Caracterización de los mecanismos de adhesión secundaria y su influencia en el desgaste de herramientas de corte. Aplicación al mecanizado en seco de aleaciones ligeras

Resumen

RESUMEN En los últimos años Cádiz se ha convertido en uno de los polos de referencia en la industria aeronáutica en España. Parte de este éxito ha venido del desarrollo de nuevos productos que han reforzado el organigrama productivo del sector. Una de las grandes novedades que presenta estos productos son los cambios en la filosofía de las aeronaves, realizándose una apuesta clara por los materiales compuestos. Aunque analizando los diseños, se observa que mientras que las piezas de poco compromiso estructural han sido sustituidas por piezas conformadas con materiales compuestos, las de gran compromiso estructural han mantenido su identidad metálica. Esto junto con el gran demanda de las aeronaves más tradicionales hace pensar que pese el consumo de materiales de estas empresas se orienta hacia las aleaciones de aluminio principalmente y con una tendencia creciente al uso de las de titanio, en términos genéricos, a las aleaciones ligeras. La producción del piecerío fabricado con estas aleaciones presenta una característica clara, en algún momento de su ciclo de producción sufren algún proceso de conformado por eliminación de material. Por ello, en el control y mejora de los procesos de mecanizado de estos elementos resulta crítico para la mejora de la rentabilidad del proceso. Esta rentabilidad debe estar sustentada en cuatro patas fundamentales que son la economía, la energía, el medio ambiente y la funcionalidad. Se perseguirá que ninguno de los medios utilizados en el proceso, ni el material, ni los recursos, ni el tiempo, etc¿ sea desperdiciado, es decir, que el proceso sea eficiente y siempre cumpliendo las especificaciones fijadas en la fase de diseño, es decir, que además sea eficaz. Los tiempos muertos en máquina hacen disminuir de forma drástica el rendimiento, ya que son tiempos donde el equipo no produce. Por lo que la reducción de estos tiempos muertos se muestra como un camino para la mejora del rendimiento. Los cambios de herramienta son uno de los periodos de tiempos muertos más comunes y sobre los que se puede optimizar. Estos cambios se realizan cuando las herramientas no desempeñan de forma fiable la función para la que fueron diseñadas, es decir, cuando la herramienta deja de cortar con la precisión requerida por el proceso. Esto puede deberse a una rotura catastrófica de la herramienta o a causa de un desgaste acusado que puede provocar una rotura local o total. Este trabajo de investigación pretende estudiar esta problemática desde la caracterización de los elementos que intervienen en la reducción de la vida de las herramientas, el desgaste. Dado que el estudio se centra en aleaciones ligeras, este irá ligado al mecanismo predominante en estas aleaciones, la adhesión secundaria. Además este trabajo pretende maximizar el rendimiento económico suprimiendo los fluidos de corte utilizados y se estudiará de forma minuciosa la influencia del desgaste en el rendimiento funcional del proceso, desde el punto de vista de la calidad final de las piezas mecanizadas. DESGASTE POR ADHESIÓN SECUNDARIA Uno de los mecanismos más importante hoy en día es el mecanismo de adhesión. Esto se debe al alto rango de temperaturas en el que aparece. Este mecanismo se asocia a la mayoría de los materiales metálicos utilizados hoy en día y aparece de forma distinta en cada uno. En este contexto existen dos variantes del mecanismo, el Desgaste por Adhesión Primaria y el Desgaste por Adhesión Secundaria que es el mecanismo que ocupa a este trabajo. En el desgaste por adhesión primaria, partículas de la herramienta son arrancadas de la superficie de la misma y al fraccionarse son arrastradas por la viruta al fluir. Es decir, partículas de la herramienta se adhieren a la viruta por las condiciones que se dan y la tensión de fluencia de la viruta es superior al límite de rotura de las partículas adheridas, siendo arrancadas de la herramienta y transportadas por la viruta. Esto es debido a las condiciones de alta presión y