APLICACIÓN DEL SISTEMA FLOWDRILL EN PLACAS DE ACERO INOXIDABLES

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1 APLICACIÓN DEL SISTEMA FLOWDRILL EN PLACAS DE ACERO INOXIDABLES Autores Alberto Gallegos Araya, Ramon Araya Gallardo Departamento Mecánica. Universidad de Tarapacá. 8 Septiembre Arica - gallegos@uta.cl Arica-Chile. RESUMEN La investigación se realizó utilizando dos herramientas de Flowdrill de diferentes diámetros sobre espesores de placas de Acero Inoxidables, uno de los objetivos principales fue determinar a través de Modelos Estadísticos la influencia de cada uno de los parámetros que se utilizan en el proceso, como también determinar los parámetros de mecanizado óptimos del proceso de flowdrill sobre placas de acero inoxidable. Para llevar a cabo este estudio se realizaron una serie de pruebas para cada uno de los espesores modificando las velocidades de avance y de rotación, de tal manera de estudiar la influencia de cada una de ellas en la calidad del manguito en el cual se puede tallar la rosca a través del sistema Flowtap. Por otro lado, se estudio el comportamiento microestructural del acero inoxidable en las zonas cercanas al agujero fabricado a través del proceso flowdrill, a través de mediciones de microdureza y análisis del cambio en la microestructura sufrida por la generación de altas temperaturas durante el proceso de fabricación. Se realizaron pruebas para determinar las características mecánicas generadas en las roscas fabricadas de tal manera de comparar esta nueva alternativa con un sistema de unión de placas normal. PALABRAS CLAVES: flowdrill, modelos estadísticos, aceros inoxidables 60

2 INTRODUCCION. El taladrado por fluencia térmica es un nuevo proceso de fabricación que sustituye el taladrado convencional de placas delgadas. Los agujeros se obtienen gracias a la fricción entre la herramienta y la pieza, calentando la región cercana al agujero, lo cual ablanda el material, conformando así la rebaba en un manguito, sin formación de virutas. Las principales ventajas de este proceso son la mayor superficie de roscado, larga duración de la herramienta, la ausencia de formación de virutas, alta calidad superficial y tolerancias dimensiónales de los agujeros. El presente trabajo de investigación, estudió principalmente, los parámetros de mecanizado (velocidad de rotación y avance) más apropiados para el trabajo de cuatro espesores distintos de placas de acero inoxidable, utilizando el proceso de taladrado por fluencia térmica y roscado por conformación. MODELO ESTADISTICO Se estudiaran el factor de fuerza en el proceso de flowdrill, se considerará que las variables que influyen en este factor son: la velocidad de rotación (A), la velocidad de avance (B) y el espesor de la placa (C). Se utilizará un diseño factorial general con los tres factores fijos. El Modelo lineal a utilizar es el siguiente: yijkl i j k ( τ β ) + ( τ γ ) + ( β γ ) + ( τ β γ ) ε ijkl = μ + τ + β + γ + + (ec. ) ij ik jk ijk donde: τ i = Efecto de la velocidad de rotación (A) β j = Efecto de la velocidad de avance (B) γ k = Efecto del espesor del material (C) y = Fuerza ijkl Los valores de fuerza, pueden ser medidos a través de instrumentos y equipos especiales, mientras que la calidad dependerá exclusivamente de la observación directa. Niveles de los factores: Factor A con a niveles: a = : (r.p.m.) Factor B con b niveles: b = : (mm/min.) Factor C con c niveles: c = :,0,5,0 (mm) Se consideraran replicas En nuestro caso como se han considerado que todos los factores del experimento serán fijos se podrá formular y probar las hipótesis acerca de los efectos principales y de las interacciones. Los grados de libertad de cualquier efecto principal son iguales al número de niveles menos uno, y los grados de libertad de una interacción son el producto de los grados de libertad asociados con los componentes individuales de la interacción. Para probar el modelo propuesto se tomaran en cuenta algunos datos obtenidos del trabajo de investigación Taladrado por fluencia térmica en placas de acero inoxidable Araya Gallardo. Tabla Nº : Fuerza axial necesaria para fabricar el manguito, entregada en Newton ,0 7, 0,7 7,,9,5,6,6,9,0,5,,5 6,,5 6,6,,5,7 5,0 5,5,5,0,,,9, 6,7,5,5,7 5, 5,,,0,5,5,5,5 6, 6,5 5,7 0,7, 7,6 6,,6,9,,8,0 6,7 6, 5, 0,5,5 6, 7,0,5,7,0,0,5 6,8 7, 5,0 0,6, 7, 7,,7,8,0,,0,5 58,0 66, 76,5 9,7 5, 5, 8,7,6 6,0 6,0 6,, 57,5 66,0 76,0 9,5,5 5,0 9,0,7 6,0 6, 6, 0,7 57,7 65,9 76, 7,7,8 5,0 8,,8 5,9 6, 6,

