DEL PROCESO DE PULIDO INDUSTRIAL DE BALDOSAS CERÁMICAS

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DEL PROCESO DE PULIDO INDUSTRIAL

D E

BALDOSAS CERÁMICAS

1 M Hutchingsl, K Adachil, Y Xu, E Sánchez2, M J Ibáñez2 'Institute for Manufacturing, University of Cambridge,

Mil1 Lane, Cambridge CB2 IRX, UK

'Instituto de Tecnologia Cerámica, Universitat Jaume 1, Castellón, Spain

RESUMEN

El presente trabajo describe el diseño

y

uso preliminar de u n tribómetro a escala de laboratorio, así como su utilización en los ensayos para simular los procesos de pulido industrial de baldosas cerámicas. Se analizan las condiciones mecánicas de u n proceso de pulido industrial típico

y

se utilizan los resultados para definir las condiciones a reproducir en la simulación de laboratorio. El tribómetro permite controlar la velocidad relativa de deslizamiento y la presión de contacto entre la herramienta abrasiva

y

la pieza cerámica. Se pueden medir los cambios en la rugosidad superficial

y

en el brillo óptico de la pieza, asícomo la velocidad de eliminación del material de la pieza y la velocidad de desgaste de la herramienta. Se presentan los resultados preliminares del tribómetro utilizado para éstudiar la evolución de la ;ugosidad y el brillo superficial, con diferentes herramien fas abrasivas. Estos resultados se comparan con los datos procedentes de una línea de pulido industrial, confirmándose que el tribómetro reproduce con precisión las características importantes del proceso. Los resultados demuestran que la rugosidad

y

el brillo superficial son las dos variables más importantes para la evaluación de la superficie cerámica,

y

que éstas son las medidas más útiles en las diferentes fases de la evolución de la superficie.

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Las baldosas cerámicas pulidas presentan unas excelentes prestaciones, que incluyen una alta resistencia mecánica y química, así como una alta resistencia a las manchas y la helada, además de ventajas estéticas con respecto a las piezas cerámicas esmaltadas. La operación de pulido es una fase crítica del proceso de fabricación, y el proceso de pulido puede suponer más de 40% del coste total del producto. Sin embargo, los procesos actuales de pulido industrial pueden considerarse ineficaces, ya que se produce un alto desgaste de las muelas de rectificación/pulido, un alto consumo energético, pérdidas excesivas por bajas y una calidad de producto inadecuadamente controlada. Existen claras oportunidades para poder reducir el coste y mejorar la calidad del producto final, mediante un mejor conocimiento del proceso de pulido.

La mayoría de los estudios realizados hasta ahora sobre el comportamiento tribológico de los materiales cerámicos se ha limitado a derivar modelos empíricos, adaptados al sistema específico bajo estudio [1-31. El diseño de los equipos de ensayos tribológicos (tribómetros) se orienta a menudo en función de unas condiciones experimentales específicas, como las condiciones térmicas [4,51 O de lubricación [6,71. Para estudiar el comportamiento de las piezas cerámicas en el pulido, en la Universidad de Cambridge se ha diseñado un tribómetro a escala de laboratorio para investigar tanto los mecanismos como las velocidades de pulido. Con este equipo, se pueden evaluar, de forma cuantitativa, las características de las piezas cerámicas y de los medios abrasivos de pulido.

En el presente trabajo, se ha analizado el proceso de pulido industrial para las baldosas cerámicas; se ha diseñado el nuevo tribómetro en función de las condiciones de pulido industrial, centrándose en aspectos como la presión de contacto y la distancia de deslizamiento. Se utilizaron la perfilometría

y

las medidas ópticas del brillo como las herramientas principales para evaluar la calidad de las superficies cerámicas pulidas. Se compararon los resultados experimentales obtenidos con el equipo de laboratorio con los datos recogidos de una línea de pulido industrial.

