ES2711000A1 - Método para obtener los modos de vibración de un sistema de mecanizado en el proceso de mecanizado de una pieza de trabajo - Google Patents

Abstract

Método para obtener los modos de vibración de un sistema de mecanizado (100) en el proceso de mecanizado de una pieza de trabajo (10), en donde el sistema de mecanizado (100) es un conjunto formado por una máquina herramienta (20), que comprende al menos un husillo (21) giratorio para girar una herramienta de corte (22) o la pieza de trabajo (10), la pieza de trabajo (10), y el proceso de mecanizado de la pieza de trabajo (10), comprendiendo el método una etapa de excitación de la máquina herramienta (20) que se realiza con el husillo (21) girando. La excitación se realiza mecanizando la pieza de trabajo (10) para obtener los modos de vibración del sistema de mecanizado (100), variando al menos un parámetro de corte Cp del proceso de mecanizado, que genera una variación en las fuerzas de corte Fc sobre la pieza de trabajo (10), de forma controlada.

Description

DESCRIPCION

Método para obtener los modos de vibracion de un sistema de mecanizado en el proceso de mecanizado de una pieza de trabajo

SECTOR DE LA TECNICA

La presente invencion se relaciona con metodos para obtener los modos de vibracion de un sistema de mecanizado en el proceso de mecanizado de una pieza de trabajo.

ESTADO ANTERIOR DE LA TECNICA

Son conocidos metodos implementados en sistemas de mecanizado, que son conjuntos formados por una maquina herramienta, la pieza de trabajo a mecanizar y el proceso de mecanizado de la pieza de trabajo, cuyo objetivo es reducir las vibraciones producidas en el sistema. Un tipo de metodos son los denominados metodos "on line”, porque las medidas correctoras se toman en el momento de detectarse una desviacion. En estos metodos, en sucesivos momentos del proceso de mecanizado se detecta la velocidad de giro de un husillo giratorio de una herramienta de corte o de una pieza de trabajo a mecanizar de la maquina herramienta, y tambien se detecta la aceleracion de la vibracion existente en el sistema de mecanizado. Se determina si ha variado la velocidad del husillo respecto a la velocidad en una etapa previa, y se determina si un valor maximo de aceleracion de la vibracion del sistema excede un valor umbral predefinido. En el caso de que se produzca una desviacion de la aceleracion de la vibracion, se realiza una modificacion de la velocidad de giro del husillo de giro.

Se conocen otro tipo de metodos empleados en maquinas herramienta, que permiten obtener los modos de vibracion de la maquina herramienta previamente a mecanizar la pieza de trabajo, y de esta forma obtener un proceso de mecanizado estable. En estos metodos se define un diagrama de lobulos de estabilidad, en donde se definen las profundidades de corte llmites para cada velocidad del husillo giratorio, siendo el proceso de mecanizado estable. Estos metodos se caracterizan porque se aplica una excitacion a la maquina herramienta, con el objeto de obtener la respuesta en frecuencia de dicha maquina herramienta, y con ello definir los modos de vibracion de la misma. Siendo conocidos los modos de vibracion del sistema, mediante procedimientos conocidos, se puede obtener el diagrama de lobulos de estabilidad de la maquina herramienta.

Una forma de aplicar la excitacion es mediante un impacto realizado con un martillo. En este metodo, la maquina herramienta esta estatica, sin mecanizar la pieza de trabajo, y el martillo impacta contra la herramienta de corte.

Otra forma de aplicar la excitacion en estos metodos de obtencion de los modos de vibracion de la maquina herramienta, es con un actuador que aplica la excitacion en la herramienta de corte de la maquina herramienta, estando dicha maquina herramienta estatica o con el husillo giratorio girando, pero sin mecanizar la pieza de trabajo. US2004/0236529A1 describe un dispositivo para obtener la respuesta dinamica de una herramienta de corte situada en una maquina herramienta, ejecutando dicho dispositivo unas etapas para obtener los modos de vibracion de la maquina herramienta, comprendiendo las etapas que ejecuta el dispositivo una etapa de excitacion de la maquina herramienta que se realiza con el husillo girando, sin mecanizar la pieza de trabajo. El actuador utilizado es un electroiman que induce una fuerza en la herramienta de corte sin contacto, siendo controlada la fuerza mediante la corriente electrica suministrada al electroiman.

EXPOSICION DE LA INVENCION

El objeto de la invencion es el de proporcionar un metodo para obtener los modos de vibracion de un sistema de mecanizado en el proceso de mecanizado de una pieza de trabajo, tal y como se define en las reivindicaciones.

