Dominando la estabilidad en mecanizado: guía para test de golpeteo y prevención de chatter

En el test de golpeteo (tap testing), 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 en frecuencia (FRF) para la estructura mecánica seleccionada. Dada la FRF, podemos calcular un mapa de estabilidad, que separa combinaciones de velocidad de husillo y profundidad axial que producen chatter (es decir, por encima del límite azul) de las que no lo producen (por debajo del límite). Esto permite la selección de parámetros de mecanizado estables sin ensayo y error; véase Figura 1.

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

El hardware básico requerido para medir FRFs es:

Contenido destacado

• un mecanismo para entrada de fuerza conocida en el rango de frecuencia deseado (o ancho de banda)
• un transductor para medición de vibración, nuevamente con el ancho de banda requerido
• un analizador de señal dinámica para registrar las entradas de fuerza y vibración en el dominio del tiempo y convertirlas en la FRF deseada.

Un analizador de señal dinámica 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 de la señal de vibración en el dominio de la frecuencia con la señal de fuerza en el dominio de la frecuencia; esta relación es la FRF. Un esquema de la configuración se proporciona en la Fig. 2. Incluye la fuerza y vibración en el dominio del tiempo, que pueden tomar la forma de desplazamiento, x, velocidad, ẋ, o aceleración, ẍ, entradas y amplificadores para cada una. Los amplificadores se usan 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 usando un conversor analógico-digital (ADC). Estas señales digitales se usan luego en el cálculo de la FRF por el analizador de señal dinámica. Basado en el tipo de entrada de vibración, la FRF puede expresarse como:

• receptancia o compliancia — la relación de desplazamiento a fuerza
• movilidad — la relación de velocidad a fuerza
• acelerancia o inercia — la relación de aceleración a fuerza.

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

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

• onda seno 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, la respuesta a la entrada de fuerza se promedia sobre un corto intervalo de tiempo y se calcula la FRF. Esto se conoce como prueba de barrido senoidal.
• 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). El promedio sobre un período fijo de tiempo se aplica nuevamente, pero todas las frecuencias dentro del ancho de banda seleccionado son excitadas en una sola prueba.
• impulso – Un impacto de corta duración se usa para excitar la estructura y se mide la respuesta correspondiente. Este enfoque permite excitar un amplio rango de frecuencias en una sola prueba corta. Típicamente se promedian múltiples 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:

• vibrador (shaker) – Estos sistemas incluyen un armadura accionada armónicamente y una base. El armadura puede ser actuada a lo largo de su eje por una bobina magnética o 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 (fuerza aumentada típicamente significa un rango de frecuencia menor). Los vibradores hidráulicos ofrecen alta fuerza con potencial de precarga estática (es decir, la fuerza promedio no es cero), pero rangos de frecuencia relativamente menores. En cualquier caso, la fuerza a menudo se aplica a la estructura de interés a través de un stingers, o una varilla delgada que soporta tensión y compresión axial, pero no flexión ni cizallamiento. Esto asegura que la fuerza se aplique en una sola dirección. Una celda de carga se incorpora en la configuración para medir la fuerza de entrada; véase 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 entrada de fuerza durante un golpe de martillo. Cuando se usa un martillo junto con un transductor de vibración, el procedimiento de medición se denomina test de golpeteo. La energía de entrada a la estructura es función de la masa del martillo; una masa mayor proporciona más energía. Por tanto, hay muchos tamaños disponibles. Además, el ancho de banda de excitación de la entrada de fuerza depende de la masa y rigidez de la punta. Puntas más rígidas tienden a excitar un rango de frecuencia más amplio, pero también dispersan la energía de entrada sobre este rango más amplio. Puntas más suaves concentran la energía en un rango de frecuencia más bajo. Puntas de plástico duro y metal proporcionan mayor rigidez, mientras que puntas de goma dan rigidez reducida.

Fig. 3: Configuración de vibrador.

Los transductores de vibración están disponibles en tipos de contacto y sin contacto. Si bien los transductores sin contacto, como sondas de capacitancia y vibrómetros láser, son preferidos porque no afectan la dinámica de la estructura, los tipos de contacto, como acelerómetros, son a menudo más convenientes de implementar. Como compromiso, se pueden usar acelerómetros de baja masa para minimizar la influencia en la estructura de prueba. Se fijan en la ubicación de interés usando cera, adhesivo, un imán o un perno roscado y luego se retiran cuando se completa la prueba.

Fig. 4: Elementos clave del test de golpeteo.

La Figura 4 identifica elementos clave del test de golpeteo. La fotografía inferior izquierda muestra un martillo usado para golpear la punta de una herramienta y un acelerómetro (fijado con cera a la punta de la herramienta) usado para medir la respuesta de vibración. La fila superior muestra las respuestas en el tiempo para la fuerza y la vibración. Vemos que el golpe produce una entrada de fuerza de corta duración. Debido a esta fuerza, la herramienta vibra con una amplitud que decae (debido al amortiguamiento). La fila media muestra la conversión de estas señales al dominio de la frecuencia. El golpe excita un amplio rango de frecuencias. La fila inferior muestra la FRF. A partir de este gráfico, podemos identificar la frecuencia natural, rigidez y relación de amortiguamiento para cada modo de vibración.