2. EL PROCESO DE PULIDO INDUSTRIAL PARA BALDOSAS CERAMICAS 2.1. PROCEDIMIENTO DE PULIDO

La información utilizada en la discusión a continuación procede de diferentes fuentes de la industria en España e Italia, y se considera típica de la práctica europea actual.

El carburo de silicio es el abrasivo utilizado mayoritariamente en el proceso de pulido, generalmente en forma de un bloque compuesto, con cemento de silicato como ligante, con una reducción gradual del tamaño de partícula desde varios cientos de micrómetros hasta algunos micrómetros, con incluso hasta 20 fases. Una superficie pulida final, de alta calidad, suele tener un rugosidad superficial Ra de aproximadamente 0.1 a 0.2 pm y un brillo (P=60°) de hasta 80. Los procesos actuales de pulido industrial son ineficaces, y generan un alto desgaste de las muelas de rectificación/pulido (0.5 a 0.6 kg de muela por m* de producto pulido), un alto consumo energético de recursos naturales (0.02 - 0.04 m3 de agua por m2 de producto), bajas excesivas de producto y calidad limitada del producto final.

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En la figura 1 se presenta el esquema de la estructura de una herramienta abrasiva (cabezal oscilatorio)

y

el movimiento oscilatorio de un bloque abrasivo individual utilizado en el proceso de pulido industial. La herramienta gira a una

velocidad de 450 r.p.m, mientras que cada bloque abrasivo individual presenta al mismo tiempo un movimiento oscilatorio. El movimiento oscilatorio del bloque abrasivo mantiene la forma cilíndrica de la superficie del bloque para evitar efectos

de borde del bloque abrasivo

y

para garantizar la planaridad de la superficie de la pieza cerámica.

Bloque abraslvo

Figura 1. Esquema de una herramienta abrasiva tipica de cabezal oscilatorio utilizada en proceso de pulido industrial

2.2.

ANALISIS

DE LAS CONDICIONES DE PULIDO

La figura 2 (a) presenta el esquema de las dimensiones de la muela

y

de la baldosa cerámica y su movimiento relativo en el proceso de pulido. La velocidad de alimentación de las piezas cerámicas es de 75 mm S-'. En la figura 2 (b) se observan las condiciones de contacto entre el bloque abrasivo

y

la pieza cerámica durante el proceso de pulido. Se aplica una carga normal de 200 N sobre cada bloque abrasivo,

y

el radio del bloque abrasivo se reduce desde 130 mm hasta unos 72 mrn debido al desgaste del abrasivo durante el proceso de pulido.

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Figura 2 .(b) Movimiento relativo entre el bloque abrasivo y la pieza cerámica en el proceso de pulido.

A la hora de diseñar un tribómetro apropiado, los requisitos importantes son el uso de las pertinentes condiciones de contacto y tipo de movimiento, alta estabilidad mecánica, una configuración para inducir un entorno realista, y el uso de probetas relativamente sencillas 18r91. La presión de contacto es el parámetro más importante del

proceso de pulido y afecta la eliminación del material, tanto del bloque abrasivo como de la pieza cerámica, así como la calidad de la superficie final del producto. Durante el proceso de pulido industrial, la longitud de contacto entre el bloque abrasivo y la pieza cerámica varía con el tiempo de deslizamiento, al igual que la presión de contacto. Se pueden estimar estos dos parámetros a partir de las ecuaciones de Hertz para el contacto elástico entre cuerpos isotrópicos:

Longitud de contacto 2b:

Donde P = W

/L,

W es la carga aplicada, L es la longitud del bloque abrasivo; R = Radio de la curvatura del bloque abrasivo;

Y, = Cociente de Poisson del bloque abrasivo;

Y, = Cociente de Poisson de la baldosa cerámica; E,= Módulo de Young del bloque abrasivo; E,= Módulo de Young de la baldosa cerámica.

