i
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOSSección de Estudios de Posgrado e Investigación
D
ESARROLLO DE UNM
ODELOS
EMI-
EMPÍRICO PARA LAS
ELECCIÓN DEP
ARÁMETROS DEC
ORTE EN ELF
RESADO ATRAVÉS DE
C
RITERIOS DER
ESTRICCIÓN DEI
NTEGRIDADS
UPERFICIALTESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS
CON ESPECIALIDAD EN
INGENIERIA MECANICA
PRESENTA
ING. BULMARO ARANDA CERVANTES
DIRIGIDA POR:
DR. ROGELIO NAVARRO RIZO DR. LUIS HÉCTOR HERNÁNDEZ GÓMEZ
iii
COORDINACIÓN GENERAL DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
CARTADECESIÓNDEDERECHOS
En la Ciudad de México, Distrito Federal, el día 8 del mes de Noviembre del año 2007 el(la) que suscribe Ing. Bulmaro Aranda Cervantes alumno(a) del Programa de MAESTRIA EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERIA MECÁNICA con número de registro: B800467 , ADSCRITO EN LA Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la E.S.I.M.E. Unidad Zacatenco, manifiesta que es autor(a) intelectual de éste trabajo de Tesis bajo la dirección del(los) Dr. Rogelio Navarro Rizo y Dr. Luis Héctor Hernández Gómez y cede los derechos del trabajo titulado DESARROLLO DE UN MODELO SEM-RMPÍRICO PARA LA SELECCIÓN DE PARAMETROS DE CORTE EN
EL FRESADO A TRAVÉS DE CRITERIOS DE RESTRICCIÓN DE INTEGRIDAD SUPERFICIAL al Instituto Politécnico Nacional para su difusión con fines académicos y
de investigación.
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a la siguiente dirección electrónica: [email protected] . Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.
Ing. Bulmaro Aranda Cervantes Nombre y Firma
iv
AGRADECIMIENTOS
Al
I
NSTITUTOP
OLITÉCNICO NACIONALEscuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica .
De Manera especial a los Drs. Rogelio Navarro Rizo y Luis Héctor
Hernández Gómez y al M.C. Gabriel Villa y Rabasa por la confianza y
apoyo que me brindaron en la dirección y asesoría para la culminación del
v
DEDICATORIAS
Con mi más profundo agradecimiento a mi familia.
A Mi esposa, María Eugenia y a mi hija, Gisela Fabiola
vi DESARROLLO DE UN MODELO SEMI-EMPÍRICO PARA LA SELECCIÓN DE
PARÁMETROS DE CORTE EN EL FRESADO A TRAVÉS DE CRITERIOS DE
RESTRICCIÓN DE INTEGRIDAD SUPERFICIAL
Resumen Abstract
Lista de Símbolos
viii x xii
Lista de Figuras xiv
Lista de Tablas xvi
Capítulo 1 Introducción 1
1.1Objetivo de la Tesis 1.2Alcance.
1.3 Formulación del Problema.
1.4Metodología para la obtención del modelo. 1.5Conclusiones. 2 2 2 5 7 Capítulo 2 Procesos de Arranque de Viruta e Integridad Superficial.
2.1Introduccion.
2.2 Clasificación de los procesos de Manufactura. 2.3 Clasificación de los Procesos de Arranque de Viruta. 2.4 La integridad superficial de una pieza manufacturada. 2.4.1 Superficies Manufacturadas.
2.4.2 Definición de la Integridad Superficial. 2.4.3 Mejoramiento de la Integridad Superficial. 2.5 Topografía y Acabado Superficial.
2.6 Criterios para la Determinación de Parámetros de Corte. 2.6.1 Selección de parámetros de corte.
2.7 Conclusiones.
Capitulo 3 Rugosidad en el Fresado. 3.1 Introducción.
3.2 Mecánica del Proceso de Fresado. 3.2.1 Fresado a favor del avance. 3.2.2 Fresado en contra del Avance. 3.3 Variables con Efecto sobre la rugosidad
3.4 Análisis y Selección de Parámetros que impactan en la rugosidad.
vii
3.5 Conclusiones. 59
Capitulo 4 Métodos para predecir la Rugosidad en el Fresado. 4.1 Introducción.
4.2 Métodos Ingenieriles para Predicción de Resultados. 4.3 Métodos Estadísticos de Experimentos.
4.5 Método de Análisis Dimensional
4.6 Ajuste Estadístico de Curvas y Análisis Dimensional 4.7 Conclusiones.
61 62 62 64 67 73 77 Capitulo 5 Determinación del modelo para predecir la rugosidad en el
Fresado.
5.1 Introducción.
5.2 Obtención de parámetros Adimensionales Característicos. 5.4 Metodología Experimental.
5,5 Obtención de Datos Experimentales. 5.6 Conclusiones.
78
79 79 84 94 97 Capítulo 6 Análisis y Discusión de Resultados 99 Conclusiones Generales y Trabajos Futuros
Referencias
108 115
viii RESUMEN
Esta tesis está dividida en seis capítulos. El capitulo dos incluye repasos de trabajos previamente realizados por otros investigadores como: 1) La selección y adaptación de los parámetros de corte; 2) El modelado de los procesos de maquinado; y 3) La integridad Superficial y los diferentes efectos que causa producidos por una calidad superficial lograda en el maquinado. Este capítulo proporciona el soporte para el desarrollo del modelo preventivo para la determinación de los parámetros de corte que lograran los requerimientos de la rugosidad en la pieza maquinada.
Los fundamentos de la mecánica del corte de metal son incluidos en el capitulo tres. Se proporciona la información de la operación del proceso corte en el fresado, la mecánica y la configuración geométrica de la acción de corte así como la forma geométrica del material desprendido (viruta). Se incluye también la influencia de las diversas variables cinemáticas (velocidad de corte y avance), así como la forma geométrica de la herramienta las cuales inducen una trayectoria de corte de forma trocoidal. En el capítulo cuatro se mencionan los diferentes métodos ingenieriles que se pueden emplear para predecir un modelo para la obtención de rugosidad en el fresado. En cuanto a los métodos para la predicción de resultados utilizados en ingeniería se pueden mencionar, entre otros los siguientes:
• Métodos estadísticos dentro de los que podemos mencionar aquellos con el Diseño de Experimentos (DEO, por sus siglas en Ingles).
• Métodos que utilizan técnicas de Inteligencia Artificial como lógica difusa, redes neuronales, etc.
• Métodos que combinan el Análisis dimensional y la experimentación. En el capitulo cuatro se hace mención más ampliamente en el método del análisis dimensional y sobre el procedimiento algorítmico para la aplicación de éste para obtener un modelo.
x ABSTRACT
This thesis is divided into six chapters. In the chapter one the theoretical and experimental goal of this work is presents. The chapter two includes reviews of work previously done by other researchers, those include: 1) The selection and adjustment of cutting parameters; 2) modeling machining processes; and 3) The Surface integrity topic and the different effects produced by the surface quality achieved in the machining of workpieces. Also, this chapter provides support to develop predictive models for determining the parameters of cutting processes with purpose to achieve the requirements of the required roughness at the end of the machining process on a workpiece.
The fundamentals of mechanics of cutting metal are included in chapter three. It provides information about the milling process including the mechanical and geometrical configuration of the action of the tool (mill). It also includes the influence of the different kinematic variables (cutting speed and feed), as well as the geometric shape of the tool which induce a trochoidal cutting path. The geometric shape of the material off (chips) and how they affect the various kinematic variables (the cutting speed and feed) are included.