temperatura que provocada por la fricción con la viruta que favorece la adhesión de la misma a estas partículas. Todo lo contrario ocurre en la adhesión secundaria o indirecta donde el material que se adhiere es el de la viruta a la superficie de la herramienta. En este caso, el material de la pieza que fluye por la cara de desprendimiento de la herramienta, queda adherido a la superficie de la herramienta modificando las condiciones iniciales de la misma. Debido a la inestabilidad del mismo, puede desprenderse o arrancarse debido a una adhesión primaria, en cualquiera de los casos podrá arrastrar partículas de la herramienta. El desgaste por adhesión va acompañado de la aparición de dos fenómenos bien localizados, el BUE acrónimo que designa el Filo Adherido (Built Up Edge) localizado en zonas próximas al filo de corte, y el BUL ó la Capa Adherida (Built Up Layer) que se localiza en la cara de desprendimiento. La aparición de este fenómeno esta fundamentalmente relacionada con la tempera¬tura, la conductividad térmica y la velocidad de corte, aunque también puede ser el resultado de una debilidad del filo o favorecido por otro tipo de desgaste. Tanto el BUL como el BUE pueden desaparecer y volver a construirse de nuevo o desprenderse y hacer que el filo de corte se rompa poco a poco en pequeños trozos o fracturarlo totalmente. Es este por tanto un mecanismo dinámico, con capas sucesivas de material de las virutas soldado y endurecido o depositado por acción mecánica. Durante el corte, el BUE va continuamente cambiando, el material de trabajo se va depositando y partículas de la herramienta son arrancados. La manifestación de este mecanismo ocurre de forma distinta en cada material. En lo relacionado con los materiales que atañen este trabajo, las aleaciones ligeras, aparecen diferencias sustanciales entre la manifestación del mecanismo. Cuando se trata de aleaciones de aluminio, el mecanismo aparece con la adhesión de una fina capa de material sobre la herramienta en los primeros instantes de mecanizado de una forma térmica-mecánica, formando un BUL primario. Este material no es el material que se mecaniza, no es aleación sino aluminio casi puro. La aparición de esta capa está condicionada por las altas temperaturas locales que provocan un reblandecimiento de la matriz de aluminio. Las partículas intermetálicas presentan un punto de fusión mucho más elevado es por ello que no se comportan de igual manera, sino que son evacuadas con la viruta. Las elevadas presiones en la intercara pieza-herramienta son las que fijan esta capa, prácticamente soldándola a la cara de desprendimiento de la herramienta. En este instante las condiciones de la cara de desprendimiento son muy diferentes a las iniciales tanto en lo que se refiere a composición como a geometría. Esto hace variar elementos críticos como por ejemplo la fuerza de rozamiento. Estas condiciones favorecen a formación de un nuevo elemento de desgaste, en este caso BUE. Este BUE está constituido por el material de la aleación y se adhiere por un mecanismo puramente mecánica. Cuando este BUE llega a un tamaño crítico es extruido sobre la cara de desprendimiento de la herramienta, sobre el BUL primario, formando un BUL secundario. Este proceso es similar al comentado para aceros. Ambos elementos, BUE y BUL secundario evolucionan creciendo hasta alcanzar un espesor que provoca una inestabilidad en el proceso. Esta inestabilidad lleva a desprender el material adherido. Como consecuencia de esto, partículas de la herramienta son arrancadas, modificando la morfología de la herramienta. El caso de las aleaciones de Titanio es particular ya que es complejo encontrar estudios sobre la formación de BUL y BUE en estas aleaciones. La falta de información al respecto es debido a la complejidad que presenta este material, la alta afinidad que presenta el Titanio provoca la aparición de múltiples mecanismos de desgaste que se ven favorecidos por estas condiciones tan especiales. Este sistema tan complejo es ideal para la sinergia entre distintos mecanismos de desgaste, es por esto que la adhesión secundaria es difícilmente identificable y mucho más difícil