3 Los datos mostrados en la tabla Nº representan la fuerza axial en (N) necesaria para fabricar el manguito a través del proceso de Flowdrill, los datos originales han sido codificados de tal manera que los cálculos del análisis de variancia puedan hacerse más precisos o ser simplificados. Grafico de efectos principales 5 5 C A B C Grafico Nº : Efectos principales en forma individual. De acuerdo al gráfico Nº se desprende lo siguiente: A medida que aumenta la velocidad de giro la fuerza axial necesaria disminuye. Al aumentar la velocidad de avance la fuerza axial necesaria aumenta. Al incrementar el espesor de la placa a perforar la fuerza axial necesaria aumenta. Se puede observar también que los cambios producidos en la velocidad de giro generar grandes incrementos en la fuerza necesaria, no asi en los cambios producidos en los otros parámetros. Grafico de interacciones A B C Grafico Nº: Análisis del Gráfico de interacciones De acuerdo a los gráficos de interacción se puede ver que existe interacción en todas las posibles combinaciones (AB, AC y BC), pero la mayor interacción se puede ver en la combinación AC. Tabla Nº : Tabla ANOVA entregada por el software Minitab Fuente de Suma de Grados de Media de Variación Cuadrados Libertad Cuadrados F 0 P A.9, 5.970, B.6, 88,.8,7 0 C 5.07,0.5,5 9.88,8 0 A*B.,0 6, 88,65 0 A*C.75, 6,.67, 0 B*C 98,0 6,0,57 0 A*B*C 65,,8 5,0 0 Error 9, 7 0, Total.89,6 07

4 De esta tabla se puede ver que todos los parámetros por si solos afectan la fuerza axial necesaria, la velocidad de giro es la que mayor influencia tiene por si sola, dentro de las posibles combinaciones pares también se ve que existe una influencia considerable sobre la fuerza axial, la combinación de la velocidad de giro y el espesor de la placa (AC) es la que refleja mayor incidencia en la fuerza axial. OBTENCION DE LOS PARAMETROS OPTIMOS PARA EL ACERO INOXIDABLE Materiales Utilizados. Las probetas utilizadas para realizar los ensayos de TFT, fueron realizados en placas de aceros inoxidable AISI 0 y 0L con los siguientes espesores de (mm). Determinación de los mejores resultados para la etapa de fluencia. Esta primera etapa consistió, en programar la máquina-herramienta para hacer las perforaciones necesarias, de tal manera que traspasara la chapa o placa de acero inoxidable la totalidad de la herramienta, con el fin de poder determinar los parámetros de trabajo, es decir, se programó la maquina-herramienta con las siguientes condiciones: Con velocidad de rotación constante y avance por revolución variable. Con velocidad de rotación variable y avance por revolución constante. Calidad de la rebaba. Los mejores parámetros de mecanizado, se determinaron analizando las calidades de las rebabas obtenidas. Basándose en estas calidades patrones se obtuvieron los parámetros de mecanizado (velocidad de rotación n, y avance f), para los diferentes diámetros de herramientas flowdrill y espesores de las placas de Acero Inoxidable. Tabla Nº : Calidad de las rebabas inferiores de manguito de acero Material Acero Inoxidable Espesor Avance Velocidades de giro (rpm) (mm) (mm/min) II II I 90 I II I II 9 I I 95 II II II I 97 II 00 I II III II II 05 I 0 II 0 I I II II 00 III II II I 00 III III II I 00 III III II II,5 500 III III II 00 I I 00 III II I I 00 III II II I II 00 II II 00 I I I 00 I I I 50 I II 00 I I I I I 50 I II 00 I II II II I 500 II 600 II