In chapter four different methods to predict a model for obtaining roughness in the milling process were included. Several methods to predict results in engineering which were included in this chapter were:
• Statistical methods including the Design of Experiments (DEO).
• Methods which use Artificial Intelligence techniques such as fuzzy logic, neural networks, and,
• Dimensional Analysis and experimentation.
In chapter four most widely referred to the method of dimensional analysis and on the algorithmic procedure to implement it in order to obtain a mathematical model.
xi included. The tool used for the machining (milling) the workpieces of Titanium alloy (Ti 6Al4V) and the data obtained from the roughness test were included in this chapter. Also, chapter five includes the multiple regression model derived from the functional correspondence that relates the average roughness variable with the control variables to use the machine milling machine.
xii Lista de Símbolos
Ancho de corte Radial en fresado frontal Ancho de corte axial en fresado periférico
Velocidad del husillo, [rpm] Velocidad de corte, [m/min]
MRR Volumen de material removido, [mm3/min]
max
t Espesor máximo de la viruta, [mm] Espesor máximo de la viruta, [mm] T Número de dientes
Z Número de dientes
N, n Número de revoluciones del cortador, [RPM] t
f
Avance por diente, [mm]
Avance por revolución, [mm/Rev.] Avance por diente, [mm]
Temperatura, [ºC]
d Profundidad de corte, [mm] R Radio del cortador, [mm]
L Longitud de la trayectoria del diente, [mm] Ra Rugosidad promedio, [µm]
Ry Rugosidad máxima, [µm]
Distancia máxima entre crestas, [µm]
∆ Incremento de R imputable a la elasticidad, [µm]
∆ Incremento de R imputable a la plasticidad, [µm]
xiii t
F Velocidad de avance, [mm/min]
t d
Diámetro de la herramienta, [mm] n
Π Π
Π1, 2,...,
Pi
Parámetros adimensionalesi
ϕ Porcentaje de desviación de un simple dato
i
Ra Medición proporcionada por el perfilómetro, [µm]
i a
Rˆ Predicción de Rai generada por la ecuación de la regresión, [µm] Rq Rugosidad efectiva, [µm]
ϕ Porciento del promedio de la desviación de los datos m El tamaño de los datos de prueba
h Altura de pico a valle en fresado periférico, [µm] Rango de muestreo “cutoff”
π Número de Pi, 3.1416
Velocidad de avance por vuelta
xiv LISTA DE FIGURAS
Descripción Pagina
Figura 1.1 Procedimiento General para desarrollar el modelo estadístico para la
predicción del acabado superficial en el fresado ortogonal
6
Figura 2.1 Mapa mental del contenido del Capítulo 2. 9
Figura 2.2 Dos formas de definir la manufactura: a) Como un proceso
tecnológico, y b) Como un proceso económico.
10
Figura 2.3 Modelo general de los procesos de manufactura (e‐ indica
entrada y s‐ indica salida).
11
Figura 2.4 Clasificación de procesos con arranque de viruta 13
Figura 2.5 Operaciones comunes de maquinado: (a) torneado;
(b) taladrado; (c) fresado.
16
Figura 2.6 Disciplinas que se vinculan con la tecnología superficial (Griffiths, 2001).
18
Figura 2.7 Características externas e internas de una superficie
manufacturada (Griffiths, 2001).
20
Figura 2.8 Sección esquemática de una Superficie torneada (Griffiths, 2001). 21
Figura 2.9 Sección esquemática de una Superficie por EDM (Griffiths, 2001). 21
Figura 2.10 Rangos de las características superficiales y sub‐superficiales (Griffiths, 2001).
22
Figura 2.11 Definiciones de la integridad superficial (Griffiths, 2001). 25
Figura 2.12 Conjunto Parcial de Bomba (Chevalier, 1987) 26
Figura 2.13 Superficie de una pieza originada por un proceso de maquinado (Zeleny‐Vázquez y González‐González, 1999).
27
Figura 2.14 Defectos geométricos típicos en una superficie (Chevalier, 1987). 28
Figura 2.15 Factores que influyen en la integridad superficial de una pieza durante el proceso de fresado (Navarro‐Rizo, 2003)
33
Figura 3.1 Parámetros Característicos de la Integridad superficial de una
pieza maquinada (Adaptada de: Navarro‐Rizo, 2003).
37
Figura 3.2 Elementos que constituyen al proceso de Fresado. 39
[image:14.595.78.517.87.744.2]xv LISTA DE FIGURAS (Continuación)
Figura 3. 4 Operaciones típicas en el Fresado. 40
Figura 3.5 Avance por revolución ( ) y avance por diente ( ). (Fuente: Sandvik,
1996)
41
Figura 3.6 Avance por diente ( ) (u es el paso del cortador). (Fuente: Sandvik,
1996)
42
Figura 3.7 Profundidad de corte Axial ( ) en fresado frontal, radial ( ) en
fresado periférico. (Fuente: Sandvik, 1996),
42
Figura 3.8 Parámetros típicos en el fresado (Fuente: Sandvik, 1996) 43
Figura 3.9 Fresado a favor del avance (Down Milling). 43
Figura 3.10 Fresado en contra del avance (Up Milling). 43
Figure 3.11 Fresado a favor del avance [Martelloti, 1945] 45
Figura 3.12 Geometría de la formación de virutas en el fresado a favor del avance
(concurrente) (Fuente: Chiles et al, 1999). 45
Figura 3.13 Fresa helicoidal de corte periférico y ángulos característicos del filo de corte.
46
Figura 3.14 Variación de ángulos de ataque y alivio (desahogo) en el fresado: a) en contra del avance; b) a favor del avance. [Adaptado de: Martelotti, 1945].
47
Figura 3.15 Efectos del ángulo helicoidal en dientes sobre las fuerzas fluctuantes. 49 Figura 3.16 Superficie de una pieza torneada alterada por la inestabilidad de la
posición de la herramienta (Fuente: Sandvik, 1996)
50
Figura 3.17 Diagrama con los Factores que Afectan la Rugosidad Superficial. 53
Figura 3.18 Influencia de la velocidad de corte sobre la rugosidad superficial y sobre
el factor de recalcado (siendo la relación de virutas
⁄ (fuente: Micheletti, 1980).
56
Figura 3.19 Variación de la rugosidad máxima en función de la velocidad; es visible el efecto de la R, ∆ y la ∆ (fuente: Enache, 1972).
57
Figura 3.20 Variaciones de los esfuerzos en función de la profundidad de penetración del calor (Fuente: Enache, 1972)
[image:15.595.81.516.106.721.2]xvi LISTA DE FIGURAS (Continuación)
Figura 4.1 Procedimiento Algorítmico para obtener el modelo para predecir la
rugosidad.
72
Figura 5.1 Representación de la herramienta efectuando un corte periférico a la
pieza de trabajo usada en los experimentos (Navarro‐Rizo, 2003).
89
Figura 5.2 Geometría de las probetas utilizadas e los experimentos (Navarro‐Rizo, 2003).
89
Figura 5.3 Herramienta utilizada durante los experimentos (Navarro‐Rizo, 2003). 90
Figura 5.4 Dispositivo para sujetar las piezas durante las pruebas de corte
(Navarro‐Rizo, 2003)
91
Figura 5.5 Procedimiento algorítmico del modelo para la predicción de la
rugosidad en el fresado.
