Guías lineales y rodamientos para mesas giratorias con amortiguación de vibraciones

Guías lineales y rodamientos para mesas giratorias
con amortiguación de vibraciones

En las fresadoras, tornos, rectificadoras, taladradoras, centros de mecanizado y otras máquinas-herramienta, la rigidez es un factor fundamental para conseguir una calidad de producto adecuada y alcanzar elevados niveles de precisión. Para garantizar la rigidez de una máquina, la amortiguación de las vibraciones es un factor clave. La causa de muchas de estas vibraciones se encuentra en los componentes de maquinaria. En el Grupo SCHAEFFLER trabajan para encontrar soluciones innovadoras que contribuyan a amortiguar las vibraciones de los sistemas de guiado lineal o de los rodamientos de mesas giratorias, contribuyendo a su vez a una disminución de los efectos de las vibraciones y asegurando una calidad óptima del producto final

La capacidad de convertir las actuales tendencias tecnológicas en unos productos competitivos es un requisito cada vez más importante para los fabricantes de la máquina-herramienta. Ello es especialmente válido para la mecanización de alto rendimiento, mecanización en seco con lubricación con cantidades mínimas, mecanización de materiales de alta dureza, mecanización de precisión de piezas templadas con definición geométrica del disco de corte (con lo que se elimina el proceso de rectificado), flexibilidad, sistemas de producción reconfigurables y mecanización completa (reduciendo la cadena de procesos).

Entre los objetivos clásicos figuran el aumento de la productividad y la disminución de los costes de producción optimizando, al mismo tiempo, la precisión de la pieza y la calidad superficial.

A su vez, se pretende limitar la variedad de piezas gracias a un diseño modular, optimizar los costes de las piezas y aumentar la flexibilidad en lo referente a las cantidades y tecnologías en el caso de nuevos tipos de piezas. El desarrollo de nuevas herramientas y materiales de corte para el mecanizado de alto rendimiento con arranque de viruta, ha sido un paso importante para aumentar considerablemente las velocidades de corte y mecanización y, con ello, la productividad.

Puesto que se puede contar en este ámbito con claros avances en comparación con los últimos diez años, cobrará especial protagonismo la reducción de los tiempos de mecanizado y tiempos muertos al aumentar los avances y las secciones de corte, así como al desarrollar herramientas combinadas para reducir los cambios de las mismas y realizar la mecanización dura. Las mayores cargas resultantes para la máquina deberán garantizarse mediante una rigidez y velocidad del husillo adecuadas, a fin de aprovechar plenamente el potencial de las herramientas y materiales de corte.

La rigidez dinámica y estática que resultan del diseño y de la forma de los diferentes componentes de la máquina así como la técnica de reglaje del control de los componentes del accionamiento constituyen la base para el adecuado rendimiento de una máquina-herramienta.

El proceso de mecanización propicia constantemente la generación de vibraciones en la estructura de la máquina-herramienta a causa de las fuerzas de mecanización periódicas, lo que puede repercutir negativamente en el resultado de la calidad de la mecanización, al excitarse una frecuencia propia de la estructura de la máquina. En este contexto, puede evidenciarse un inconveniente del sistema de guiado: la ausencia de la propiedad de amortiguación.

La precisión de una máquina-herramienta se define en base a las desviaciones geométricas y cinemáticas del punto central de la herramienta (Tool-Point-Center "TCP") en un movimiento de trabajo definido. Las desviaciones son generadas por las fuerzas de proceso que tienen efectos estáticos y dinámicos. Las fuerzas de proceso estáticas, como el peso de la pieza o las fuerzas de corte con efecto estático, repercuten en la precisión geométrica de la pieza a mecanizar en función de la rigidez estática de la máquina. Las fuerzas de proceso dinámicas propician la generación de vibraciones en la máquina-herramienta. De ello resultan, en función de la propiedad dinámica de la máquina, consecuencias en la calidad superficial de la pieza así como para el desgaste de la herramienta.

Vibraciones de excitación independiente

Vibraciones armónicas

Desequilibrio, defectos del rodamiento

Excitación en forma de impulso

Corte interrumpido, impactos medibles de engrane, sacudidas desde el exterior

Vibraciones autoexcitadas

Efecto regenerador, acoplamiento entre capas, formación de la estructura de corte

Debido a la rigidez finita de la máquina-herramienta y a las fluctuaciones inevitables de las fuerzas de corte en la mecanización con arranque de viruta, es imposible evitar las vibraciones autoexcitadas. Con mucha frecuencia, se producen también excitaciones ocasionadas por los impactos de engrane o por el corte interrumpido. Mientras que es relativamente sencillo calcular con precisión las rigideces estáticas y/o los desplazamientos resultantes de los componentes en la transmisión de fuerza, hay muchos factores en la determinación de la rigidez dinámica que resultan más difíciles de evaluar. Sobre todo son las influencias desconocidas de amortiguación de los puntos de acoplamiento las que producen unas desviaciones importantes entre el cálculo y la realidad.

