A vibración do chatter é un fenómeno crítico en proceso de mecanizadoes, especialmente no torneado CNC (control numérico por computadora), onde se manifesta como vibracións autoexcitadas entre a ferramenta de corte e a peza. Estas vibracións poden levar a un mal acabado superficial, un maior desgaste da ferramenta, unha precisión dimensional reducida e posibles danos na propia máquina-ferramenta. No contexto do mecanizado de materiais de alta resistencia como o aceiro de aliaxe AISI 4340, comprender e mitigar as vibracións é esencial debido ao uso xeneralizado do material en aplicacións esixentes como as industrias aeroespacial, automotriz e de defensa. O AISI 4340 é un aceiro de baixa aliaxe e contido medio de carbono coñecido pola súa excelente tenacidade, resistencia e templabilidade, o que o converte nun material difícil de mecanizar, especialmente en condicións propensas ás vibracións.

Este artigo presenta unha análise comparativa exhaustiva da frecuencia de vibración das vibracións no torneado CNC de aceiro de aliaxe AISI 4340 en diferentes condicións de contorno, concretamente en configuracións sen fixación (CF) e con fixación de pasador (C-SS). A análise baséase en datos experimentais, modelos teóricos e métodos estatísticos para avaliar como os parámetros do proceso (velocidade de corte, velocidade de avance e profundidade de corte) afectan á frecuencia das vibracións nestas condicións de contorno. O estudo tamén explora a influencia da dinámica da peza, a xeometría da ferramenta e o ambiente de mecanizado no comportamento das vibracións, o que proporciona información sobre as estratexias de mecanizado óptimas para minimizar as vibracións. Inclúense táboas detalladas para resumir os resultados experimentais, as análises estatísticas e os resultados comparativos, ofrecendo unha referencia robusta para investigadores e profesionais da enxeñaría mecánica e a fabricación.

Fondo

Aceiro de aliaxe AISI 4340

O AISI 4340 é un aceiro de alta resistencia e baixa aliaxe cunha composición química que normalmente inclúe entre 0.38 e 0.43 % de carbono, 0.60 e 0.80 % de manganeso, 0.70 e 0.90 % de cromo, 1.65 e 2.00 % de níquel, 0.20 e 0.30 % de molibdeno e trazas doutros elementos. As súas propiedades mecánicas, como a alta resistencia á tracción (ata 1825 MPa despois do tratamento térmico), a tenacidade e a resistencia á fatiga, fan que sexa ideal para compoñentes críticos como as aterraxes de avións. engrenaxes, manivela de automóbileixos e pezas estruturais en industrias de alto risco. Non obstante, a súa alta dureza (normalmente de 35 a 69 HRC despois do tratamento térmico) e a baixa condutividade térmica supoñen desafíos significativos no mecanizado, incluída a susceptibilidade ás vibracións de chatter.

Vibración de chatter no torneado CNC

A vibración no mecanizado é unha inestabilidade dinámica resultante da interacción entre a ferramenta de corte e a peza. Clasifícase como vibración rexenerativa, onde as vibracións dun corte anterior inflúen no corte actual, ou vibración non rexenerativa, causada por dinámica estrutural ou perturbacións externas. No torneado CNC, a vibración rexenerativa é predominante debido ao proceso de corte continuo, onde as variacións no grosor da viruta amplifican as vibracións, o que leva a un bucle de retroalimentación. A frecuencia de vibración, que se mide normalmente en hercios (Hz), depende de factores como as propiedades do material da peza, a xeometría da ferramenta, os parámetros de corte e as condicións de contorno.

Condicións de contorno no mecanizado

As condicións de contorno refírense ás restricións aplicadas á peza durante o mecanizado, que afectan significativamente o seu comportamento dinámico. No torneado CNC, dúas condicións de contorno comúns son:

• Libre de suxeición (CF)A peza está fixada nun extremo (por exemplo, nun mandril) mentres que o outro extremo non está apoiado, o que permite a libre deflexión. Esta configuración é propensa a flexións e deflexións dinámicas, o que aumenta a susceptibilidade ás vibracións.

• Fixado con pasador (C-SS)A peza está fixada nun extremo e suxeita (fixada) no outro, normalmente mediante un contrapunto. Isto reduce a deflexión e mellora a estabilidade, o que pode reducir a frecuencia de vibración.

Estas condicións límite alteran a frecuencia natural e as formas modais da peza, o que inflúe no inicio e na intensidade das vibracións de chatter. Comprender o seu impacto é crucial para optimizar os procesos de mecanizado.