92
Figura 5.6 Rugosímetroutilizado en la medición de las muestras. 95
Figura 6.1 Alturas de las asperezas superficiales en fresado cilíndrico, con diversos diámetros de fresa y distintos avances (Enache, 1974)
101
Figura 6.2 Grafica de la predicción del modelo de regresión múltiple de Ra. 104
Figura 6.3 Grafica de Residuos + Componentes para Ra. 105
Figura 6.4 Grafica para intentar ajustar los puntos a una curva logarítmica 1.
105
Figura 6.5 Grafica para intentar ajustar los puntos a una curva logarítmica 2.
105
Figura 6.6 Grafica para intentar ajustar los puntos a una curva exponencial.
106
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1 Clasificación general de los procesos de manufactura. 11
Tabla 2.2 Parámetros cinemáticos asociados a cada movimiento en una
máquina‐herramienta,
15
Tabla 2.3 Tabla descriptiva del proceso de fresado, 17
Tabla 2.4 Parámetros usados en países industrializados para evaluar el estado
superficial de una pieza (Zeleny‐Vázquez y González‐González, 1999). 28
Tabla 2.5 Modelos desarrollados para la determinación de parámetros de corte en el fresado (Fuente; Navarro-Rizo, 2003).
[image:16.595.80.516.82.557.2]xvii LISTA DE TABLAS (Continuación)
Tabla 4.1 Resumen de investigaciones llevadas a cabo para determinar la influencia de variables que afectan la rugosidad (Fuente: Correa et al 2004).
68
Tabla 4.2 Aplicación del Análisis Dimensional al Análisis del Corte de Metales
(Fuente: Navarro‐Rizo, 2003).
74
Tabla 4.3 Datos Empíricos para aplicar el Análisis Dimensional. 76
Tabla 5.1 Rango de Velocidades de Corte utilizadas en las pruebas. 86
Tabla 5.2 Rango de Condiciones de corte utilizadas en las pruebas. 86
Tabla 5.3 Parámetros de Corte utilizados para el fresado de aleaciones de Titanio (Navarro‐Rizo, 2003) .
87
Tabla 5.4 Parámetros de Corte y Especificaciones de Las Probetas y
Herramientas utilizadas en los experimentos (Navarro‐Rizo, 2003).
88
Tabla 5.5 Experimentos realizados y rugosidades obtenidas. 94
Tabla 5.6 Resultados del Análisis de Regresión Múltiple. 97
Tabla 5.7 Análisis de la Varianza. 97
Tabla 6.1 Resumen de ecuaciones utilizadas para determinar la rugosidad en el
fresado cilíndrico (periférico).
102
Tabla 6.2 Resultados del Análisis de Regresión Múltiple Ajustada. 103
Tabla 6.3 Análisis de la Varianza. 103
Tabla 6.4 Datos experimentales y variables involucradas en el modelo para graficar tendencias logarítmicas y exponenciales (Figuras 6.4, 6.5 y 6.6)
1
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.6 Objetivo de la Tesis 1.7 Alcance.
1.8 Formulación del Problema.
1.9 Metodología para la obtención del modelo. 1.10 Conclusiones.
2
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN
1.1 OBJETIVO DE LA TESIS
Los objetivos generales de esta tesis son:
• Analizar y cuantificar la influencia de los parámetros de corte (en particular la velocidad de corte y de avance) sobre la rugosidad superficial generada después del fresado en aleaciones de titanio Ti-6Al-4V.
• Determinar la existencia de interacciones entre variables independientes, que han sido consideradas como causa de efecto en la rugosidad superficial inducida durante el fresado.
• Verificar que el comportamiento predicho por investigaciones realizadas con anterioridad en metales de aleaciones de acero y afines puedan ser validadas para aleaciones de titanio.
1.2 ALCANCE
En este proyecto de tesis se pretenden lograr los siguientes alcances:
• Desarrollar un modelo semi-empirico practico y funcional que además de predecir, dentro de rangos permisibles, la rugosidad en el fresado ortogonal periférico de materiales difíciles de maquinar (aleaciónes de titanio), refleje la naturaleza del fenómeno de corte.
• Desarrollar una metodología de una manera práctica obteniendo un modelo semi-empirico, el cual, no solo este basado en datos empíricos.
• Obtener un mejor entendimiento sobre la rugosidad superficial obtenida después del proceso de fresado.
1.3 FORMULACCIÓN DEL PROBLEMA
3 La naturaleza de la superficie que resulta de los procesos de manufactura ha sido reconocida, desde hace mucho tiempo, como un factor importante en el desempeño del producto (Lucca et al 1998). Cuando se maquina cualquier componente, es necesario satisfacer en primera instancia los requerimientos de integridad superficial que aseguren la funcionalidad de la pieza. Cuando se menciona la integridad superficial, se habla de dos aspectos importantes de una pieza; el primero está relacionado con la textura superficial la cual está gobernada principalmente por la rugosidad superficial. El segundo aspecto está relacionado con la metalurgia de la superficie, la cual, es el estudio de la naturaleza de la capa de la superficie producida por el maquinado. Así, La integridad superficial de una superficie producida por una operación de remoción de material incluye la naturaleza tanto de la topografía superficial como de la metalurgia superficial. Sobre las propiedades físicas y mecánicas en el medio ambiente seleccionado (Niemi, 1971).
Van Luttervelt et al, 1998 argumento que el numero de modelos disponibles para la predicción del acabado superficial es muy escaso y limitado Van Luttervelt y Peng [1999], mencionan que el control para obtener la precisión de una pieza maquinada todavía depende de la experiencia que tiene el especialista o experto involucrado en la producción y es quien se encarga de la planeación de los procesos o en otros casos se le “delega” la responsabilidad a los operadores de la máquina-herramienta quienes efectúan pruebas hasta que se realizan previamente hasta lograr los requerimientos superficiales deseados. De acuerdo con estos investigadores la razón principal se debe a que solamente una cantidad muy pequeña de las investigaciones se han llevado a cabo para desarrollar modelos capaces de predecir la precisión de la pieza a procesar. Ellos afirman que un modelo genérico para predecir la precisión de la pieza no existe. Esto nos proporciona un área de oportunidad que se tiene que desarrollar.
4 requerimientos de la calidad de la superficie y de la integridad superficial de la pieza siendo estos son los que determinan la función de uso y vida de la pieza maquinada (EI-Wardany et al 2000, Stori et al 1999, Lucca et al 1998, Jang 1992).
En el aseguramiento de la calidad de los componentes manufacturados tradicionalmente se han incluido el control del dimensionamiento y de las propiedades físicas y mecánicas de los materiales. Las investigaciones tecnológicas actuales ilustran claramente que los métodos para producir superficies maquinadas tienen una influencia muy significativa sobre la funcionalidad de los componentes fabricados. De acuerdo con Koster [1976], el acabado superficial puede ser en algunos casos, menos significativo que otras características, como pueden ser los esfuerzos residuales, sin embargo las especificaciones que se incluyen en los dibujos para la fabricación (incluyendo los de definición) solamente establecen los rangos de rugosidad que deben ser controlados.
Dentro de los efectos que puede tener el incumplimiento de la rugosidad en la superficie de una pieza maquinada se pueden mencionar problemas de interferencia entre piezas, provocando efectos de desgaste que si se encuentran en ambientes en los que los efectos térmicos se manifiestan fuertemente, pueden presentar problemas de termofluencia disminuyendo su tiempo de vida. Otro factor no menos importante que se pudiera presentar y que influiría significativamente en la vida de la pieza es el fenómeno de fatiga.