En el metodo de la invencion, el sistema de mecanizado es un conjunto formado por una maquina herramienta que comprende al menos un husillo giratorio para girar una herramienta de corte o la pieza de trabajo, la pieza de trabajo y el proceso de mecanizado de la pieza de trabajo, comprendiendo el metodo una etapa de excitacion de la maquina herramienta que se realiza con el husillo girando. La excitacion se realiza mediante el proceso de mecanizado de la pieza de trabajo para obtener los modos de vibracion del sistema de mecanizado, variando al menos un parametro de corte del proceso de mecanizado, que genera una variation en las fuerzas de corte sobre la pieza de trabajo, de forma controlada.

Una ventaja de este metodo de la invention es que permite obtener los modos de vibracion del sistema de mecanizado mientras se realiza el proceso de mecanizado, reduciendose el tiempo de obtencion de dichos modos respecto a metodos conocidos que aplican el impacto con la maquina herramienta estatica. Otra ventaja es que se obtienen los modos de vibracion del sistema de mecanizado y no solo de la maquina herramienta, de forma que, si posteriormente se obtiene el diagrama de lobulos de estabilidad, los parametros de profundidad de corte y velocidades del husillo giratorio relacionadas seran mas precisos. Otra ventaja anadida es que la implementation del metodo es sencilla y de bajo coste, porque no es necesario anadir ningun elemento para aplicar la excitacion a la maquina herramienta. Es el propio proceso de mecanizado el que produce la excitacion.

Estas y otras ventajas y caracterlsticas de la invencion se haran evidentes a la vista de las figuras y de la description detallada de la invencion.

DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

La Figura 1 muestra una representation esquematica del movimiento relativo entre una herramienta de corte y una pieza de trabajo en corte ortogonal, en un proceso de mecanizado de torneado.

La Figura 2 muestra un esquema parcial de una realization de un sistema de mecanizado que comprende una maquina herramienta que es un torno, una pieza de trabajo a mecanizar, y un proceso de mecanizado para mecanizar la pieza de trabajo, que es un proceso de torneado.

La Figura 3 muestra un esquema parcial de una segunda realization de un sistema de mecanizado, que comprende una maquina herramienta que es una fresadora, una pieza de trabajo a mecanizar, y un proceso de mecanizado para mecanizar la pieza de trabajo, que es un proceso de fresado.

La Figura 4 muestra parcialmente una pieza de trabajo cillndrica en donde se indica la geometrla original Go de dicha pieza de trabajo, y la geometrla intermedia Gi mecanizada con una forma ondulada.

La Figura 5 muestra un esquema de una unidad de control del sistema de mecanizado de la Figura 2.

La Figura 6 muestra un diagrama de lobulos de estabilidad de un sistema de mecanizado.

EXPOSICION DETALLADA DE LA INVENCION

Durante el mecanizado de una pieza de trabajo se busca alcanzar una forma final de la pieza con una geometrla especlfica previamente definida, y que reuna una serie de requisitos, tales como las tolerancias dimensionales y geometricas, y/o la integridad superficial de la pieza. Para obtener esa geometria definitiva con esos requisitos, la estabilidad del proceso de mecanizado es un factor muy importante.

Es conocido el “chatter” como una de las causas que generan inestabilidad de los procesos de corte en el mecanizado, siendo un problema dinamico que se traduce en la aparicion de vibraciones, bien de la maquina utilizada en el proceso de mecanizado, bien del conjunto herramienta de corte-portaherramienta-husillo giratorio, bien de la pieza de trabajo, o bien de todo el sistema de mecanizado. El chatter produce un mal acabado superficial de la pieza de trabajo, rotura de la herramienta de corte y desgaste de los componentes del husillo giratorio o de la maquina herramienta, o desgarros de las piezas de trabajo con paredes delgadas.

En particular, se denomina chatter regenerativo a una vibration autoexcitada propia de los procesos de mecanizado en los que el filo de corte de la herramienta de corte pasa por una superficie previamente mecanizada. Puede encontrarse en procesos de mecanizado como el torneado, fresado, taladrado, mandrinado, etc. provocando que la herramienta de corte vibre. Como resultado, dicha herramienta de corte no deja una superficie lisa, sino que es ondulada. Por ello, el siguiente diente de la herramienta de corte que entra a cortar, en el caso de un proceso de fresado, o en la siguiente pasada de la herramienta de corte, en un proceso de torneado, se encuentra una superficie variable, con lo que la fuerza de corte varia debidos a la ondulacion.

