Dominando a estabilidade da usinagem:um guia para testes de macho e prevenção de vibração

No teste de derivação, um martelo instrumentado é usado para excitar uma estrutura e medir a resposta à vibração com um transdutor, como um acelerômetro. O objetivo deste teste é identificar a função de resposta em frequência (FRF) para a estrutura mecânica selecionada. Dado o FRF, podemos calcular um mapa de estabilidade, que separa combinações de velocidade do fuso e profundidade axial que produzem trepidação (isto é, acima do limite azul) daquelas que não o fazem (abaixo do limite). Isto permite a seleção de parâmetros de usinagem estáveis ​​sem tentativa e erro; veja a Figura 1.

Figura 1:Mapa de estabilidade de fresamento. Fonte (todas as figuras):Tony Schmitz

O hardware básico necessário para medir FRFs é:

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• um mecanismo para entrada de força conhecida em toda a faixa de frequência desejada (ou largura de banda)
• um transdutor para medição de vibração, novamente com a largura de banda necessária
• um analisador de sinal dinâmico para registrar as entradas de força e vibração no domínio do tempo e convertê-las no FRF desejado.

Um analisador de sinal dinâmico inclui canais de entrada para os sinais de força e vibração no domínio do tempo e calcula a transformada de Fourier desses sinais para convertê-los no domínio da frequência. Em seguida, calcula a relação entre o sinal de vibração no domínio da frequência e o sinal de força no domínio da frequência; essa proporção é o FRF. Um esquema da configuração é fornecido na Fig. 2. Ele inclui a força e a vibração no domínio do tempo, que pode assumir a forma de deslocamento, x , velocidade, ẋ , ou aceleração, ẍ , entradas e amplificadores para cada um. Os amplificadores são usados ​​para aumentar as amplitudes dos sinais. A força e a vibração são sinais analógicos, contínuos no tempo. No entanto, gravar estes sinais com o analisador requer a amostragem deles em pequenos intervalos de tempo ou a sua digitalização. Este processo é concluído usando um conversor analógico-digital (ADC). Esses sinais digitais são então usados ​​no cálculo FRF pelo analisador de sinal dinâmico. Com base no tipo de entrada de vibração, o FRF pode ser expresso como:

• recepção ou conformidade – a relação entre deslocamento e força
• mobilidade – a relação entre velocidade e força
• aceleração ou inércia – a relação entre aceleração e força.

Fig. 2:Esquema da configuração da medição FRF.

Existem três tipos comuns de excitação de força. Estes incluem:

• onda senoidal de frequência fixa – O FRF é determinado uma frequência de cada vez. Em cada frequência dentro da largura de banda desejada, a força sinusoidal é aplicada, a resposta à entrada de força é calculada em média durante um curto intervalo de tempo e o FRF é calculado. Isso é conhecido como teste de varredura senoidal.
• sinal aleatório – O conteúdo de frequência do sinal aleatório pode ser de banda larga (ruído branco) ou truncado para uma faixa limitada (ruído rosa). A média de um período fixo de tempo é aplicada novamente, mas todas as frequências dentro da largura de banda selecionada são excitadas em um único teste.
• impulso – Um impacto de curta duração é usado para excitar a estrutura e a resposta correspondente é medida. Essa abordagem permite que uma ampla faixa de frequências seja excitada em um único teste curto. Normalmente é calculada a média de vários testes no domínio da frequência para melhorar a coerência ou a correlação entre os sinais de força e vibração.

Para gerar essas forças diferentes, são aplicados dois tipos comuns de hardware de entrada de força:

• agitador – Esses sistemas incluem uma armadura e uma base acionadas harmonicamente. A armadura pode ser acionada ao longo do seu eixo por uma bobina magnética ou força hidráulica. As configurações da bobina magnética, ou eletrodinâmica, podem fornecer frequências de excitação de dezenas de kHz com níveis de força de dezenas a milhares de Newtons (força aumentada normalmente significa uma faixa de frequência mais baixa). Os agitadores hidráulicos oferecem alta força com potencial para uma pré-carga estática (ou seja, a força média ou média não é zero), mas faixas de frequência relativamente mais baixas. Em ambos os casos, a força é frequentemente aplicada à estrutura de interesse através de um ferrão ou de uma haste delgada que suporta tensão axial e compressão, mas não flexão ou cisalhamento. Isso garante que a força seja aplicada apenas em uma única direção. Uma célula de carga é incorporada na configuração para medir a força de entrada; veja a Figura 3.
• martelo de impacto – Um martelo de impacto incorpora um transdutor de força localizado em uma ponta de metal, plástico ou borracha para medir a força aplicada durante o golpe do martelo. Quando um martelo é usado em conjunto com um transdutor de vibração, o procedimento de medição é conhecido como teste de tap. A entrada de energia na estrutura é função da massa do martelo; uma massa maior fornece mais energia. Portanto, muitos tamanhos estão disponíveis. Além disso, a largura de banda de excitação da entrada de força depende da massa e da rigidez da ponta. Pontas mais rígidas tendem a excitar uma faixa de frequência mais ampla, mas também espalham a energia de entrada por essa faixa mais ampla. Pontas mais suaves concentram a energia em uma faixa de frequência mais baixa. As pontas de plástico duro e metal proporcionam maior rigidez, enquanto as pontas de borracha proporcionam rigidez reduzida.

Fig. 3:Configuração do shaker.

Os transdutores de vibração estão disponíveis nos tipos sem contato e com contato. Embora transdutores sem contato, como sondas de capacitância e vibrômetros a laser, sejam preferidos porque não afetam a dinâmica da estrutura, tipos de contato, como acelerômetros, são frequentemente mais convenientes de implementar. Como compromisso, acelerômetros de baixa massa podem ser usados ​​para minimizar a influência na estrutura do teste. Eles são fixados no local de interesse usando cera, adesivo, um ímã ou um pino roscado e depois removidos quando o teste é concluído.

Fig. 4:Elementos-chave do teste de tap.

A Figura 4 identifica os principais elementos do teste de tap. A fotografia inferior esquerda mostra um martelo sendo usado para bater na ponta da ferramenta e um acelerômetro (fixado com cera na ponta da ferramenta) sendo usado para medir a resposta à vibração. A linha superior exibe as respostas de tempo para a força e vibração. Vemos que a torneira produz uma entrada de força de curta duração. Devido a esta força, a ferramenta vibra com uma amplitude decrescente (devido ao amortecimento). A linha do meio mostra a conversão desses sinais para o domínio da frequência. A torneira excita uma ampla gama de frequências. A linha inferior exibe o FRF. A partir deste gráfico, podemos identificar a frequência natural, a rigidez e a taxa de amortecimento para cada modo de vibração.