Asociación Española de Ingeniería Mecánica

XVIII CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA

Estudio de la maquinabilidad por medio del análisis de las fuerzas de corte y del análisis termográfico M. San Juan, F. Santos, O. Martín, D. González Dpto. CMeIM/EGI/ICGF/IM/IPF – Universidad de Valladolid [email protected]

Resumen La maquinabilidad de los aceros es una propiedad fundamental en la fabricación de componentes mediante procesos de arranque de viruta, dada su repercusión directa sobre los costes de fabricación. El presente trabajo muestra una metodología aplicada al estudio de la maquinabilidad de dos aceros con distinta maquinabilidad (AISI 4140 estándar y AISI 4140 plus), empleados en un proceso de fresado ortogonal. Se han desarrollado una serie de ensayos para cada uno de los aceros, en los que se han mantenido constantes las condiciones de corte relativas al avance por vuelta y la profundidad de pasada, haciendo variar las velocidades de corte. Durante los ensayos de mecanizado se han medido las fuerzas de corte generadas, por medio de un dinamómetro rotatorio, así como las temperaturas obtenidas, gracias a una cámara termográfica. De esta manera, se pretende comparar los datos obtenidos para los aceros ensayados, en función de la velocidad de corte. El objetivo principal de este trabajo es desarrollar una técnica para el estudio de la maquinabilidad de los materiales mediante un análisis de las fuerzas de corte y un análisis termográfico.

INTRODUCCIÓN Los procesos actuales de fabricación, y entre ellos los procesos de arranque de viruta, se encuentran sometidos a la necesidad de una innovación constante [1], con el objeto de mejorar las tasas de productividad, y reducir los costos sin perder en la calidad del producto final, siendo ésta la base de su supervivencia en situaciones de crisis como la actual. En los procesos de arranque de viruta, la aptitud que presentan los metales para su mecanizado se engloba dentro del concepto de la maquinabilidad, de manera que su mejora supone la reducción del desgaste de la herramienta, la reducción de las fuerzas presentes en el proceso de corte, un mejor control de la viruta generada y en general una mejora del acabado superficial. Para un mismo material, la adición de inclusiones no metálicas como el MnS y otras específicas, generan una serie de efectos que pueden mejorar su maquinabilidad [2]. Estas inclusiones producirían una reducción del coeficiente de fricción entre la herramienta y el material, debido a la formación de una capa lubricante, y por tanto una disminución de las fuerzas de corte, así como una reducción de los mecanismos de desgaste debidos a los fenómenos de abrasión, adhesión y difusión [3-4]. El estudio de parámetros como las fuerzas de corte, coeficientes de fricción, lubricantes o temperaturas en la zona de corte [5-8], permite conocer si la variación en la composición química de un acero produce un efecto de mejora de su capacidad para ser mecanizado por arranque de viruta, o bien, comparar dos materiales entre sí, para saber cómo será su mecanizado posterior.

M. San Juan et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010)

2

OBJETIVOS Se pretende estudiar el efecto de la variación de la velocidad de corte en un proceso de fresado ortogonal, sobre la fuerza de corte y la fuerza radial, para ello se dispone de un dinamómetro rotatorio, que permite establecer un sistema de referencia para las fuerzas, solidario a la herramienta de corte. Este efecto será ensayado en dos aceros con maquinabilidad diferenciada, de manera que sea posible caracterizar el efecto de la variación de la condición de corte en ambos. Una vez obtenidas las fuerzas de corte, se estudiará si existen diferencias apreciables entre los dos aceros, para las mismas condiciones de corte, de manera que sea posible diferenciar el efecto de la maquinabilidad de los dos aceros en la fuerza de corte y la fuerza radial. También se comprobará la incidencia en el coeficiente de fricción de ambos aceros con las condiciones ensayadas. Finalmente, se pretende aplicar la técnica de evaluación de la temperatura en la zona de corte mediante un sistema de termografía infra-roja, sin contacto con la herramienta o la plaquita de corte. Será preciso desarrollar la puesta a punto de este sistema de medida, en el que se tendrán en cuenta aspectos como la emisividad del material, la temperatura ambiente, distancia al objeto a medir o la necesidad de proteger la lente mediante una pantalla con su correspondiente transmisividad. EXPERIMENTAL Para el desarrollo del presente estudio, se ha hecho un planteamiento de mecanizado por arranque de viruta, en condiciones de fresado ortogonal en oposición (Fig. (1)), utilizando dos aceros con una composición química que les proporciona una maquinabilidad diferenciada. Se han estudiado los efectos que tiene la variación de la velocidad de corte del proceso en las fuerzas de corte y en temperaturas obtenidas, comparando ambas incidencias en cada uno de los materiales de trabajo.