Las variaciones de fuerzas producidas excitan modos de vibracion de la maquina, del conjunto herramienta-porta-husillo o de la pieza, apareciendo una vibracion a dichas frecuencias modales, o frecuencias del modo dominante.

Modo de vibracion o modo normal de un sistema oscilatorio, es la frecuencia a la cual la estructura deformable oscilara libre al ser perturbada. Los modos normales son tambien llamados frecuencias naturales o frecuencias resonantes. Para cada estructura existe un conjunto de estas frecuencias que es unico. Cuando la frecuencia de la fuente emisora de ondas que produce la perturbacion coincide con la frecuencia natural del resonador (estructura que oscila), se llega a una condicion conocida como resonancia, en la cual la estructura tiende a oscilar con una amplitud mayor en las frecuencias naturales.

Si esa vibracion no decae lo suficiente entre dos pasadas consecutivas del filo de la herramienta de corte, se amplifica indefinidamente por los sucesivos impactos hasta alcanzar un punto de saturacion. Se dice que el proceso se ha vuelto inestable. El chatter regenerativo puede ser de tres tipos diferentes:

- chatter de maquina herramienta,

- chatter de herramienta, o

- chatter de pieza de trabajo a mecanizar.

La excitacion de este modo de vibracion provoca un movimiento relativo entre la maquina herramienta y la pieza de trabajo.

La Figura 1 muestra una representation esquematica del movimiento relativo entre una herramienta de corte 22 y una pieza de trabajo 10 en corte ortogonal en un proceso de mecanizado de torneado, en donde la pieza de trabajo 10 esta girando, y se arranca viruta 11 de dicha pieza de trabajo 10. La viruta 11 se representa con una seccion de viruta definida por su ancho ac y su longitud aw. La herramienta de corte 22 como modelo dinamico de un grado de libertad, se puede representar mediante sus parametros modales mt, kt, ct, que son la masa, la rigidez y el coeficiente de amortiguacion, respectivamente. Cs es la velocidad de corte de la pieza de trabajo 10. X(t) es la posicion del filo de la herramienta de corte 22, y T es el tiempo que tarda en dar una revolucion la pieza de trabajo 10. 0 d es el retardo de fase entre revoluciones de la pieza de trabajo 10, y caso de aparecer, determina la aparicion de chatter en el proceso de torneado. Si no hay retardo de fase, 0d igual a cero, el espesor de viruta se mantiene constante y el proceso de corte se mantiene estable. Sin embargo, cuando se produce un retardo de fase, 0d distinto de cero, el espesor de viruta 11 varla constantemente dando como resultado un proceso de corte inestable.

Se definen como parametros de corte Cp de un proceso de mecanizado con arranque de viruta, como por ejemplo un proceso de torneado o un proceso de fresado:

- Velocidad de corte Cs: que es la velocidad relativa entre la pieza de trabajo y la herramienta de corte. Mas especlficamente es la velocidad relativa entre la arista de corte de la herramienta y la superficie a mecanizar de la pieza.

- Avance Av: que es la longitud recorrida por la herramienta sobre la superficie a mecanizar en la pieza en un tiempo dado.

- Profundidad de corte Cd: que es la distancia que penetra la herramienta en la pieza en cada una de las pasadas del proceso de mecanizado.

Cuando se produce chatter en el proceso de mecanizado, se forman marcas de vibracion sobre la superficie de la pieza, que afectan negativamente en la precision y el acabado superficial de dicha pieza. Debido al chatter se producen variaciones en la fuerza de corte Fc, que es la fuerza que la herramienta de corte realiza sobre la pieza de trabajo, y ello conlleva el provocar danos en la herramienta y reducir su vida util. El chatter es a menudo un factor limitante en la productividad de la maquina herramienta.

El analisis modal es un proceso mediante el cual se describe una estructura o sistema en terminos de sus propiedades dinamicas o parametros modales. Permite comprender como se comportan las estructuras bajo la accion de fuerzas dinamicas que producen una perturbacion. Todas las estructuras poseen frecuencias naturales y modos de vibracion, que dependen basicamente de la masa y de la rigidez de la estructura. Para identificar las zonas de mecanizado estables, es necesario identificar estas frecuencias y conocer como afectan a la respuesta de la estructura cuando las fuerzas de corte actuan sobre la misma. El analisis modal es una herramienta que permite describir, comprender y modelar el comportamiento dinamico de las estructuras o sistemas.