La presión máxima de contacto p se obtiene mediante la expresión:

La figura 3 presenta la variación de la longitud de contacto y la presión de contacto durante el proceso de pulido con el radio del bloque abrasivo. A medida que se reduce el radio del bloque abrasivo desde 130

mm

a 72 mm debido al desgaste, la presión de contacto aumenta de 10 a 15 MPa, y la longitud de contacto disminuye de 0.2 a 0.15 mm.

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Radio del bloque abrasivo, mm

Figura 3. Variación de la presión de contacto y la longitud de contacto durante el proceso de pulido con el radio de la

curvatura del bloque abrasivo.

Asimismo, también se pueden calcular los otros parámetros relevantes a tener en cuenta a partir de la información de las condiciones geométricas de pulido presentadas en la figura 2 (a). En la figura 4 se presentan el número de ciclos de contacto y la distancia de deslizamiento de una pieza cerámica en función de la posición sobre el material cerámico. Los ciclos de contacto máximo y mínimo a los cuales se somete una pieza cerámica durante el proceso de pulido son 250 y 130. En la figura 5 se representa la distancia de deslizamiento del bloque abrasivo en función de la posici6n del material abrasivo con respecto al eje de rotación del bloque. En la figura se aprecia que el bloque abrasivo

y la pieza cerámica experimentan diferentes

historias de deslizamiento en las diferentes posiciones.

Poslci6n de le pieza, mm

Figura 4. Número de ciclos de contacto y distancia de deslizamiento de una pieza cerdmica en función de la posición del material con respecto a la línea central de la pieza (eje de rotación del abrasivo).

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Posicidn sobre el Moque abrasivo,mm

Figura 5. Distancia de deslizamiento sobre el bloque abrasivo en función de la distancia desde el extremo del bloque.

En la tabla 1 se detallan las condiciones de funcionamiento de una línea típica de pulido industrial, derivadas del análisis anterior.

1

Carga lineal (N / m )

1

1.7

1

Condiciones de contacto Presión de contado (h4Pa) 10 a 15

Longitud de contacto ( m ) 0.2 Número de ciclos de contacto (ciclos) 130 a 250 Baldosa cerámica

-. Distancia de deslizamiento en cada punto (mm) 30 a 50 Bloque abrasivo

1

Distancia de deslizamiento (m por pieza)

- -

Tabla 1 Resumen de las condiciones defuncionamiento de una linea de pulido industrial

DISEÑO Y CONSTRUCCI~N DEL TRIB~METRO

El tribómetro se diseñó para reproducir, en la medida de lo posible, las características importantes de las condiciones prácticas detalladas en la tabla 1. Para ello, se adaptó una máquina automática de pulido de laboratorio, de cabezal con muestra (Struers RotoForce3 y RotoPol35). Mediante el ajuste de los parámetros de funcionamiento del tribómetro (carga normal

y

velocidades rotativas), se puede obtener el movimiento relativo entre el bloque abrasivo y la baldosa cerámica representativo de las condiciones industriales.

3.1 DIMENSIONES DE LA MUESTRA Y COMPONENTES DEL TRIB~METRO Se

han

empleado cilindros abrasivos ("pins") de 10 x 10

mm

(diámetro x longitud)

y piezas cerámicas de 100

x 100 rnrn en los ensayos a escala de laboratorio.

Se diseñaron unos dispositivos de sujeción para el cilindro abrasivo y portamuestras para la pieza cerámica especiales.

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En

la figura 6 se presenta u n esquema del portamuestras para la pieza cerámica con una fotografía del componente real. La figura 7 presenta el diseño del dispositivo de sujeción de la probeta abrasiva, acoplado al cabezal motorizado de la máquina de pulido.

Figura 6. (a) Esquema del portamuestras de la pieza cerámica; íb) Componente real.

Probeta

abrasiva

Figura 7 . (a) Esquema del cilindro abrasivo, dispositivo de sujeción y acoplamiento; (b) Montaje del cilindro abrasivo,

dispositivo de sujeción y acoplamiento.

