ES2783825T3 - Máquina herramienta rectificadora sin centros dinámicamente amortiguada y método de rectificado - Google Patents

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Aizpurua Iker Mancisidor
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Abstract

Máquina herramienta rectificadora sin centros dinámicamente amortiguada comprendiendo: - unas muelas (1,2) entre las que es disponible una pieza (3) a rectificar, - unos cabezales (5,6) para portar las muelas (1,2), - al menos un medio de traslación (7,8) de uno de los cabezales (5,6) para producir un movimiento según una dirección de separación y aproximación entre las muelas (1,2), - unos medios de detección (9) para detectar durante el mecanizado una vibración en al menos uno de los cabezales (5, 6); y - al menos un amortiguador (10) configurado para producir un movimiento de amortiguación de la vibración; caracterizada por que al menos uno de los amortiguadores (10) está dispuesto sobre una cara superior (5.1, 6.1) de uno de los cabezales (5, 6); el amortiguador (10) comprende una masa móvil y un actuador configurado para mover la masa móvil en la dirección de separación y aproximación entre las muelas (1,2)

Description

DESCRIPCIÓN
Máquina herramienta rectificadora sin centros dinámicamente amortiguada y método de rectificado
Sector de la técnica
La presente invención está relacionada con las máquinas de rectificado sin centros de piezas cilindricas, proponiendo una máquina rectificadora sin centros y un método de rectificado que permite atenuar las vibraciones que se inducen en la máquina debido al proceso de rectificado.
Estado de la técnica
Soluciones conocidas para atenuar vibraciones en máquinas rectificadoras son mostrados en los documentos JP2005199410 A y JP2002254303 A.
El rectificado sin centros es un proceso de mecanizado ampliamente empleado para producir piezas cilíndricas de precisión junto con altos ratios de productividad, lo cual se consigue principalmente por eliminar las operaciones de centrado y amarre de la pieza a rectificar, lo cual conlleva una reducción considerable de los tiempos de operación y la posibilidad de automatizar el proceso del rectificado.
El rectificado se realiza en máquinas rectificadores con una configuración básica que comprende dos cabezales que portan unas muelas entre las que se dispone la pieza a rectificar, comúnmente denominadas muela rectificadora y muela reguladora, un medio de soporte de la pieza, comúnmente denominado regla de apoyo, y al menos un medio de traslación de uno de los cabezales que permite adaptar la posición relativa de las muelas según sea necesario, de acuerdo a un movimiento de separación y aproximación entre muelas. Por ejemplo, en los documentos GB107292 y US1733086, solicitados respectivamente en 1916 y 1921, se describen máquinas rectificadoras sin centros con la configuración básica anteriormente descrita.
Manteniendo la configuración básica existen máquinas rectificadoras que tienen un medio de traslación por cada muela, pudiendo las muelas desplazarse según el movimiento de separación y aproximación entre ambas, y adicionalmente según un movimiento transversal a la pieza, o incluso además según un movimiento de rotación que modifica el ángulo de ataque entre la muela y la pieza.
A pesar de que la configuración básica de una rectificadora sin centros no ha sufrido cambios sustanciales respecto de los primeros diseños ideados, tal como los descritos en GB107292 y US1733086, dicha configuración básica presenta una problemática debido a la aparición de vibraciones durante el rectificado de las piezas. Estas vibraciones generan una inestabilidad del proceso de rectificado que provoca un mal acabado superficial de las piezas y un desgaste significativo de las muelas, además de ser uno de los principales factores de generación de estrés en los órganos de la máquina.
La estructura mecánica de la máquina rectificadora tiende a vibrar durante las operaciones de rectificado. Principalmente aparecen dos modos críticos de vibración que se corresponden con los modos de apertura de los cabezales, es decir, se produce un movimiento relativo de acercamiento/alejamiento entre el cabezal que porta la muela y la pieza, en la dirección donde la muela aplica presión a la pieza. Así, cuando la muela presiona la pieza se genera una vibración que provoca la flexión del cabezal según el sentido de giro de la muela. Aunque estos son los dos modos principales de vibración de la máquina, pueden existir otros modos de vibración que produzcan un movimiento vibratorio relativo entre las dos muelas, por ejemplo la torsión del cabezal podría ser otro modo crítico de vibración.