Fig. 1. Ensayo de fresado ortogonal Material de trabajo Los materiales utilizados en los ensayos han sido dos aceros al Cromo-Molibdeno, presentes en muchas aplicaciones industriales; se trata del AISI 4140 estándar y el AISI 4140 plus, éste último de maquinabilidad mejorada, gracias a la adición de inclusiones de CaO-MnO-SiO2-Al2O3 así como de MnS. Las Tablas (1) y (2) muestran la composición química y las propiedades mecánicas de ambos aceros. Para los ensayos de mecanizado se utilizaron probetas de ambos materiales de 3 mm de espesor. Tabla 1. Composición química (%) de los aceros estudiados. Acero

C

Mn

Si

P

S

Cr

Ni

Mo

Al

Cu

Ca

AISI 4140 estándar

0.40

0.81

0.33

0.011

0.026

0.97

0.10

0.18

0.023

0.23

-

AISI 4140 plus

0.44

0.86

0.23

0.011

0.073

1.06

0.20

0.18

0.005

0.18

>15ppm

Tabla 2. Propiedades mecánicas de los aceros estudiados.

AISI 4140 estándar

Límite elástico (MPa) 632

Resistencia a la tracción (MPa) 854

Elongación (%) 13

Dureza (HV) 248

AISI 4140 plus

748

940

9

263

Acero

Estudio de la maquinabilidad por medio del análisis de las fuerzas de corte y del análisis termográfico

3

Equipamiento La máquina-herramienta utilizada fue una fresadora, dotada con CNC Hedenhain. Para la adquisición de las fuerzas presentes en el proceso de corte, se configuró una cadena de medida formada por un dinamómetro Kistler, modelo 9124B, de alta frecuencia y bajos tiempos de reacción, y de tipo rotatorio, de manera que gira junto con la herramienta de corte. Esto permite el análisis de las fuerzas de corte soportadas por la herramienta, al encontrarse el sistema de referencia solidario al dinamómetro. Así mismo, se dispuso un acondicionador de señal de ± 10 V, y un sistema de adquisición de datos Wavebook 512. Para el tratamiento y análisis de los datos se empleó el software Dasylab. El estudio de la temperatura en la zona de corte, se realizó mediante una cámara termográfica Infratec de alta velocidad (Fig. (2)), basada en fotón detectores, con alta frecuencia de imagen (250 Hz – 10 kHz) y pequeños tiempos de integración (hasta 1 s), equipado con su correspondiente software de adquisición, tratamiento y análisis de datos.

Fig. 2. Montaje de la cámara termográfica y termograma Descripción de los ensayos y condiciones de corte Los ensayos se realizaron con una herramienta de diámetro 20 mm, bajo condiciones de corte ortogonal y con ángulo de corte de 90º, ángulo principal de desprendimiento 0º, ángulo axial de desprendimiento 0º, ángulo radial de desprendimiento 0º. Se utilizó una plaquita de corte con geometría triangular TPKN 1603 PPTR-42 IC328. No se utilizó lubricación del proceso de corte. Los parámetros de corte que se mantuvieron fijos durante los ensayos fueron el avance por diente (fz=0.2 mm/diente), la profundidad de corte radial (10 mm) y la profundidad de corte axial (3 mm); mientras que se seleccionó una gama de cuatro velocidades de corte (Tabla (3)) al objeto de poder estudiar su efecto sobre las fuerzas de corte y temperaturas en ambos aceros. Tabla 3. Condiciones de corte de los ensayos. Ensayo 1 2 3 4

Velocidad de corte Vc (m/min) 100 150 175 200

Velocidad de giro n (rpm) 1592 2387 2785 3183

Velocidad de avance vf (mm/min) 318 477 557 637

Fuerzas de corte A través del dinamómetro rotatorio, se obtienen las fuerzas Fx, Fy y Fz, así como del momento de giro con respecto a la rotación del dinamómetro Mz, asociados al sistema de referencia solidario con el dinamómetro. Mediante una matriz de cambio de base, dichas magnitudes serán transformadas a las resultantes en un sistema de ejes situado sobre la plaquita, de manera que se obtenga el valor de la fuerza tangencial (fuerza de corte Fc) y de la fuerza radial (Fr), así como la posición angular en cada instante de la plaquita, tal y como aparece en la Fig. (3). La fuerza axial Fz, permite conocer el grado de cumplimiento de la hipótesis de corte ortogonal.