La precisión de una pieza maquinada es un aspecto fundamental para garantizar la funcionalidad del sistema en el que será integrada. Actualmente la industria sobre todo la automotriz y la aeroespacial requieren que las máquinas sean cada vez más revolucionadas (con más velocidad), por lo que el rango de las tolerancias se ha recortado. Estas tolerancias también se reducen en la medida que se fabrican piezas cada vez de menor tamaño como los productos y sistemas que utilizan la nanotecnología.
Tradicionalmente, la selección del proceso de manufactura que se utiliza en la fabricación de una pieza en particular esta basado primeramente en el costo, tiempo de producción, etc. Sin embargo, en los últimos años, otro factor ha llegado a ser significativo y este es la integridad superficial de la pieza, la cual, será determinada por el proceso de manufactura que se seleccione.
5 cuantitativa. El menciona que desafortunadamente, en la literatura no reportan con suficiente detalle ese tipo de modelos y la que existe presenta mucha dificultad para encontrarla.
En este proyecto de investigación se propone el Análisis Dimensional como una herramienta para predecir el comportamiento del fenómeno de corte en el fresado. En el pasado este método se ha usado para análisis de fenómenos complejos, típicos en mecánica de fluidos y transferencia de calor, con buenos resultados.
En este trabajo se plantea la siguiente hipótesis:
El Análisis Dimensional y en particular el Teorema de Pi de Buckingham, puede ser usado para desarrollar un modelo que prediga la textura o rugosidad en la
superficie fresada de una pieza de material difícil de maquinar.
1.4 METODOLOGÍA PARA LA OBTENCIÓN DEL MODELO.
Los principales puntos considerados en el desarrollo de la tesis han sido los siguientes:
2. Análisis de Estrategias para definir Condiciones de Corte y para determinar la integridad superficial de piezas maquinadas (Rugosidad Superficial).
3. Análisis del efecto de los parámetros de corte sobre el acabado superficial dejado después del maquinado (Fresado)
4. Preparación de información y experimentos para el análisis del acabado superficial en el fresado.
5. Selección del método para predecir el acabado superficial dejado después del fresado.
6. Selección de herramientas y equipo para las pruebas en el fresado.
El procedimiento general que se planteo para la elaboración del proyecto de tesis y consecuentemente la escritura de la misma se muestra en la Figura 1.1.
En cuanto a los objetivos experimentales planteados fueron:
6 semi-empírico de corte ortogonal el cual esta siendo desarrollado. Tal modelo predecirá el acabado superficial de la pieza después del fresado, dentro de las condiciones de prueba seleccionadas.
Figura 1.1 Procedimiento General para desarrollar el modelo estadístico para la predicción del acabado superficial en el fresado ortogonal
7 3. Selección del material y equipo para llevar a cabo los experimentos para el
análisis del acabado superficial después del fresado.
4. Identificación de Parámetros a controlar durante las etapas experimentales del proyecto.
5. Identificación de variables así como la determinación de parámetros adimensionales con efecto sobre el acabado superficial durante el fresado. 6. Diseño de los Experimentos.
1.5 CONCLUSIONES
En el presente capitulo se ha planteado el problema a resolver, el cual se resume a la determinación de un modelo practico que además de ayudar al ingeniero encargado de la determinación de las condiciones de corte (fresado) a las que será sometida una máquina-herramienta (fresadora), refleje en sus términos la tendencia “natural” de los valores que se esperan al final del desprendimiento del material, en la superficie maquinada.
En el siguiente capítulo se presenta el marco de referencia (histórico y conceptual) del fenómeno estudiado el cual se encuentra implícito en el concepto denominado “integridad superficial”.
8
C
APÍTULO
2
P
ROCESOS DE
A
RRANQUE DE
V
IRUTA E
I
NTEGRIDAD
S
UPERFICIAL
2.1Introduccion.
2.2 Clasificación de los procesos de manufactura.
2.3 Clasificación de los Procesos de Arranque de Viruta. 2.3.1 Movimiento relativo pieza/herramienta
2.4 La integridad superficial de una pieza manufacturada. 2.4.1 Superficies Manufacturadas.
2.4.2 Integridad Superficial.
2.4.3 Mejoramiento de la Integridad Superficial. 2.5 Topografía y Acabado Superficial.
9 CAPÍTULO 2
PROCESOS DE ARRANQUE DE VIRUTA E INTEGRIDAD SUPERFICIAL
2.1 Introducción.
Debido a que el proceso de fresado pertenece a los procesos de manufactura, en este capítulo se presenta una investigación documental sobre ellos en lo general y los procesos de arranque de viruta en lo particular. Se destaca su clasificación así como los medios básicos utilizados para llevarlos a cabo (maquinas y herramientas). Debido al hecho de que la integridad superficial es un concepto que incluye la rugosidad, tema principal de este trabajo, se incluye una breve investigación de ese tema resaltando la importancia que tiene su estudio para la determinación de la funcionalidad de las piezas maquinadas. Por último se incluye una investigación de criterios y parámetros que desde el punto de vista científico-tecnológico se tienen que considerar para garantizar un acabado superficial que cumpla con las especificaciones preestablecidas por el diseñador. En la Figura 2.1 se puede observar un mapa mental del contenido de este capítulo.
Figura 2.1 Mapa mental del contenido del Capítulo 2. 2.2 Clasificación de los Procesos de Manufactura
10 aplicación de procesos químicos y físicos que alteran la geometría, las propiedades, o el aspecto de un determinado material para elaborar partes o productos terminados. Los procesos para realizar la manufactura involucran una combinación de máquinas, herramientas, energía y trabajo manual. La manufactura se realiza casi siempre como una sucesión de operaciones. Cada una de ellas lleva al material cada vez más cerca del estado final deseado.
Económicamente, la manufactura es la transformación de materiales en artículos de mayor valor, a través de una o más operaciones o procesos de ensamble. El punto clave es que la manufactura agrega valor al material original, cambiando su forma o propiedades, o al combinarlo con otros materiales que han sido alterados en forma similar. El material original se vuelve más valioso mediante las operaciones de manufactura que se ejecutan sobre él.
Figura 2.2 Dos formas de definir la manufactura: a) Como un proceso tecnológico, y b) Como un proceso económico.
Los procesos de manufactura son la forma de transformar la materia prima, para darle un uso práctico en nuestra sociedad y así disfrutar la vida con mayor comodidad.
11 puede desglosarse (la mayor parte de los materiales cerámicos y vítreos). En el caso de los plásticos hay ejemplos de ambas posibilidades. Los materiales compuestos, por su parte, requieren tecnologías de manufactura especiales. Muchos componentes requieren en todos los casos, procesos de terminado.
De manera general los procesos de manufactura se pueden clasificar en cinco grupos los cuales pueden ser observados en la Tabla 2.1.
Tabla 2.1 Clasificación general de los procesos de manufactura.
Todos los procesos de manufactura se pueden describir mediante un proceso morfológico general construido con unos cuantos elementos fundamentales, tomados de los tres sistemas de flujo. Al combinarlos obtenemos la morfología a partir de la cual se puede deducir cualquier proceso de manufactura (ver Fig. 2.3).
12 2.3 Clasificación de los Procesos de Arranque de Viruta.