Para amortiguar o eliminar estas vibraciones indeseadas que se producen durante el rectificado se conocen técnicas que consisten en variar los parámetros de rectificado cuando se detecta la aparición de vibraciones. Para ello, mediante unos sensores, como por ejemplo acelerómetros, se controla la vibración de la estructura mecánica de la máquina durante el rectificado, de manera que cuando se detecta la aparición de vibraciones se modifican manualmente los parámetros de rectificado, como por ejemplo variando la velocidad de avance de los medios de traslación, o la velocidad de giro de las muelas. Si bien esta solución permite corregir la aparición de vibraciones, generalmente obliga a disminuir la velocidad con lo que afecta a la productividad de la máquina. Además, esta solución es un procedimiento correctivo que obliga a evaluar el comportamiento de la máquina para cada operación de rectificado y en función de la aparición de vibraciones modificar los parámetros de rectificado. Hay otras soluciones que no emplean sensores para detectar la vibración, sino que es el operario, el cual en base a su experiencia, modifica los parámetros de rectificado de la máquina para evitar que aparezcan vibraciones, lo cual resulta en un procedimiento poco efectivo y que está sujeto a errores humanos.
Otras soluciones conocidas se basan en emplear elastómeros entre una parte fija y la parte de la estructura de la máquina que está sometida a las vibraciones, de manera que el elastómero absorbe las vibraciones. Otras soluciones se basan en modificar los órganos de accionamiento de la máquina modificando la rigidez de la misma. En cualquier caso, todas estas son soluciones costosas y que no permiten atenuar del todo las vibraciones ocurridas.
Se hace por tanto necesaria una solución que resuelva la problemática anteriormente indicada permitiendo atenuar o eliminar en tiempo real y de forma eficiente las vibraciones que se producen en la máquina rectificadora durante el rectificado de las piezas.
Objeto de la invención
La presente invención tiene por objeto una máquina herramienta rectificadora sin centros con una configuración mejorada que permite atenuar o eliminar en tiempo real las vibraciones que se producen en la máquina rectificadora durante el mecanizado.
La máquina herramienta rectificadora sin centros dinámicamente amortiguada de la invención comprende:
• unas muelas entre las que es disponible una pieza a rectificar,
• unos cabezales para portar las muelas,
• al menos un medio de traslación de uno de los cabezales para producir un movimiento según una dirección de separación y aproximación entre las muelas,
• unos medios de detección para detectar una vibración de al menos uno de los cabezales, y
• al menos un amortiguador configurado para producir un movimiento de amortiguación de la vibración. Con esta invención los medios de detección permiten detectar durante el mecanizado la aparición de vibraciones en los cabezales, y mediante el amortiguador se puede introducir el movimiento de amortiguación requerido para atenuar las vibraciones. De esta forma se consigue atenuar o eliminar en tiempo real y de forma eficiente las vibraciones que se producen en la máquina rectificadora durante el rectificado de las piezas.
Preferentemente son dos los amortiguadores, uno por cada uno de los cabezales, estando configurado uno de los amortiguadores para producir el movimiento de amortiguación de la vibración de uno de los cabezales, y otro de los amortiguadores para producir el movimiento de amortiguación de la vibración de otro de los cabezales. Preferentemente también son dos los medios de detección, estando configurado uno de los medios de detección para detectar la vibración de uno de los cabezales, y otro de los medios de detección para detectar la vibración de otro de los cabezales. De esta manera, se emplea una pareja de medios de detección y amortiguador por cada cabezal, resultando así más efectiva la amortiguación de las vibraciones ocurridas en la máquina.
El amortiguador está configurado para generar el movimiento de amortiguación de forma que es contrario a la vibración.
El amortiguador está configurado para generar el movimiento de amortiguación en la dirección de separación y aproximación entre las muelas.
El amortiguador comprende una masa móvil y un actuador configurado para mover la masa móvil. Así, el actuador introduce una fuerza en la masa móvil que es función de la señal detectada por los medios de detección, siendo dicha fuerza introducida contraria a la vibración y dirigida en la dirección de separación y aproximación entre las muelas.