5 00 I I I 00 I I I 00 I I I 00 II II I Como se puede apreciar en la tabla Nº, no siempre se pueden obtener los mejores parámetros de mecanizado, a pesar que con el Acero Inoxidable se obtuvieron buenos resultados en general, pero las tablas sirvieron de guía para poder determinar en donde se encuentran los mejores resultados. Una vez localizada la región en la cual se debería encontrar la mejor calidad, se varía la velocidad de rotación (n) y el avance (F), hasta alcanzar los mejores resultados de la calidad de la rebaba inferior del manguito. Selección de los parámetros óptimos de mecanizado Una vez realizada la clasificación según la calidad de los manguitos obtenidos durante los ensayos, fueron seleccionados los mejores parámetros o resultados, para realizar perforaciones a nuevas placas de Acero Inoxidable, las cuales están en la siguiente tabla. En la tabla Nº están las perforaciones realizadas a nuevas placas, con herramientas de diámetro.5 y 5. mm. Donde se utilizaron los mismos parámetros para ambas herramientas, no produciéndose diferencia en las perforaciones. Tabla : Mejores parámetros de mecanizado estudiadas. Material Acero Inoxidable Espesor Avance Velocidad (mm) (mm/min) mm/rev n(rpm) Calidad 90 0,0 500 I 00 0,0 500 I 0 0,0 700 I 90 0,0 000 I 00 0, I,5 00 0, II 00 0, I 00 0, I 00 0, I 00 0, I 00 0, I 00 0, I De esta forma los mejores parámetros encontrados en este estudio, se observan en las siguientes figuras. S = 500 rpm F = 90 mm/min S = 500 rpm F = 00 mm/min S = 700 rpm F = 0 mm/min Figura Nº.- Mejores resultados, para la placa de espesor de mm. S = 000 rpm F = 90 mm/min

6 S = 500 rpm F = 00 mm/min S = 500 rpm F = 00 mm/min S = 700 rpm F = 00 mm/min Figura Nº.- Mejores resultados, para la placa de espesor de.5 mm. S = 700 rpm F = 00 mm/min S = 500rpm S = 500rpm F = 00 mm/min F = 00 mm/min Figura Nº.- Mejores resultados, para la placa de espesor de mm. S = 500rpm S = 500rpm F = 00 mm/min F = 00 mm/min Figura Nº : Mejores resultados, para la placa de espesor de mm. CONCLUSIONES De acuerdo a los resultados obtenidos en los aceros inoxidables AISI 0 y 0L, estos presentaron gran facilidad para ser trabajados mediante el taladrado por fluencia, solo presentándose dificultades para obtener la calidad óptima del manguito inferior en las placas de acero inoxidable de mm. de espesor, mientras que para los espesores restantes no se presentaron problemas en la obtención de los manguitos inferiores de calidad optima, obteniéndose parámetros similares entre las placas de.5;.0 y.0 mm. Las velocidades de giro seleccionadas finalmente por su mejor resultado en el manguito inferior para todos los espesores de placas fueron de 500rpm; 700rpm y 000rpm con avances de 00 y 00( mm/min) para placas de espesores de.5 ;.0 y.0 mm., mientras que para la placa de espesor de mm sus avances fueron entre 90, 00 y 0 (mm/min.). Obteniéndose con estos parámetros muy buenos resultados. BIBLIOGRAFIA. Ing. Adrián Inchaurza Z. Aceros Inoxidables y aceros resistentes al calor.. R. Stagnaro C. Estudio del Taladrado por Fluencia en las uniones de vigas nacionales sometidas a flexión, memoria para optar al titulo de Ingeniero Civil Mecánico, profesor tutor: A Gallegos A., UTA, R. Araya G. Estudio del Taladrado por Fluencia Térmica en placas de Acero Inoxidable, memoria para optar al titulo de Ingeniero Civil Mecánico, profesor tutor: A Gallegos A., UTA, D. Montgomery, Diseño y Análisis de Experimentos, ISBN