Llama la atención, sin embargo, que a ello contribuyen también, con un 15%, las "vibraciones de proceso" de los ejes. El motivo para ésta es la falta de rigidez de los husillos de accionamiento y/o su acoplamiento a la construcción anexa (soporte del rodamiento). En estos casos, el bloque amortiguador de película delgada, RUDS, no resulta eficaz.

Cuando se aumenta la rigidez estática de los componentes o de los elementos de guiado (incorporando adicionalmente un carro o aumentando la precarga), se obtiene un valor más alto de la frecuencia propia del sistema. Con ello se impide la excitación en un determinado punto de funcionamiento dinámico de la máquina. Ello se puede conseguir también en el lado del excitador, es decir, de la herramienta o del proceso, mediante el diseño constructivo y la variación de las revoluciones y de la velocidad de corte. Se puede aumentar por el factor 2, por ejemplo, la sección de corte límite al distribuir de forma irregular los filos en el perímetro de la herramienta sin modificar las demás condiciones. En condiciones desfavorables (avance lento con el eje en máxima posición avanzada), la pulsación de carrera de los sistemas de guiado lineal que resulta de la entrada y salida de los elementos rodantes, pueden influir negativamente en la superficie de la pieza a mecanizar. Mediante una geometría de rodadura optimizada en el cuerpo soporte del carro se puede minimizar el valor para la pulsación de carrera. SCHAEFFLER ha reconocido con antelación las consecuencias y ha modificado los carros correspondientemente en sus nuevas generaciones de sistemas lineales XLife RUE E y KUVE B.

Otra posibilidad para reducir las vibraciones en las máquinas-herramienta, sobre todo de forma preventiva, consiste en aplicar un sistema de amortiguación en la herramienta y/o en la estructura de la máquina. Hay que distinguir entre sistemas de amortiguación activos y pasivos. Mientras que en los sistemas de amortiguación pasivos se suelen acoplar masas adicionales al componente vibratorio a través de elementos de amortiguación de muelles que transforman la energía vibratoria en calor de fricción, en los sistemas de amortiguación activos se introduce energía externa fuera de fase (que contrasta con la vibración del componente).

La forma más sencilla en la que se acopla una masa adicional a través de un muelle, reduce la frecuencia resonante del sistema completo, pero inicia al mismo tiempo otra frecuencia natural debido a una masa adicional. No obstante, esto puede tener efectos negativos en otro punto de funcionamiento dinámico de la máquina. Las amplitudes de la vibración apenas varían. Cuando se acopla la masa adicional a través de un elemento de amortiguación de muelle (amortiguador de masa auxiliar) también se genera una frecuencia natural adicional, sin embargo, las amplitudes están a un nivel mucho más bajo. Las masas adicionales que se acoplan solamente a través de un elemento amortiguador no inducen ninguna frecuencia resonante adicional, con lo cual se reducen claramente las amplitudes de las vibraciones.

Mientras que los sistemas arriba comentados funcionan de forma óptima sólo en un punto de funcionamiento dinámico de la máquina y en la posición correcta, los sistemas de amortiguación activos y regulados pueden tener efecto en todo el área de trabajo. Tal y como se menciona al principio, la división de Técnica Lineal del Grupo Schaeffler ofrece la posibilidad de amortiguar con eficacia las vibraciones de los componentes en la estructura de perfil ligero de un carro con el bloque amortiguador RUDS. No obstante, el elemento amortiguador debe colocarse en el lugar de máximo desplazamiento, a fin de tener el mejor efecto en el caso de las vibraciones de flexión. Para ello es necesario conocer muy bien los modos de vibraciones.

Los elementos de amortiguación pasivos como, por ejemplo, el bloque amortiguador RUDS o los amortiguadores activos, permiten reducir con eficacia las vibraciones de las máquinas-herramienta y aumentar, con ello, la calidad de la mecanización y el volumen de la mecanización con arranque de viruta. Para ello es necesario, en cualquier caso, montar elementos y masas adicionales, y el funcionamiento de un amortiguador activo requiere unos ajustes técnicos de control importantes. Actualmente, se suelen montar sistemas de guiado lineal para apoyar a los ejes, por su montaje sencillo y el diseño constructivo estandarizado, la elevada densidad de potencia y rigidez, la ausencia de juego y las altas velocidades alcanzables.

Una guía hidrostática, en cambio, ofrece unas propiedades excelentes de amortiguación, pero con la desventaja de unos costes más elevados y de un montaje de mayor complejidad. Asimismo, las guías hidrostáticas requieren unas construcciones anexas mucho más complejas, sistemas de realimentación de aceite y unas estructuras constructivas complicadas, puesto que se suele tratar de diseños propios de los fabricantes de máquinas-herramienta.

