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

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 operaciones más frecuentes en el sector aeronáutico y en el sector de automoción, en los que los requerimientos de toleran...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Jiménez-Zabaleta, A. (Amaia)|||/items/1e97811a-1f91-4803-be0e-ea52b1d3442d
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2017
País:España
Institución:Universidad de Navarra
Repositorio:Dadun. Depósito Académico Digital de la Universidad de Navarra
Idioma:español
OAI Identifier:oai:dadun.unav.edu:10171/45709
Acceso en línea:https://hdl.handle.net/10171/45709
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Vibraciones.
Taladrado.
Modelización.
Whirling
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description 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 operaciones más frecuentes en el sector aeronáutico y en el sector de automoción, en los que los requerimientos de tolerancias y acabados superficiales son exigentes. El taladrado es a menudo una de las últimas operaciones en realizarse en el proceso de fabricación de una pieza, cuando dicha pieza tiene incorporada la mayor parte de su valor añadido. En consecuencia, si uno o varios agujeros no cumplen con las tolerancias de dimensión, de forma o de integridad superficial, la penalización económica que supone la rectificación de dichos errores es muchas veces muy alta y la pieza puede ser desechada, lo cual, a su vez, implica un alto coste extra. Por ello, es de gran interés estudiar las posibles fuentes de error en taladrado, que dan lugar a la generación de agujeros con errores de forma que no cumplan con los requerimientos deseados. Una de las principales fuentes de error en taladrado es la aparición de vibraciones durante el proceso de corte. Las vibraciones que se generan en estas operaciones se pueden clasificar en dos grupos: (1) vibraciones de chatter (lateral y de torsión-axial), que se excitan a frecuencias cercanas a la frecuencia natural del sistema y (2) vibraciones laterales de baja frecuencia, conocidas como whirling en la bibliografía, que se excitan a frecuencias relacionadas con la frecuencia de giro de la broca. Las vibraciones de chatter provocan la generación de agujeros en los que la superficie del fondo es ondulada y una disminución de la calidad superficial de los agujeros. En cambio, la aparición de las vibraciones de whirling tiene como consecuencia la generación de agujeros con perfiles de forma lobulada. El presente trabajo se centra en el estudio y modelización de las vibraciones laterales de baja frecuencia (whirling) en taladrado y en la predicción de la estabilidad del proceso frente a dichas vibraciones de whirling en función de las condiciones de corte (avance, velocidad de giro y profundidad de corte). La modelización del proceso permite determinar las condiciones de corte para las cuales no se producen vibraciones de baja frecuencia sin tener que recurrir al método de prueba y error. La modelización de las vibraciones de baja frecuencia en taladrado se ha llevado a cabo a partir de la deducción de la ecuación del movimiento lateral del centro de la broca y de la predicción de las fuerzas que actúan sobre la herramienta. En cuanto a las fuerzas de taladrado que actúan sobre la herramienta, en esta tesis se considera la aplicación simultánea de fuerzas en dos zonas diferentes de la broca: (1) los filos principales y (2) el filo transversal. Las fuerzas generadas en cada región se pueden descomponer a su vez en: (1) fuerzas de corte debidas al arranque de material de la pieza de trabajo y (2) 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 de la broca y de las fuerzas de corte específicas a lo largo de los filos principales. Se lleva a cabo una discretización de la zona del filo involucrada en el corte, que se divide en elementos de corte discretos de igual tamaño. En base a las expresiones de los ángulos de corte y teniendo en cuenta la influencia del efecto regenerativo de la vibración en la variación del área de corte, se predicen las fuerzas de corte que actúan sobre cada elemento de la discretización empleando un modelo de corte oblicuo. Con objeto de calcular la fuerza de corte total que se aplica sobre la broca, se lleva a cabo un sumatorio de las fuerzas de corte aplicadas sobre cada elemento de cada filo de la herramienta. Con objeto de calcular las fuerzas de amortiguamiento del proceso, en esta tesis 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. En base a dicha geometría, se calcula el volumen de material de pieza comprimido bajo la cara de incidencia y, a su vez, 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 debidas al corte y al fenómeno de amortiguamiento del proceso. Para el cálculo de las fuerzas de corte en el filo transversal, se modeliza esta zona de la herramienta como una cuña rígida y se emplea un modelo de corte ortogonal. Por su parte, 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 laterales de baja frecuencia se basa en el análisis de la ecuación del movimiento lateral de la broca. En esta tesis, se proponen dos metodologías para llevar a cabo 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. Esta metodología es aplicable al análisis de la estabilidad del taladrado con agujero previo. La segunda metodología se basa en la teoría de semi-discretización temporal de ecuaciones diferenciales con retardo. Esta metodología es aplicable al estudio de la estabilidad en los casos de taladrado enterizo y con agujero previo. Las dos metodologías propuestas permiten predecir la aparición de vibraciones de baja frecuencia en función de las condiciones de corte (avance, velocidad de giro y profundidad de corte). Finalmente, la modelización de las vibraciones laterales de baja frecuencia se ha validado experimentalmente a través de ensayos de taladrado enterizo y con agujero previo. En base a la comparación entre los resultados obtenidos en dichos ensayos y las predicciones del modelo propuesto, se puede concluir que el modelo predice de forma adecuada la aparición de vibraciones de whirling en función de las condiciones de corte, así como las frecuencias a las que se excitan dichas vibraciones.