cuantificable. En esta aleación, la aparición de capas de óxido es el desencadenante del proceso. Esta capa es la precursora de la formación de BUL y BUE que por la afinidad del proceso y la sinergia de otros mecanismos conducirá en tiempos relativamente pequeños a la aparición de un desgaste acusado en la cara de incidencia de la herramienta. Hoy en día existen muchos métodos para la evaluación del desgaste aunque todos se basan en la aplicación de unos criterios de vida de las herramientas que son fijados por la norma ISO 3685:1993 en el caso del proceso que ocupa este trabajo, el torneado. Sin embargo, estos criterios se muestran como obsoletos ya que solo se asocian a pérdidas de material. El concepto actual de desgaste debe ampliarse y abarcar muchos más criterios, ya que cualquier modificación que altere las condiciones iniciales de la herramienta debe entenderse como desgaste. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL En una búsqueda de conocimiento, es imperativo el proceder de un modo ordenado. Así el desarrollo de una investigación debe aparejar el seguimiento escrupuloso de este orden para que este conocimiento este contrastado, asegurando la repetitividad y la reproducibilidad del proceso. Así una metodología experimental debe sentar este modo ordenado de proceder que de un modo secuencial, lógico, adaptado y optimizado conducirá a la obtención del conocimiento buscado. En muchas ocasiones, la búsqueda de la optimización de esta metodología pasa por la verificación de técnicas y por la comprobación de la adecuación de estas a los datos buscados, el método científico puede ser falible. Por esto, en este trabajo se establece una metodología que permite obtener datos que permitan la caracterización de los mecanismos de adhesión secundaria y su influencia en el desgaste de las herramientas de corte utilizadas en el mecanizado en seco de aleaciones ligeras. Para ello, ha sido necesario contrastar las técnicas utilizadas, así como adecuarlas a los datos que se desean obtener. Para la caracterización de los mecanismos de desgaste en herramientas de torneado que han mecanizado aleaciones ligeras, se dividió la metodología de estudio en dos ramas, aleaciones de aluminio y aleaciones de titanio. Cada rama ha caracterizado los mecanismos de desgaste por adhesión secundaria basándose en los elementos básicos del proceso de torneado que son tres, la probeta, la viruta y la herramienta. Se han estudiado los tres elementos por separado para cara rama estableciéndose determinadas diferencias entre los elementos en función de la rama por las características propias del material. Por ello se han establecido los procedimientos internos y protocolos para llevar a cabo el proceso deseado con garantías. El desarrollo experimental concreto se puede agrupar de la siguiente manera: 0. Preparación 1. Ensayos 2. Evaluación de la Herramienta: 3. Evaluación de la Probeta mecanizada 4. Evaluación de la Viruta EVALUACIÓN DEL DESGASTE POR ADHESIÓN EN EL MECANIZADO DE LA ALEACIÓN UNS A92024 En este trabajo, se ha procedido a identificar el mecanismo de desgaste propuesto para el mecanizado de desgaste por adhesión secundaria de esta aleación en trabajos precedentes para, posteriormente proceder a evaluar la adhesión del material sobre la herramienta mediante diferentes técnicas. Por otro lado, una vez evaluado, se ha estudiado la influencia del desgaste en la formación y morfología de la viruta y, sobre todo, en la calidad de las piezas mecanizadas. Para ello se ha seguido el esquema visto con anterioridad obteniendo los datos necesarios para establecer las relaciones entre los distintos elementos relacionados. Durante la caracterización composicional y microestrucitural del material antes y después del mecanizado, Se ha visto como la distribución de compuestos intermetálicos varía a lo largo de la longitud del radio de la pieza mecanizada. Se ha determinado que estos compuestos provocan daños superficiales en la pieza mecanizada. Mediante técnicas SOM se han caracterizado las herramientas y se ha determinado que el parámetro más influyente en el desgaste de las herramientas es el avance. Con las