M. San Juan et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010)

4

Fig. 3. Sistema de referencia solidario al dinamómetro (Fx, Fy) y sistema de referencia solidario a la herramienta (Fc, Fr) La medida de las fuerzas de corte presenta una gran sensibilidad a los problemas dinámicos [9], siendo necesario aplicar un filtrado de la señal (tipo pasa bajos) así como un filtro tipo Butterworth, con el objeto de eliminar los ruidos presentes en la señal, tal y como se muestra en la Fig. (4).

Fig. 4. Señal sin filtrar (color rojo) y filtrada mediante Butterworth (color azul) Análisis termográfico Para la medición de la temperatura en la zona de corte, se utilizó la cámara termográfica con una lente de 100 mm, una frecuencia de 219 Hz. Además se tuvieron en cuenta una serie de parámetros como son la temperatura ambiente, la emisividad del objeto, la transmisividad del ambiente, la distancia o el uso de una pantalla protectora de la lente. La emisividad del material se obtuvo mediante la comparación de los valores de temperatura suministrados por un termopar y la cámara, obteniéndose un valor de 0.36. Finalmente, se introdujeron en el software de adquisición de datos los valores obtenidos, al objeto de aplicar las correspondientes correcciones. RESULTADOS A continuación se presentan los resultados obtenidos, tanto para la medición de las fuerzas de corte como las temperaturas, en los ensayos realizados. Fuerza de corte y fuerza radial Las gráficas mostradas a continuación, muestran distintos instantes temporales del mecanizado en los que se aprecia la evolución de la Fc y de la Fr para el acero AISI 4140 estándar (Fig. (5)) y el AISI 4140 plus (Fig. (6)). En ellas se observan las fuerzas correspondientes a dos giros de la herramienta, de manera que se puede apreciar como, dada la geometría de la probeta mecanizada, tras los 270 primeros grados de rotación (mecanizado en vacío), las fuerzas comienzan a aumentar, hasta alcanzar un valor máximo, tanto la Fc como la Fr en el mismo punto.

Estudio de la maquinabilidad por medio del análisis de las fuerzas de corte y del análisis termográfico

a) Vc=100 m/min

b) Vc=150 m/min

c) Vc=175 m/min

d) Vc=200 m/min

5

Fig. 5. Evolución temporal de la Fc (N) y la Fr (N) para la gama de Vc, acero AISI 4140 estándar

a) Vc=100 m/min

b) Vc=150 m/min

c) Vc=175 m/min

d) Vc=200 m/min

Fig. 6. Evolución temporal de la Fc (N) y la Fr (N) para la gama de Vc, acero AISI 4140 plus Al objeto de comparar las fuerzas obtenidas para un mismo material, al variar la Vc, se calculan los valores medios de las fuerzas máximas Fc y Fr obtenidas, tal y como se muestra en la Tabla (4). Se observa que en todas las condiciones de corte, los valores máximos de la Fc y Fr son siempre menores en el caso del acero AISI 4140 plus, siendo del orden del 4% menor en el caso de la Fc y del 7,5% menor en el caso de la Fr.

M. San Juan et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010)

6

Tabla 4. Valores medios de las fuerzas máximas de corte y radial. Vc=100 m/min Fc (N)

Fr (N)

Vc=150 m/min Fc (N)

Fr (N)

Vc=175 m/min Fc (N)

Vc=200 m/min

Fr (N)

Fc (N)

Fr (N)

AISI 4140 estándar

1564

559

1279

489

1152

466

1038

443

AISI 4140 plus

1501

516

1231

457

1102

429

997

405

La Fig. (7) muestra la variación de la Fc y Fr en función de la velocidad de corte estudiada, apreciándose como en ambos materiales, se produce una disminución de las mismas, a medida que aumenta la velocidad de corte. Esta disminución es aproximadamente lineal. Así mismo, se observa que, para ambos materiales, la pendiente con la que disminuye la Fc es mayor que con la que disminuye la Fr, conforme se va incrementando la Vc.