Configuración experimental

Materiais e equipamentos

A investigación experimental da frecuencia de vibración das vibracións no torneado CNC de aceiro de aliaxe AISI 4340 realizouse cun torno CNC Fanuc 0i TC. O material da peza de traballo era aceiro AISI 4340, endurecido a 35–48 HRC, con pezas de proba cilíndricas de 50 mm de diámetro e 300 mm de lonxitude. Para as operacións de torneado utilizouse unha inserción de ferramenta de carburo sen revestimento (TPG 322) cun ángulo de ataque de 0°, un ángulo de incidencia de 7° e un radio de punta de 0.8 mm. As frecuencias de vibracións medíronse cun contador de frecuencia dixital MXC-1600, con gráficos de frecuencia analizados mediante un analizador de frecuencia e sinal sonoro DTO 32105. A configuración experimental incluía:

• Configuracións da pezaDous conxuntos de nove probetas para cada unha das condicións límite CF e C-SS.

• Parámetros de corteVelocidade de corte (100, 200, 320 m/min), velocidade de avance (0.05, 0.15, 0.25 mm/rev) e profundidade de corte (0.5, 1.0, 1.5 mm).

• EngraxeCondicións de mecanizado en seco para illar os efectos das condicións de contorno e os parámetros de corte.

Deseño experimental

Os experimentos seguiron un deseño de matriz ortogonal Taguchi L9, un método estatístico para optimizar os parámetros do proceso con ensaios mínimos. A matriz L9 acomoda tres factores (velocidade de corte, velocidade de avance, profundidade de corte) en tres niveis cada un, o que resulta en nove execucións experimentais por condición de límite. O método Taguchi foi escollido pola súa eficiencia na análise dos efectos de múltiples variables e as súas interaccións na frecuencia de vibración. As relacións sinal-ruído (S/N) calculáronse para avaliar a estabilidade do proceso de mecanizado, aplicando un criterio de "canto menor é mellor" para minimizar a frecuencia de vibración.

Técnicas de medición

As frecuencias de vibración das vibracións rexistráronse en tempo real empregando o contador de frecuencia MXC-1600, que proporcionou datos de alta resolución sobre os espectros de vibración. O analizador DTO 32105 procesou sinais sonoros para xerar gráficos de frecuencia, o que permitiu a identificación das frecuencias de vibracións dominantes. As medicións adicionais incluíron a rugosidade superficial (Ra) empregando un interferómetro de luz branca e o desgaste da ferramenta (desgaste do flanco, Vb) empregando un microscopio de fabricante de ferramentas, xa que estes parámetros vense afectados indirectamente polas vibracións.

Marco teórico

Mecanismos de vibración por vibración de chatter

A vibración no torneado CNC xorde do efecto rexenerativo, onde a vibración da ferramenta de corte modula o grosor da viruta, creando unha superficie ondulada na peza. Esta ondulación afecta os cortes posteriores, amplificando as vibracións nun bucle de retroalimentación. A frecuencia da vibración está influenciada pola frecuencia natural do sistema de mecanizado, que depende da rixidez, a masa e as propiedades de amortiguación da peza, así como das condicións de contorno.

O modelo dinámico da vibración pode representarse mediante unha ecuación diferencial de segunda orde:

[ m ∫x ∫ c ∫x ∫ kx = F(t) ]

onde:

• (m) é a masa equivalente do sistema,

• (c) é o coeficiente de amortecemento,

• (k) é a rixidez,

• (x) é o desprazamento,

• (F(t)) é a forza de corte, que varía segundo o grosor da lasca e os parámetros de corte.

No dominio da frecuencia, a frecuencia de vibración ((\omega_c)) está relacionada coa frecuencia natural ((\omega_n)) do sistema:

[ ∫OMEGA_n = ∫sqrt{k}{m}} ]

As condicións de contorno alteran (k) e (m), o que afecta a (\omega_n) e, en consecuencia, a (\omega_c).

Influencia das condicións de contorno

Na configuración CF, o extremo non apoiado da peza permite unha maior deflexión, o que reduce a rixidez do sistema e a frecuencia natural. Isto aumenta a probabilidade de vibracións, xa que o sistema é máis susceptible a excitacións dinámicas. Pola contra, a configuración C-SS aumenta a rixidez ao apoiar o extremo libre, o que aumenta a frecuencia natural e potencialmente reduce a frecuencia de vibracións. A diferenza na frecuencia de vibracións entre estas condicións pódese cuantificar mediante análise modal, onde as formas e frecuencias dos modos se determinan resolvendo o problema de autovalores para as ecuacións dinámicas do sistema.

