Desarrollo de una metodología para la medición de parámetros

En este trabajo de investigación aplicada se ha desarrollado y puesto a punto un dispositivo experimental junto con una metodología para la medición de parámetros inprocess (fuerzas de corte, temperatura, balance energético y deformación) con el objeto de entender el mecanismo del proceso de arranque de material. Combinando diferentes técnicas avanzadas destinados al estudio del proceso de corte, se consigue la medición de forma simultánea de: deformaciones plásticas in-process, fuerzas de corte, temperaturas y reparto de flujos de calor en herramienta, materiales y viruta, a partir de mapas micro-térmicos precisos con una incertidumbre de 50 ºC. El diseño y los resultados obtenidos han sido verificados gracias a la realización de un round robin conjuntamente con UNCC y NIST. El dispositivo experimental permite analizar la influencia de diversos parámetros fundamentales del mecanizado como el grado de maquinabilidad de material de la pieza, la geometría de la herramienta o las condiciones de corte, sobre las variables citadas (fuerzas de corte, temperaturas...). Ello está permitiendo desarrollar materiales con maquinabilidad mejorada, presentándose como una técnica alternativa a los ensayos V15 (ISO 3685) que suponen elevados tiempos de mecanizado y costes de fabricación. Así mismo, permitirá el desarrollo de herramientas de corte, especialmente en lo que se refiere al desarrollo de recubrimientos y geometrías optimizadas a la aplicación industrial.

Si se observan los distintos procesos de fabricación que se emplean hoy en día, el mecanizado es el proceso más empleado de entre todos1,2. Por esta razón, el mecanizado o arranque del material ha sido objeto de muchos estudios científicos durante las últimas décadas. Siempre, persiguiendo el objetivo de responder las cuestiones que se formulan en cualquier planta industrial3 sobre cuales son la herramienta, condiciones de trabajo, lubrificante o incluso material de pieza que se debe emplear.
En otras palabras, se trata de definir los límites entre los que se deben mover las variables del proceso de mecanizado, es decir lo que se denomina ‘ventana de proceso’. Esta delimitación en el ajuste de estos parámetros resulta crucial debido a la creciente complejidad tecnológica de cualquier proceso. Pero, todavía se está lejos de obtener rendimientos óptimos en el mecanizado.
Por ejemplo, en un estudio interno de uno de los mayores fabricantes de automóviles se identificaron deficiencias en 111 máquinas diferentes4. Los resultados indicaron que el 35 % de estas deficiencias eran debidas a la errónea selección en las condiciones de corte: lubricantes, refrigerantes, herramienta, set up, materiales, etc., como se puede observan en la siguiente Figura 1.
Estas ineficiencias pueden hacer que los costes de mecanizado lleguen a ser hasta el 15% del producto bruto2, lo que supone en países como los Estados Unidos cifras que oscilan entre 240 y 850 billones de dólares. Hoy en día, si se quiere optimizar un proceso de mecanizado, ya sea reduciendo tiempos de corte y/o gastos generados, el aspecto primordial sobre el cual se actúa es el alargar la vida de la herramienta. Para ello, se están empleando herramientas de corte más resistentes (dureza, tenacidad...), nuevos tipos de recubrimiento, distintos lubricantes y refrigerantes o incluso nuevos materiales de maquinabilidad mejorada. Por ejemplo, la selección del material más adecuado para un proceso de fabricación por mecanizado está condicionada por los requerimientos que debe tener la pieza fabricada en vida, es decir, la aplicación final. Pero, cuando existen varias aleaciones con propiedades físicas y mecánicas similares, el criterio de selección más importante es la reducción de costes de fabricación. Aquí entra en juego la maquinabilidad del material ya que influirá en la duración de la herramienta y por tanto en el coste de la pieza. Por ello, la industria actual está cada vez más interesada en conocer de antemano el grado de maquinabilidad de los materiales.
Las variables más habituales empleadas por los aceristas para determinar este índice de maquinabilidad pueden ser las fuerzas de corte, volumen de material arrancado, acabado superficial, precisión dimensional, temperatura y desgaste de la herramienta5.
De entre todas estas variables, el criterio de maquinabilidad industrial más empleado actualmente es la vida de la herramienta (que se determina cuando se alcanza el valor límite de una variable de las mencionadas previamente). Su determinación se lleva a cabo siguiendo la norma de ensayos de fin de vida de herramientas en torneado ISO 36856 (Tool-life testing with single-point turning tools). Sin embargo, este método supone un coste de tiempo y dinero considerable ya que cada combinación de material-herramienta tiene que ser testada a diferentes condiciones de corte.
Los objetivos finales que se plantean son varios. El primero corresponde a determinar cuál es la razón que provoca la diferencia de maquinabilidad entre dos aceros casi idénticos como son el 42CD4E y 42CD4Plus. Otro objetivo es el de observar los efectos del recubrimiento, el radio de arista de corte, el rompe virutas, el ángulo de desprendimiento de influencia de de las plaquitas empleadas en el mecanizado. Además, como tercer objetivo y no menos importante que los anteriores, se busca conocer el grado de influencia de condiciones de corte (velocidad de corte y avance) para poder determinar las condiciones de corte idóneas con objeto de obtener el rendimiento óptimo con estos aceros. Para definir la
‘ventana de proceso’ se persigue encontrar una relación de causa-efecto entre la maquinabilidad/condiciones de corte y los parámetros in-process mediante ensayos de corta duración, 1 segundo.