Modelización de las vibraciones laterales de baja frecuencia en procesos de taladrado

Resumen

En esta tesis se desarrolla un modelo para la predicción de la estabilidad del proceso de taladrado frente a vibraciones laterales de baja frecuencia. El taladrado es una de las últimas operaciones en realizarse en la fabricación de una pieza, cuando esta tiene un alto valor añadido. Por ello, es de gran interés estudiar las fuentes de error, que dan lugar a la generación de agujeros que no cumplan con los requerimientos. Una de las principales fuentes de error en taladrado son las vibraciones, que se pueden clasificar en dos grupos: (1) chatter (lateral y de torsión-axial), que se excita a frecuencias cercanas a la frecuencia natural del sistema y (2) vibraciones laterales de baja frecuencia, conocidas como whirling, que se excitan a frecuencias relacionadas con la frecuencia de giro. El chatter provoca la generación de agujeros con fondo ondulado y la aparición de las vibraciones de whirling tiene como consecuencia la generación de agujeros lobulados. El presente trabajo se centra en el estudio y modelización de las vibraciones whirling en taladrado y en la predicción de la estabilidad del proceso frente a dichas vibraciones. La modelización de las vibraciones de whirling se ha llevado a cabo a partir de la ecuación del movimiento lateral del centro de la broca y de la predicción de las fuerzas que actúan sobre ella. En cuanto a las fuerzas de taladrado, se considera la aplicación de fuerzas en dos zonas de la broca: los filos principales y el filo transversal. Las fuerzas generadas en cada región se descomponen a su vez en: fuerzas de corte y fuerzas de amortiguamiento del proceso. Para la predicción de las fuerzas de corte aplicadas en los filos principales, se propone un modelo de fuerzas de corte que tiene en cuenta la variación de la geometría y de las fuerzas de corte específicas a lo largo de los filos. Se lleva a cabo una discretización de la zona del filo involucrada en el corte y, en base a los ángulos de corte y teniendo en cuenta el efecto regenerativo de la vibración, se predicen las fuerzas de corte en cada elemento empleando un modelo de corte oblicuo. Con objeto de calcular la fuerza de corte total, se lleva a cabo un sumatorio de las fuerzas aplicadas sobre cada elemento de cada filo. Para calcular las fuerzas de amortiguamiento del proceso, se emplea un modelo que tiene en cuenta la variación de la geometría de la cara de incidencia a lo largo de los filos principales. Se calcula el volumen de material de pieza comprimido bajo la cara de incidencia y las fuerzas de amortiguamiento del proceso, que se consideran proporcionales a dicho volumen. Para la predicción de las fuerzas actuantes en el filo transversal, se considera también la generación de fuerzas de corte y de amortiguamiento del proceso. Para el cálculo de las fuerzas de corte en el filo transversal, se modeliza esta zona como una cuña rígida y se emplea un modelo de corte ortogonal. Las fuerzas de amortiguamiento del proceso en el filo transversal se predicen en base a un modelo de la bibliografía. La predicción de los límites de estabilidad del proceso de taladrado frente a vibraciones de whirling se basa en el análisis de la ecuación del movimiento lateral de la broca. Se proponen dos metodologías para realizar dicho análisis. En primer lugar, se presenta una nueva metodología basada en el estudio de la ecuación del movimiento en el dominio de la frecuencia aplicable al análisis del taladrado con agujero previo. La segunda metodología se basa en la teoría de semi-discretización de ecuaciones diferenciales con retardo y es aplicable al estudio de la estabilidad de taladrado enterizo y con agujero previo. La modelización se ha validado experimentalmente a través de ensayos de taladrado. Comparando los resultados obtenidos y las predicciones del modelo, se concluye que el modelo predice de forma adecuada la aparición de vibraciones de whirling.