Una estructura alterada de su posicion de descanso mediante una excitacion tiende a vibrar a las frecuencias naturales o resonantes. Para cada frecuencia natural, la estructura adquiere una determinada forma denominada forma modal. El analisis modal permite calcular las frecuencias naturales y las formas modales asociadas. Se estudia la estructura cuando se encuentra sometida a una excitacion conocida, con el objetivo de obtener un modelo matematico del comportamiento dinamico de la estructura. El procedimiento para llevar a cabo el analisis modal experimental consiste en:

- excitar el sistema o estructura,

- adquirir y analizar datos, y

- determinar los parametros modales de la estructura.

En un ensayo dinamico se aplica una carga dinamica a la estructura. Dicha carga tiene componentes en un cierto rango de frecuencias y la estructura responde a todas las frecuencias, pero entrara en resonancia cuando las componentes coincidan con las frecuencias naturales de la estructura.

La tecnica de excitacion para el analisis modal mas conocida es el impacto, mediante un excitador tipo martillo. En esta tecnica, la maquina herramienta esta estatica, sin mecanizar la pieza de trabajo, y el martillo se impacta contra la herramienta de corte. La duracion del impacto es normalmente muy corta en comparacion con el tiempo que hay que medir la respuesta.

Otra tecnica de excitacion es la descrita en el documento US2004/0236529A1, en la que un actuador aplica la excitacion en la herramienta de corte de la maquina herramienta, sin contacto, pudiendo estar dicha maquina herramienta estatica o con el husillo giratorio girando, pero sin mecanizar la pieza de trabajo.

Sin embargo, estas tecnicas de excitacion del analisis modal experimental presentan algunas desventajas. Es preciso entender que las vibraciones que producen el chatter se originan cuando la pieza de trabajo se esta mecanizando en un sistema de mecanizado. Se define un sistema de mecanizado como un conjunto formado por una maquina herramienta, la pieza de trabajo a mecanizar, y el proceso de mecanizado utilizado para mecanizar la pieza de trabajo, comprendiendo la maquina herramienta al menos un husillo giratorio para girar una herramienta de corte o la pieza de trabajo, dependiendo del proceso de mecanizado llevado a cabo, ya sea un torneado, fresado, etc.

En las tecnicas de excitacion mencionadas del estado de la tecnica, la excitacion del sistema se realiza en parado, ya que, aunque el husillo de la herramienta de corte o de la pieza de trabajo este girando, el sistema de mecanizado no esta mecanizando la pieza de trabajo. Por lo tanto, el sistema de mecanizado se encuentra desacoplado, ya que la herramienta de corte no esta en contacto con la pieza. El sistema de mecanizado cambia dinamicamente durante el mecanizado debido a que los modos de vibracion son diferentes, lo cual puede llevar a conclusiones erroneas.

Se describe a continuacion el metodo de la invencion, que permite excitar la maquina herramienta durante el mecanizado de la pieza de trabajo, para obtener los modos de vibracion del sistema de mecanizado. La Figura 2 muestra un esquema parcial de una realization de un sistema de mecanizado 100, que comprende una maquina herramienta 20, que en esta realización es un torno, una pieza de trabajo 10 a mecanizar, que en esta

realización es un cilindro metalico, y un proceso de mecanizado utilizado para mecanizar la pieza de trabajo 10, que en esta realización es un proceso de torneado. La maquina herramienta 20 comprende en esta realización un husillo giratorio 21 para girar la pieza de trabajo 10, y un contrapunto 26 en donde se apoya la pieza de trabajo 10 en su giro.

La maquina herramienta 20 tambien comprende una torreta 25 para fijar una herramienta de corte 22 utilizada para mecanizar la pieza de trabajo 10, y un sensor 23 que mide las vibraciones o desplazamientos del sistema de mecanizado 100, como respuesta de dicho sistema de mecanizado 100 a la excitacion aplicada, siendo el sensor 23 en esta realización un acelerometro, pero pudiendo ser en otras realización es del sistema de mecanizado 100 un sensor de desplazamiento optico o capacitivo. El sensor 23 esta fijado en esta realization en la torreta 25 de la herramienta de corte 22.

La maquina herramienta 20 tambien comprende un sistema de control 24, que permite la introduction de los parametros de mecanizado necesarios para mecanizar la pieza de trabajo 10, el control de la evolution del proceso de mecanizado hasta su finalization y obtencion de la geometrla final Gd deseada de la pieza de trabajo 10, partiendo de una geometrla original Go de dicha pieza de trabajo 10, pero ademas permite la adquisicion y analisis de los datos de vibraciones del sistema de mecanizado 100, y la determination de los parametros modales de dicho sistema de mecanizado 100.

