Modelamiento dinámico del proceso de torneado incorporando los efectos de Process Damping

Abstract

La aplicación de la dinámica estructural en la manufactura tradicional (torneado, fresado, entre otros ) ha permitido predecir la ocurrencia de vibraciones catastróficas o chatter en la herramienta durante un proceso de corte. Esto posibilita mejorar los parámetros de corte de manera de incrementar la tasa de remoción de material (MRR) sin que dañe a la herramienta o a la pieza trabajada. El Process Damping corresponde al amortiguamiento que se agrega al sistema debido a las fuerzas de fricción que se generan en la interacción entre una de las caras de la herramienta y la superficie ondulada de la pieza de trabajo. Este amortiguamiento permite aumentar la estabilidad durante el proceso de corte a bajas velocidades. El objetivo del presente trabajo es incorporar este fenómeno a modelos numéricos de un proceso de torneado a través de parámetros de la herramienta y condiciones de operación dadas (velocidad de corte y profundidad de corte). En la primera parte de este reporte se presentan las bases teóricas para los dos modelos dinámicos desarrollados: la simulación de las vibraciones y fuerzas de corte en el dominio temporal; y un modelo en el dominio de frecuencias que permita la obtención de los diagramas de estabilidad. La principal contribución del trabajo corresponde a la incorporación de Process Damping a los dos modelos dinámicos desarrollados para el proceso de torneado. El método usado se basó en la energía disipada durante el corte, donde los dos factores más importantes para la modelación de Process Damping fueron el coeficiente de indentación y la identificación del área de penetración durante el proceso de corte. Se realizó un análisis de sensibilidad del fenómeno de Process Damping ante distintas condiciones de operación y propiedades del material y herramienta. Luego, se analizó los dos modelos para tres tests declarados desde la literatura. Por último, se estudió que las simulaciones en el dominio temporal se complementaran con el diagrama de estabilidad generado por la simulación en el dominio de frecuencias. Para cada test se analizaron los diagramas de estabilidad obtenidos, y los gráficos de desplazamiento de la herramienta y fuerzas de corte para casos específicos, donde se observó gráficamente la influencia de la fuerza de Damping en el corte. Entre el Test #1 y Test #2 se identificó el efecto del radio de punta de la herramienta en el diagrama de estabilidad, y entre el Test #3 y los otros dos Tests se analizó la diferencia del efecto de Process Damping entre el aluminio y el acero, respectivamente. Finalmente, a partir de los resultados exhibidos se validaron los dos modelos dinámicos propuestos que incluyen los efectos del Process Damping en el torneado, permitiendo predecir las zonas de estabilidad a bajas velocidades de corte para condiciones de operación dadas. El presente trabajo de investigación se realizó en el Centro de Manufactura Avanzada de la Universidad de Sheffield, en el grupo de Machining Dynamics del área de proyectos tecnológicos.