
caracterizado porque el diámetro exterior
del cuerpo central longitudinal (3) está adaptado al diámetro del
agujero (6) con un pequeño intervalo para recibir un líquido
amortiguador (4).
7. Aparato amortiguador según la reivindicación
6,
caracterizado porque el cuerpo
amortiguador (1) incluye un agujero para inyectar el líquido
amortiguador en el intervalo.
8. Aparato amortiguador según la reivindicación
1,
caracterizado porque el cuerpo
amortiguador (1) está adaptado para disponerse en una cavidad
adecuada para ello en una barra de mandrinar (9) que es
sustancialmente axial y de forma cilíndrica dentro de la barra de
mandrinar (9);
porque el cuerpo central longitudinal (3) consta
de un tubo, que se extiende axialmente, y que puede dirigir un
fluido refrigerante, en el que el tubo (3) se puede conectar
rígidamente al agujero interior de la barra de mandrinar (9) para
un fluido refrigerante.
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