El amortiguador está dispuesto sobre una cara superior del cabezal. Aún más preferentemente el amortiguador está dispuesto en el centro de la cara superior del cabezal. Aún más preferentemente el amortiguador está dispuesto en el centro de la cara superior en un extremo que está más próximo a la pieza a rectificar.
Preferentemente, los medios de detección que detectan la vibración de uno de los cabezales y el amortiguador que produce el movimiento de amortiguación de la vibración están dispuestos en el mismo cabezal. De esta forma se actúa en el mismo punto en donde se detecta la vibración de los cabezales, así se garantiza que la fase de la fuerza introducida sea contraria a la vibración en todos los modos de vibración que puedan aparecer.
De acuerdo con todo ello el método de rectificado para atenuar las vibraciones ocurridas durante el rectificado de las piezas comprende los pasos de:
• disponer los medios de detección y el amortiguador en la máquina herramienta rectificadora sin centros, • detectar mediante los medios de detección una vibración de al menos un cabezal de la máquina, y
• producir mediante el amortiguador un movimiento de amortiguación de la vibración.
Se obtiene así una maquina rectificadora sin centros que permite de una manera simplificada y con un mínimo cambio de su configuración atenuar o eliminar en tiempo real las vibraciones que se producen durante el mecanizado.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra una máquina herramienta rectificadora sin centros con una configuración básica según el estado de la técnica.
Las figuras 2 y 3 muestran una vista esquemática de los dos principales modos de vibración de una máquina herramienta rectificadora sin centros, tal como la representada en la figura 1.
La figura 4 muestra un primer ejemplo de realización de una máquina herramienta rectificadora sin centros según la invención con un cabezal estático y otro cabezal dispuesto en un medio de traslación.
La figura 5 muestra un segundo ejemplo de realización de una máquina herramienta rectificadora sin centros según la invención con ambos cabezales dispuestos en un respectivo medio de traslación, en donde el amortiguador se dispone en el cabezal de la muela reguladora.
La figura 6 muestra la máquina del segundo ejemplo de realización con el amortiguador dispuesto en el cabezal de la muela rectificadora.
La figura 7 muestra la máquina del segundo ejemplo de realización con un amortiguador dispuesto en cada cabezal de la máquina.
Descripción detallada de la invención
En la figura 1 se muestra una maquina rectificadora sin centros con una configuración básica de acuerdo al estado de la técnica anterior. La máquina rectificadora comprende dos muelas (1,2), una muela rectificadora (1) y una muela reguladora (2), entre las que es disponible una pieza (3) a rectificar que apoya sobre un medio de soporte (4). Cada muela (1,2) está dispuesta en un cabezal (5,6), en donde al menos uno de los cabezales (5,6) está dispuesto sobre un medio de traslación (8), de manera que mediante el desplazamiento del medio de traslación (8) se produce un movimiento de separación y aproximación entre las muelas (1,2). Dicho movimiento se produce en la dirección representada en las figuras mediante la flecha (F) y es perpendicular a la regla de apoyo (4) y por tanto al eje longitudinal de la pieza (3).
De acuerdo con ello, en funcionamiento la muela reguladora (2) es llevada por el medio de traslación (8) aplicando presión a la pieza (3) en la dirección que se desplaza el medio de traslación (8), representada por flecha (F), de manera que la pieza (3) queda retenida entre las muelas (1,2) apoyando en giro libre sobre el medio de soporte (4), así mediante el giro de las muelas (1,2) se rectifica la pieza (3).
La rectificación crea fuerzas que excitan los modos de vibración de los diferentes componentes de la máquina, como son los cabezales (5,6), lo cual genera vibraciones que son transmitidas al punto de mecanizado situado la zona de contacto entre la pieza (3) y las muelas (1,2). Esto provoca, entre otros factores, defectos geométricos o desgastes excesivos de herramienta de mecanizado, o un mal acabado superficial de la pieza (3). Como se observa en las figuras 2 y 3, la máquina rectificadora sin centros tiene dos modos principales de vibración, los cuales en función de la dirección de giro de las muelas (1,2) provocan una flexión de los cabezales (5,6) que tiende a su alejamiento o acercamiento.
