Influencia de parámetros de corte y vibraciones en la rugosidad superficial en procesos de torneado

Transcripción

1 2. RUGOSIDAD SUPERFICIAL 2.1. Definición y parámetros La textura de una superficie se puede definir como las desviaciones, repetidas o aleatorias, que se producen de la superficie nominal de un objeto. Estará definida por una serie de características como son: ondulación, rugosidad, orientación y defectos. La rugosidad puede definirse como pequeñas desviaciones de la superficie nominal que se encuentran espaciadas en porciones de pequeño tamaño, y cuya causa está en las características del material y el proceso que formó la superficie. En este proyecto se abordará el estudio de la rugosidad en procesos de torneado, donde los valores más frecuentes de rugosidad obtenidos estarán entre 1,6-3,2 µm. La forma de la herramienta empleada en el mecanizado y los parámetros de corte definirán un perfil teórico, que servirá para tener una primera aproximación de la rugosidad de la superficie. Normalmente, la medida real de rugosidad suele estar más próxima al valor teórico multiplicado por dos. Con dicho perfil teórico podremos obtener, a partir del valor de rugosidad, el tipo de herramienta y las condiciones de corte que mejor convengan. Para poder obtener un perfil real de la superficie será indispensable el uso de un rugosímetro. El empleado en nuestro caso, será descrito más adelante en el apartado 5.1.1, describiéndose cuáles han sido los parámetros previos seleccionados para llevar a cabo las mediciones. En la figura 2.1 se muestra un perfil de rugosidad obtenido tras la medición y se indican los parámetros de rugosidad que se tendrán en cuenta en este estudio. Ellos son: Longitud básica, se llama así a una longitud muy pequeña sobre la que se hace la medición, que normalmente está entorno a los 0,8 mm. Más adelante a dicha longitud se le llamará lambda, y en nuestro caso tomará valores de 0,8 y 2,5 mm. Línea media, será el lugar geométrico que divide el perfil en dos, de manera que las áreas que quedan a un lado y otro de la línea sean las mismas. Rugosidad máxima R máx, será la distancia que hay desde la cresta más alta del perfil al valle más bajo, medida en µm. Dicho valor suele estar alrededor de cinco veces el valor de la rugosidad media. Rugosidad R a, que puede definirse como la desviación media aritmética del perfil, y matemáticamente mediante la ecuación 2.1. Capítulo 2 6

2 Figura 2.1. Perfil de rugosidad y parámetros de análisis. R a = 1 l y dx l 0 (2.1) Donde l es la longitud básica; x e y las coordenadas del perfil; y R a la rugosidad media aritmética. También puede calcularse dicha media realizando un muestreo sobre el perfil obteniendo una serie R i, como indica la ecuación 2.2 R a = n i=1 R i n (2.2) Siendo R i la ordenada en valor absoluto de un punto i del perfil respecto a la línea media; y n el número total de puntos tomados sobre el perfil para el muestreo Medición del acabado superficial El mecanizado es frecuentemente el proceso de manufactura que suele determinar la geometría final, las dimensiones de la pieza y la textura de la superficie. El parámetro más representativo para medir dicha textura será la rugosidad superficial, y los factores de los que depende la rugosidad de una superficie mecanizada se pueden agrupar en los siguientes: Factores geométricos Factores de material de trabajo Factores de vibración y de la máquina herramienta Los factores geométricos son aquellos que, como su propio nombre indica, establecen la geometría de la superficie de una pieza mecanizada. Entre ellos se encuentran: el tipo de operación de mecanizado (en este caso, torneado); la geometría de la herramienta de corte, siendo lo más significativo el radio de la punta; y el avance. Dichos factores darían como resultado la rugosidad superficial ideal o teórica, calculada sin tener en cuenta otros factores como Capítulo 2 7

3 son el material de trabajo, las vibraciones o la máquina herramienta empleada. Según la operación de mecanizado realizada, la geometría de la superficie será diferente a causa de las distintas formas que podrá tener la herramienta, así como debido a la interacción entre herramienta y superficie. Esto quedará reflejado en la orientación resultante de la superficie mecanizada. La geometría de la superficie será el resultado de la combinación de la geometría de la herramienta y el avance. Dentro de la geometría de la herramienta, el factor más importante será el radio de la punta. En la figura 2.2 queda reflejado el efecto que puede tener la forma de la punta en el acabado superficial de una pieza mecanizada. Figura 2.2. Acabado superficial de la superficie mecanizada en función del radio de punta de la herramienta [1] Para una herramienta de punta sencilla se puede ver cómo, para un mismo avance, se obtienen mejores acabados superficiales y por tanto marcas menos pronunciadas, empleando mayores radios de punta. En el caso de tratarse de un mismo radio de punta, la rugosidad superficial será mayor al aumentar el valor del avance, de manera que la separación entre las marcas de avance aumentará. El ángulo del filo de corte frontal (AFCF) deberá ser lo menor posible para obtener mejores acabados, siendo en teoría un valor nulo el que produciría una superficie totalmente lisa, lo cual no se dará realmente debido a que las imperfecciones del material, de la herramienta y del proceso de mecanizado siempre existirán. Todos los factores antes mencionados pueden relacionarse mediante la ecuación 2.3, que servirá para predecir la rugosidad de una pieza mecanizada por torneado y que será la ecuación de referencia en este estudio. R a = 1000 f2 32r (2.3) Capítulo 2 8