Los procesos de Conformado por Eliminación de Material, habitualmente denominados Procesos de Mecanizado, se caracterizan por la obtención de la geometría final de la pieza mediante la eliminación del material sobrante de una preforma de partida. Según el método empleado en la eliminación del material, pueden considerarse incluidas dentro de los procesos de mecanizado las dos siguientes categorías de procesos. Los procesos de arranque de viruta se pueden clasificar en dos (ver Fig. 2,4), a saber:
• Tradicionales:
Es un proceso de manufactura en el cual se usa una herramienta de corte para remover el exceso de material de una parte de trabajo, de tal manera que el material remanente sea la forma de la parte deseada. La acción predominante del corte involucra la deformación para formar una viruta; al remover la viruta queda expuesta una nueva superficie. Se aplica más frecuente para formar materiales. Estos procesos se utilizan para conformar partes de materiales como metales, plásticos, cerámica y madera.
• No Tradicionales:
Se clasifican de acuerdo con la forma principal de energía que usan para remover materiales. En esta clasificación hay se pueden identificar cuatro tipos:
1. Mecánicos: se usa energía mecánica en alguna forma diferente a la acción de una herramienta de corte convencional, la forma común de acción es el trabajo mediante una corriente de alta velocidad de abrasivos o fluidos(o ambos).
2. Eléctricos: usan energía electroquímica para remover materiales: el mecanismo es lo opuesto al electrochapeado.
3. Térmicos: usan energía térmica para cortar o dar forma a una parte del trabajo, se aplica esta energía a una parte muy pequeña de la superficie de trabajo, provocando que esta parte se remueva por fusión o vaporización del material. La energía térmica se genera mediante la conversión de energía eléctrica.
13 material de algunas áreas de las partes, mientras que otras zonas de la superficie se protegen con una mascarilla.
Figura 2.4 Clasificación de procesos con arranque de viruta.
Los procesos de mecanizado constituyen, en la actualidad, el conjunto de procesos de fabricación más ampliamente difundidas en la industria. Ello es debido, entre otras razones, a su gran versatilidad en la obtención de diferentes tipos de geometría y al nivel de precisión dimensional obtenido en comparación con otros procesos. Esta difusión ha sido causa de que los equipos de mecanizado hayan experimentado una evolución más adecuada que los restantes en el campo de la automatización, siendo las Máquinas-Herramientas de Control Numérico el más claro exponente de este hecho.
Los elementos de un proceso de mecanizado convencional en la realización de un proceso de mecanizado, requiere la intervención de los siguientes elementos:
• Pieza
• Herramienta
• Máquina-Herramienta • Utillaje o montadura • Sistema de control
14 operaciones sucesivas que van aproximando la geometría de la preforma a la de la pieza terminada. Las operaciones de este proceso se llaman operaciones de desbaste y las últimas son operaciones de acabado.
La herramienta es el elemento que entra en contacto directo con la pieza y produce la eliminación del material sobrante de la preforma. Consta de una o varias aristas o filos; estas aristas se denominan aristas o filos de corte. En función del número de aristas de corte es frecuente considerar una primera clasificación de herramientas en herramientas monofilo, tales como las empleadas en operaciones de torno, y herramientas multifilo, tales y como las empleadas en operaciones de fresado. Según su construcción pueden considerarse herramientas enterizas o monolíticas, cuando toda la herramienta es del mismo material y herramienta de plaquitas o insertos cuando la parte activa y el resto de la herramienta son de materiales diferentes.
Una Máquina-Herramienta puede considerarse constituida por el conjunto de dispositivos que permiten el desplazamiento relativo entre la pieza y la herramienta y la inclinación del material sobrante de la preforma. Estos dispositivos pueden agruparse dentro de las siguientes categorías: Dispositivos de sujeción: son aquellos que tienen como misión asegurar que la pieza o la herramienta se mantienen en posiciones tales que permitan la eliminación de material; dispositivos de accionamiento son los encargados de realizar el desplazamiento relativo entre la pieza y la herramienta.
El utillaje es todo conjunto, generalmente mecánico, que cumple misiones de posicionamiento, fijación o cualquier otra función auxiliar en relación con la pieza, la herramienta, o su movimiento relativo.
2.3.1 Movimiento relativo pieza/herramienta
Para poder eliminar el material sobrante de la preforma es necesario que la pieza y la herramienta posean un movimiento relativo. A efectos de considerar el estudio cinemática del movimiento relativo pieza/herramienta, se considera que la pieza permanece inmóvil, mientras que la herramienta es quien describe el movimiento relativo, que suele descomponerse en tres:
• Movimiento principal, que es el responsable de la eliminación del
material. Consume la mayor parte de la potencia empleada en el proceso.
15 • Movimiento de penetración (profundidad) suele ser un movimiento
previo al inicio del proceso que posiciona inicialmente pieza y herramienta, siendo responsable de la cantidad de material eliminado.
El siguiente cuadro resume, a manera de ejemplo, los parámetros cinemáticas de cada uno de los movimientos considerados, así como sus unidades y sus órdenes de magnitud.
Tabla 2.2 Parámetros cinemáticos asociados a cada movimiento en una máquina-herramienta
16 Figura 2.5 Operaciones comunes de maquinado: (a)
torneado; (b) taladrado; (c) fresado. 2.4 La integridad superficial de una pieza manufacturada.
Tradicionalmente, la selección del proceso de manufactura utilizado en la fabricación de una pieza en particular estaba basado en el costo, tiempo, espacio, etc. Sin embargo, en recientes años, otro factor ha llegado a ser significante: el efecto de la superficie generada por un proceso de manufactura en el rendimiento funcional. Esto es
expresado en términos tales como fatiga, corrosión y resistencia (Griffiths, 2001). Debido a esto, la calidad de las superficies maquinadas es de gran importancia para satisfacer los incrementos en la demanda del desempeño, durabilidad, y confiabilidad de las componentes sofisticadas.
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18 puede ser dividida en dos partes: en primer lugar, el aspecto externo; topografía, textura y acabado superficial, y en segundo lugar, el aspecto interno; metalurgia, dureza y esfuerzos residuales (Griffiths, 2001).
La figura 2.6 muestra las disciplinas que están relacionadas ó tienen una influencia sobre la tecnología superficial. Ninguna disciplina por si sola puede ser resaltada en preferencia a otra, sin embargo en cualquier situación particular un aspecto podría ser dominante. La tecnología superficial cubre un amplio campo de temas como química, tribología, diseño mecánico, metrología y metalurgia (Griffiths, 2001).
Figura 2.6 Disciplinas que se vinculan con la tecnología superficial (Griffiths, 2001).
Existen varias razones del porque la tecnología de la superficie esta actualmente
recibiendo atención en la industria de la ingeniería. Algunas de estas áreas se detallan a
continuación para establecer la escena y destacar las diversas influencias:
1.- Una conciencia de la importancia del proceso de manufactura como el eslabón
final en el diseño hasta la ruta de manufactura.
El fenómeno superficial esta vinculado con causas de fallas en las componentes manufacturadas, ya que existe una correlación entre las propiedades físicas superficiales y causas de falla.
2.- Existe un deseo por la industria de reducir costos y mejorar la calidad en el
19 Además de la reevaluación de procesos de manufactura existentes, es importante la evaluación de nuevas tecnologías de manufactura y su relación al desarrollo de nuevos materiales.
3.- Existe cada vez más reconocimiento de las implicaciones legales en el
rendimiento del producto.
La responsabilidad del producto está relacionada directamente a la garantía de calidad, al proceso de producción y a la superficie que generan.
4.- Hasta ahora se ha encontrado que datos considerados como exactos resultan
ser poco confiables o no explican de una manera convincente los fenómenos
superficiales.
Por ejemplo, originalmente se asumía que la vida por fatiga estaba directamente relacionada al acabado superficial, ahora se sabe que las transformaciones superficiales y sub-superficiales agregan una dimensión adicional al problema.