imágenes obtenidas y mediante técnicas de procesado de imagen se determinó que la velocidad de corte favorece el incremento del BUL de forma directamente proporcional mientras que favorece la formación de BUE de forma inversamente proporcional. Con los datos obtenidos se establecieron modelos paramétricos. Dado que en bibliografía se han comprobado que los modelos más adecuados para este propósito son los potenciales se utilizó este modelo de ajuste. También se comprobó que la profundidad de corte provoca un aumento del daño de la herramienta pero este es proporcional al incremento de la sección de contacto pieza-herramienta. Estas tendencias aparecen de forma similar al estudiar un parámetro 3D como es el volumen de material adherido a la herramienta. Se ha corroborado que el mecanismo de formación del material adherido que se vio en bibliografía es el mismo que aparece en estas herramientas. Se comprobó mediante SEM/EDS la composición del material adherido. Se ha visto como la formación de capas de material adherido estratificadas puede enmascarara la formación de BUL Primario. Del análisis del material adherido se obtuvieron trazas de material de la herramienta, por lo que se pudo corroborar que el material al saltar arrastra partículas de la herramienta. El tiempo de mecanizado resulta crítico en el material adherido, siendo el área afectada por la adhesión o extensión del BUL el parámetro más afectado por el tiempo de mecanizado ya que el espesor del BUE tiende a estabilizarse pasados unos segundos de mecanizado. Se ha generado un índice de desgaste para la evaluación del desgaste. Se ha estudiado la influencia del desgaste de la herramienta en la formación de la viruta y en la calidad superficial de la pieza. Se han obtenido modelos paramétricos de los elementos estudiados. Se ha realizado una tabla predictiva de la forma de la viruta en función de los parámetros de corte. EVALUACIÓN DEL DESGASTE POR ADHESIÓN EN EL MECANIZADO DE LA ALEACIÓN UNS R56400 La segunda gran rama estudiada en este trabajo doctoral es el de las aleaciones de titanio. En concreto se seleccionó la UNS R56400 por su amplio uso industrial. Los principales aleantes de esta aleación son el Aluminio y el Vanadio por ello es conocida también como Ti6Al4V. En esta fase del estudio, se ha seguido la metodología establecida comentada con anterioridad pero particularizada para el estudio de cada material en determinados puntos críticos. Como son la herramienta y la viruta ya que presentan elementos diferenciadores de la aleación anterior. Así el procesado de la viruta se realizará de forma transversal y no se podrá realizar evaluación de la herramienta mediante procesado de imágenes. Sin embargo, se ha realizado un análisis de la herramienta, desde un punto de vista morfológico con técnicas de microscopía ópticas y electrónicas así como su desde el punto de vista composicional para observar las posibles modificaciones de la misma, así como los cambios originados por el desgaste sobre la herramienta. Antes de comenzar con el estudio de la herramienta, se ha realizado una caracterización preliminar del material antes y después del mecanizado obteniendo datos que concuerdan con lo visto en la bibliografía. De la caracterización de la herramienta mediante el uso de técnicas SOM se ha determinado que el avance es el parámetro más determinante en la aparición de adhesión secundaria. Se ha visto además que el resto de parámetros tienen una mayor influencia en otros mecanismos, la velocidad de corte en la abrasión y la profundidad en la oxidación. Se ha verificado que el desgaste de la herramienta se inicia con la aparición de una primera capa de óxido de Ti, sobre la que se adhiere fragmentos de la viruta formando una estratificación inestable se desprende arrastrando fragmentos de la herramienta y favoreciendo la aparición de desgaste de flanco acusado en tiempos relativamente cortos. Se ha visto que por encima de 50 m/min y 0,2 mm/r las herramientas sufren un desgaste muy acusado que provoca la falla de la herramienta en tiempos de vida por debajo de los 10 minutos. Se han caracterizado los efectos que aparecen en la pieza mecanizada