El metodo comprende una etapa de excitation de la maquina herramienta 20 que se realiza con el husillo 21 girando, y mecanizando la pieza de trabajo 10 con el proceso de mecanizado de torneado. Con esta excitacion se obtienen los modos de vibration del sistema de mecanizado 100, como se describira mas adelante, variando de forma controlada durante el proceso de mecanizado, uno o varios de los parametros de corte Cp de dicho proceso de mecanizado, como son la profundidad de corte Cd, el avance Av, o la velocidad de corte Vc. Esta variation de los parametros de corte Cp genera una variation en las fuerzas de corte Fc sobre la pieza de trabajo 10. En el proceso de torneado de la Figura 1, la pieza de trabajo 10 esta girando con una velocidad Vc que en un proceso de torneado es la velocidad de corte, la herramienta de corte 22 avanza con un desplazamiento Av, y la herramienta de corte 22 penetra en la pieza de trabajo en una distancia que es la profundidad de corte Cd.

La Figura 3 muestra un esquema parcial de una segunda realización de un sistema de mecanizado 100, que comprende una maquina herramienta 20, que en esta realización es una fresadora, una pieza de trabajo 10 a mecanizar, que en esta realización es una pieza cubica de base rectangular metalica, y un proceso de mecanizado utilizado para mecanizar la pieza de trabajo 10, que en esta realización es un proceso de fresado. La maquina herramienta 20 comprende en esta realización un husillo giratorio 21 para girar la herramienta de corte 10 en ambas direcciones, y que tambien se puede desplazar axialmente. La maquina herramienta 20 tambien comprende una torreta 25 para fijar la herramienta de corte 22, y un sensor 23 que mide las vibraciones o desplazamientos del sistema de mecanizado 100, siendo el sensor 23 en esta realization tambien un acelerometro. El sensor 23 esta fijado en en la torreta 25 de la herramienta de corte 22.

La maquina herramienta 20 tambien comprende un sistema de control 24, con las mismas caracterlsticas de introduction de datos, adquisicion y analisis de datos relacionados con las vibraciones del sistema 100, y determination de los parametros modales de dicho sistema 100, que los descritos para la primera realización del sistema de mecanizado 100.

Como ya se ha indicado, la excitation del sistema de mecanizado 100 se realiza mediante y durante el mecanizado de la pieza de trabajo 10, de forma que no es necesaria una primera determinacion de los modos de vibration del sistema de mecanizado 100, antes de proceder a la mecanizacion de la pieza de trabajo 10. La pieza de trabajo 10 a mecanizar tiene una geometrla original Go, que en el caso de la pieza cillndrica a tornear mostrada en la Figura 2 comprende una superficie lateral lisa. Previamente a la mecanizacion de la pieza 10, se define la geometrla final o definitiva Gf a obtener, y tambien una geometrla intermedia Gi especlfica a mecanizar antes de mecanizar la geometrla definitiva Gf, pero realizandola en el mismo proceso de mecanizado.

La definition previa de la geometrla intermedia Gi depende de la maquina herramienta 20, en esta realización un torno, pero dependiendo tambien del tipo de torno utilizado, y del rango de frecuencias Fex que se desee excitar, que tiene que ver con las frecuencias de resonancia o naturales del sistema de mecanizado 100. La excitacion del sistema de mecanizado 100 en la que se aplica una carga dinamica, puede ser llevada a cabo al generar, mecanizando, la geometrla intermedia Gi especlfica en la pieza de trabajo 10, al eliminar, mecanizando, la geometrla intermedia Gi en la pieza de trabajo 10, o bien al generar y despues eliminar, mecanizando, la geometrla intermedia Gi. Hay que tener en cuenta que la generation de la geometrla definitiva Gf de la pieza de trabajo 10 se realiza despues de generar la geometrla intermedia Gi, y siempre supone la elimination de esta geometrla intermedia Gi.

Las frecuencias de excitacion Fex a aplicar al sistema de mecanizado 100 mediante el mecanizado de la geometrla intermedia Gi especlfica, esta relacionado con dicha geometrla intermedia Gi. Estas frecuencias de excitacion Fex se calculan con la formula:

en donde,

- Av1 es el avance cuando se genera mecanizando la geometrla intermedia Gi, - Cs1 es la velocidad de corte cuando se genera mecanizando la geometrla intermedia Gi,

- f es la frecuencia de oscilacion de la herramienta de corte 22 en el eje de profundidad de corte Cd,

- Av2 es el avance cuando se elimina mecanizando la geometrla intermedia Gi, y - Cs2 es la velocidad de corte cuando se elimina mecanizando la geometrla intermedia Gi.

