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Sobre tensiones y distorsiones

30/03/2015

La detección y reducción de las distorsiones en las piezas durante su fabricación fue otro de los contenidos estrella de las Jornadas Qué y cómo se va a producir en 2025 (edición 2014) organizadas por IMHE. Dentro de este contenido el Dr. Jose Luis Lanzagorta de IK4-IDEKO presentó una interesante ponencia, tanto desde el punto de vista teórico como práctico. A continuación se recoge un resumen del contenido de la ponencia presentada durante dichas jornadas. El contenido completo de esta ponencia y de toda la Jornada se puede consultar en www.izaro.com. Igualmente, este año continuaremos con las jornadas presenciales sobre este mismo contenido y otros temas nuevos.

Cuando se habla de distorsiones es importante recalcar “durante su proceso de fabricación” porque en cualquier etapa del proceso podemos estar generando tensiones o deformaciones que estén favoreciendo la aparición de distorsiones en nuestras piezas.

Definición
Es difícil encontrar una definición de lo que es una distorsión pero vamos a presentar la siguiente: Es una propiedad del sistema de fabricación de una pieza cuya eliminación/minimización requiere de un análisis orientado a todo el proceso de producción, teniendo en cuenta todos los factores que pueden tener un impacto en los cambios dimensionales y de forma de la pieza.
Es importante resaltar que este problema está asociado al proceso global de producción de una pieza. ¿Por qué es importante minimizar o reducir la generación de distorsiones? Principalmente para evitar rechazos, reprocesos e improductividades. También porque si conseguimos minimizar el efecto de las distorsiones estamos mejorando las propiedades mecánicas del material. Asimismo, se mejora la calidad de las piezas para obtener mejores propiedades mecánicas, dimensionales, etc. Además está el tema de la sostenibilidad económica ya que al reducir el número de rechazos y reprocesos estamos ahorrando materiales y estamos obteniendo una reducción de costes. Y, por último, y también muy importante, el hecho de tener un proceso de fabricación optimizado.
Los sectores relevantes para minimizar las distorsiones son, sobre todo, los que manejan piezas de tamaño medio/grande, de alto valor añadido, como puede ser el sector eólico, el aeronáutico o el aeroespacial.

El origen
He querido utilizar una clasificación sencilla en tres puntos: un origen mecánico, un origen térmico y un origen tensional.
Se producen en cualquier etapa del proceso de fabricación. Un origen puede ser mecánico. Por ejemplo, podemos encontrar distorsiones que se generan debido a defectos geométricos en las herramientas que aplican las fuerzas sobre la pieza en el proceso de fabricación. Por ejemplo durante la laminación, Si tenemos defectos en los rodillos de laminación cuando estamos laminando el material estamos fotocopiando esos defectos en nuestra pieza. Otro ejemplo podrían ser, durante el mecanizado, las fuerzas de amarre o de corte que estamos aplicando sobre la pieza o incluso las vibraciones que están apareciendo en el proceso y que pueden estar favoreciendo la aparición de distorsiones en nuestra pieza.
Un segundo origen es el térmico ya que hay muchos procesos como, por ejemplo, los procesos de mecanizado en los que estamos introduciendo una gran cantidad de calor en nuestra pieza. Este calor puede hacer que estemos modificando la superficie que estamos mecanizando y no mantenga la posición o la geometría ideal que tenía al principio. Entonces pensamos que estamos mecanizando una pieza que su superficie es plana y realmente es una superficie curva, de tal forma que cuando se relaje y vuelva a su temperatura normal tendremos una deformación en nuestra pieza. Otro ejemplo claro de aparición de distorsiones de origen térmico es la aparición de transformaciones de fase del material, por ejemplo durante un temple. Pueden aparecer fases que tengan volúmenes diferentes y por tanto inducir deformaciones geométricas en nuestra pieza.
Y, finalmente, un origen tensional que son las tensiones internas y residuales que se pueden liberar o generarse en la pieza. Podemos tener una pieza con un estado de tensiones determinado, mecanizamos y al soltar la pieza esas tensiones tienden a autoequilibrarse y para ello aparece una deformación.
Esta clasificación tiene sentido en cualquier etapa del proceso de fabricación.