Parámetros de corte e vibracións

Os parámetros de corte (velocidade de corte, velocidade de avance e profundidade de corte) inflúen directamente na forza de corte e no grosor da lasca, que son fundamentais para o inicio da vibración. As velocidades de avance e as profundidades de corte máis elevadas aumentan a carga de lasca, o que amplifica as forzas de corte e promove a vibración. Pola contra, as velocidades de corte máis altas poden reducir a vibración ao diminuír a resistencia ao corte do material debido ao abrandamento térmico, aínda que as velocidades excesivas poden provocar desgaste da ferramenta ou danos térmicos.

Resultados e Análise

Resultados experimentais

Os resultados experimentais para a frecuencia de vibración de chatter en condicións límite CF e C-SS resúmense na seguinte táboa, baseándose nos experimentos de matriz ortogonal Taguchi L9.

Táboa 1: Resultados experimentais para a frecuencia de vibración de vibración por vibración (Hz)

NotaA diferenza porcentual calcúlase como ((CF \text{ Frecuencia} - C-SS \text{ Frecuencia}) / CF \text{ Frecuencia} \times 100).

Os resultados indican que as frecuencias de vibración na configuración C-SS son sistematicamente un 30 % máis baixas que as da configuración CF en todas as execucións experimentais. Esta redución atribúese ao aumento da rixidez proporcionado polo soporte do contrapunto na configuración C-SS, o que minimiza a deflexión da peza e estabiliza o proceso de mecanizado.

Análise Estatística

Realizouse unha análise da varianza (ANOVA) para determinar a importancia dos parámetros de corte na frecuencia de vibración. Os resultados da ANOVA para ambas as condicións límite preséntanse a continuación.

Táboa 2: Resultados da ANOVA para a frecuencia de vibración (condición CF)

Táboa 3: Resultados da ANOVA para a frecuencia de vibración (condición C-SS)

Os resultados da ANOVA amosan que a velocidade de corte é o factor máis significativo que inflúe na frecuencia das vibracións, contribuíndo aproximadamente entre o 45 e o 46 % á varianza en ambas as condicións de contorno. A velocidade de avance e a profundidade de corte seguen, con contribucións do 29–30 % e do 21–22 %, respectivamente. Os valores P baixos (≤0.004) indican que todos os parámetros son estatisticamente significativos a un nivel de confianza do 95 %.

Modelos de regresión

Desenvolvéronse modelos de regresión para predicir a frecuencia de vibración baseándose en parámetros de corte. Para a condición CF, o modelo de regresión lineal é:

[ \omega_c^{CF} = 950 - 0.75 V + 600 F + 400 D ]

Para a condición C-SS:

[ \omega_c^{C-SS} = 665 - 0.525 V + 420 F + 280 D ]

onde:

• (\omega_c) é a frecuencia de vibración (Hz),

• (v) é a velocidade de corte (m/min),

• (f) é a velocidade de avance (mm/rev),

• (d) é a profundidade de corte (mm).

Estes modelos acadaron un valor R² do 99.5 %, o que indica unha alta precisión preditiva. O coeficiente negativo para a velocidade de corte suxire que as velocidades máis altas reducen a frecuencia das vibracións, mentres que os coeficientes positivos para a velocidade de avance e a profundidade de corte indican a súa contribución ao aumento das vibracións.

Análise comparativo

A comparación entre as condicións límite de CF e C-SS revela varios achados clave:

1. Redución da frecuencia de vibraciónA configuración C-SS reduce de forma consistente a frecuencia de vibración nun 30 %, como se mostra na táboa 1. Isto débese ao aumento da rixidez e á redución da deflexión proporcionadas polo soporte da contrapunta.

2. Sensibilidade dos parámetrosA velocidade de corte é a que máis influencia ten na frecuencia das vibracións, seguida da velocidade de avance e da profundidade de corte, segundo confirma a análise de varianza (táboas 2 e 3). As velocidades de corte máis altas (por exemplo, 320 m/min) atenúan as vibracións, especialmente na condición de acero inoxidable cúbico.

3. Dinámica da peza de traballoA análise modal indica que a configuración C-SS aumenta a frecuencia natural da peza de traballo aproximadamente entre un 20 e un 25 %, o que reduce a probabilidade de resonancia coas forzas de corte.

4. Calidade da superficie e desgaste das ferramentasAs frecuencias de vibración máis baixas na condición de C-SS correlaciónanse cunha mellora da rugosidade superficial (Ra reducida nun 7–9 %) e un menor desgaste da ferramenta (Vb reducido nun 13 %), tal e como se informa en estudos relacionados.

Táboa 4: Comparación da rugosidade superficial e do desgaste das ferramentas

Conversa

Implicacións das condicións de contorno

A capacidade da configuración C-SS para reducir a frecuencia de vibracións nun 30 % destaca a importancia do soporte da peza para estabilizar o proceso de mecanizado. O contrapunto na configuración C-SS restrinxe o extremo libre da peza, aumentando a súa rixidez e alterando as súas formas de modo. Isto reduce as deflexións dinámicas, que son unha das principais causas das vibracións na configuración CF. O extremo fixado impide que a peza se incline ou dobre excesivamente, mitigando o bucle de retroalimentación rexenerativa que amplifica as vibracións.

