La aparición de vibraciones autoexcitadas en las máquinas-herramienta durante las operaciones de mecanizado, comúnmente conocidas como chatter, tiene influencias negativas en términos de precisión geométrica y calidad superficial, y se presenta como la principal limitación a la hora de incrementar la capacidad productiva. El control activo de estructuras mecánicas es un campo en el que se está realizando un importante esfuerzo investigador y, muy particularmente, en el amortiguamiento activo de las estructuras de las máquinas-herramienta, con el objeto de paliar el problema que supone la aparición del chatter. Existen aplicaciones que utilizan para ello actuadores piezoeléctricos, los cuales debido a los elevados valores de fuerza que son capaces de desarrollar, combinados con unos desplazamientos modestos, se adecuan para amortiguar modos en los que su energía de deformación está muy localizada. Sin embargo, los modos de chatter en fresado no presentan en general estas características, por lo que en el presente artículo se propone la utilización de actuadores inerciales para la realización del amortiguamiento activo en este tipo de máquinas. Los actuadores inerciales son dispositivos compuestos por un elemento de masa, cuya aceleración está controlada en lazo cerrado, y que pueden ser utilizados como fuentes de fuerza dinámica a partir de su frecuencia de suspensión, y con un único punto de actuación de la misma. El artículo muestra la utilización práctica de este tipo de actuadores para realizar amortiguamiento activo en una fresadora, aplicando la fuerza en la zona de máxima energía de desplazamiento de la vibración, en este caso, en la punta del carnero. El amortiguamiento de los modos que causan chatter permite incrementar el límite de estabilidad de la máquina frente al mismo, por lo que su productividad se ve claramente incrementada.
Origen del chatter
Las vibraciones de carácter autoexcitado, fenómeno en adelante denominado por su acepción anglosajona chatter, tienen su origen en un proceso de interacción entre el sistema vibratorio de la estructura de la máquina y el propio proceso de corte. A pesar de que pueden existir varias causas que desencadenan su aparición, en la mayoría de los casos éstas se deben al efecto de regeneración de viruta, por lo que también se denomina chatter regenerativo.
Este efecto se inicia por la excitación de alguno de los modos estructurales de la máquina-herramienta debido a las fuerzas de corte, lo que provoca la aparición de ondulaciones en la pieza que se está mecanizando (Figura 2). Cuando la herramienta vuelve a cortar sobre la superficie ondulada ocurre que el espesor de viruta se ve afectado por éstas, y además se vuelven a crear unas nuevas por el mismo motivo. Dependiendo de la fase entre dos ondulaciones sucesivas, el grosor de la viruta puede crecer exponencialmente mientras que oscila a una frecuencia de chatter próxima pero no igual a la del modo estructural dominante del sistema. No se trata de unas vibraciones de resonancia de los modos estructurales, y aunque la estructura de la máquina-herramienta sea estable en si misma, la amplitud de las vibraciones que resulta de cortar una superficie que ha sido ondulada por el corte previo puede ser significativamente amplificada.
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