DESGASTE POR CRATERIZACIÓN EN

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1 Universidad Nacional de Lomas de Zamora TECNOLOGÍA MECÁNICA DESGASTE POR CRATERIZACIÓN EN INSERTOS DE CORTE Beca de Estímulo a la Investigación Científica Becaria CIN: Daniela Joana Perez Director de beca: Daniel Martinez Krahmer

2 Título de la beca: Rendimiento de insertos de metal duro por evaluación del desgaste de craterización Introducción: Una herramienta de corte es aquella capaz de producir la extracción de material de una pieza, a través de la formación de viruta en un proceso de mecanizado. Para, ello el material de la herramienta debe poseer siempre mayor dureza que el material o pieza que se está mecanizando. En cuanto a su constitución podríamos diferenciar dos tipos de herramientas, 1) aquellas hechas de un único material, y 2) otras conformadas por un llamado portaherramienta o vástago sobre el cual se sujeta un inserto de un material de mayor dureza, que hará el trabajo de corte, lo que permite trabajar sobre materiales de mayor resistencia, resistiendo las mayores temperaturas generadas durante el corte. Los materiales más difundidos que conforman las herramientas son los aceros rápidos, metal duro, cerámicos, nitruro de boro cúbico y diamante policristalino. La temperatura que se produce durante el corte se debe a la deformación plástica y a la fricción que sucede sobre el material original y por el roce entre herramienta viruta respectivamente. La combinación de temperaturas elevadas con la afinidad química de los materiales conlleva a un desgaste en la herramienta, es decir, a la pérdida gradual del material que la compone, determinando para las mismas una vida útil. Analizar el desgaste de una herramienta es de vital importancia, ya que define la duración de la misma durante la operación de mecanizado y se lo vincula directamente con la calidad superficial y dimensional obtenida en la pieza terminada. La tendencia al análisis del desgaste de las 2

3 herramientas ha aumentado en los últimos años al hacerse creciente el uso del proceso de mecanizado de alta velocidad, principalmente en la industria automotriz y aeronáutica, las cuales exigen acabados superficiales y tolerancias dimensionales muy acotadas. Desde el punto de vista económico, determinar el tiempo de duración de una herramienta, permite realizar el cambio de las mismas en el momento adecuado, sin utilizarla en exceso ni en defecto. En cuanto a la geometría, una herramienta de corte es de tipo cuña y debemos hacer una distinción en las partes que la conforman para luego distinguir el tipo de desgaste que sufren y en que sección de la misma. Es así que podemos diferenciar la cara o superficie de desprendimiento (A) o también denominada ataque, la de incidencia o flanco (B), y el filo principal de corte. Superficie de desprendimiento Superficie de incidencia Figura 1 Las regiones de desgaste de una herramienta se conocen como desgaste del flanco, el cual se da debajo del filo principal de corte, y el desgaste de cráter, el cual se produce sobre la cara de desprendimiento (para más detalle ver las imágenes de más abajo). Figura 2 Existe un criterio para la determinación de la duración de una herramienta, según la norma ISO 3685, la cual establece un máximo para el desgaste sobre el flanco de 0,3 mm (V B medio). En relación a su análisis, estudio y métodos de medición es un tema ampliamente desarrollado y existe una profusa bibliografía al respecto. Por el contrario, no sucede así con respecto a la determinación del cráter, posiblemente en razón de las dificultades técnicas para efectuar su medición, sumado al hecho que, si bien la generación del cráter disminuye la vida de la herramienta 3

4 ya que debilita su estructura geométrica, no influye sobre la terminación superficial, como tampoco en las dimensiones de la pieza. Refiriendo a los fenómenos que conllevan al desgaste de la herramienta son: abrasión, difusión, oxidación y adhesión. El desgaste por abrasión de produce cuando partículas endurecidas, que originalmente se encuentran en el material a mecanizar, pasan a formar parte de la viruta y rozan contra la superficie de incidencia. Este fenómeno es el principal generador del desgaste de flanco, consistiendo básicamente en un desprendimiento mecánico del material de la herramienta. La difusión es básicamente la migración de átomos de una determinada estructura cristalina compacta, a otra de menor concentración atómica. Predomina esta acción sobre la cara de desprendimiento, y se ve favorecida por la afinidad química y las altas temperaturas. La oxidación depende en gran medida de la temperatura generada durante el proceso de corte, formando una capa de óxido, principalmente sobre las herramientas de metal duro, que deteriora la estructura del material, pudiendo llegar a generar la rotura de la misma, en la mayoría de los casos, de la punta. Finalmente, el desgaste por adhesión se ve favorecido en los casos de mecanización de materiales dúctiles, y consiste en una soldadura puntual del material mecanizado y la herramienta. Como consecuencia del mismo se produce una modificación en la geometría de herramienta, y en muchos casos, al desprenderse aquella sección de material adherida, conocida como filo recrecido, conlleva a una rotura de la herramienta de corte. 4

