Control de la vibración (chatter) en mecanizado: causas, prevención y optimización

El chatter en el mecanizado se presenta en casi todos los procesos de fabricación. Las máquinas pesadas utilizadas generan una gran cantidad de vibraciones, lo que resulta en un acabado superficial deficiente y una pérdida de precisión dimensional.

Los mecanizadores deben lidiar con esta vibración no deseada en procesos como torneado CNC, fresado o taladrado. Sin embargo, comprender el chatter, sus causas y cómo evitarlo ayuda a prevenir tiempos de inactividad, lo cual es perjudicial para los negocios.

Este artículo aborda la definición de chatter, sus tipos, consecuencias y cómo evitarlo.

¿Qué es el chatter en mecanizado?

El chatter en mecanizado es la vibración no deseada que ocurre al cortar o taladrar piezas. Se debe al desequilibrio vibratorio entre la pieza y la herramienta, que se mueven repetitivamente una respecto a la otra. La vibración surge cuando la pieza y la herramienta de corte se mueven en direcciones opuestas, causando una carga de corte variable por rotación.

Esto puede deberse a un diseño inadecuado para fabricación o a un utillaje insuficiente. El chatter suele producir ruidos fuertes y ondulaciones visibles en la superficie de los componentes mecanizados. Existen dos formas principales:

• Vibración por resonancia
• Vibración no resonante

La vibración no resonante ocurre por el uso de herramientas desgastadas de forma desigual sobre la pieza. Esta vibración suele ser constante durante el ciclo de mecanizado y sus causas mecánicas son fáciles de examinar.

Por otro lado, la vibración por resonancia ocurre en etapas específicas de la trayectoria de la herramienta, como al mecanizar esquinas cóncavas.

Tipos de chatter en mecanizado

En el mecanizado CNC se encuentran dos tipos principales de chatter:

Chatter de la herramienta

Generalmente, las fresas CNC vibran durante las operaciones de corte. Comienzan a desbastar mientras transmiten la vibración a la pieza a la que añaden características. Como resultado, la herramienta y la pieza comienzan a deslizarse una contra otra, aumentando significativamente el chatter.

Chatter de la pieza

A veces, si la pieza se fija incorrectamente en la mesa de la fresadora, pueden producirse desalineaciones y vibraciones. Consecuentemente, la pared delgada de la pieza puede empezar a vibrar y transmitir esa vibración a la herramienta de corte.

Es importante señalar que algunos chatters son a menudo inevitables. Si la vibración durante el mecanizado supera los 100 µm, la pieza puede sufrir arañazos en la superficie. No obstante, se debe actuar sobre el chatter de herramienta y pieza para garantizar la calidad del producto. A continuación, veremos cómo evitar el chatter.

Consecuencias del chatter en mecanizado

Si no se controla, el chatter puede tener efectos perjudiciales, como la reducción de la eficiencia del mecanizado. Aquí se enumeran algunos:

Reducción de la vida útil de la herramienta

Las herramientas de corte no soportan los impactos vibratorios del chatter contra la pieza. Estos efectos pueden astillar y desafilar la herramienta, dañando la calidad superficial de las piezas cortadas. Además, reduce la vida útil y la eficiencia de corte, y el reemplazo de herramienta es costoso.

Reducción de la vida útil de la máquina

La máquina-herramienta consta de diversos componentes que vibran a la misma frecuencia cuando hay vibración. El husillo y otros elementos esenciales que producen los diferentes ejes de movimiento pueden desgastarse más rápido de lo previsto. El chatter somete a los componentes de la máquina a un estrés indebido y, si no se controla, puede reducir la eficiencia y causar tiempos de inactividad.

Mal acabado superficial

El chatter afecta las propiedades estéticas de la pieza y puede reducir sus tolerancias en casos extremos. Una de las consecuencias más evidentes es la mala rugosidad superficial. El chatter causa ondulaciones visibles que comprometen la calidad y durabilidad de la pieza.

Reducción de la precisión dimensional

Cuando una herramienta de corte vibra durante el mecanizado CNC, se desvía de su trayectoria programada por CAM. Esta desviación puede hacer que las piezas no encajen correctamente: demasiado ajustadas, largas, cortas o sueltas debido a dimensiones inexactas.

Cómo reducir el chatter durante el mecanizado CNC

Las empresas manufactureras emplean diferentes métodos para minimizar el chatter y asegurar que tanto las piezas como las herramientas estén en buen estado. Aquí presentamos pasos para reducir el chatter:

Optimizar la estrategia de mecanizado

El grado de engagement de la fresa con la pieza varía en el fresado convencional. Se ejerce fuerza excesiva sobre la fresa a medida que avanza. La mejor forma de reducir el chatter es conseguir una trayectoria de engagement constante. Como alternativa, se puede reducir la profundidad de corte.

También conviene reconsiderar la configuración del husillo. Por ejemplo, si el chatter por resonancia es la causa, aumentar o reducir las RPM de la máquina en un 5 % minimizará las vibraciones de resonancia. Algunos software CAM permiten variar la velocidad del husillo de forma consistente, característica muy adoptada por su versatilidad.