Eso hace que surja la siguiente pregunta: ¿Es posible combinar las ventajas de los sistemas de guiado lineal, como el volumen compacto, el diseño constructivo normalizado y las dimensiones normalizadas de conexión, con las excelentes propiedades de amortiguación de la guía hidrostática? ¿Y es posible fabricar una guía hidrostática compacta con la que se pueda reemplazar un sistema de guiado lineal y que tenga las mismas dimensiones de conexión y la misma estructura de perfil ligero?

El Grupo Schaeffler Industrial presentó en la EMO 2005 un primer estudio de la guía hidrostática compacta y dio una demostración de las excelentes propiedades de amortiguación en una medición en línea. El sistema ha sido perfeccionado y presentado en la EMO 2007.

El perfil modificado de la guía resultó del cuerpo soporte cuya rigidez ha sido optimizada. En este contexto cabe mencionar que el cuerpo soporte está equipado con una obturación completa que impide que el aceite que rebosa del espacio de presión, salga al exterior. El retorno del aceite sin presión se efectúa en el lado de aspiración. Se pretende suministrar al cliente una unidad lista para el montaje cuyo control hidráulico (bloque regulador) esté integrado en el cabezal y que se ajuste en la planta del fabricante.

Con el desarrollo de una guía compacta hidrostática estandarizada (Figura 2), el Grupo Schaeffler Industrial ha logrado combinar las propiedades de amortiguación hidrostáticas con la estructura compacta del clásico sistema de guiado lineal. Con ello, los fabricantes de las máquinas-herramienta tienen ahora la posibilidad de obtener diferentes clases de rendimiento en las máquinas-herramienta sin modificar el concepto de máquina. La guía compacta hidrostática, que se suministra preajustada y lista para el montaje, puede sustituir sin dificultad el sistema de guiado lineal convencional del mismo tamaño, gracias a las medidas de montaje y al volumen constructivo idénticos. De ello resultan unos esfuerzos de diseño claramente reducidos. Los otros ejes pueden equiparse con los sistemas de guiado lineal. En las máquinas híbridas, se pueden combinar los sistemas de guiado con elementos rodantes y las guías hidrostáticas compactas.

En los centros de mecanizado, para garantizar la precisión necesaria y la calidad superficial de las piezas mecanizadas, es importante también mitigar las vibraciones en las mesas giratorias. De acuerdo con los últimos avances tecnológicos, las mesas giratorias de hoy en día suelen estar equipadas con unos rodamientos listos para el montaje. Este tipo de rodamiento permite una elevada rigidez del conjunto, para así poder mecanizar las piezas con precisión y estabilidad dimensional incluso cuando se aplican unas fuerzas de mecanizado importantes. Sin embargo, debido a su construcción extremadamente rígida, estos rodamientos disponen de unas propiedades reducidas de amortiguación de vibraciones. SCHAEFFLER llevó a cabo un proyecto de desarrollo para encontrar posibilidades con las que dotar a las mesas giratorias altamente rígidas y apoyadas en rodamientos, de unas buenas propiedades de amortiguación de vibraciones.

Ello provoca que el aceite del espacio estrecho sea desplazado continuamente y aspirado de nuevo. La energía necesaria para este proceso sirve para amortiguar las vibraciones ocasionadas por él.

Tanto los resultados de cálculo como las mediciones que se han realizado con un prototipo montado en una mesa giratoria demuestran que se pueden conseguir unos valores de amortiguación impresionantes pese a contar con un rodamiento extremamente rígido.

En las mediciones, el plato de torno de la mesa giratoria ha sido excitado a través de un impulso y se ha medido la vibración mediante unos sensores de aceleración a lo largo del tiempo. La Figura 4 muestra los resultados de la medición. Ahí se representa, para el mismo montaje de prueba y una vez con y otra vez sin amortiguador, la curva de las amplitudes de vibraciones a través del tiempo. La comparación permite ilustrar gráficamente el efecto amortiguador. En la variante con el elemento amortiguador, las amplitudes son claramente más bajas con la misma excitación y se compensan rápidamente mediante amortiguación durante el tiempo en cuestión, de modo que no pueden repercutir en el resultado de mecanización.

Es posible obtener unas excelentes propiedades de amortiguación gracias al elemento amortiguador de vibraciones adicional y adaptado al rodamiento para mesas giratorias, sin mermar la rigidez estática de la mesa giratoria. Con ello se garantiza: una buena calidad superficial de las piezas mecanizadas y unos resultados de mecanización precisos y dimensionalmente estables.

Asimismo, ha sido posible mitigar el efecto de las vibraciones en maquinaria de mecanizado con arranque de viruta gracias al uso de las nuevas guías hidrostáticas compactas, con las mismas características que los sistemas de guiado convencionales y el mismo diseño constructivo.