La Figura 4 muestra parcialmente una pieza de trabajo 10 cillndrica de radio R y longitud L, en donde se indica la geometrla original Go de dicha pieza de trabajo, y la geometrla intermedia Gi mecanizada con una forma ondulada. En esta geometrla intermedia Gi generada, la forma ondulada esta definida por una amplitud a y por un espacio s entre ondas. Con esta forma ondulada de la geometrla intermedia Gi se definen unas frecuencias Fex determinadas a aplicar como carga dinamica al sistema de mecanizado 100. El diametro de la pieza de trabajo 10 va variando a lo largo de su longitud L, y dependiendo de la amplitud a de variacion del diametro de la pieza 10, el espacio s entre cada ondulacion, y el avance Av empleado de la herramienta de corte 22, se controla la excitacion del sistema de mecanizado 100.

Otra realización de geometrla intermedia Gi para excitar el sistema de mecanizado en un proceso de torneado, es una pieza cillndrica con el eje descentrado. En dicha pieza se genera una variacion de la profundidad de corte Cd, y se excita el sistema en funcion de la velocidad de giro o de corte Cs de dicha pieza. En esta realización de la geometrla intermedia Gi, la frecuencia de excitacion Fex esta limitada por la velocidad de giro del husillo.

Para realizar la excitacion con varias frecuencias de excitacion Fex, se realiza un barrido de frecuencias. Para obtener dicho rango de frecuencias de excitacion Fex, una forma es variar la frecuencia de oscilacion f de la herramienta de corte 22 de forma progresiva a lo largo de la pieza de trabajo 10, al generar, mecanizando, la geometrla intermedia Gi en dicha pieza de trabajo 10. De esta forma, la frecuencia de excitacion Fex va aumentando a medida que se mecanice la pieza de trabajo 10, cubriendo un rango de frecuencias de excitacion Fex especlfica.

Otra forma de obtener un rango de frecuencias de excitacion Fex, es variar la velocidad de corte Cs2, que es la velocidad de giro del husillo 21 en el proceso de torneado, mientras se elimina, mecanizando, la geometrla intermedia Gi. El incremento progresivo de la velocidad de giro del husillo 21 durante el mecanizado de la pieza de trabajo 10, permite cubrir un amplio rango de frecuencias de excitacion Fex. Estas formas de obtencion de un rango de frecuencias de excitacion Fex puede ser trasladado al proceso de fresado.

Como ya se ha descrito mas arriba, la excitacion del sistema de mecanizado 100 se realiza mediante y durante el mecanizado de la pieza de trabajo 10, de forma que no es necesaria una primera determination de los modos de vibration del sistema de mecanizado 100, antes de proceder a la mecanizacion de la pieza de trabajo 10. Otra forma de realizar la excitacion del sistema de mecanizado 100 es mediante un actuador durante el proceso de mecanizado.

Se obtiene un rango de frecuencias de excitacion Fex aplicado al sistema de mecanizado 100 variando las fuerzas de corte Fc mediante la variation de al menos un parametro de corte Cp del proceso de mecanizado de forma controlada. Para ello, se pueden emplear los actuadores, que son por ejemplo los motores de accionamiento, de los ejes de la maquina herramienta 20. Y tambien se puede emplear un actuador externo, como por ejemplo un actuador piezoelectrico, para variar las condiciones de corte de forma controlada.

Tras la etapa de excitacion en el analisis modal, el metodo para obtener los modos de vibracion de un sistema de mecanizado 100 en el proceso de mecanizado de una pieza de trabajo 10, comprende una etapa de adquisicion y analisis de datos, y determinacion de los parametros modales del sistema de mecanizado 100. En esta etapa se captan las vibraciones del sistema de mecanizado 100 con el sensor 23. La unidad de control 24 de la maquina herramienta 20 del sistema de mecanizado 100, tal como se muestra en la Figura 5, recibe las vibraciones captadas por el sensor 23 en una unidad de adquisicion de vibraciones 24a, y analiza dichas vibraciones con la ayuda de un programa operativo de una unidad de programas 24e, obteniendo la respuesta en frecuencia del sistema de mecanizado 100, y con ello define los modos de vibracion de dicho sistema de mecanizado 100, definiendo la Funcion de Respuesta en Frecuencia FRF como respuesta en frecuencia a la excitacion aplicada al sistema de mecanizado 100, en una unidad de analisis de estabilidad 24c. Estas informaciones obtenidas son guardadas en una memoria 24b de la unidad de control 24.

