Diseño y fabricación de una herramienta de torno asistida …

1 Trabajo de Fin de M ster M ster Universitario en Ingenier a Industrial (MUEI) Dise o y fabricaci n de una herramienta de torno asistida por vibraci n MEM RIA Autor: Mustapha Zaroual El Miri Director: Gonz lez Rojas, Hern n Alberto Ponente: Mart n Batlle, Mateo Convocatoria: Junio 2017 Escola T cnica Superior d Enginyeria Industrial de Barcelona Dise o y fabricaci n de una herramienta de torno asistida por vibraci n P g. 1 RESUMEN El presente trabajo se clasifica dentro del marco de trabajos de investigaci n cient fica, y pretende dise ar y fabricar una herramienta de torno asistida por vibraci n, que posibilita verificar si este fen meno tiene alg n efecto en el mecanizado o no.

2 Concretamente, en la operaci n de torneado recto, lo cual allana el camino para proceder en estudiar el mecanizado asistido por vibraci n. Antes de entrar en el n cleo del trabajo, se exponen algunos conceptos preliminares para situarse en el entorno del trabajo. Posteriormente, se procede en el n cleo del trabajo exhibiendo las alternativas conceptuales para generar la vibraci n de la punta de cuchilla de corte. Despu s, y como paso preliminar al comienzo de la concepci n de los elementos constituyentes de la herramienta asistida por vibraci n, se decide desarrollar el dise o basando en la alternativa consistente en la creaci n de un campo magn tico variable para producir la vibraci n.

3 Llegando a este nivel, se procede en el dise o creando una concepci n en que intervienen la ingenier a el ctrica y electr nica, adem s de la ingeniera mec nica. A continuaci n, se empieza en la fabricaci n de un prototipo de herramienta asistida por vibraci n para comenzar el ensayado. Con el estudio, o ensayado, del torneado recto llevado a cabo posteriormente sin vibraci n y con vibraci n, se nota que existen diferencias en los resultados obtenidos. De modo que se observa que existe una clara influencia de los par metros de vibraci n, o sea, frecuencia de excitaci n y amplitud, en la potencia requerida para efectuar el corte y en la rugosidad superficial, que son las magnitudes en que se ha basado para la comprobaci n o estudio.

4 Sin embargo, no se logran efectos positivos en cualquier condici n de corte y vibraci n, sino existen condiciones de corte y vibraci n en que se consiguen efectos positivos, condiciones en que el efecto es negativo y otras en que el efecto es simult neamente positivo y negativo seg n la magnitud estudiada. P g. 2 Memoria SUMARIO RESUMEN _____ 1 SUMARIO _____ 2 1. INTRODUCCI N _____ 5 Alcance del trabajo .. 6 Objetivos del trabajo .. 6 2. PLANIFICACI N Y PROGRAMACI N _____ 7 3. PRELIMINARES _____ 10 Mecanizado .. 10 Torneado recto .. 12 Acabado superficial .. 14 Vibraci n .. 17 4. M TODOS DE EXCITACI N DE LA VIBRACI N _____ 27 Despliegue de alternativas conceptuales .. 27 Material piezoel ctrico.

5 27 Micromotor desequilibrado .. 33 Fuerza electromagn tica .. 37 Otras alternativas .. 44 Discusi n y selecci n de la alternativa a desarrollar .. 45 5. DISE O DE LA herramienta _____ 51 An lisis vibratorio .. 51 An lisis frecuencial .. 55 Efecto de fuerzas de mecanizado en los modos propios .. 61 Concepci n de la 64 An lisis de la concepci n final .. 77 6. fabricaci N DEL PROTOTIPO _____ 83 7. ENSAYADO DEL PROTOTIPO _____ 84 An lisis el ctrico y el equipo de aparatos empleados .. 84 Ensayado: 1 ronda .. 94 Potencia de corte y energ a espec fica de corte .. 95 Rugosidad superficial .. 105 Ensayado: 2 ronda .. 111 Dise o y fabricaci n de una herramienta de torno asistida por vibraci n P g.