5.- Se han encontrado varias fallas catastróficas las cuales, cuando la evidencia
fue analizada, mostraron el daño y lo peligroso que llegan a ser las transformaciones
del material en la superficie y sub-superficies causadas por una generación excesiva
de calor durante la manufactura.
La dureza superficial bajo estas condiciones puede incrementarse hasta cinco veces con respecto a la dureza del resto del material (sobre la escala Vickers). Sin embargo, estas capas superficiales son muy frágiles y son generadas por una variedad de procesos de manufactura tales como fresado, taladrado, rectificado y maquinado por electro-descargas.
6.- Una de las principales limitaciones en la evaluación perfilométrica de
superficies es que indicadores como rugosidad promedio (Ra), rugosidad efectiva
(Rq) y altura entre el pico y valle (Ry ó Rt), tienen grandes limitaciones en ciertas
circunstancias.
20 7.- Los requerimientos para potencias más elevadas con respecto a la relación de
peso aunado al mejoramiento del rendimiento de los motores, han conducido al
desarrollo de aceros de alta resistencia y a la utilización de secciones más delgadas.
No solo los aceros de alta resistencia son sensibles a influencias térmicas si no que las secciones más delgadas son más susceptibles a la distorsión. Esto hace diseños más susceptibles a esfuerzos producidos por maquinado. Los esfuerzos residuales por maquinado son una función de la entrada térmica así como la deformación plástica, resultando en distorsión.
2.4.1 Superficies Manufacturadas.
Las superficies manufacturadas pueden ser analizadas considerando cuatro grandes áreas (Griffiths, 2001):
• Topografía • Metalurgia
• Propiedades mecánicas; y • Química
La topografía y química superficial en la interfase con la atmósfera puede ser descrita como características externas de una superficie, mientras que las propiedades mecánicas y la metalurgia representan las características internas. En la figura 2.7 Se presentan los elementos que forman tanto las características internas como externas.
Figura 2.7 Características externas e internas de una superficie manufacturada (Griffiths, 2001).
21 producidas por torneado y la otra es maquinada por electro-descarga (EDM) respectivamente. La superficie torneada es muy regular con cambios estructurales simples mientras que la superficie producida por EDM presenta cambios dramáticos estructurales y aleatorios. Una superficie torneada tiene una topografía regular del tipo copa que corresponde a la forma de la punta de la herramienta. El espacio entre cada copa corresponde a la velocidad de alimentación. La micro-topografía formada en las copas corresponde al desgaste de la herramienta, vibración y errores. También ocurren variaciones en la irregularidad de las copas debido a errores de precisión y alineamiento. En la dirección circunferencial, las hileras son regulares (como los surcos de un campo) y la textura superficial es anisotrópica. Tan pronto como la superficie torneada es expuesta se oxidara y absorberá. La capa externa es la capa de absorción, consistente de vapor de agua e hidrocarburos, los cuales han sido absorbidos del ambiente y de la lubricación ó fluido de corte. Por debajo de esta capa se encuentra la capa de oxido, la cual podría crecer con el tiempo. Debajo de la capa de oxido se encuentra región metalúrgicamente alterada y deformada, la cual es de mayor espesor a las capas descritas anteriormente. La presencia de los esfuerzos residuales tiene una profundidad medida en décimas de milímetro, la profundidad de penetración de la dureza es casi la mitad de los esfuerzos residuales y la presencia de la deformación plástica es casi un cuarto de la profundidad de los esfuerzos residuales.
Figura 2.8 Sección esquemática de
una Superficie torneada (Griffiths,
2001).
Figura 2.9 Sección esquemática de
una Superficie por EDM (Griffiths, 2001).
22 La superficies producidas por torneado y por EDM son muy diferentes en con respecto a sus características internas y externas. La diferencia resulta del mecanismo de generación inherente en el proceso de manufactura. El torneado es esencialmente un proceso mecánico con poca generación de calor mientras que EDM es un proceso térmico sin ningún trabajo mecánico, y como podría esperarse, estas dos superficies producen diferentes desempeños funcionales.
Con respecto al rango del proceso utilizado en la industria existe un rango de características superficiales, la figura 2.10 muestra los valores mínimos, máximos y promedios de las características superficiales y sub-superficiales típicamente producidas en superficies manufacturadas (Griffiths, 2001).
Figura 2.10 Rangos de las características superficiales y sub-superficiales (Griffiths, 2001).
23 penetración de dureza, la cual es ligeramente más grande que la profundidad de las transformaciones metalúrgicas. Sin embargo, mucho cuidado debe ejercerse en la interpretación de estas características debido a que no todas pueden ser directamente comparadas. Por ejemplo, considerando los esfuerzos residuales, la profundidad mínima apropiada a procesos térmicos o mecánicos esta en el orden de 10 micrones mientras que en proceso químicos, el esfuerzo residual es esencialmente cero. Tanto la profundidad de las características internas como la profundidad de la textura son de orden de magnitud mayor que la profundidad de las características externas. Su influencia no debería ser desestimada debido a que algunas veces las características absorbentes y de óxidos puede ser características dominantes en la falla, por ejemplo, grietas por esfuerzos de corrosión.
2.4.2 Definición de la Integridad Superficial.
Un proceso de manufactura produce una superficie consistiendo de topografía y metalurgia. Esto influye en el desempeño funcional de la superficie. Si la superficie es rugosa probablemente el desempeño funcional será malo. Similar afirmación puede ser hecha acerca de cosas que producen un desempeño funcional bueno. El vinculo entre el proceso, aspectos superficiales y desempeño funcional es llamado “integridad superficial”. El termino de integridad superficial fue creado por Field y Kahles en 1964 como un medio para definir el estado de la superficie principalmente en términos de desempeño en el servicio.
El término integridad superficial ha sido descrito como (Griffiths, 2001):
La condición inherente o mejorada de una superficie producida en un maquinado u
otra operación de generación de superficie, (Field y Kahles, 1964); ó
El “valor” topográfico, mecánico, químico y metalúrgico de una superficie
manufacturada y su relación al desempeño funcional, (Griffiths, 1989).
El término “integridad superficial” proporciona la conexión con el servicio en el cual un componente habrá de funcionar. Este término fue propuesto para subrayar el vínculo entre el proceso y el desempeño y, además, da una indicación de la autenticidad y de la confiabilidad de todos los aspectos de una superficie manufacturada.
24 “bueno” y en el otro extremo como “bajo” y “sospechoso”. Las superficies torneadas usualmente producen una aceptable integridad superficial siempre y cuando la herramienta esta afilada y las condiciones de maquinado sean la adecuadas mientras que el proceso de EDM produce una integridad superficial sospechosa, independiente de la condiciones de maquinado empleadas. Una integridad superficial mala no necesariamente podría ser un problema en una situación de bajos esfuerzos, sin embargo en una situación de esfuerzos altos o superficies críticas es fatal.
Los problemas típicos de la integridad superficial se pueden manifestar como:
•Zonas quemadas por rectificado en componentes de aceros de alta resistencia tales como transmisiones de engrandes.
•Efectos de corte por fluido en los esfuerzos de corrosión en el titanio.
•Disminución de la resistencia de fatiga en partes procesadas por EDM o ECM. •Distorsión en componentes delgados.
•Esfuerzos residuales inducidos por maquinado y sus efectos en la distorsión, fatiga y esfuerzos de corrosión.
•Acabados superficiales fuera de especificaciones.
