IK4-IDEKO desarrolla una nueva estrategia para mejorar de la productividad en piezas del sector aeronáutico mediante uniones amortiguadas

IK4-IDEKO desarrolla una nueva estrategia para mejorar la fabricación y la productividad de piezas de paredes delgadas y gran esbeltez mediante la modificación de sus módulos de unión. Estas son piezas clave en el sector aeronáutico, apuesta estratégica de la industria española. Las simulaciones llevadas a cabo en este trabajo muestran una mejora en la respuesta dinámica del utillaje cuando se introduce material viscoelástico en su base, aunque este punto no sea el que presente la máxima energía de deformación en la vibración del modo crítico. La pérdida de rigidez estática no es significativa ya que la flexibilidad que presentan estas piezas es de por sí muy elevada. La presente investigación está financiada por el proyecto PoPJIM (260048) del 7º Programa Marco europeo.

Uniones mecatrónicas para la mejora del comportamiento dinámico de la máquina

Tradicionalmente la inestabilidad de mecanizado se resuelve variando los parámetros de corte para ajustarlos en función de las limitaciones dinámicas de la máquina, dando lugar en muchos casos a un descenso de la productividad. Con las uniones mecatrónicas activas, sin embargo, son las características dinámicas de la máquina las que se ajustan en función del mecanizado a realizar.

El objetivo de estas uniones es el de mejorar el comportamiento dinámico de la máquina mediante el aumento del amortiguamiento y variación de la rigidez de las uniones de máquina. La unión mecatrónica activa proporciona amortiguamiento y rigidez variable en función del mecanizado a realizar. IK4-IDEKO participa en el proyecto europeo PoPJIM donde se desarrollan uniones mecatrónicas activas ("JIMs") para su integración en máquinas herramienta.
La unión activa consiste básicamente en una estructura tipo “sándwich” que se integra en la estructura de la máquina, con un actuador para la variación de la precarga de la unión, varios sensores para la medición de esta precarga y la monitorización del proceso y un material composite viscoleástico que proporciona las características de rigidez y amortiguamiento de la unión en función de la precarga.

IK4-IDEKO, se ha encargado de realizar la definición de los requisitos a satisfacer por las uniones activas y las operaciones objetivo a testar durante el proyecto. También participa en el diseño y validación de las uniones mecatrónicas activas y en la actividad de modelado de las uniones activas y la incorporación de este modelo al de la máquina completa por medio de la técnica de acoplamiento de subestructuras.

Las estructuras aeronáuticas presentan formas complejas y paredes de baja flexibilidad que, junto a la baja maquinabilidad de algunas aleaciones como el titanio, dificultan en gran medida el proceso de mecanizado. Esto es un factor crítico, debido al alto valor añadido que presentan habitualmente este tipo de piezas. El trabajo realizado por IK4-IDEKO presenta una nueva estrategia para mejorar la fabricación y la productividad de piezas de paredes delgadas y gran esbeltez mediante la modificación de sus uniones.

Problemática y estrategias de solución
En los procesos de fresado, las vibraciones generadas por el chatter plantean un grave problema que obstaculiza el proceso de corte y pone en peligro la calidad de la superficie de la pieza, limitando la vida tanto de la herramienta como de los componentes mecánicos de la máquina. Este efecto auto-excitado se origina por la regeneración del espesor de viruta que surge entre dos pasadas de filo consecutivas de la herramienta.

Con el fin de obtener mayores niveles de productividad, se han desarrollado métodos para la predicción de la estabilidad y diferentes estrategias para solucionar los problemas de chatter. Un enfoque consiste en modificar las condiciones de corte del proceso. Utilizando los diagramas de estabilidad como referencia, se pueden definir la velocidad de giro óptima de la herramienta que permita aumentar la capacidad de corte. Otras técnicas que actúan sobre las condiciones del proceso son la variación continua de la velocidad de corte, la variación del ángulo de la hélice de la herramienta o el paso no uniforme de la herramienta.

Una perspectiva diferente para hacer frente a los problemas de estabilidad se basa en el aumento de la rigidez dinámica de las estructuras a cortar mediante la introducción de amortiguadores pasivos y activos. Un amortiguador pasivo o absorbedor de vibración dinámica (DVA), es un dispositivo que introduce una fuerza de inercia gracias a una masa sintonizada, aumentando el amortiguamiento del sistema. Se han utilizado con éxito en utillajes para máquinas de fresado, reduciendo significativamente los niveles de vibración. Por el contrario, los amortiguadores activos miden la velocidad de vibración e introducen una fuerza controlada en fase y en la dirección opuesta, logrando un efecto similar al amortiguador pasivo.

Es bien sabido que la amortiguación de sistemas de múltiples componentes está prácticamente definida por las uniones estructurales. Esta característica ofrece la posibilidad de cambiar las propiedades dinámicas del sistema variando únicamente la rigidez y el amortiguamiento de sus uniones. Esta modificación de las características de la unión es efectiva cuando gran parte de la energía de deformación del modo de vibración crítico se concentra en la unión. De esta manera, las características dinámicas del sistema pueden ser mejoradas a través de sus uniones y sus valores se pueden modificar a través de una precarga controlada.

En este proyecto IK4-IDEKO estudia la capacidad de sintonización y el aumento de la estabilidad de corte de piezas esbeltas y de paredes delgadas introduciendo material viscoelástico (VEM) en las uniones más cercanas al punto de corte. La presente investigación, de cuatro años de duración, está financiada por el proyecto PoPJIM "Componentes Plug-and-Produce para control adaptativo", es de tipo colaborativo y se enmarca dentro del 7º Programa Marco de I+D, coordinado por el prestigioso centro sueco KTH de Estocolmo,  se compone de un consorcio de 10 partners de 7 países comunitarios compuesto por 6 socios industriales, 2 centros tecnológicos y 2 universidades.

Este proyecto encaja plenamente en las actividades desarrolladas en la línea de Dinámica y Control relacionadas con la eliminación de vibraciones en procesos de arranque de viruta y el diseño dinámico de estructuras por medio de metodología.