La respuesta de la estructura o sistema de mecanizado 100 es una superposicion lineal de todos los modos de vibracion excitados en el sistema de mecanizado 100. Una propiedad importante de los modos de vibracion es que cualquier respuesta de la estructura puede ser expresada como una combination de una serie de modos de vibracion. El espectro de frecuencia de la respuesta de un sistema mecanico presenta tantos picos como grados de libertad posea el sistema. Por ejemplo, podemos considerar que el proceso de torneado es un sistema que presenta un pico en el espectro de frecuencia de la respuesta. Cada pico de la respuesta de una estructura puede ser representado por un modelo flsico de un grado de libertad. Dicho modelo flsico consiste en una masa puntual, sostenida por un muelle sin masa y conectada con un amortiguador viscoso. Para una estructura cuyo comportamiento es lineal e invariante en el tiempo, la ecuacion que define su movimiento es:

[M]{x(t)} + [C]{x(t)} [K]{x(t)} = {f(t)}

donde [M], [C] y [K] son los parametros modales del sistema 100, y estan formados por matrices N x N de masa, de amortiguamiento y de rigidez del sistema, y (x(t)}, {x'(t}}, {x(t)} y {/(t)} son vectores N x 1 que representan la aceleracion, la velocidad, el desplazamiento y la fuerza de excitacion en cada uno de sus N grados de libertad. La unidad de control 24 calcula dichos parametros modales del sistema de mecanizado 100, teniendo en cuenta que las frecuencias naturales fn de un sistema mecanico, y por tanto sus modos de vibracion, estan relacionadas con la rigidez K y la masa m con la formula:

fn = (k/m)1/2

Tras la etapa de adquisicion y analisis de datos, y determination de los parametros modales del sistema de mecanizado 100, y una vez obtenidos los modos de vibration de dicho sistema 100, definiendo con estos modos de vibration la Funcion de Respuesta en Frecuencia FRF como respuesta en frecuencia a la excitation aplicada al sistema de mecanizado 100, el metodo para obtener los modos de vibration de un sistema de mecanizado 100 comprende una etapa de definition del diagrama de lobulos de estabilidad 30 del sistema de mecanizado 100. Esto es, conocido el comportamiento dinamico de la maquina herramienta 20 y conocida la constante de corte de la maquina herramienta 20, que esta relacionada con el material de la herramienta de corte 22, se obtiene el diagrama de lobulos de estabilidad 30, tal como se muestra en la Figura 6.

Los diagramas de lobulos de estabilidad se emplean para identificar zonas de mecanizado estables. El diagrama de lobulos de estabilidad varla en funcion de la maquina herramienta empleada, de la pieza de trabajo a mecanizar, y de la herramienta de corte utilizada en el proceso de mecanizado. Este diagrama 30 se obtiene en la unidad de control 24 en la unidad de analisis de estabilidad 24c, con los datos del analisis y calculo de los parametros modales y modos de vibration realizados anteriormente, y con la ayuda de un programa operativo de la unidad de programas 24e. Estas informaciones obtenidas son guardadas en una memoria 24b de la unidad de control 24. El diagrama de lobulos de estabilidad 30 del sistema de mecanizado 100 obtenido, separa una zona estable y una zona inestable del proceso de mecanizado de dicho sistema 100, definiendose las profundidades de corte llmite Cd para cada velocidad Ss del husillo giratorio 21 de la maquina herramienta 20, en la zona estable del proceso de mecanizado.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Método para obtener los modos de vibracion de un sistema de mecanizado (100) en el proceso de mecanizado de una pieza de trabajo (10), en donde el sistema de mecanizado (100) es un conjunto formado por una maquina herramienta (20), que comprende al menos un husillo (21) giratorio para girar una herramienta de corte (22) o la pieza de trabajo (10), la pieza de trabajo (10), y el proceso de mecanizado de la pieza de trabajo (10), comprendiendo el metodo una etapa de excitacion de la maquina herramienta (20) que se realiza con el husillo (21) girando, caracterizado porque la excitacion se realiza mediante el mecanizado de la pieza de trabajo (10) para obtener los modos de vibracion del sistema de mecanizado (100), variando al menos un parametro de corte Cp del proceso de mecanizado, que genera una variation en las fuerzas de corte Fc sobre la pieza de trabajo (10), de forma controlada.