Fig. 7. Variación de Fc y la Fr en función de la Vc (Izquierda: AISI 4140 estándar. Derecha: AISIS 4140 plus). Coeficiente de fricción En la Fig. (8) aparecen representadas la Fc frente a la Fr para las distintas velocidades de corte y ambos materiales. En dichas gráficas se observa en ambos materiales, cómo a medida que aumenta la velocidad de corte, el ángulo formado por la relación de fuerzas y la horizontal va disminuyendo. Fc

Fc

Fr

Fr

Fig. 8. Fc vs. Fr para las Vc ensayadas (Izquierda: AISI 4140 estándar. Derecha: AISIS 4140 plus). Teniendo en cuenta que en fresado ortogonal, ambas fuerzas se encuentran relacionadas a través del coeficiente de fricción Kr conforme a la “Ec. (1)”, se observa cómo el coeficiente de fricción aumenta a medida que lo hace la velocidad de corte. Kr 

Fr Fc

(1)

La Tabla (5) muestra los valores obtenidos del coeficiente de fricción en los materiales estudiados y para las distintas velocidades de corte ensayadas. Comparando ambos aceros, se observa que en el caso del AISI 4140 plus, el coeficiente de fricción es menor que el del AISI 4140 estándar, para todas las velocidades de corte ensayadas.

Estudio de la maquinabilidad por medio del análisis de las fuerzas de corte y del análisis termográfico

7

Tabla 5. Valores medios del coeficiente de fricción Kr en función del material y la Vc Vc=100 m/min

Vc=150 m/min

Vc=175 m/min

Vc=200 m/min

AISI 4140 estándar

0.36

0.38

0.40

0.43

AISI 4140 plus

0.34

0.37

0.39

0.41

A continuación se muestra la evolución del coeficiente de fricción a medida que progresa el corte y varían las fuerzas de corte y radial, para las distintas velocidades de corte y materiales (Fig. (9) AISI 4140 estándar, Fig. (10) AISI 4140 plus). Se observa como alcanza un valor máximo al inicio del corte y progresivamente va disminuyendo hasta llegar al valor mínimo a la salida de la herramienta.

a) Vc=100 m/min

b) Vc=150 m/min

c) Vc=175 m/min

d) Vc=200 m/min

Fig. 9. Evolución del coeficiente de fricción, acero AISI 4140 estándar.

a) Vc=100 m/min

b) Vc=150 m/min

c) Vc=175 m/min

d) Vc=200 m/min

Fig. 10. Evolución del coeficiente de fricción, acero AISI 4140 plus.

M. San Juan et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010)

8

Temperaturas La medición de la temperatura en la zona de corte, tanto de la plaquita como del material a mecanizar, resultó ser un proceso complejo, no exento de dificultades. La necesidad de proteger la lente contra un posible impacto de la viruta, hizo que se colocara una pantalla protectora, tal y como se aprecia en la Fig. (1). Se realizaron correcciones debidas a la transmisividad de la pantalla, si bien, en este estadio la investigación, no es posible garantizar que dichas correcciones permanezcan constantes en todo el rango de temperaturas. Por estos motivos, los resultados obtenidos sólo tienen un carácter cualitativo de lo que está pasando en la zona de corte, siendo necesario un estudio en profundidad que permita asegurar los valores cuantitativos obtenidos en las medidas infra-rojas. A continuación se presentan algunos de los termogramas obtenidos, en este caso para el acero AISI 4140 estándar, con una velocidad de corte de 100 m/min. El termograma de representado en la Fig. (11) muestra el gradiente de temperatura existente en el material, entre la zona recientemente mecanizada y el interior de la pieza. Se observan diferencias de temperatura del orden de 25 ºC en el momento anterior a la entrada de la herramienta. Sin embargo, el gradiente alcanza los 300 ºC, una vez la herramienta ha arrancado la capa de material, tal y como se refleja en el termograma que recoge la Fig. (12).

Fig. 11. Gradiente de temperatura en el material, antes de la entrada de la herramienta. Acero: AISI 4140 estándar. Vc=100 m/min.

Fig. 12. Gradiente de temperatura en el material, a la salida de la herramienta. Acero: AISI 4140 estándar. Vc=100 m/min. Desde el punto de vista de la plaquita de corte se observan diferencias de temperatura del orden de 360ºC entre las zonas próximas al filo de corte y el interior de la plaquita, tal y como se aprecia en el termograma mostrado en la Fig. (13). Así mismo, se muestra la distribución de temperaturas en la cara de desprendimiento de la plaquita de corte.

