La vibración en el maquinado generalmente es parte inevitable del proceso de corte de metales. Tienen una naturaleza forzada o auto-excitada y siempre acompaña la acción de corte. Las vibraciones del maquinado se denominan "charla", destacando su naturaleza específica; inherente en cada operación en la que se forma viruta. Incluso si el corte se considera estable, no significa que no se produzcan vibraciones. En este caso, las vibraciones simplemente permanecen a un nivel que proporciona los resultados de maquinado requeridos, y se considera una operación "sin vibración".
De hecho, las vibraciones en el corte son un factor perjudicial que reduce el desempeño. Los fabricantes hacen todo lo posible por disminuir la vibración e, idealmente, llevarla a un nivel que no afecte los resultados del maquinado. La investigación ha brindado a los fabricantes formas de modelar las vibraciones en el maquinado que, a pesar de ser complejas, pueden ser muy efectivas para reducir la vibración. Sin embargo, este modelado lleva tiempo y requiere la entrada de diversos datos, incluyendo, a veces, mediciones adicionales. En la mayoría de los casos, cuando los fabricantes confrontan vibraciones durante el maquinado, solo tienen unas cuantas herramientas a su disposición para disminuirlas en tiempo real. La práctica más común es variar la velocidad de corte y el avance, pero esto generalmente lleva a una reducción de la productividad. Por tanto, cualquier método efectivo para disminuir las vibraciones que no afecte negativamente la productividad de la operación de maquinado será muy atractivo para los fabricantes.
La reducción de la vibración en el maquinado requiere considerar la unidad de manufactura como un sistema que comprende diversos elementos interrelacionados: la máquina, la pieza de trabajo, un dispositivo de sujeción y una herramienta de corte. Aun cuando la influencia de cada elemento en la reducción de la vibración total es diferente, mejorar la característica de vibración de un elemento puede tener un impacto significativo en el comportamiento dinámico general del sistema. La mayoría de las estrategias contra las vibraciones se centran en desarrollar máquinas más rígidas con sensores inteligentes y control por computadora, y herramientas avanzadas de amortiguación de vibraciones. ¿Puede una herramienta de corte, el componente más pequeño del sistema, y posiblemente el más simple, cambiar drásticamente la resistencia a la vibración de la unidad de manufactura? Aun cuando los fabricantes tengan pocas esperanzas de controlar la vibración con herramientas de corte, en ciertos casos una herramienta seleccionada correctamente puede simplemente detener la vibración sin ningún efecto adverso sobre la productividad.
Geometría de corte
La geometría correcta de la herramienta hace que la acción de corte sea suave y estable. La geometría influye fuertemente en las fluctuaciones de las fuerzas de corte, la evacuación de viruta y otros factores relacionados directamente con los modos de vibración. Los ingenieros diseñadores de herramienta de ISCAR creen que la geometría de corte puede incrementar considerablemente la amortiguación de vibraciones de una herramienta y han desarrollado soluciones interesantes para ello. Diversos productos de ISCAR: insertos y cabezas intercambiables y herramientas de carburo sólido cuentan con filos de corte divisores de viruta. Estos filos pueden ser con sierra o tener ranuras divisoras de viruta. La acción de división de la viruta hace que una viruta ancha se divida en segmentos pequeños, lo que resulta en un mejor comportamiento dinámico de la herramienta durante el maquinado, estabilizando así la vibración. En el maquinado de desbaste, los cortadores para fresado de gavilán extendido eliminan una gran cantidad de material, aun operando bajo condiciones de corte pesadas. Las fuerzas de corte que actúan cíclicamente generan problemas de vibración. Es posible abordar estas dificultades cuando se utilizan insertos intercambiables divisores de viruta. Los cortadores para fresado con insertos redondos, un verdadero caballo de batalla en el maquinado de cavidades y alojamientos, particularmente para la fabricación de moldes y troqueles, utilizan frecuentemente grandes voladizo que afectan la rigidez y la resistencia a la vibración de la herramienta. Se producen problemas con la estabilidad de corte cuando el voladizo supera los 3 diámetros de la herramienta (3xD). El uso de insertos redondos con sierra con efecto de división de viruta corrige esta situación y mejora sustancialmente la robustez (Fig. 1).
Una forma efectiva de llevar el comportamiento dinámico de una herramienta de corte al siguiente nivel es un paso/diente definido con habilidad. La familia de cortadores verticales de carburo sólido (SCEM) CHATTERFREE de ISCAR se diseñó sobre la base de un método de control del paso. La familia presenta un ángulo de paso variable en combinación con un diferente ángulo de hélice. Este concepto garantiza un fresado sin vibraciones en una amplia gama de aplicaciones.
La serie FINISHRED de cortadores verticales de carburo sólido presenta una geometría divisora de viruta y gavilanes de paso variable (Fig. 2) que proporcionan un excelente acabado superficial cuando se maquina según los datos generales de maquinado.
Los mismos principios de la geometría de corte a prueba de vibraciones, que han demostraron su eficacia en los cortadores verticales de carburo sólido, se han aplicado al diseño de las cabezas de fresado intercambiables de gavilanes múltiples de la familia MULTI-MASTER, fabricados en carburos cementados.
Barrenado sin vibraciones
La vibración en las operaciones de barrenado lleva a problemas de precisión y un acabado superficial deficiente. En la familia de brocas ensambladas SUMOCHAM de ISCAR, con cabezas de carburo intercambiables, el diseño de doble margen de las cabezas QCP / ICP-2M incrementa sustancialmente la estabilidad dinámica de la herramienta.