2. Método segun la reivindicación 1, en donde el parametro de corte es la profundidad de corte Cd, el avance Av, o la velocidad de corte Cs.

3. Método segun la reivindicación 1 o 2, en donde la excitacion del sistema de mecanizado (100) se realiza mediante el mecanizado en la pieza de trabajo (10) de una geometrla intermedia Gi especlfica definida previamente, obteniendose un rango de frecuencias de excitacion Fex aplicado al sistema de mecanizado (100) especlfica, relacionado con la geometrla intermedia Gi definida.

4. Método segun la reivindicación 3, en donde la definition de la geometrla intermedia Gi depende de la maquina herramienta (20) y el rango de frecuencias Fex que se desee excitar.

5. Método segun la reivindicación 3 o 4, en donde la excitacion del sistema de mecanizado (100) se lleva a cabo al generar mecanizando la geometrla intermedia Gi en la pieza de trabajo (10) y/o al eliminar mecanizando la geometrla intermedia Gi en la pieza de trabajo (10).

6. Método segun la reivindicación 5, en donde las frecuencias de excitacion Fex se calculan con la formula:

Av 2 * Cs 2

Fex - A -- v - 1--- *-- C--s-l * f

en donde,

- Av1 es el avance cuando se genera mecanizando la geometrla intermedia Gi, - Cs1 es la velocidad de corte cuando se genera mecanizando la geometrla intermedia Gi,

- f es la frecuencia de oscilacion de la herramienta de corte (22) en el eje de profundidad de corte Cd,

- Av2 es el avance cuando se elimina mecanizando la geometrla intermedia Gi, y - Cs2 es la velocidad de corte cuando se elimina mecanizando la geometrla intermedia Gi.

7. Método segun la reivindicación 6, en donde se obtiene un rango de frecuencias de excitacion Fex variando la frecuencia de oscilacion f de la herramienta de corte (22) al generar mecanizando la geometrla intermedia Gi en la pieza de trabajo (10).

8. Método segun la reivindicación 6, en donde se obtiene un rango de frecuencias de excitacion Fex variando la velocidad de corte Cs2 mientras se elimina mecanizando la geometrla intermedia Gi.

9. Método segun la reivindicación 1 o 2, en donde la excitacion del sistema de mecanizado (100) se realiza mediante un actuador, obteniendose un rango de frecuencias de excitacion Fex aplicado al sistema de mecanizado (100) relacionado con la variation de al menos un parametro de corte Cp del proceso de mecanizado de forma controlada.

10. Método segun la reivindicación 9, en donde el actuador es el actuador de cada eje de accionamiento de la maquina herramienta (20).

11. Método segun la reivindicación 9, en donde el actuador es externo.

12. Método segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde la medicion de las vibraciones o desplazamientos del sistema de mecanizado (100) como respuesta de dicho sistema de mecanizado (100) a la excitacion aplicada, se realiza con al menos un sensor (23).

13. Método segun la reivindicación 12, en donde el sensor (23) es un sensor de desplazamiento optico o capacitivo, o es un acelerometro.

14. Método segun la reivindicación 12 o 13, que comprende:

- una etapa de adquisicion y analisis de datos, y determinacion de los parametros modales del sistema de mecanizado (100), tras la etapa de excitacion, en donde se captan las vibraciones del sistema de mecanizado (100) con el sensor (23), comprendiendo la maquina herramienta (20) una unidad de control (24) que analiza las vibraciones y calcula los parametros modales M, C y K del sistema de mecanizado (100), definiendo la Funcion de Respuesta en Frecuencia FRF como respuesta en frecuencia a la excitacion aplicada al sistema de mecanizado (100), y - una etapa de definicion del diagrama de lobulos de estabilidad del sistema de mecanizado (100), tras la etapa de adquisicion y analisis de datos, y determinacion de los parametros modales del sistema de mecanizado (100), en donde la unidad de control (24), a partir de los parametros modales M, C y K, define el diagrama de lobulos de estabilidad (30) que separa una zona estable y una zona inestable del proceso de mecanizado, definiendose profundidades de corte Cd para diferentes velocidades Ss del husillo giratorio (21) en la zona estable del proceso de mecanizado.

15. Método segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en donde el proceso de mecanizado de la pieza de trabajo (10) es un proceso de mecanizado de arranque de viruta.