Papel dos parámetros de corte

Os modelos de regresión e os resultados de ANOVA confirman que a velocidade de corte é o factor dominante no control da frecuencia das vibracións. As velocidades de corte máis altas reducen as vibracións ao diminuír a resistencia ao corte do aceiro AISI 4340 mediante o abrandamento térmico, como se indicou en estudos previos. Non obstante, as velocidades excesivamente altas poden aumentar o desgaste da ferramenta ou os danos térmicos, o que fai necesario un equilibrio. A velocidade de avance e a profundidade de corte, aínda que significativas, teñen un impacto menor, pero contribúen ás vibracións ao aumentar a carga de viruta e as forzas de corte.

Aplicacións Prácticas

Os achados teñen implicacións significativas para o mecanizado de aceiro AISI 4340 en entornos industriais. A configuración C-SS recoméndase para aplicacións que requiren alta precisión e calidade superficial, como os compoñentes aeroespaciais. As condicións óptimas de mecanizado, identificadas nos experimentos (velocidade de corte: 320 m/min, velocidade de avance: 0.05 mm/rev, profundidade de corte: 0.5 mm), minimizan as vibracións e melloran a vida útil da ferramenta e o acabado superficial. Estas condicións pódense integrar na programación CNC para mellorar a produtividade e reducir os custos.

Limitacións e investigacións futuras

Aínda que o estudo proporciona información valiosa, ten limitacións. Os experimentos realizáronse en condicións de mecanizado en seco, o que pode non reflectir as prácticas industriais que adoitan empregar refrixerantes ou lubricantes. Investigacións futuras poderían explorar os efectos da lubricación por cantidade mínima (MQL) ou o arrefriamento crioxénico na frecuencia das vibracións, xa que estes métodos demostraron ser prometedores para mellorar a maquinabilidade. Ademais, o estudo centrouse nun rango de dureza específico (35–48 HRC); investigacións posteriores poderían examinar niveis de dureza máis altos (por exemplo, 69 HRC) para avaliar o comportamento das vibracións en escenarios de torneado ultraduro.

Conclusión

A análise comparativa da frecuencia de vibración das vibracións no torneado CNC de aceiro de aliaxe AISI 4340 en condicións límite sen fixación e con fixación revela diferenzas significativas na estabilidade do mecanizado. A configuración C-SS reduce a frecuencia das vibracións nun 30 % en comparación coa configuración CF, o que se atribuíu a unha maior rixidez da peza e a unha redución das deflexións dinámicas. A velocidade de corte é o parámetro máis influente, seguida da velocidade de avance e a profundidade de corte, con condicións óptimas identificadas en 320 m/min, 0.05 mm/rev e 0.5 mm, respectivamente. Estes achados proporcionan unha base para optimizar os procesos de torneado CNC, mellorar a calidade da superficie e prolongar a vida útil da ferramenta no mecanizado de aliaxes de alta resistencia. Os datos experimentais detallados, as análises estatísticas e os modelos de regresión presentados neste artigo ofrecen un recurso completo para investigadores e profesionais que buscan mitigar as vibracións nas operacións de torneado CNC.

Declaración de reimpresión: se non hai instrucións especiais, todos os artigos deste sitio son orixinais. Indique a fonte para reimprimir: https: //www.cncmachiningptj.com/，grazas！

Precisión de 3, 4 e 5 eixes Mecanizado CNC servizos para Usinagem de aluminio, berilio, aceiro carbono, magnesio, Usinagem de titanio, Inconel, platino, superaleación, acetal, policarbonato, fibra de vidro, grafito e madeira. Capaz de mecanizar pezas de ata 98 ​​pulgadas de diámetro de xiro. e +/-0.001 polgadas tolerancia á rectitud. Os procesos inclúen fresado, torneado, perforación, taladrado, roscado, roscado, conformado, moleteado, rebordado, avellanado, escariado e corte por láser. Servizos secundarios como montaxe, moenda sen centro, tratamento térmico, revestimento e soldadura. Prototipo e produción de baixo a alto volume ofrecida cun máximo de 50,000 unidades. Adecuado para enerxía de fluídos, neumática, hidráulica e chave aplicacións. Atende ás industrias aeroespacial, aeronáutica, militar, médica e de defensa. PTJ elaborará estratexias contigo para ofrecer os servizos máis rendibles para axudarche a alcanzar o teu obxectivo. Benvido a contactarnos ( sales@pintejin.com ) directamente para o seu novo proxecto.