Según la invención se propone una máquina rectificadora sin centros que permite detectar vibraciones ocurridas en la zona de contacto entre la pieza (3) y las muelas (1,2) actuando sobre ellas para suprimirlas, de forma que se mejora el acabado superficial de las piezas, se aumenta la productividad de la máquina y se alarga la vida de sus componentes.
De acuerdo con ello la invención propone una máquina herramienta como la descrita en la figura 1 y que adicionalmente comprende unos medios de detección (9) para detectar una vibración de al menos uno de los cabezales (5,6) y al menos un amortiguador (10) configurado para producir un movimiento de amortiguación de la vibración detectada.
Preferentemente los medios de detección (9) y el amortiguador (10) están dispuestos en un mismo cabezal (5,6). Es decir, los medios de detección (9) y el amortiguador (10) están aproximadamente localizados en el mismo punto, de manera que se actúa en el mismo punto en donde se detecta la aparición de la vibración. De esta forma se garantiza que la fase de la fuerza introducida por el amortiguador (10) sea contraria a la vibración en todos los modos de vibración que puedan aparecer
Además, al estar dispuesto el amortiguador (10) en el cabezal (5,6) se actúa en la proximidad del foco de origen de la vibración, es decir el punto de contacto entre pieza (3) y las muelas (1,2), y además se actúa directamente sobre el propio cabezal (5,6) que es el órgano de la máquina que está directamente expuesto a la vibración, ya que es el órgano que transporta las muelas (1,2).
Como se muestra en el ejemplo de realización de la figura 4, la máquina tiene los medios de detección (9) y el amortiguador (10) dispuestos en el cabezal (6) que va dispuesto sobre el medio de traslación (8), si bien los medios de detección (9) y el amortiguador (10) podrían ir dispuestos en el cabezal (5) que es fijo al bastidor de la máquina. Alternativamente, la máquina representada en el ejemplo de realización de la figura 4 puede disponer de dos medios de detección (9) y dos amortiguadores (10), tal que el primer medio de detección (9) y el primer amortiguador (10) están dispuestos en el cabezal (5) de la primera muela (1), la muela rectificadora (1), y el segundo medio de detección (9) y el primer amortiguador (10) están dispuestos en el cabezal (6) de la segunda muela (2), la muela reguladora (2), que va dispuesto sobre el medio de traslación (8).
En cualquier caso, si bien preferentemente los medios de detección (9) y el amortiguador (10) están dispuestos en un mismo cabezal (5,6), esta opción no es limitativa, cabiendo la posibilidad de que los medios de detección (9) y el amortiguador (10) estén dispuestos en otros puntos de la máquina. Así por ejemplo, los medios de detección (9) podrían estar dispuestos en el cabezal (6) que va montado sobre el medio de traslación (8), y el amortiguador (10) podría estar dispuesto sobre el medio de traslación (8), no obstante en ese caso se requeriría una fuerza mayor para amortiguar la vibración, ya que se actuaría en un punto más alejado del foco de origen de las vibraciones, y por otro lado la amortiguación sería menos eficiente, ya que se actuaría en un punto diferente al punto en que se mediría. En las figuras 5 a 7 se muestra un segundo ejemplo de realización de la invención, el cual es idéntico al primer ejemplo de realización con la diferencia de que son dos los medios de traslación (7,8), uno por cada una de las muelas (1,2), un primer medio de traslación (7) de la primera muela (1), y un segundo medio de traslación (8) de la segunda muela (2). Ambos medios de traslación (7,8) desplazan los cabezales (5,6) en la dirección representada en las figuras mediante la flecha (F), la cual es perpendicular a la regla de apoyo (4) y por tanto al eje longitudinal de la pieza (3).
En la figura 5 se muestra una máquina rectificadora sin centros según el segundo ejemplo de realización de la invención con los medios de detección (9) y el amortiguador (10) dispuestos en el primer cabezal (5) del primer medio de traslación (7).