5 Las dimensiones principales de un cráter, establecidas por la norma ISO 3685 son: K T (profundidad del cráter), K B (ancho total, coincidente con el sentido de desplazamiento de la viruta), K L (distancia entre inicio del cráter y la punta de la herramienta) y K M (distancia entre el centro del cráter y la punta de la herramienta). Figura 3 Como se dijo anteriormente, el análisis sobre la craterización de una herramienta no se encuentra tan difundido. Luego de un proceso de revisión bibliográfica, publicaciones y papers científicos, fundamentalmente en y referidos a esta temática, hemos dado con los siguientes casos: 1) Cutting temperature prediction in high speed machining by numerical modelling of chip formation and its dependence with crater wear: Se trata de un estudio sobre modelado por elementos finitos, el cual conduce a la predicción de la temperatura y del esfuerzo en la interface de corte. La dificultad de medición en esta zona hace que a menudo este método sea una buena alternativa frente a los métodos experimentales. En principio, se identificaron tres zonas de generación calor, producto de la fricción y de la deformación plástica del material. La viruta atraviesa la zona primaria (Rp), a partir de la cual se considera como un cuerpo rectangular que roza la cara de desprendimiento, donde la energía de fricción es la responsable del incremento de la temperatura, y el modelado considera de forma teórica que ambos cuerpos (herramienta y viruta), poseen la misma temperatura máxima Tmax sobre la zona secundaria (Rs). 5

6 Figura 4 Los resultados de las simulaciones pueden verse en la figura 5: Figura 5 La validación experimental de los resultados obtenidos por simulación numérica, fueron realizados con un aparato de balística (Figura 6), colocando la pieza (specimen) en el lugar de lanzamiento del proyectil, junto a dos herramientas simétricas de tipo ortogonal, que se montaron en la entrada de dicho tubo para realizar el proceso de corte, equilibrando así los esfuerzos y el espesor de viruta. Las velocidades de corte fueron en el rango de 23 m/s a 60 m/s y el material de trabajo fue un acero de bajo carbono (AISI 1018). La cámara de alta velocidad permitió tomar fotografías durante la formación de la viruta con elevada exactitud, permitiendo medir la longitud de contacto y el espesor de viruta. Mientras que para medir la temperatura se utilizó una técnica de pirómetro óptico, con un error de medición de 5,5%. 6

7 Figura 6 Se llegó a una correcta correlación entre el método por elementos finitos y el experimental y permitió observar como la modificación en la distribución de la temperatura combinada con la acción de la viruta sobre el área contribuyo al crecimiento del cráter en la longitud Kb (figura 3). 2) An experimental investigation of crater wear in turning using ultrasonic technique: La predicción de la vida de una herramienta y la estrategia de cambio de los filos, se basan en estimaciones conservadoras a partir de datos experimentales. Esto lleva a una subutilización de la misma, traducido en un tiempo improductivo de la máquina, por cada cambio de herramienta, además de una utilización antieconómica del material cortante. Al mismo tiempo, un excesivo uso de la herramienta podría llevar a su rotura en un tiempo indeterminado. El objetivo que se plantea en este trabajo es cambiar la herramienta antes de su falla, evitando piezas fuera de tolerancia. Para ello, una sonda se posiciona del lado opuesto al filo cortante del inserto, sobre un plano paralelo a la superficie de incidencia, e induce ondas de ultrasonido que se reflejan sobre la misma; la cantidad total de la energía reflejada, en comparación con la emitida se reduce conforme aumenta la profundidad del cráter, debido a la dispersión de las ondas en la zona del desgaste. Este método se propone con viabilidad de aplicación práctica. 7 Figura 7