Adoptar la sujeción de pieza adecuada

Las herramientas de máquina equilibradas ofrecen mejor ajuste. Factores como posiciones y fijaciones incorrectas son las principales causas de chatter en mecanizado CNC. Un portaherramientas con contacto en cara frontal y cono ayuda a garantizar la máxima rigidez durante el mecanizado, sin comprometer la calidad superficial a bajas RPM.

También hay que verificar que el tornillo de bancada, mesa de vacío, mandril u otro dispositivo de sujeción aplique la presión adecuada para mantener la pieza firme y estacionaria.

Al emplear útiles y fijaciones para ejercer la presión de sujeción requerida, no se debe sujetar solo un extremo de una pieza alargada y delgada. Las piezas de pared delgada absorben mal los golpes. Los materiales de relleno aumentan su rigidez global y reducen el chatter. Un contrapunto o bastidor de apoyo estable es ideal para tales componentes.

Utilizar la herramienta de corte correcta

Usar la herramienta adecuada ayuda a evitar la vibración de mecanizado. Algunas herramientas generan más vibraciones que otras. Eliminar el chatter de la herramienta es más difícil que el de la pieza. Por tanto, considere los siguientes factores en cualquier herramienta:

• Recubrimiento de la herramienta
• Geometría de sustrato correcta
• Relación de aspecto de la herramienta

Mecanizadores e ingenieros suelen utilizar la herramienta más grande que encaje si cumple las especificaciones técnicas. Cuanto más sólida es la fresa, menos probabilidad de chatter. Las herramientas largas o delgadas suelen deflectarse. Por ello, elija herramientas más cortas y de mayor diámetro.

Combinar varias herramientas con diferentes formas de ranura es la forma más efectiva de minimizar el chatter. Además, reduzca la salida de la herramienta del portaherramientas y fíjela firmemente. El chatter es menos probable tras hacerlo.

Asegúrese de que sus fresas tengan filos afilados que minimicen la fuerza de corte de las fresadoras CNC. Considere siempre la estabilidad del entorno de procesamiento y el mantenimiento oportuno de la fresa. Asimismo, es crucial aplicar una presión de herramienta adecuada y constante para que la carga de viruta sea regular.

Determinar la trayectoria de herramienta ideal

Las operaciones de fresado CNC son de dos tipos: fresado en contra y fresado a favor. Si se ejerce la fuerza de corte en la misma dirección que la de sujeción, se reduce el chatter en piezas flexionadas. Es un aspecto esencial del corte a considerar.

Generalmente, los centros de fresado CNC tienen husillos de bolas preinstalados que mejoran la eficiencia y precisión. Por ello, puede emplearse un centro de mecanizado vertical para prevenir el chatter durante el corte.

Configuración y mantenimiento de la máquina

Como es lógico, su máquina CNC debe instalarse sobre un suelo de hormigón sin grietas, deformidades o discontinuidades. La disposición de la máquina juega un papel crucial en la minimización del chatter.

Un suelo elástico, blando o dañado puede aumentar el temblor de la máquina CNC. Por tanto, considere usar anclajes y pies regulables para mantener la unidad CNC firme y estable, minimizando así el chatter.

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Conclusión

El chatter es un efecto de mecanizado que causa una caída sustancial de la productividad. Afecta al rendimiento de la máquina, calidad de la pieza, vida útil de la herramienta de corte y de la máquina-herramienta. Diversos factores contribuyen a su aparición, desde la instalación de la máquina hasta la trayectoria de herramienta.

Sin embargo, cuando experimente vibraciones severas, inspeccione minuciosamente la ocurrencia. Asegúrese de que la herramienta y la pieza estén sujetadas correctamente y que las opciones de mecanizado configuradas sean las adecuadas para mitigar eficientemente el chatter.

Preguntas frecuentes

¿Qué son las marcas de chatter en mecanizado?

Las marcas de chatter son defectos superficiales irregulares dejados por una muela fuera de true en rectificado o marcas regulares al tornear una pieza larga en torno debido a vibración de mecanizado.

¿Qué causa el chatter en operaciones de mecanizado?

Las fuerzas de corte creadas durante el corte aumentan significativamente si la herramienta tiene desgaste excesivo. El aumento de la fuerza de corte suele resultar en chatter al cortar sustratos rígidos.

¿Qué causa la vibración en equipos rotativos?

Las causas más comunes de chatter o vibración en equipos rotativos incluyen desalineación, desbalance, desgaste y holgura. El desbalance de una zona pesada dentro de un componente rotativo provocará vibración cuando el peso desbalanceado gire alrededor del eje de la máquina, generando una fuerza centrífuga.

¿Cómo puedo identificar el chatter en mecanizado?

El chatter en máquinas CNC suele ser audible. Un operador experimentado puede identificar cuándo ocurre por su sonido característico. Además, el chatter deja marcas de onda visibles en la superficie de la pieza.