14 – Isolamento de vibrações
Um conceito mais amplo de isolamento aplicado a máquinas-ferramenta envolve o isolamento de temperatura, de umidade e de vibrações. A parte relacionada à temperatura foi abordada no item 10. O isolamento de umidade está diretamente relacionado ao isolamento de temperatura, visto um sistema adequado de controle do ambiente da máquina abrange estas duas grandezas.
Todas as estratégias empregadas para otimizar o comportamento dinâmico de uma máquina pertencem aos campos de controle de vibrações ou de movimento. O objetivo do controle de movimento é prescrever um certo movimento desejado. O controle de vibrações, em contrapartida, é mais relacionado a movimentos não desejados. O objetivo do controle de vibrações é reduzir somente as vibrações.
As vibrações dão origem a ondulações na superfície usinada, conseqüência da variação da secção de usinagem, gerando variações na força de corte, que prejudicam a vida da ferramenta e da máquina (Weck, 1984).
As vibrações encontradas durante o processo de usinagem convencional possuem origem na própria máquina, como o ruído de engrenagens, rolamentos, stick-slip em guias, suporte de ferramentas sub-dimensionados, ferramentas em balanço, etc.
Desta forma, pode-se detectar quatro fontes principais de vibrações numa máquina-ferramenta:
a) vibrações provenientes do processo de usinagem, causada pelos esforços envolvidos e pelos parâmetros de usinagem;
b) vibrações provenientes do sistema vibratório da própria máquina, causada pelo projeto da máquina e pelas suas fontes internas de vibração;
c) vibrações causadas pela amplificação das vibrações provenientes do processo em relação às vibrações próprias da máquina; e
d) vibrações provenientes do meio externo.
Em usinagem de precisão e ultraprecisão, o projeto das máquinas e componentes é executado de forma a minimizar todas essas fontes, principalmente as vibrações provenientes do processo e da própria máquina. Os parâmetros de usinagem são escolhidos de forma a minimizar as vibrações provenientes do processo. Assim, passa a ser fundamental o controle das vibrações provenientes do meio externo. E esse controle tem início já no projeto da estrutura da máquina-ferramenta.
Geralmente, as estruturas da máquinas são montadas a partir de diferentes componentes, podendo ser considerada como uma combinação de massas e molas, então a estrutura total vai se comportar de acordo com a interação entre esses componentes (Timoshenko, 1974).
O isolamento sísmico da máquina é um dos mais importantes aspectos do sistema de proteção contra vibrações. Basicamente, transformam-se os sistemas vibrantes em sistemas de segunda ordem, pois absorvem muito pouca vibração do chão e em freqüências muito acima da ressonância. Em máquinas de ultraprecisão, estes efeitos podem ser minimizados com a introdução de elementos de alto amortecimento na estrutura (Slocum, 1994; Weck, 1992).
O controle de vibrações pode ser separado em métodos passivos e ativos. Os métodos de controle passivo de vibrações lidam diretamente com as propriedades físicas da máquina, como a rigidez, massa e amortecimento. O controle passivo de vibrações deve agir com uma mudança estrutural básica, o uso de outros materiais, ou a adição de um elemento passivo, que é um elemento cuja função não depende de uma fonte de energia externa.
Os métodos de controle ativo de vibrações dependem do uso de uma fonte de energia externa. O controle ativo de vibrações tradicionalmente pertence ao campo da engenharia de controle. É baseado no uso de sensores, atuadores, eletrônica de tratamento de sinais e eletrônica de controle, fazendo com que todos os erros possíveis que possam ocorrer numa máquina sejam antecipados e compensados. O isolamento de vibrações é crítico para assegurar o desempenho adequado da máquina-ferramenta (Rivin, 1995).
Segundo Teague, 1998, uma estratégia de projeto para tornar máquinas e instrumentos resistentes aos distúrbios do ambiente consiste em inicialmente isolar ou separar o instrumento do meio. A seguir, deve-se proceder ao projeto dos componentes de modo que possuam uma resposta pequena ou nula com relação a estes distúrbios do meio. Por fim, medem-se os efeitos residuais desse distúrbio na máquina atua-se de maneira ativa para eliminar ou compensar esse distúrbio.
Teague ain
DeBra, 1992, apresenta um processo de isolamento de uma máquina contra distúrbios vindos do solo ou do ar. O trabalho estabelece a dependência intrínseca do sistema com a freqüência. Além disso, discute os requisitos necessários para o isolamento da máquina e revê as possibilidades de solução por hardware atualmente disponível.
Um exemplo de projeto de máquina onde o isolamento é uma das preocupações principais é mostrado nas figuras 46 e 47. A máquina de medição molecular desenvolvida no NIST (National Institute of Standards and Technology - EUA) possui isolamento passivo e ativo de vibrações, além de isolamento contra pressão sonora e temperatura. A máquina é capaz de medir com exatidão de 10 nm em dois eixos de 50 x 50 mm, com resolução subnanométrica.
Figura 46 - Esquema de construção da máquina de medição molecular.
Figura 47 - Máquina de medição molecular.