6 3 8. PRESUPUESTO _____ 113 Coste de dise o y edici n de la documentaci n .. 113 Coste de fabricaci n y obtenci n del prototipo .. 113 Coste de ensayado .. 115 9. IMPACTO AMBIENTAL _____ 116 CONCLUSIONES _____ 118 AGRADICIMIENTOS _____ 119 BIBLIOGRAF A _____ 120 Referencias bibliogr ficas .. 120 Dise o y fabricaci n de una herramienta de torno asistida por vibraci n P g. 5 1. INTRODUCCI N El mecanizado es un proceso de fabricaci n mec nica en que est n involucrados varios par metros y factores. Hablando por ejemplo de la calidad de acabado superficial de las piezas mecanizadas por arranque de viruta, est n: la velocidad de corte y avance, profundidad de la ltima pasada de desbaste y la de acabado, material de la herramienta y de la pieza procesada, filo de la cuchilla y la geometr a de la parte que efect a el corte, tipo de operaci n de mecanizado, uso de refrigerantes y las vibraciones.

7 De forma general, las vibraciones son indeseadas en las operaciones de mecanizado por arranque de viruta, puesto que las que aparecen en este proceso productivo son autoexcitadas y se denominan vibraciones chatter. Las vibraciones chatter son perjudiciales porque empeoran el acabado superficial y modifican las dimensiones, lo cual no favorece obtener tolerancias estrechas. Adem s, dejan marcas visibles sobre la superficie obtenida y acortan a la vida til de las herramientas de corte por sufrir desgaste elevado e irregular. Encima de eso, estas vibraciones pueden dar lugar a rupturas prematuras y repentinas de las herramientas de corte. Sobre todo cuando se fabrican de materiales fr giles dado que sufren choques o picos de esfuerzos.

8 Las vibraciones en m quina- herramientas de mecanizado por arranque de viruta pueden ser generadas por varias causas, tales como: Fuerzas de corte excesivas, debidas al uso de par metros de corte elevados, material de pieza de alta dureza, etc. El tama o y m todo de sujeci n de las piezas a mecanizar, puesto que pueden flexionar, abollar y vibrar si no se apoyan adecuadamente. Tolerancias amplias, holguras y juegos en los elementos de m quina- herramientas . Este efecto puede producirse tambi n por el desgaste de los elementos m viles que puede ser provocado por una inadecuada lubricaci n y engrase. El efecto de las vibraciones se empeora de forma considerable cuando se acerca la frecuencia de excitaci n a la frecuencia natural del sistema m quina-pieza- herramienta , ya que la velocidad de giro de la pieza o la herramienta , seg n de qu m quina se trata, que es la magnitud que determina la frecuencia de excitaci n, es variable y puede darse el caso de que coincida o est cerca de la frecuencia natural de alg n modo propio de este sistema.

9 Enfrente de las vibraciones chatter, es posible generar unas vibraciones beneficiosas y excitadas de forma controlada para aportar mejoras al mecanizado convencional, refiriendo con este a aquel que se lleva a cabo sin vibraci n, y no hace referencia al uso de m quinas convencionales, se trata del mecanizado asistido por vibraci n. P g. 6 Memoria Ambas vibraciones han sido motivo de investigaci n y han ocupado a los investigadores en los procesos de fabricaci n. De modo que se han desarrollado m todos pasivos y activos para eliminar las vibraciones chatter si fuera posible, o atenuarlas en caso contrario, consistentes en amortiguadores antichatter [51] [52].

10 De los trabajos publicados que tratan el efecto de vibraci n en el mecanizado, se menciona uno que pretende simular la topograf a superficial de un cilindrado con corte asistido por vibraci n [57]. Tambi n hay una tesis doctoral que analiza el taladrado en seco asistido por vibraciones de estructuras h bridas de aleaciones ligeras [58], y otros m s. Por otro lado, existen varios trabajos publicados y relacionados con el mecanizado por ultrasonidos, como la aplicaci n ultras nica en la perforaci n[15], entre otros [16] [17]. Pero, destaca no publicar informaci n sobre las herramientas hechas servir para los estudios del mecanizado no convencional, sobre todo para el torneado.