Estudio de la maquinabilidad por medio del análisis de las fuerzas de corte y del análisis termográfico

9

Fig. 13. Variaciones de la temperatura en la plaquita de corte. Acero: AISI 4140 estándar. Vc=100 m/min.

Los termogramas mostrados en la Fig. (14), muestran la evolución de la distribución de temperaturas, a medida que la plaquita recorre los 90º de corte.

Fig. 14. Evolución de la temperatura a medida que se desarrolla el corte. Acero: AISI 4140 estándar. Vc=100 m/min. CONCLUSIONES Conforme a los resultados experimentales obtenidos, se aprecia que en ambos materiales, a medida que se incrementa la velocidad de corte, se produce una disminución de los valores máximos, tanto de la fuerza de corte como de la fuerza radial. Tanto la fuerza de corte como la fuerza radial, son inferiores en el caso del acero de maquinabilidad mejorada con respecto a las alcanzadas en el acero estándar, en toda la gama de velocidades de corte ensayadas. Dicha disminución de las fuerzas máximas presenta un aspecto lineal, en el que la pendiente es mayor para la fuerza de corte que para la fuerza radial, en ambos materiales estudiados. La tendencia de reducción de la fuerza de corte y la fuerza radial al incrementar la velocidad de corte es muy similar entre ambos aceros de maquinabilidades diferenciadas. El coeficiente medio de fricción, a lo largo del corte, se va incrementando a medida que la velocidad de corte aumenta. Encontramos la misma tendencia en ambos materiales, si bien se aprecia que el coeficiente de fricción es menor en el caso del acero con maquinabilidad mejorada: AISI 4140 plus, sobre el obtenido en el otro acero: AISI 4140 estándar. Desde el punto de vista de la aplicación de la termografía infra-roja para la determinación de las temperaturas en la zona de corte, se ha destacado la complejidad a la hora de dar por validadas las temperaturas obtenidas en el análisis de los datos, puesto que existen muchos factores que pueden alterar el valor numérico de los mismos, aún a pesar de haber sido corregidos para una temperatura dada. Esto implica la necesidad de una mayor profundización en el estudio de las correcciones por emisividad y transmisividad de la pantalla protectora en función de las temperaturas locales alcanzadas en cada momento del ensayo, constituyendo este apartado una línea futura de investigación.

M. San Juan et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010)

10

REFERENCIAS [1] L. Raymond, J. St-Pierre, R&D as a determinat of innovation in manufacturing SMEs: an attempt at empirical clarification, Technovation 30, (2010), 48-56. [2] G. Bittes, F. Leroy, G. Auclair, Relationship between inclusionary deposits and the wear of cutting tools, Journal of Material Processing Technology 54, (1995), 88-96. [3] J. C. Hamann, D. Guillot, F. Le Maitre, Machinability improvement of steels at high cutting speeds-study of tool/work material interaction, Annals of the CIRP 45, (1996), 87-92. [4] P. J. Arrazola, I. Arriola, M. A. Davies, A. L. Cooke, B. S. Dutterer, The effect of machinability on thermal fields in orthogonal cutting of AISI 4140 steel, CIRP Annals – Manufacturing Technology 57, (2008), 65-68. [5] T. H. C. Childs, Friction modelling in metal cutting, Wear 260, (2006), 310-318. [6] M. San-Juan, O. Martín, F. Santos, Experimental study of friction from cutting forces in orthogonal milling, Internacional Journal of Machine Tools & Manufacture 50, (2010), 591-600. [7] V. N. Gaitonde, S. R. Karnik, J. P. Davim, Selection of optimal MQL and cutting conditions for enhancing machinability in turning of brass, Journal of Materials Processing Technology 204, (2008), 459-464. [8] A. Ebrahimi, M. M. Moshksar, Evaluation of machinability in turning of microalloyed and quenchedtempered steel: tool wear, statistical analysis, chip morphology, Journal of Materials Processing Technology 209, (2009), 910-921. [9] M. San-Juan, Aportaciones al estudio experimental de las fuerzas de corte en el fresado mediante el empleo de un dinamómetro rotatorio, PhD Thesis, Universidad de Valladolid, (1999).