cuando se produce el final de la vida de la herramienta y se han identificado las fases. Se ha relacionado la morfología superficial de las piezas con las imperfecciones originadas por la herramienta debidas a la formación de viruta segmentada. Posteriormente se ha realizado el análisis de la probeta. Se ha analizado la superficie y composición de la misma. Se ahondó en la calidad superficial y su influencia de los parámetros de corte y longitud mecanizada en la misma para estudiar la influencia del desgaste en el acabado final de la pieza mecanizada. Por último se realizó el análisis de la viruta, su clasificación, y caracterización. Dada la especial morfología de esta viruta se realizará un estudio amplio para observar sus características y la repercusión del tiempo de mecanizado en la misma. De esta forma se podrá observar como el desgaste de la herramienta influye en el la morfología de la viruta y como a partir de esta se puede conocer el desgaste. Se han generado un cuadro predictivo de la forma de la viruta a partir de los parámetros de corte y se han obtenido relaciones de los elementos superficiales y geométricos con los parámetros de corte. Se han obtenido lecturas de composición de material de la herramienta en la viruta, lo que permite asegurar que la viruta al fluir arrastra parte del material de la herramienta. Se ha visto como la vida de la herramienta influye decisivamente en la calidad de la pieza y en la geometría de la viruta. CONCLUSIONES Como se ha podido ir viendo en todo el desarrollo de este trabajo, la caracterización de los mecanismos de adhesión secundaria se presenta como un punto básico para la maximización del rendimiento en los procesos de mecanizado. La adhesión secundaria es el mecanismo de desgaste principal en las aleaciones ligeras más utilizadas hoy en día por ello su influencia en el desgaste de la herramientas es primordial. Por otro lado, buscando la mejor alternativa a los métodos de lubricación tradicionales el mecanizado en seco se presenta como la mejor alternativa además de presentar una mejora sustancial en lo que al rendimiento medioambiental se refiere. Por otro lado, no se ha dejado de lado el rendimiento funcional, estudiando la calidad de las piezas mecanizadas y estableciendo comparativas con el desgaste encontrado es las herramientas. Todo este estudio se ha realizado con vistas de una posible implementación de los modelos obtenidos en un control adaptativo que permitiera la regulación automática del proceso e incluso una medición automática del desgaste por adhesión secundaria con equipos portátiles de bajo coste de uso rápido y sencillo. Esto ha permitido que el gran peso experimental de la presente Tesis Doctoral, reforzada por la experiencia adquirida en distintos Centros de Investigación de reconocido prestigio pueda ser llevada a empresa para su implantación. Por una parte, se ha procedido a identificar el mecanismo de desgaste propuesto para el mecanizado de esta aleación en trabajos precedentes para, posteriormente proceder a evaluar la adhesión del material sobre la herramienta mediante las técnicas indicadas. El cambio de herramientas se debe evitar ya que es uno de los tiempos muertos que sobreviene en un proceso de fabricación y como los tiempos muertos en máquina hacen disminuir la rentabilidad del proceso. Muchas de las aleaciones ligeras que se utilizan de forma masiva en la industria actual no se han estudiado a fondo y en muchos casos se les ha realizado un tratamiento similar al de otras aleaciones lo que impide una maximización de la vida de las herramientas. La normativa relacionada con la medición y predicción de la vida de las herramientas está obsoleta ya que entiende el desgaste como la perdida de material de la herramienta. Hoy en día se debe entender desgaste como cualquier modificación que modifique las condiciones iniciales de la herramienta (material, morfología, geometría, rugosidad, etc¿) Ya que no existe una técnica que permita la medida del desgaste por adhesión secundaria con garantías se ha propuesto una metodología para llevar a cabo la caracterización y cuantificación de este mecanismo en el mecanizado de aleaciones ligeras. Se han generado todos los protocolos y procedimientos internos para llevar a cabo la caracterización del desgaste por adhesión secundaria. En algún caso estos protocolos son totalmente nuevos. En lo que a la aleación de aluminio UNS A92024 se refiere: 1. Se ha realizado la caracterización del mecanismo de adhesión secundaria en el torneado en seco de la aleación UNS A92024 mediante el análisis de las herramientas y su influencia en la calidad final de la pieza mecanizada y del análisis de la viruta. 