8 El inserto utilizado fue un inserto de metal duro mecanizando un acero EN 26, con un diámetro inicial de 60 mm, rotaciones en el rango de 600 rpm a 900 rpm, velocidad de avance de 60 mm/min y con una profundidad de 0,5 mm/rev. La validación se realiza entre el método expuesto y ANFIS (técnica que integra redes neuronales con principios de lógica difusa, considerado como un estimador universal), dando un porcentaje de error promedio del 4%, los resultados pueden verse en la tabla 1. Tabla 1 3) Cutting tool crater wear measurement with white light interferometry: Los procesos de elevada velocidad, tanto en el torneado como en el fresado, aumentan la productividad y reducen tanto el tiempo como los costos de producción, pero se deben tener precauciones en el sentido de la terminación superficial de las piezas, evitando por ejemplo rugosidades excesivas dado un inadecuado uso de las herramientas. Se propone el uso de interferometría de luz blanca para medir el cráter en un inserto de corte. El método consiste en un método de no - contacto basado en técnicas ópticas, que permite medir alturas y formas de una superficie con gran velocidad y precisión. En un perfilador óptico, se emite luz blanca que atraviesa un divisor de haz y dirige la luz a la superficie de la muestra y a un espejo de referencia. Cuando la luz reflejada de ambas superficies se combinan, se generará interferencia siempre y cuando exista una dispersión geométrica en una de ellas, formando así un patrón de formas. Durante el análisis, los datos de la interferencia son capturados por una cámara de video y procesados con un sistema de algoritmos avanzados de informática, con una resolución subnanométrica. Cuanto mayor sea la posición de enfoque para cada punto de proyección, mejor será el contraste de las franjas. 8

9 Figura 8 La validación experimental se realizó con un proceso de torneado en seco sobre un acero 42CD4, con una herramienta con recubrimiento de carburo de wolframio (WC), y las velocidades de corte fueron de 60 m/min a 1200 m/min. En este experimento se vio la vinculación entre el coeficiente de fricción y el desgaste de la herramienta. Se midieron también los esfuerzos sobre los ejes X y Z con un dinamómetro Kistler. Figura 9 El aumento de la velocidad de corte conduce a una disminución de los esfuerzos sobre ambos ejes, contrariamente al incremento de la velocidad de avance. En relación al coeficiente de fricción, este decrece cuando se incrementa la velocidad de corte hasta un determinado valor (Vc= 480 m/min) y posteriormente vuelve a incrementarse (Figura 10). Figura 10 9

10 La disminución del coeficiente de fricción puede asociarse con el incremento de la temperatura en la interface herramienta-viruta. Pero los modelos que generalmente se utilizan para predecir los esfuerzos de corte no consideran el incremento de dicho coeficiente. Por esta razón se puede concluir que las características operativas se vinculan al desgaste de la herramienta, y que la rotura del filo de corte incrementa el coeficiente de fricción. Por otro lado, se obtuvieron los valores de profundidad del cráter, en función de a velocidad de corte, y se dedujo además que, un aumento en la velocidad de avance, no modificaba la profundidad del mismo. Estos conceptos surgen de la tabla siguiente: Figura 11 4) 3D measurement of crater wear by phase shifting method: Se trata de un método de medición sin contacto, el cual consta de la generación de un mapa 3D del inserto de corte. Cuatro patrones de franjas, con diferentes desfases se proyectan sobre la cara de desprendimiento, y se capturan imágenes con cuatro niveles de grises. Un proyector LCD se monta en conjunto con un microscopio de larga distancia de trabajo (LWDM), se emiten cuatro patrones desplazados uno con respecto del otro Pi/2, los cuales se proyectan sobre la cara de desprendimiento de la herramienta, y se capturan con la cámara del microscopio, almacenándose a través de la captura de fotogramas. 10

