Metodología teórico-experimental para la identificación del amortiguamiento en guías lineales de máquinas herramienta de grandes dimensiones para optimizar la respuesta dinámica global.

Abstract

El objetivo del presente trabajo de tesis doctoral ha sido el de aumentar el
amortiguamiento de una fresadora para maximizar su estabilidad dinámica frente a las vibraciones tipo chatter, y para ello se ha desarrollado una metodología teórico-experimental. Esta metodología se basa, por un lado, en un
procedimiento teórico que propone la tipología de guiado más adecuada en cada unión de la fresadora según sus capacidades de amortiguamiento y, por otro, en un segundo procedimiento teórico-experimental para calcular el amortiguamiento absoluto introducido por cada guiado lineal en cada unión de deslizamiento de la fresadora.
En efecto, siempre que sea el chatter el elemento limitante de la capacidad de
arranque de una fresadora, interesa optimizar la respuesta dinámica en punta de herramienta, y a ese respecto, el amortiguamiento de los modos excitados juega un papel fundamental en la aparición de vibraciones por chatter. La simulación del comportamiento dinámico de una fresadora requiere valores precisos derigidez, inercia y amortiguamiento de los elementos y componentes que conforman la fresadora y, a diferencia de las propiedades de rigidez e inercia, los valores de amortiguamiento no suelen estar disponibles en la bibliografía, la cual sólo contiene valores de referencia. Además, también se ha de destacar que, al ser el amortiguamiento el responsable de disipar la energía vibratoria que se produce cuando surgen las vibraciones, un enfoque anticipativo para aumentar la estabilidad dinámica de la fresadora se basa en aumentar el
amortiguamiento asociado a los modos propios excitados durante el proceso de
fresado. Esto hace que resulte clave el estudio en profundidad del amortiguamiento de la fresadora en cuestión: sus fuentes y su magnitud.
En este marco, en el presente trabajo se ha desarrollado una metodología para
analizar, optimizar y verificar el amortiguamiento que introduce cada guiado
lineal ensamblado dentro de una fresadora. Para ello, en una primera fase se
presenta un procedimiento teórico que permite definir el tipo de guiado más
adecuado en cada unión de una fresadora en base a una optimización de la
respuesta dinámica en la punta de herramienta (tool center point, TCP). Con este
procedimiento se identifican las uniones que, al ser sustituidas por guiados
lineales que presentan mayores capacidades de amortiguamiento, no introducen
un amortiguamiento adicional a la fresadora y por lo tanto, no han de ser
sustituidas para no aumentar el coste económico de ésta. A la vez, permite
identificar las uniones que sí aumentan el amortiguamiento de los modos
limitantes al chatter y, por ende, la estabilidad dinámica de la fresadora frente al
chatter.
En una segunda fase se ha desarrollado un procedimiento teórico-experimental
para calcular el amortiguamiento que introduce un guiado lineal cuando está
ensamblado en una fresadora de grandes dimensiones, ya que se demuestra
que guías lineales del mismo tipo y tamaño pueden introducir diferente
amortiguamiento en las distintas uniones de una misma máquina, ya que estos
valores de amortiguamiento no solo dependen de las capacidades de dichas
guías, sino que también dependen de los vectores modales en cada unión.
Este procedimiento es un avance respecto a los procedimientos actuales porque,
actualmente las mediciones se realizan en bancos de ensayos especialmente
diseñados para ello, y por lo tanto sirven para medir las capacidades de
amortiguamiento que tienen los guiados lineales aislados, pero no el
amortiguamiento que realmente van a introducir en una unión concreta cuando
están ensamblados. Esto se debe a que en esas mediciones no se tiene en
cuenta la posición del guiado en la máquina, y por lotanto, los parámetros
modales en las uniones, los cuales van a influir en el valor de amortiguamiento
que introducen los guiados lineales en la fresadora. El procedimiento de la
segunda fase se basa en combinar respuestas en frecuencia experimentales en
las uniones en las que se han montado las guías lineales de la fresadora junto
con los vectores modales en dichas uniones calculadas con un modelo MEF de
dicha fresadora. La combinación de ambos valores mediante las fórmulas
presentadas en este trabajo va a permitir obtener valores de amortiguamiento
introducidos por cada guiado lineal en cada unión concreta. De esta forma, se
va a poder representar en el MEF el amortiguamiento absoluto introducido por
cada una de las guías lineales y asociados a los guiados que lo introducen.
Esta metodología de diseño ha sido validada en una fresadora horizontal de
grandes dimensiones de la familia Axia construida y montada por Nicolás Correa.
En concreto, la metodología indicada ha determinado en qué uniones se han de
realizar cambios de tipología de los guiados lineales para maximizar el
amortiguamiento de los modos propios limitantes al chatter y, también se ha
calculado el amortiguamiento que introduce cada uno de los guiados lineales
actuales. Estos últimos valores de amortiguamiento han sido validados de forma
numérica a partir del modelo MEF de la fresadora alimentándolo con valores
experimentales de amortiguamiento absoluto asociados a los diferentes guiados.
Se ha comparado la respuesta dinámica numérica obtenida con dicho modelo
MEF con la respuesta dinámica obtenida de manera experimental en la fresadora
ya montada. Se ha realizado esta comparativa analizando los valores pico de los
modos y también, las anchuras de estos picos, que dependen solo de los valores
de amortiguamiento. Los resultados obtenidos muestran que los valores de
amortiguamiento calculados muestran una mejora apreciable respecto a la forma tradicional de modelar el amortiguamiento con coeficientes de amortiguamientorelativos asociados a los modos, ya que en el peor caso la diferencia de coeficiente de amortiguamiento en valores porcentuales se reduce de un 7,2% a un 3,0%. Este conocimiento del amortiguamiento va a suponer un avance en los modelos virtuales de las fresadoras que va a permitir al diseñador aumentar el amortiguamiento de la fresadora y por ende, su capacidad de arranque de viruta.

Date of Award	2023
Original language	English
Awarding Institution	Universidad del País Vasco (UPV/EHU)
Supervisor	Francisco Javier Campa Gómez (Supervisor) & Juanjo Zulaika Muniain (Supervisor)