La integridad superficial está relacionada principalmente con los efectos que producen los procesos de manufactura por debajo de las superficies visibles. Las características de las superficies ocurren en varias capas o zonas. Las sub-superficies alteradas pueden ser tan simples como una condición de esfuerzo diferente al resto del material ó tan complejo como un cambio micro estructural entrelazado con un ataque ínter granular (IGA, por sus siglas en Ingles).
Los tipos de alteraciones superficiales asociadas con los procesos de arranque de material son (MDC, 1980):
• Deformación plástica como un resultado del trabajo en frío o caliente.
• Defectos superficiales asociados con la “formación del borde” producidos en el maquinado.
• Re-cristalización.
25 • Transformaciones de fase.
• Ataque inter-granular.
• Micro-grietas y macro-grietas.
• Distribución de esfuerzos residuales en las capas superficiales.
• Fragilizacion por absorción química de elementos como hidrógenos, cloros, etc. • Metal re-fundido depositado sobre la superficie durante descargas eléctricas y
maquinado por láser.
Figura 2.11 Definiciones de la integridad superficial (Griffiths, 2001).
Las principales causas de las alteraciones superficiales mencionadas producidas por el proceso de maquinado son (MDC, 1980):
• Altas temperaturas y gradientes altos de temperatura. • Deformación plástica.
• Reacciones químicas y subsecuentes absorciones en las superficies maquinadas.
• Corrientes eléctricas excesivas.
26 2.4.3 Mejoramiento de la Integridad Superficial.
En orden para mejorar la integridad superficial, manufactureros de partes críticas están ya seleccionando condiciones de maquinado para (MDC, 1980):
• Minimizar esfuerzos residuales (especialmente esfuerzos residuales grandes en tensión), y distorsión. Hoy muchas partes frágiles y ligeras tienen especificaciones de tolerancias muy cerradas que llegarían a ser imposibles sin el empleo de prácticas de integridad superficial.
• Eliminar grietas, rupturas, astillas y otras alteraciones las cuales disminuyen la resistencia a la fatiga y la resistencia a la corrosión.
• Mantener la topografía (rugosidad) de la pieza en rangos tales que aseguren la funcionalidad de las piezas.
2.5 Topografía y Acabado Superficial.
El que una pieza sea apta para una función dada depende de un conjunto de condiciones especialmente de sus estados superficiales. Por ejemplo, el examen de la figura 2.12, muestra que la estanqueidad y el desgaste de la junta son esencialmente función del estado superficial del interior del cilindro
Figura 2.12 Conjunto Parcial de Bomba (Chevalier, 1987)
Si una superficie se corta por un plano normal a la misma Se obtiene una curva llamada perfil de la superficie. Es a Partir de este perfil que se examinan los distintos defectos de la superficie (ver fig, 2,13).
27 •Defectos de primer orden: son los defectos de forma por ejemplo: desviaciones de alineación, desviaciones de redondez, etc.
•Defectos de segundo orden: se caracterizan por una línea ondulada(ver Fig.
2.14). Se obtienen trazando la envolvente superior que pasa por la mayor parte de los salientes.
•Defectos de tercer y cuarto orden caracterizan la rugosidad de la superficie.
[image:44.595.217.417.277.574.2]los defectos de tercer orden son los defectos constituidos por las estrías o surcos. los defectos de cuarto orden son defectos aperiódicos formados por arranques, muescas, etc.
Figura 2.13 Superficie de una pieza originada por un proceso de maquinado (Zeleny-Vázquez y González-González, 1999).
Los criterios afectan a los defectos geométricos de segundo y cuarto orden. El estudio de las superficies se limita, por lo general, a los criterios utilizados con mas frecuencia en la industria. Estos criterios son:
28 Dentro de los criterios físicos tenemos la Profundidad media de ondulación y la Profundidad de rugosidad. Dentro de los estadísticos se encuentran la media aritmética, la media aritmética respecto a la línea media, Media cuadrática, etc, En la tabla 2.4 se muestran algunos de los criterios o parámetros que los países industrializados llegan a considerar para evaluar el estado superficial de una pieza.
Figura 2.14 Defectos geométricos típicos en una superficie (Chevalier, 1987)
29 2.6 Criterios para la Determinación de Parámetros de Corte
Van Luttervelt, Childs, Jawahir, Klocke y Venuvinod (1998) argumentaron que el número de modelos disponibles para predecir el acabado superficial es bajo y muy limitado. Van Luttervelt y Peng (1999) claman que el control de la precisión de las piezas maquinadas todavía depende tanto de la experiencia que tenga en producción, el planeador de procesos, los operadores de las máquinas-herramienta o del número de “corridas” de prueba. Estos investigadores consideran que la razón principal se debe a que solamente una cantidad relativamente pequeña de investigación trata con el desarrollo de modelos capaces de predecir la precisión de las piezas a maquinar. Ellos claman que no existe un modelo genérico para predecir la precisión de las piezas.
A pesar del tremendo desarrollo tecnológico de las máquinas-herramienta con CNC y el gran avance de los programas de CAM para la generación de la trayectoria de la herramienta, la selección de los parámetros de corte en la industria permanece, principalmente, bajo la responsabilidad de los llamados “expertos”, quienes se apoyan, además de la experiencia acumulada en años, de resultados empíricos (Stori et al 1999, Jang 1992). La mayoría de los trabajos reportados en el área de los procesos de arranque de viruta, están enfocados en la disminución de costos de producción, el aumento de la utilidad y productividad así como en el mejoramiento global del proceso. Sin embargo, muy poco ha sido reportado sobre los requerimientos de la calidad de la superficie e integridad superficial de las piezas, las cuales determinan la función de uso y vida de la pieza maquinada (EI-Wardany et al 2000, Stori et al 1999, Lucca et al 1998, Jang 1992).
Las condiciones de maquinado, como velocidad, avance, profundidad de corte,
estado de la herramienta empleada, en el proceso de manufactura pueden variar
significativamente. No solo afectan la producción sino también la integridad superficial.
Para extremos en la producción se utilizan los términos alta y baja, para los extremos en
integridad superficial las palabras comparables son abusivas y ligeras.
Las condiciones de maquinado abusivas son aquellas donde la razón de producción
es maximizada y existe un pobre control de herramientas y lubricantes. El maquinado
abusivo se asocia a:
•El uso de altas velocidades, alimentación y profundidades de corte,
•El uso de herramientas que se encuentran en el fin de su vida y están
30
•Lubricación inadecuada o inapropiada,
•El uso de maquinas-herramienta imprecisa, vieja y sin la rigidez suficiente.
El maquinado abusivo genera calor y grandes deformaciones. Una capa que genera
calor influenciara negativamente a la fatiga, corrosión, resistencia, desgaste y creep,
indeseable para la integridad superficial.
En contraste las condiciones del maquinado ligero son aquellas donde se toma
extremo cuidado en el proceso, tal como poca generación de calor, y generar el mınimo
de alteraciones de la superficie. El maquinado ligero se asocia con:
•El uso de velocidades, alimentación y profundidades de corte que promueven
larga duración de la vida de la herramienta,
•El uso de herramientas afiladas,
•Lubricación apropiada y copiosa,
•Maquinas rígidas y precisas operando sin vibraciones.
Entonces, el maquinado ligero genera poco calor y produce superficies con capas
poco deformadas o idealmente sin capas deformadas.
Existen casos llamados “maquinados abusivos controlados” en los que la superficie
se deforma hasta que aparecen capas blancas y sin rasgos distintivos, estas capas se
denominas capas blancas y tienen un esfuerzo residual de compresión y la dureza de la
superficie es tres veces más que la dureza general de la pieza.