3.2. MÉTODO DE ENSAYO DE LABORATORIO

En la figura 8 se presenta la geometría utilizada para los experimentos de pulido.

Se emplea un solo cilindro abrasivo en el ensayo, montado de acuerdo con la figura 7, presionado contra la superficie de la pieza cerámica, con movimiento rotativo sobre un eje vertical. La carga

y

la velocidad de rotación se controlan mediante el cabezal motorizado. La muestra cerámica también gira sobre un eje vertical.

Figura 8. Muestra con el movimiento del cilindro abrasivo utilizado en los ensayos de laboratorio P.GI - 25

(8)

ENSAYOS DE PULIDO DE LABORATORIO

4.1 MÉTODO EXPERIMENTAL

Y

PROCEDIMIENTO

En la tabla 2 se detallan las condiciones de pulido utilizadas.

Se seleccionó la carga aplicada de tal forma que la carga lineal en los ensayos de laboratorio fuera la misma que la utilizada en las condiciones de pulido industrial, puesto que la carga suele ser el parámetro de funcionamiento más importante del ensayo tribológico. La velocidad relativa del cilindro abrasivo con respecto a la superficie de la pieza varió inevitablemente algo a lo largo de la huella de desgaste, entre 0.96 y 0.80 metros por segundo. Sin embargo, esta variación no se consideraba suficientemente grande para causar una diferencia significativa del efecto del pulido sobre la superficie de la pieza cerámica.

Tabla 2. Condiciones de pulido empleadas en los ensayos de laboratorio Carga lineal (N / mrn)

Velocidad rotativa de la muestra, r.p.m, Velocidad rotativa del cilindro abrasivo, r.p.m. Radio exterior de la huella de desgaste rl, mm Radio interior de la huella de desgaste r2, mm Velocidad del borde exterior del cilindro abrasivo,m/segundo Velocidad del borde interior del cilindro abrasivo,m/ segundo

Velocidad media del cilindro abrasivo,m/segundo

Se utilizaron cilindros abrasivos estandar de Sic, suministrados por Abrasivos de Castellón, Castellón, España (ABC), con especificaciones de acuerdo con la práctica industrial habitual, junto con muestras de baldosas cerámicas cuadradas de 100 mm de lado, cortadas a partir de un único lote de piezas de gres porcelánico estandar, suministrado por el Instituto de Tecnología Cerámica (ITC), Castellón, España. Se utilizó un solo cilindro abrasivo de 12 mm de diámetro y 10 mm de longitud en cada ensayo. 1.7 (200 N1120 mm) 300 (031 = 10X/sec) 150 (032 = 5~ / sec) 33 23 0.96 0.80 0.88

La rugosidad superficial Ra

y

el brillo B se midieron con un perfilómetro de palpador (Taylor Hobson Talysurf 10)

y

un brillómetro (Novo-curve de Rhopoint, ángulo de 60") después de cada ensayo para evaluar la calidad de la superficie pulida.

Se realizó una secuencia de ensayos para simular, de la forma más próxima posible, a escala de laboratorio la evolución de la superficie de la pieza cerámica en la línea de pulido industrial. Se sometió una sola muestra de cerámica al pulido sucesivo con el intervalo completo de los tamaños de grana disponibles, desde el número de

grana más grande (#36C1) hasta el número de grana más pequeño (# 1500C1). (Los

números indican la designación del tamaño de grana, mientras el código C1 indica que la concentración de grana y la naturaleza de los subabrasivos son conformes la práctica comercial normalizada).