2. Se ha realizado una caracterización composicional y microestructural del material antes y después del mecanizado. Se ha visto que los intermetálicos pueden repercutir negativamente en el mecanizado. 3. Se han caracterizado las herramientas mediante técnicas SOM y se ha determinado que el parámetro más influyente en el desgaste de las herramientas es el avance. Se ha cuantificado el desgaste mediante técnicas de procesado de imagen. Se han obtenido modelos paramétricos de los parámetros de desgaste estudiados. 4. Se ha determinado que la velocidad de corte favorece el incremento del BUL de forma directamente proporcional mientras que favorece la formación de BUE de forma inversamente proporcional. 5. Se ha visto que la profundidad de corte provoca un aumento del daño de la herramienta pero este es proporcional al incremento de la sección de contacto pieza-herramienta. 6. Se ha corroborado el mecanismo de formación del material adherido. Se ha verificado mediante SEM/EDS la composición del material adherido. Se ha visto como la formación de capas de material adherido estratificadas puede enmascarara la formación de BUL Primario. 7. Mediante el uso de técnicas SEM-EDS se ha podido corroborar que existen fragmentos de herramienta en la viruta. 8. Se ha visto que el tiempo de mecanizado resulta crítico en el material adherido, siendo el área afectada por la adhesión o extensión del BUL el parámetro más decisivo. El espesor del BUE tiende a estabilizarse pasados unos segundos de mecanizado. 9. Se ha estudiado la influencia del desgaste de la herramienta en la formación de la viruta y en la calidad superficial de la pieza. Se han obtenido modelos paramétricos de los elementos estudiados. Se ha realizado una tabla predictiva de la forma de la viruta en función de los parámetros de corte. Para la aleación UNS R56400: 1. Se ha realizado la caracterización del mecanismo de adhesión secundaria en el torneado en seco de la aleación UNS R56400 mediante el análisis de las herramientas y su influencia en la calidad final de la pieza mecanizada y del análisis de la viruta. 2. Se ha realizado una caracterización preliminar del material antes y después del mecanizado obteniendo datos que concuerdan con lo visto en la bibliografía. 3. Se ha visto que aunque el avance resulta decisivo en lo que adhesión secundaria se refiere, el resto de parámetros tienen una mayor influencia en otros mecanismos, la velocidad de corte en la abrasión y la profundidad en la oxidación. 4. Se ha verificado que el desgaste de la herramienta se inicia con la aparición de una primera capa de óxido de Ti, sobre la que se adhiere fragmentos de la viruta formando una estratificación inestable se desprende arrastrando fragmentos de la herramienta y favoreciendo la aparición de desgaste de flanco acusado en tiempos relativamente cortos. 5. Se ha determinado que por encima de 50 m/min y 0,2 mm/r las herramientas sufren un desgaste muy acusado que provoca la falla de la herramienta en tiempos de vida por debajo de los 10 minutos. 6. Se ha relacionado la morfología superficial de las piezas con las imperfecciones originadas por la herramienta debidas a la formación de viruta segmentada. 7. Se ha visto como la vida de la herramienta influye decisivamente en la calidad de la pieza y en la geometría de la viruta. 8. Se han generado un cuadro predictivo de la forma de la viruta a partir de los parámetros de corte y se han obtenido relaciones de los elementos superficiales y geométricos con los parámetros de corte. 9. Se han generado modelos paramétricos basados en modelos potenciales para todos los elementos estudiados.