11 Figura 12 Las imágenes de los patrones de franjas se procesan y se obtiene así un mapa 3D de la región de desgaste del cráter (Figura 13). Figura 13 Para la validación experimental, se utilizaron dos insertos, uno recubierto y otro sin recubrir, comparando las imágenes obtenidas en escala de grises con los mapas 3D generados. Según la norma ISO 3685, son cuatro los parámetros que deben medirse en el cráter: Kt (profundidad del cráter), Kb (anchura del cráter), Km (distancia entre ejes) y Kf (distancia al flanco). El error porcentual máximo fue del 7%. También se utilizó una medición por láser, a través de una máquina de medición OMS400. 5) Tool crater wear depth modeling in CBN hard turning El torneado de metal duro con herramientas de nitruro de boro cúbico (CBN) debe ser analizado en mayor profundidad, ya que combina un alto costo de herramienta, con los beneficios propios de este tipo de proceso. Dada las elevadas condiciones de corte, influyen tanto el desgaste del labio de la herramienta, como también el de craterización. El objetivo del trabajo es modelar el desgaste del cráter, a través de su profundidad Kt, para guiar al diseño de la geometría de la herramienta y optimizar los parámetros de mecanizado, permitiendo reducir los costos de equipamiento, tiempos cortos de set-up, disminuir los pasos del proceso, remover mayor cantidad de material, evitar el uso de fluido de corte, y obtener una mejor 11

12 terminación superficial. Se consideraron los fenómenos de desgaste, abrasión, adhesión y difusión, modelando cada uno de estos fenómenos respectivamente. La tasa de desgaste del cráter se modeló en función de una temperatura media, a una tensión normal media, velocidad de formación de la viruta y propiedades de los materiales en juego. Un ejemplo de las ecuaciones utilizadas en el modelado podría ser la formación del espesor de viruta (tmax): La validación experimental del modelado completo se comparó con el torneado de un acero AISI 52100, de dureza 62 HRc, bajo tres condiciones de corte. La medición del cráter se realizó con un microscopio Zygo NewView 200, y se midieron los esfuerzos con un dinamómetro piezoeléctrico. Las condiciones fueron: 1) Velocidad de corte: 1,52 m/s, avance: 0,076 mm/rev, profundidad de corte: 0,102 mm; 2) Velocidad de corte: 1,52 m/s, avance: 0,076 mm/rev, profundidad de corte: 0,152 mm; 3) Velocidad de corte: 2,29 m/s, avance: 0,061 mm/rev, profundidad de corte: 0,203 mm Los resultados experimentales evidenciaron una elevada reducción de la vida de la herramienta en la condición de mecanizado tres, como puede apreciarse en la figura 14, en comparación con la condición uno, que puede visualizarse en la figura 15: Figura 14 Figura 15 12

13 La comparación entre el la predicción por modelado y el método experimental muestran una elevada concordancia frente a las condiciones analizadas. Se concluye además que el fenómeno de mayor influencia en la formación del cráter es el de adhesión (representa alrededor de un 80%) Conclusiones: De la revisión bibliográfica analizada, podemos concluir en que la mayoría de las investigaciones se orientan a la medición del cráter, sin estudiar en profundidad la vinculación directa con las condiciones de corte. Los ensayos experimentales fueron utilizados para la validación de los mismos en la totalidad de los casos, evidenciando una ausencia de aplicación práctica durante el proceso de mecanizado de los métodos expuestos. Así mismo, resulta evidente la importancia de estos análisis, más aun con la evolución de los procesos de mecanizado, y las nuevas tendencias al uso de procesos de elevada velocidad, donde la herramienta cobra vital importancia. Se podrían generar líneas de investigación en función de: vinculación del cráter con gradientes de temperatura del inserto, así como la evolución del desgaste durante el proceso de corte o bien la formación de cráter frente a diversas calidades de inserto. Dos temas importantes que no fueron considerados por los investigadores fueron: 1) la necesidad de emplear herramientas con alta sensibilidad a la craterización, para obtener progresos contundentes en el desgaste. 2) Asimismo que, para validar una nueva técnica de medición, como el de ultrasonido (ver trabajo 2), hubiera resultado fundamental compararlo con un método mecánico (por palpado), por ejemplo, determinando la profundidad del cráter. Aclaración: la inhomogeneidad de las unidades, se debe a que se conservaron las empleadas por los autores en las publicaciones originales. Bibliografía: a) Libros: - Machinability Data Center, Machining Data Handbook, Third edition, Metcut Research Associates Inc., Cincinatti, USA. - G. Micheletti, Mecanizado por arranque de viruta, Editorial Blume, España, E. Trent, Metal cutting, Butterworth-Heinemann, USA, M. Shaw, Metal cutting principles, Oxford University Press, USA, b) Normas: - ISO 3685: Tool life testing with single-point turning tools. - ISO : Tool life testing in milling Part 1: Face Milling. 13

14 c) Páginas webs: