Estudio del mecanizado asistido por vibración

Abstract

The objective of this work is to analyze the influence of assisted vibration, VAM, in the process of turning steel. Initially, the surface finish generated in a lathe displacement is studied utilizing a geometric intersection software developed in Pascal programming language. The average and maximum roughness are calculated both linearly and superficially for different cutting parameters. The conclusion is synchronism between the vibration frequency and lathe spindle's speed reduce the roughness in the surface topography of the material. However, the values of the machining parameters are not easy to establish to generate synchronism on a conventional lathe.

Then, the VAM is analyzed by means of the finite element method, FEM, using explicit dynamics in the commercial software ANSYS. The 2D model is proposed and validated for conventional turning conditions; this model used as the basis for the study of assisted vibration simulating under different conditions of frequency and oscillation of the tool. It concluded that vibration assisted cutting reduces the value of the average force used in the cut.

Next, the energy efficiency of VAM turning is studied, using the specific cut-off energy, SCE, in the models assisted by vibration in EMF as an evaluation indicator. This indicator commonly used in the study of machining and therefore used as one of the validation variables of the conventional turning model. A comparison made through the specific relative cutting energy between machining using VAM and conventional cutting. It concluded that the machining by VAM is more energy-efficient than conventional machining, that it is even more if it vibrates in the direction of the cutting speed.

Then, the experimentation of the linear turning carried out using a new resonant tool that vibrates in the cutting direction; for this, the coil circuit configured to work in resonance with the tool. The coil vibrates the tool in its second natural mode and it oscillates in the direction of the cutting speed. Then proceed to carry out the tests on the lathe, the energy consumed by the lathe, the rate of material removed and the specific energy consumed is calculated. Finally, the results are analyzed and it concluded that the use of VAM reduces the specific energy consumed in the S235 alloy by an average of 13% and in the C45E 9%.

El objetivo de este trabajo es analizar la influencia de la vibración asistida, VAM, en el proceso de torneado de acero. Inicialmente se estudia el acabado superficial generado en un cilindrado por torno, por medio de un software de intersección geométrica elaborado en lenguaje de programación Pascal. Se calcula la rugosidad media y máxima de manera tanto lineal como superficial para diferentes parámetros de corte. La conclusión es que el sincronismo entre la frecuencia de vibración y la velocidad del husillo del torno reducen la rugosidad en la topografía superficial del material. Sin embargo, los valores de los parámetros de mecanizado no son fáciles de establecer para generar el sincronismo en un torno convencional. Luego, se analiza el VAM por medio del método de elementos finitos, FEM, utilizando dinámica explicita en el software comercial ANSYS. Se plantea y valida el modelo 2D para las condiciones de torneado convencional, este modelo se utiliza como base para el estudio de vibración asistida simulando bajo diferentes condiciones de frecuencia y oscilación de la herramienta. Se concluye que el corte asistido por vibración reduce el valor de la fuerza media utilizada en el corte. A continuación, se estudia la eficiencia energética del torneado con VAM, utilizando como indicador de evaluación la energía especifica de corte, SCE, en los modelos asistidos por vibración en FEM. Este indicador es de uso común en el estudio de mecanizados y por tanto es utilizado como una de las variables de validación del modelo de torneado convencional. Se realiza una comparación por medio de la energía específica de corte relativa entre un mecanizado utilizando VAM y un corte convencional. Se concluye que el mecanizado por VAM es más eficiente energéticamente y que lo es aún más si vibra en la dirección de la velocidad de corte. Después, se realiza la experimentación del torneado lineal utilizando una nueva herramienta resonante que vibra en la dirección de corte, para ello, se configura el circuito de la bobina para trabajar en resonancia con la herramienta. La bobina hace vibrar la herramienta en su segundo modo natural y esta oscila en la dirección de la velocidad de corte. Luego, se realizan los ensayos en el torno, se mide la energía consumida por el torno, la tasa de material removido y se calcula la energía especifica consumida. Finalmente, se analizan los resultados y se concluye que el uso del VAM reduce la energía específica consumida en la aleación de acero S235 un promedio de 13% y en el C45E un 9%. Palabras clave: vibración asistida, mecanizado, energía específica de corte, energía específica consumida, método de elementos finitos, acabado superficial.