El proceso del corte de metales es el resultado de dos movimientos relativos entre la herramienta de corte y el material que se trabajará en la máquina [Koenisberger F., 1964], estos movimientos son:
a) El movimiento del corte y,
b) El movimiento de alimentación o avance.
31 El progreso y el desarrollo técnicos de los procesos de fabricación, de las herramientas, de los materiales, del equipo de medición y de dispositivos de control ofrecen a diseñadores, a fabricantes y a usuarios de máquinas-herramienta, una creciente eficiencia de sus máquinas y productos. Los investigadores han procurado desarrollar propuestas para mejorar la utilidad económica, el índice de la producción asi como la calidad de las piezas que son manufacturadas. A pesar de esos intentos, el proceso de seleccionar condiciones del corte no ha sido muy exitoso debido al hecho de que dependen, en gran medida, de la experiencia del técnico (Park B., Park M. and Kim, 2001). En los siguientes párrafos se proporciona una breve descripción de algunas investigaciones importantes que se han llevado a cabo para determinar criterios o estrategias que sirvan para determinar y aplicar parámetros de corte en los procesos de maquinado.
2.6.1 Selección de parámetros de corte.
Los modelos o técnicas para la selección de parámetros de corte en el maquinado de piezas se pueden clasificar en tres grandes categorías (Stori , Wright and King 1999; Park, Jun, Lee and Yang 1993), a saber:
a)- Métodos con Datos Dirigidos (The Data Driven Methods),
b)- Métodos Basados en Modelos (Model-Based Methods), o Metodos de Optimación, y
c)- Métodos Basados en Reglas (The Rule-Based Methods).
Los métodos con datos dirigidos utilizan una base de datos de las condiciones de corte tomadas de los manuales o recolectadas en el campo industrial. En los métodos basados en modelos, la selección del parámetro consiste básicamente en cumplir con algún criterio de restricción u optimización del criterio especifico, en el cual, varios modelos analíticos y/o empíricos constituyen las restricciones y la función objetivo. Los métodos basados en reglas extraen y codifican conocimiento específico del dominio de técnicos expertos.
32 Para alcanzar el tiempo de maquinado mínimo sin sacrificar calidad de la pieza, es importante entender las limitaciones de la máquina y el herramental. Tomando en cuenta esto, Wingfough y Smith [1995] desarrollaron un método para determinar automáticamente la profundidad axial de corte y la velocidad del husillo evitando el cascabeleo (chatter), obteniendo como resultado la más alta razon de remoción de material (MRR, por sus siglas en ingles)en el fresado frontal de alta velocidad.
Este método construye una base de datos que consiste en la profundidad de corte y la velocidad del husillo correspondiente a la máxima razón de remoción de material (MRR) para cada herramienta en la máquina. El procedimiento de Wingfough y Smith hace uso un sistema de identificación y control del cascabeleo (chatter) conocido como sistema CRAC. Este utiliza un algoritmo”para mover” la velocidad del husillo y la profundidad de corte en una zona estable.
Pandit y Shunmugam [1992] hicieron un intento para determinar el efecto dinámico de los errores de la máquina-herramienta sobre las superficies maquinadas bajo “condicions normales de maquinado”2.
Su propuesta es una aplicación de una metodología de sistemas dependiente de datos (DDS, por sus siglas en ingles) para recuperar la “firma” de la máquina-herramienta de las superficies maquinadas. Ellos miden y analizan la textura superficial (perfil superficial) de componentes torneados para determinar errores de la máquina-herramienta. Sus experimentos fueron realizados con dos valores diferentes de velocidad y de profundidad de corte, manteniendo constante el avance. Pandit y Shunmugam aseguran que la textura superficial revela los errores de la máquina-herramienta y sus efectos son más pronunciados en condiciones extremas (alta velocidad y profundidad de corte); desafortunadamente, no especifican que tipo de errores son los que se revelan.
Para una descripción más detallada de métodos y técnicas que han sido desarrolladas por diversos investigadores se sugiere leer los trabajos de Navarro-Rizo (2003) y Correa, Ramirez, Alique y Rodriguez (2004)
La tabla 2.5 muestra algunas de las propuestas que se pudieron localizar relacionadas con la determinación de parámetros de corte para procesos de fresado. Esta tabla incluye
2
33 el tipo de modelo desarrollado (mecanístico, analítico, etc.), las variables optimadas y las restricciones impuestas en los modelos.
La Figura 2.15 muestra las variables que tienen influencia en la integridad superficial de una pieza fresada y que se analizaran mas adelante para determinar el impacto en el acabado superficial únicamente.
Figura 2.15 Factores que influyen en la integridad superficial de una pieza durante el proceso de fresado (Navarro-Rizo, 2003)
2.7 Conclusiones.
Tomando en cuenta la investigación bibliográfica llevada a cabo en cuanto al modelado del proceso de maquinado y después de analizar la información presentada en la tabla 2.5, en particular de la rugosidad, se lograron identificar las siguientes necesidades:
34 B. El número de modelos disponibles para la predicción del acabado superficial
final de una pieza es muy limitado.
C. La mayoría del conocimiento sobre la rugosidad y la integridad superficial es empírico, y basado en experimentos en el laboratorio.
D. Muy pocas relaciones en una forma matemática, que relacionan los parámetros superficiales con las condiciones del corte, están disponibles.
E. La mayoría de las investigaciones están orientadas para el torneado.
F. La información tecnológica del proceso tecnológico de maquinado, bajo la forma de ecuaciones empíricas para el propósito cuantitativo de la predicción, no se divulga con suficiente detalle en la literatura y es a menudo difícil de encontrar.
G. No se ha podido localizar método predictivo alguno que permita determinar la diferencia entre la rugosidad superficial “real” y la “ideal”. Por otra parte, la rugosidad superficial “real” tiene que ser estimada de ecuaciones “empíricas” aun cuando muy pocas de estas ecuaciones se han publicado en la literatura. H. Se requiere desarrollar modelos prácticos y confiables para determinar
parámetros de corte que puedan obtener piezas funcionales a partir del control directo en la máquina-herramienta.
I. Se requiere el desarrollo de un modelo que considere la mayor cantidad de parámetros involucrados en la integridad superficial como una restricción en la determinación de los parámetros de corte.
35
36
CAPITULO
3
RUGOSIDAD
EN
EL
FRESADO
3.1 Introducción.
3.2 Mecánica del Proceso de Fresado. 3.2.1 Fresado a favor del avance. 3.2.2 Fresado en contra del Avance.
3.3 Variables con Efecto sobre la rugosidad
37
Capitulo 3 RUGOSIDAD EN EL FRESADO.
1. Introducción.
La naturaleza de la superficie que resulta de los procesos de manufactura ha sido reconocida, desde hace mucho tiempo, como un factor de impacto significativo en la funcionalidad del producto (Lucca, Brinksmeier and Goch, 1998).
Cuando se maquina cualquier componente, es necesario satisfacer, en primer lugar, los requerimientos de la integridad superficial de la pieza (ver figura 3.1). La integridad superficial de una pieza está constituida por dos partes; la primera es la textura superficial, quien incluye principalmente la rugosidad superficial, la cual es una medida
de la topografía superficial. La segunda parte es la metalurgia superficial, la cuál estudia la naturaleza de las capa superficial producida en el maquinado (ver Niemi, 1971).
Figura 3.1 Parámetros Característicos de la Integridad
superficial de una pieza maquinada (Adaptada de: Navarro-Rizo, 2003).
