Dominar la estabilidad del mecanizado:una guía para las pruebas de roscado y la prevención de vibraciones

En la prueba de golpeteo, se utiliza un martillo instrumentado para excitar una estructura y medir la respuesta de vibración con un transductor, como un acelerómetro. El propósito de esta prueba es identificar la función de respuesta de frecuencia (FRF) para la estructura mecánica seleccionada. Dada la FRF, podemos calcular un mapa de estabilidad, que separa las combinaciones de velocidad del husillo y profundidad axial que producen vibración (es decir, por encima del límite azul) de aquellas que no lo hacen (por debajo del límite). Esto permite la selección de parámetros de mecanizado estables sin prueba ni error; ver Figura 1.

Fig. 1:Mapa de estabilidad del fresado. Fuente (todas las figuras):Tony Schmitz

El hardware básico necesario para medir FRF es:

Contenido destacado

• un mecanismo para la entrada de fuerza conocida en todo el rango de frecuencia deseado (o ancho de banda)
• un transductor para medición de vibraciones, también con el ancho de banda necesario
• un analizador de señales dinámicas para registrar las entradas de fuerza y vibración en el dominio del tiempo y convertirlas en la FRF deseada.

Un analizador de señales dinámicas incluye canales de entrada para las señales de fuerza y vibración en el dominio del tiempo y calcula la transformada de Fourier de estas señales para convertirlas al dominio de la frecuencia. Luego calcula la relación entre la señal de vibración en el dominio de la frecuencia y la señal de fuerza en el dominio de la frecuencia; esta relación es el FRF. En la Fig. 2 se proporciona un esquema de la configuración. Incluye la fuerza y la vibración en el dominio del tiempo, que pueden tomar la forma de desplazamiento, x , velocidad, ẋ , o aceleración, ẍ , entradas y amplificadores para cada uno. Los amplificadores se utilizan para aumentar las amplitudes de las señales. La fuerza y ​​la vibración son señales analógicas continuas en el tiempo. Sin embargo, registrar estas señales con el analizador requiere muestrearlas en pequeños intervalos de tiempo o digitalizarlas. Este proceso se completa utilizando un convertidor analógico a digital (ADC). Estas señales digitales luego se utilizan en el cálculo de FRF mediante el analizador de señales dinámicas. Según el tipo de entrada de vibración, el FRF se puede expresar como:

• receptación o cumplimiento:la relación entre desplazamiento y fuerza
• movilidad:la relación entre velocidad y fuerza
• aceleración o inertancia:la relación entre aceleración y fuerza.

Fig. 2:Esquema de la configuración de medición de FRF.

Hay tres tipos comunes de excitación de fuerza. Estos incluyen:

• onda sinusoidal de frecuencia fija – La FRF se determina una frecuencia a la vez. En cada frecuencia dentro del ancho de banda deseado, se aplica la fuerza sinusoidal, se promedia la respuesta a la entrada de fuerza durante un breve intervalo de tiempo y se calcula la FRF. Esto se conoce como prueba de barrido sinusoidal.
• señal aleatoria – El contenido de frecuencia de la señal aleatoria puede ser de banda ancha (ruido blanco) o truncado a un rango limitado (ruido rosa). Se vuelve a aplicar el promedio durante un período de tiempo fijo, pero todas las frecuencias dentro del ancho de banda seleccionado se excitan en una sola prueba.
• impulso – Se utiliza un impacto de corta duración para excitar la estructura y se mide la respuesta correspondiente. Este enfoque permite excitar una amplia gama de frecuencias en una prueba única y corta. Por lo general, se promedian varias pruebas en el dominio de la frecuencia para mejorar la coherencia o la correlación entre las señales de fuerza y vibración.

Para generar estas diferentes fuerzas, se aplican dos tipos comunes de hardware de entrada de fuerza:

• coctelera – Estos sistemas incluyen una armadura y una base impulsadas armónicamente. La armadura puede ser accionada a lo largo de su eje mediante una bobina magnética o una fuerza hidráulica. Las configuraciones de bobina magnética, o electrodinámicas, pueden proporcionar frecuencias de excitación de decenas de kHz con niveles de fuerza de decenas a miles de Newtons (una mayor fuerza generalmente significa un rango de frecuencia más bajo). Los agitadores hidráulicos ofrecen una fuerza elevada con potencial para una precarga estática (es decir, la fuerza promedio no es cero), pero rangos de frecuencia relativamente más bajos. En cualquier caso, la fuerza a menudo se aplica a la estructura de interés a través de un aguijón o una varilla delgada que soporta tensión y compresión axial, pero no flexión ni corte. Esto asegura que la fuerza se aplique en una sola dirección. Se incorpora una celda de carga en la configuración para medir la fuerza de entrada; ver Figura 3.
• martillo de impacto – Un martillo de impacto incorpora un transductor de fuerza ubicado en una punta de metal, plástico o goma para medir la fuerza de entrada durante un golpe de martillo. Cuando se utiliza un martillo junto con un transductor de vibración, el procedimiento de medición se denomina prueba de golpeteo. El aporte de energía a la estructura es función de la masa del martillo; una masa más grande proporciona más energía. Por lo tanto, hay muchos tamaños disponibles. Además, el ancho de banda de excitación de la fuerza de entrada depende de la masa y la rigidez de la punta. Las puntas más rígidas tienden a excitar un rango de frecuencia más amplio, pero también distribuyen la energía de entrada en este rango más amplio. Las puntas más suaves concentran la energía en un rango de frecuencia más bajo. Las puntas de plástico duro y metal proporcionan una mayor rigidez, mientras que las puntas de goma ofrecen una rigidez reducida.

Fig. 3:Configuración del agitador.

Los transductores de vibración están disponibles en tipos sin contacto y con contacto. Si bien se prefieren los transductores sin contacto, como las sondas de capacitancia y los vibrómetros láser, porque no afectan la dinámica de la estructura, los tipos de contacto, como los acelerómetros, suelen ser más convenientes de implementar. Como compromiso, se pueden utilizar acelerómetros de baja masa para minimizar la influencia en la estructura de prueba. Se fijan en el lugar de interés mediante cera, adhesivo, un imán o un perno roscado y luego se retiran cuando se completa la prueba.

Fig. 4:Elementos clave de la prueba de tap.

La Figura 4 identifica elementos clave de la prueba de tap. La fotografía inferior izquierda muestra un martillo usado para golpear la punta de una herramienta y un acelerómetro (unido con cera a la punta de la herramienta) para medir la respuesta a la vibración. La fila superior muestra las respuestas temporales de la fuerza y ​​la vibración. Vemos que el grifo produce una entrada de fuerza de corta duración. Debido a esta fuerza, la herramienta vibra con una amplitud decreciente (debido a la amortiguación). La fila del medio muestra la conversión de estas señales al dominio de la frecuencia. El grifo excita una amplia gama de frecuencias. La fila inferior muestra el FRF. A partir de este gráfico, podemos identificar la frecuencia natural, la rigidez y la relación de amortiguación para cada modo de vibración.