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En consecuencia, si uno o varios agujeros no cumplen con las tolerancias de dimensión, de forma o de integridad superficial, la penalización económica que supone la rectificación de dichos errores es muchas veces muy alta y la pieza puede ser desechada, lo cual, a su vez, implica un alto coste extra. Por ello, es de gran interés estudiar las posibles fuentes de error en taladrado, que dan lugar a la generación de agujeros con errores de forma que no cumplan con los requerimientos deseados. Una de las principales fuentes de error en taladrado es la aparición de vibraciones durante el proceso de corte. Las vibraciones que se generan en estas operaciones se pueden clasificar en dos grupos: (1) vibraciones de chatter (lateral y de torsión-axial), que se excitan a frecuencias cercanas a la frecuencia natural del sistema y (2) vibraciones laterales de baja frecuencia, conocidas como whirling en la bibliografía, que se excitan a frecuencias relacionadas con la frecuencia de giro de la broca. Las vibraciones de chatter provocan la generación de agujeros en los que la superficie del fondo es ondulada y una disminución de la calidad superficial de los agujeros. En cambio, la aparición de las vibraciones de whirling tiene como consecuencia la generación de agujeros con perfiles de forma lobulada. El presente trabajo se centra en el estudio y modelización de las vibraciones laterales de baja frecuencia (whirling) en taladrado y en la predicción de la estabilidad del proceso frente a dichas vibraciones de whirling en función de las condiciones de corte (avance, velocidad de giro y profundidad de corte). La modelización del proceso permite determinar las condiciones de corte para las cuales no se producen vibraciones de baja frecuencia sin tener que recurrir al método de prueba y error. La modelización de las vibraciones de baja frecuencia en taladrado se ha llevado a cabo a partir de la deducción de la ecuación del movimiento lateral del centro de la broca y de la predicción de las fuerzas que actúan sobre la herramienta. En cuanto a las fuerzas de taladrado que actúan sobre la herramienta, en esta tesis se considera la aplicación simultánea de fuerzas en dos zonas diferentes de la broca: (1) los filos principales y (2) el filo transversal. Las fuerzas generadas en cada región se pueden descomponer a su vez en: (1) fuerzas de corte debidas al arranque de material de la pieza de trabajo y (2) 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 de la broca y de las fuerzas de corte específicas a lo largo de los filos principales. Se lleva a cabo una discretización de la zona del filo involucrada en el corte, que se divide en elementos de corte discretos de igual tamaño. En base a las expresiones de los ángulos de corte y teniendo en cuenta la influencia del efecto regenerativo de la vibración en la variación del área de corte, se predicen las fuerzas de corte que actúan sobre cada elemento de la discretización empleando un modelo de corte oblicuo. Con objeto de calcular la fuerza de corte total que se aplica sobre la broca, se lleva a cabo un sumatorio de las fuerzas de corte aplicadas sobre cada elemento de cada filo de la herramienta. Con objeto de calcular las fuerzas de amortiguamiento del proceso, en esta tesis 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. 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En primer lugar, se presenta una nueva metodología basada en el estudio de la ecuación del movimiento en el dominio de la frecuencia. Esta metodología es aplicable al análisis de la estabilidad del taladrado con agujero previo. La segunda metodología se basa en la teoría de semi-discretización temporal de ecuaciones diferenciales con retardo. Esta metodología es aplicable al estudio de la estabilidad en los casos de taladrado enterizo y con agujero previo. Las dos metodologías propuestas permiten predecir la aparición de vibraciones de baja frecuencia en función de las condiciones de corte (avance, velocidad de giro y profundidad de corte). Finalmente, la modelización de las vibraciones laterales de baja frecuencia se ha validado experimentalmente a través de ensayos de taladrado enterizo y con agujero previo. 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