En la figura 6 se muestra una máquina rectificadora sin centros según el segundo ejemplo de realización de la invención con los medios de detección (9) y el amortiguador (10) dispuestos en el segundo cabezal (6) del segundo medio de traslación (8).
En la figura 7 se muestra una máquina rectificadora sin centros según el segundo ejemplo de realización de la invención con unos primeros medios de detección (9) y un primer amortiguador (10) dispuestos en el primer cabezal (5) del primer medio de traslación (7) y con unos segundos medios de detección (9) y un segundo amortiguador (10) dispuestos en el segundo cabezal (6) del segundo medio de traslación (8). Con esta realización se consigue una mejor atenuación de las vibraciones, ya que al estar las muelas (1,2) en contacto a través de la pieza (3) durante el rectificado, las vibraciones se transmiten a ambos cabezales (5,6), con lo que resulta ventajoso disponer de una pareja de medios de detección (9) y amortiguador (10) por cada cabezal (5,6) para amortiguar las vibraciones que se producen en ambos cabezales (1,2).
El amortiguador (10) es un amortiguador activo que comprende una masa móvil y un actuador de la masa móvil, de forma que se acopla cabezal (5,6) para introducir en él una fuerza controlada que es función de la amplitud de la señal obtenida por los medios de detección (9).
Se ha previsto que el amortiguador (10) pueda ser un dispositivo hidráulico, piezoeléctrico, electromagnético, un motor lineal o cualquier otro medio adecuado para introducir una fuerza controlada.
Preferentemente el amortiguador (10) está configurado para generar el movimiento de amortiguación contrario a la vibración.
Preferentemente el amortiguador (10) es un amortiguador unidireccional que genera el movimiento de amortiguación en la dirección de movimiento del medio de traslación (7,8) representado por la flecha (F). Es decir, el rectificado produce una vibración en la dirección donde la muela (1,2) aplica presión a la pieza (3) de acuerdo a un movimiento relativo de acercamiento/alejamiento entre el medio de traslación (5,6) y la pieza (3), de manera que el amortiguador (10) genera un movimiento de amortiguación en dicha dirección.
Alternativamente el amortiguador (10) es un amortiguador bidireccional que genera un primer movimiento de amortiguación en la dirección de movimiento del medio de traslación (7,8), representado por la flecha (F) en las figuras, y opcionalmente un segundo movimiento de amortiguación en una dirección perpendicular a la dirección de movimiento del medio de traslación (7,8) y paralelo al eje longitudinal de la pieza (3).
Preferentemente los medios de detección (10) son un acelerómetro que mide la frecuencia y la amplitud con la que oscila el cabezal (5,6) en el que está dispuesto el acelerómetro debido al proceso de mecanizado.
Para amortiguar la vibración cabría la posibilidad de emplear un amortiguador pasivo que comprende una masa móvil pero que no dispone de un actuador de la masa móvil, sin embargo, el alto valor de la masa modal de los modos críticos de la máquina rectificadora hace que la masa inercial a introducir sea muy grande, por lo que se precisaría un amortiguador pasivo con una masa móvil muy grande y se requeriría de mucho espacio para disponerlo, sin embargo empleando un amortiguador activo, como el propuesto por la invención, se requiere una masa móvil más pequeña, ya que se introduce una fuerza controlada sobre la masa móvil de acuerdo a la información enviada por los medos de detección (9).
El amortiguador (10) está dispuesto sobre una cara superior (5.1, 6.1) del cabezal (5,6), la cual es contraria a la cara inferior en donde el cabezal (5,6) va unido al medio de traslación (7,8) o en su caso al bastidor de la máquina. De esta manera se actúa sobre la zona del cabezal (5,6) que tiene una mayor oscilación cuando aparecen las vibraciones.
Aún más preferentemente el amortiguador (10) está dispuesto en el centro de la cara superior (5.1, 6.1) del cabezal (5.6) , y aún más preferentemente en un extremo de la cara superior (5.1, 6.1) que está más próximo al medio de soporte (4) de la pieza (3), de manera que se actúa en el punto del cabezal (5,6) que está más próximo al punto de origen de las vibraciones.