Antes de someter la pieza a la secuencia abrasiva completa, se realizó un desgaste preliminar de la superficie de la muestra con un disco abrasivo de diamante

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(tamaño de malla de 250 pm) para obtener una superficie rugosa, con vistas a simular la situación industrial real. Sin embargo, la superficie inicial de la pieza cerámica pulida con el disco abrasivo de diamante era más lisa que la rectificada por el rodillo de diamante en una línea industrial. Todos los ensayos de abrasión se realizaron en las condiciones detalladas en la tabla 2, cubriendo la zona de contado con abundante agua. Para cada cilindro abrasivo, la pieza cerámica se sometió a pulido durante 15

segundos y a continuación, a un pulido de otros 15 segundos más, seguido otra vez

de 30 segundos más. Después de cada incremento de pulido, es decir, para una exposición total de 15, 30 y 60 segundos a cada tamaño de abrasivo, se midieron la rugosidad superficial Ra y el brillo B de la superficie de la pieza cerámica.

4.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES

En la figura 9 se representa la rugosidad superficial (Ra) y el brillo (B) de la superficie pulida de la pieza cerámica después de cada fase de pulido para cada muestra abrasiva. Para cada tamaño de grana se presentan tres puntos en la gráfica, correspondientes a los datos después de la exposición de 15, 30

y

60 segundos a cada cilindro abrasivo. Sin embargo, en el caso de los datos para el tamaño de grana final de 1500, se presentan cinco puntos, correspondientes a una exposición total de 15,30,60,180 y 300 segundos.

El resultado del ensayo describe una tendencia general de reducción de la

rugosidad superficial y una tendencia de aumento del brillo a medida que el proceso de pulido avanza desde los abrasivos grandes a los abrasivos pequeños. Para cada tamaño de

grana, la calidad superficial depende del tiempo de pulido, es d&, cuanto más largo el tiempo de pulido de la probeta, mejor es la calidad superficial obtenida, especialmente para los números de grana abrasiva por debajo de #600. Puesto que se representan tres

valores de medida para cada cilindro abrasivo, esta gráfico no puede reflejar claramente la relación entre los efectos de dos números de grana adyacentes y el efecto de cada cilindro abrasivo. Por lo tanto, se

han

extraído solamente los datos relacionados con cada cilindro

abrasivo después de 60 segundos de pulido, representando estos de nuevo en la figura 10,

que refleja más claramente la modificación que se produce en la rugosidad superficial

y

el

brillo a causa de cada cilindro abrasivo durante el proceso de pulido.

Número de grana

Figura 9. Rugosidad superficial Ra y brillo B en función del número de grana del cilindro abrasivo para la secuencia completa de fases del pulido en el ensayo de laboratorio.

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NIimero de grana

Figura 10. Rugosidad superficial Ra y brillo B de la supetj-icie pulida de la pieza cerámica después de la exposición de 60 segundos a cada cilindro abrasivo. En el caso de la grana 1500, los tres puntos experimentales se rejieren a tiempos de

exposición de 60,180 y 300 segundos.

5.1 DATOS DE LA L ~ N E A DE PULIDO INDUSTRIAL

Los datos se midieron en muestras tomadas de una línea de pulido industrial en funcionamiento, la cual se paró para permitir la retirada de las piezas en diferentes puntos de la línea [lo]. En la línea se utilizaron bloques abrasivos en el intervalo de números de grana de #36C1 a #1500C1. Ya que algunos cabezales de pulido se encontraban dos o incluso tres veces con bloques abrasivos del mismo número de grana en la línea, los datos para algunas muestras pueden estar relacionados con diferentes tiempos de pulido. En estos casos, los tiempos de pulido de las muestras de la línea de pulido industrial podrían ser diferentes de los de las muestras pulidas en el tribómetro de laboratorio.

En la figura 11 se comparan los resultados de la línea de pulido industrial y del tribómetro de laboratorio. El brillo superficial es un parámetro más importante y más sensible que la rugosidad superficial en la evaluación de la calidad superficial, especialmente en las últimas fases del pulido. Por lo tanto, se incluyen y se representan únicamente los valores de brillo de ambos ensayos en la gráfica. Se puede observar que la evolución de la superficie de la baldosa cerámica en la línea de pulido industrial es similar a la de las muestras cerámicas pulidas en el tribómetro de laboratorio, y que los valores finales de brillo (78.7 comparado con 71.8) son también del mismo orden.