Ejemplos de origen mecánico
Durante la laminación, una aplicación incorrecta de la carga o los errores en los rodillos de laminación pueden generar tensiones de contacto excesivas de tal forma que pueden aparecer distorsiones indeseadas en nuestra pieza. En el caso particular de la laminación la solución que se suele aplicar es el aplanado del acero. Después de que la chapa pasa por el tren de desbaste o el tren de acabado se le aplica un ciclo de flexión inversa al acero de tal forma que va estirando y comprimiendo las fibras del material y lo deja plano. Esto es un proceso que tradicionalmente se ha aplicado en frío pero en los últimos años también se está aplicando a temperaturas intermedias. El segundo ejemplo de distorsiones de origen mecánico se encuentra en las fuerzas de amarre que pueden aparecer, por ejemplo, en un caso de fresado de llantas de automóvil. Un amarre incorrecto puede introducir de inicio distorsiones en la pieza y una vez mecanizada aparecen errores geométricos después del desamarre. También las fuerzas que estás introduciendo durante el mecanizado pueden deformar la pieza e introducir estos errores geométricos. Las soluciones para minimizar estos errores son: el desarrollo de utillajes inteligentes que puedan controlar las fuerzas de amarre. Por ejemplo si tenemos que amarrar en una pieza en dos extremos determinados saber cuánta fuerza estamos aplicando en cada posición y sobre todo, optimizar y controlar estas fuerzas durante el proceso de fabricación.

Ejemplos de origen térmico
El ejemplo tradicional de aparición de distorsiones es el temple. El temple es un enfriamiento a altas velocidades desde temperaturas muy elevadas y puede ocurrir que nuestra pieza sea muy masiva y que las velocidades de enfriamiento sean muy diferentes entre un punto superficial de la pieza y del punto interior de la pieza. Entonces se generan importantes variantes de temperatura que suponen contracciones y dilataciones de la pieza. Además, pueden aparecer transformaciones de fase y microestructuras en la pieza que afectan a la distorsión. Por ejemplo, si el enfriamiento es muy rápido en superficie puede aparecer martensita, y si el enfriamiento en el centro de la pieza es más lento puede aparecer ferrita. Como esas fases tienen volúmenes diferentes pueden distorsionar la pieza. Hay un ejemplo en el que tenemos una barra a la que se le somete a un proceso de temple. Durante el calentamiento, su fase sería austenita, durante el enfriamiento se iría contrayendo la pieza y al llegar a la temperatura de trasformación sufre una expansión. Eso traducido en el comportamiento de la pieza: cuando comienza el enfriamiento la pieza se empieza a distorsionar en una dirección y cuando aparece la transformación de fase se distorsiona hacia otra dirección. De tal forma que si tratamos un material que no sufra trasformación de fase este efecto no lo tendríamos.
La solución para evitar distorsiones durante un tratamiento térmico sería realizar enfriamientos más controlados y hacer un estudio exhaustivo sobre el enfriamiento, tradicionalmente se suelen aplicar tratamientos posteriores como revenido o incluso enderezado, este último ya es una solución mecánica.
Como segundo ejemplo de distorsiones de origen térmico son las que pueden aparecer durante el mecanizado de piezas grandes. Aquí tenemos el ejemplo del rectificado de piezas grandes. Los procesos de rectificado introducen una gran cantidad de calor a medida que se está aplicando el proceso porque hay una interacción entre la muela y la pieza muy agresiva. Según el esquema, a medida que comienza el proceso y se empieza a rectificar la pieza se introduce calor. Esta superficie al estar a una temperatura mayor se dilata y cambia de forma. Entonces, lo que inicialmente parecía que era una superficie plana o recta pasa a ser una superficie curva. No estamos rectificando una superficie plana, estamos rectificando una superficie curva. En el enfriamiento posterior, cuando se alcance el equilibrio tendremos esta distorsión en la pieza. Con herramientas de simulación podemos llegar a predecir este comportamiento para saber qué soluciones podemos aplicar y evitar este tipo de deformaciones.
La solución que se propone es optimizar las condiciones del proceso.

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