4 Donde R a será la rugosidad ideal medida en µm, f el avance medido en mm/rev, y r el radio de la punta de la herramienta medido en mm. Dentro de los factores relacionados con el material de trabajo que afectan al acabado superficial de las piezas, están los siguientes: Los relacionados con el filo recrecido, que se puede desprender depositándose las partículas en la superficie de trabajo recién creada y generando una textura rugosa parecida al papel de lija. La viruta enredada en el material de trabajo que puede dañar la superficie. A la hora de mecanizar materiales dúctiles, puede ocurrir que durante la formación de viruta se produzca el desgarramiento de la superficie. El mecanizado de materiales quebradizos genera un tipo de viruta discontinua que puede llegar a causar grietas en la superficie. La fricción que tiene lugar entre la superficie de trabajo recién mecanizada y el flanco de la herramienta. Así, la velocidad de corte y el ángulo de inclinación serán dos parámetros que tendrán mucho peso en los factores antes citados, siendo tal su influencia que pueden obtenerse mejoras en el acabado superficial si se aumentan alguno de ellos. A partir de una relación empírica de la ecuación 2.4, pueden relacionarse los valores que se obtendrían teóricamente de rugosidad, y los obtenidos en realidad debido al efecto de las imperfecciones aportadas por el material de trabajo. Dicha relación, comprende también la influencia de la velocidad de corte y del material de la pieza mecanizada como causa de la superficie resultante. R a = r ai R i (2.4) donde, R a es el valor estimado de la rugosidad real; r ai es la relación entre el acabado superficial real e ideal; y R i es el valor real de la rugosidad. La gráfica de la figura 2.3 refleja este hecho. Además, posteriormente, se recreará de manera experimental en el apartado 5.2. Por último, se encuentran los factores relacionados con las vibraciones producidas durante el mecanizado, hallándose entre ellos el tipo de máquina herramienta empleada. Dentro de dichos factores quedarán incluidos el traqueteo o vibración de la máquina o de la herramienta de corte; la deflexión entre los montajes; y el juego entre los mecanismos de avance (sobre todo en máquinas antiguas). Así, el traqueteo dará como resultado ondulaciones en la superficie de trabajo. Para minimizarse dicho efecto de traqueteo, las posibles soluciones serán: Aumentar la rigidez o la amortiguación de la instalación. Capítulo 2 9

5 Operar a velocidades tales que no surjan fuerzas cíclicas, con frecuencias que puedan aproximarse a la frecuencia natural del sistema máquina herramienta. Disminuir las fuerzas de corte reduciendo los avances y las profundidades. Cambiar diseño del cortador de manera que se reduzca la fuerza. También puede tener influencia la geometría de la pieza de trabajo, pues las secciones transversales delgadas tienden a incrementar la posibilidad de traqueteo, teniendo que usarse soportes adicionales. Figura 2.3. Representación r ai - V c [1] 2.3. Medición de la rugosidad Para realizar una mejor descripción del proceso de medición de la rugosidad se seguirá la norma UNE 82301:1986, que establece la lista de parámetros, los tipos de dirección de las irregularidades superficiales y da las reglas generales para la determinación de la rugosidad superficial [24]. A continuación; se resumirán los puntos más importantes de dicha norma: Esta norma será aplicable dentro de los siguientes límites para los valores numéricos de los parámetros de rugosidad: 0,008 µm R a 400 µm 0,025 µm R z y R máx 1600 µm 0,002 µm S y S m 12,5 µm Capítulo 2 10

6 Las especificaciones de rugosidad superficial se determinarán a partir de la aplicación funcional de la superficie, con el fin de que la calidad de los productos sea la solicitada. Dichas especificaciones de rugosidad no incluirán especificaciones relativas a defectos superficiales, que se especifican a parte si es necesario. En el apartado anterior ya se han definido alguno de los términos empleados en esta norma (longitud media, longitud básica, R a, R máx ), pero otros no han sido definidos, como son: R z, que será la altura de la irregularidades en diez puntos; S m, paso medio de las crestas locales del perfil; S, longitud portante del perfil; t p, tasa de longitud portante del perfil; η p, longitud portante del perfil; c, nivel de corte del perfil. Mediante el valor numérico (máximo, mínimo, nominal o límites de valores) de los parámetros de rugosidad y el valor de la longitud básica sobre la que se efectúa la medición podrán definirse las especificaciones de rugosidad. Los valores numéricos de dichos parámetros estarán referidos a las secciones perpendiculares a la superficie geométrica, que será aquella que se desea obtener teniendo en cuenta el proceso de fabricación y la forma de la herramienta. Si la dirección de estas secciones coincide con los valores máximos de los parámetros que miden las alturas de las irregularidades en la superficie dada (R a, R máx, R z ), no debe mencionarse la dirección de la sección. Deberá indicarse también, si fuera necesario, la dirección de las irregularidades de la superficie, el tipo o el orden de tipos de fabricación y la rugosidad de zonas de superficies particulares. A la hora de emplear los valores numéricos de los parámetros de rugosidad, los errores permitidos de los valores medios con relación a los valores nominales se deben expresar en porcentajes. Dichos errores pueden ser simétricos o asimétricos. Capítulo 2 11