Para las dos secuencias de pulido, el proceso de pulido se puede dividir en dos períodos. Con los números de grana abrasiva por debajo de #400 (es decir, partículas de grana más grandes), se produce una mejora aparentemente reducida del brillo, mientras que los abrasivos más pequeños, con números superiores a #400, tienen un efecto significativo sobre el brillo.

(11)

Cuando se comparan los dos conjuntos de valores de brillo de las muestras industriales y del tribómetro de laboratorio, se aprecia que las superficies de las piezas cerámicas pulidas por el metodo de pulido industrial presentan un brillo ligeramente superior al de las superficies pulidas en el tribómetro. Los valores de brillo para la baldosa cerámica de la línea industrial presentan una cierta dispersión en determinados números de grana, p. ej. #600 y #800, ya que los valores de brillo se midieron en las muestras cerámicas pulidas con tiempos diferentes. Este fenómeno concuerda con los resultados presentados en las figuras 9

y

10 del tribómetro, indicando que el tiempo de pulido es un factor muy importante en la mejora del brillo, especialmente para las parti'culas de grana más pequeñas. Por lo tanto, se puede concluir que los diferentes tiempos de pulido aplicados en los dos métodos de pulido explican probablemente las diferencias observadas en los valores de brillo.

Figura 11. Comparación de los valores de brillo para las muestras de la linea de pulido industrial y del tríbómetro de laboratorio.

6. CONCLUSIONES

Se ha llevado a cabo el diseño y la construcción de un tribómetro de laboratorio y los ensayos indican que los resultados de este aparato, en términos de las propiedades superficiales de las baldosas cerámicas, son comparables con los observados en el proceso de pulido a gran escala, utilizado en una línea de pulido industrial. Se obtuvieron las siguientes conclusiones:

se analizaron las condiciones de pulido en la línea de pulido industrial, y se han utilizado estas condiciones para el diseño de un equipo de laboratorio de pulido y de ensayos de pulido;

el tribómetro diseñado permite simular los aspectos importantes de las condiciones de contacto entre el abrasivo y la baldosa cerámica en la línea de pulido industrial;

los ensayos preliminares de pulido con el tribómetro han demostrado que la calidad de la superficie pulida es comparable con la obtenida en la línea de pulido industrial;

los resultados del pulido industrial y los resultados del ensayo de laboratorio han confirmado que el pulido con las partículas abrasivas más grandes, con números de grana por debajo de #400, tenía poco efecto sobre el brillo

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superficial, mientras que las partículas abrasivas más pequeñas, con números de grana superiores a #400; poseen un efecto sustancial sobre el brillo superficial;

es necesario profundizar más en el estudio emprendido para establecer un ciclo de pulido óptimo con vistas a aumentar el rendimiento del pulido mediante la modificación de las condiciones de pulido, p. ej. como la aplicación de tiempos de pulido diferentes y la selección de los abrasivos más eficaces.

7. AGRADECIMIENTO

El presente trabajo es el resultado del trabajo realizado en el marco del proyecto titulado "Polishcoverings: Development of an efficient and environmentally friendly polishing process for floor and wall coveuings", con la colaboración de las siguientes empresas: Abrasivos de Castellón .L, Aqcora S.p.A, Levitile Ibérica S.A, Icercal

-

Indústria Ceramica Albergarienqe L

%

A, y Marmor Hotavlje d.d.

El proyecto Polishcoverings ha sido apoyado y financiado por la Comisión Europea en el 5" Programa Marco, Crecimiento Competitivo y Sostenible, número de proyecto CRAFT-1999-70904, número de contrato GIST-CT-2002-50190.

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