La vibración puede causar daños graves si se produce cuando la broca ingresa al material; incluso la rotura de la broca. La familia SUMOCHAM-IQ de cabezas de carburo intercambiables tipo HCP (Fig. 3), destinadas a sujetarse en los cuerpos de las herramientas estándar SUMOCHAM, puede garantizar capacidades confiables de auto-centrado. La clave es un perfil cóncavo inusual en los filos de corte de la cabeza, que recuerdan la forma de pagoda. Esta geometría de corte original permite barrenar agujeros de alta calidad a profundidades de hasta doce diámetros del agujero, directamente en materiales sólidos, sin necesidad de barrenar un agujero piloto previamente.
La "pagoda mágica" presenta otra innovación de ISCAR: la familia LOGIQ3CHAM de brocas de última generación utilizan cabezas de carburo intercambiables de 3 dientes para garantizar una mayor productividad. Los cuerpos de broca de acero cuentan con 3 gavilanes helicoidales que debilitan la estructura del cuerpo, en comparación con una broca ensamblada del mismo diámetro y 2 gavilanes. Para mejorar la rigidez dinámica, el ángulo de hélice de los gavilanes es variable. Este principio de diseño, en combinación con el filo en forma de pagoda, proporciona una solución duradera a prueba de vibraciones para el barrenado estable de alta eficiencia.
Material del cuerpo de la herramienta
Una herramienta de corte ensamblada comprende un cuerpo con elementos de corte sujetados, tales como insertos intercambiables o cabezas intercambiables. Una opción adicional para formar una estructura de herramienta sin vibraciones es la elección del material de cuerpo correcto. La mayoría de los cuerpos de herramientas están hechos de acero para herramientas de alta calidad; su comportamiento de tensión-deformación es similar. Sin embargo, en algunos casos los ingenieros de diseño de herramientas han identificado alternativas de materiales exitosas para mejorar la resistencia a la vibración.
MULTI-MASTER, una familia de herramientas rotativas de ISCAR con cabezas intercambiables, proporciona una gama de cuerpos de herramienta, denominados zancos, producidos en acero, carburo de tungsteno o metal pesado. Los zancos de acero son los más versátiles. El carburo de tungsteno con un sustancial módulo de elasticidad de Young proporciona un diseño extremadamente rígido, de modo que los zancos de carburo se utilizan principalmente para el fresado de grandes voladizos y para el fresado de ranuras periféricas de interiores. El metal pesado, una aleación que contiene alrededor de 90% de tungsteno, se caracteriza por sus propiedades de absorción de vibraciones, y los zancos de metal pesado son más ventajosos en operaciones de corte ligero a medio bajo condiciones inestables.
Herramientas anti-vibración para torneado profundo
La herramienta típica para operaciones de torneado de interiores o mandrinado comprende una barra de mandrinado con un inserto sujeto o un cartucho que lleva un inserto. La barra es el factor principal en el comportamiento dinámico de la herramienta. La rigidez de una barra es una función de la relación del voladizo de la barra y el diámetro. Las relaciones grandes pueden ser una razón para la desviación y vibración de la herramienta, afectando la precisión dimensional y el acabado superficial del maquinado.
ISCAR ha desarrollado tres tipos de barra de mandrinado para cubrir una amplia gama de aplicaciones de mandrinado: dos integrales (de acero y carburo sólido) y una ensamblada, con un sistema de amortiguación de vibraciones en su interior.
Las barras de acero permiten un maquinado estable con un voladizo de hasta cuatro diámetros. Debido a las características de elasticidad del acero, exceder este valor puede inducir vibraciones. Cambiar el acero de la barra por un carburo sólido más rígido asegura un mandrinado eficiente sin vibraciones con un voladizo de hasta siete diámetros. Sin embargo, el posterior aumento de la profundidad de mandrinado también se verá limitado por el comportamiento de tensión-deformación del material. Para superar esta barrera del voladizo, ISCAR desarrolló la familia de productos ISOTURN WHISPERLINE de barras cilíndricas anti-vibraciones. Las barras utilizan cabezas de mandrinado intercambiables para insertos intercambiables de diferentes geometrías y tienen capacidad de suministro de refrigerante interno. El elemento principal del diseño de la barra es un mecanismo de amortiguación de vibraciones incorporado para proporcionar una reducción de la vibración "en vivo" durante el maquinado. Esto permite un mandrinado efectivo con un voladizo de siete a catorce diámetros (Fig. 4).
También se usa una unidad de amortiguación de vibraciones en las herramientas de ranurado profundo y tronzado de ISCAR. La unidad se encuentra en una cuchilla bajo el alojamiento para el inserto. Cada cuchilla es pre-calibrada por ISCAR para el óptimo desempeño de una amplia gama de voladizos, pero los usuarios finales pueden completar la calibración de ajuste por sí mismos si es necesario.
Los fabricantes de herramientas de corte cuentan con una elección limitada de medios para reducir las vibraciones del maquinado; solo la geometría de corte, el material del cuerpo de la herramienta y quizás una herramienta de corte con un dispositivo de amortiguación de vibraciones incorporado. Se requieren considerables habilidades e ingenio para fabricar una herramienta sin vibración con estos recursos limitados. Es factible, sin embargo, y las soluciones de ISCAR mostradas en los ejemplos anteriores nos afirman que es posible.