Con todo ello así, se obtiene un método de rectificado que comprende los pasos de disponer unos medios de detección (9) y un amortiguador (10) en una máquina herramienta rectificadora sin centros tal como se define en las reivindicaciones adjuntas, detectar mediante los medios de detección (9) una vibración de al menos un cabezal (5,6) de la máquina, y producir mediante el amortiguador (10) un movimiento de amortiguación de la vibración.
Los medios de detección (9) permiten conocer en tiempo real la frecuencia y la amplitud a la que vibra el cabezal (5.6) de manera que se puede ajustar la frecuencia y la fuerza a introducir por el amortiguador (10) para suprimir la vibración, con lo que se garantiza que no se produzcan vibraciones durante la operación e rectificado de la pieza (3).

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. - Máquina herramienta rectificadora sin centros dinámicamente amortiguada comprendiendo:
• unas muelas (1,2) entre las que es disponible una pieza (3) a rectificar,
• unos cabezales (5,6) para portar las muelas (1,2),
• al menos un medio de traslación (7,8) de uno de los cabezales (5,6) para producir un movimiento según una dirección de separación y aproximación entre las muelas (1,2),
• unos medios de detección (9) para detectar durante el mecanizado una vibración en al menos uno de los cabezales (5, 6); y
• al menos un amortiguador (10) configurado para producir un movimiento de amortiguación de la vibración; caracterizada por que
al menos uno de los amortiguadores (10) está dispuesto sobre una cara superior (5.1, 6.1) de uno de los cabezales (5, 6);
el amortiguador (10) comprende una masa móvil y un actuador configurado para mover la masa móvil en la dirección de separación y aproximación entre las muelas (1,2)
2. - Máquina herramienta rectificadora sin centros dinámicamente amortiguada, según la reivindicación 1, en donde son dos los amortiguadores (10), uno por cada uno de los cabezales (5,6), estando configurado uno de los amortiguadores (10) para producir el movimiento de amortiguación de la vibración de uno de los cabezales (5), y otro de los amortiguadores (10) para producir el movimiento de amortiguación de la vibración de otro de los cabezales (6).
3. - Máquina herramienta rectificadora sin centros dinámicamente amortiguada, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde son dos los medios de detección (9), estando configurado uno de los medios de detección (9) para detectar la vibración de uno de los cabezales (5), y otro de los medios de detección (9) para detectar la vibración de otro de los cabezales (6).
4. - Máquina herramienta rectificadora sin centros dinámicamente amortiguada, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde al menos uno de los amortiguadores (10) está configurado para generar el movimiento de amortiguación contrario a la vibración.
5. - Máquina herramienta rectificadora sin centros dinámicamente amortiguada, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde al menos uno de los amortiguadores (10) está configurado para generar el movimiento de amortiguación en la dirección de separación y aproximación entre las muelas (1,2).
6. - Máquina herramienta rectificadora sin centros dinámicamente amortiguada, según la reivindicación anterior, en donde el amortiguador (10) está dispuesto en el centro de la cara superior (5.1,6.1) del cabezal (5,6).
7. - Máquina herramienta rectificadora sin centros dinámicamente amortiguada, según la reivindicación anterior, en donde el amortiguador (10) está dispuesto en un extremo de la cara superior (5.1, 6.1) que está más próximo a un medio de soporte (4) de la pieza (3).
8. - Máquina herramienta rectificadora sin centros dinámicamente amortiguada, según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, en donde los medios de detección (9) que detectan la vibración de uno de los cabezales (5,6) y el amortiguador (10) que produce el movimiento de amortiguación de la vibración están dispuestos en el mismo cabezal (5,6).
9. - Método de rectificado usando una máquina herramienta rectificadora sin centros dinámicamente amortiguada definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1-8, dicho método comprende los pasos de:
• disponer unos medios de detección (9) y un amortiguador (10) en la máquina herramienta rectificadora sin centros,
• detectar mediante los medios de detección (9) una vibración de al menos un cabezal (5,6) de la máquina, y • producir mediante el amortiguador (10) un movimiento de amortiguación de la vibración.
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