Keywords: single roller burnishing, burnishing tool, surface finishing, surface hardness, depth of the deformed layer



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Resumen
El bruñido por rodillo o rodilado es usado cada vez más como una operación secundaria de acabado la cual proporciona ventajas tales como el aumento de la dureza y el mejoramiento del acabado superficial, entre otras, además del aumento de la resistencia a la fatiga, al desgaste y a la corrosión. 
El experimento es llevado a cabo en un torno paralelo convencional y con una herramienta de bruñir de rodillo simple empleando probetas de acero AISI 1045 para establecer el efecto de tres parámetros del bruñido, la fuerza, el avance y el número de pasadas, en el acabado superficial, la dureza superficial, la variación en el diámetro de la pieza y la profundidad de la capa deformada. Para ello se midió la rugosidad y la dureza superficial, así como el diámetro previo al tratamiento mecánico por deformación plástica superficial. El experimento se realizó debidamente lubricado.
Fue aplicado un diseño experimental factorial completo N = 23 y la información obtenida fue procesada con el software estadístico STATGRAPHICS Plus versión 4.1 para Windows.
Se logró establecer que todos los parámetros de entrada y el régimen de bruñido tienen un efecto controlado, en diferentes medidas, en las cuatro respuestas de salida. 

Keywords: single roller burnishing, burnishing tool, surface finishing, surface hardness, depth of the deformed layer


Palabras claves: bruñido por rodillo simple, herramienta de bruñido, acabado superficial, dureza superficial, profundidad de la capa deformada

Abstract
The roller burnishing process is used more and more such as a secondary operation of finish which provides advantages like the increase of the surface hardness and the improvement of the surface finishing, among other, besides the increase of the wear resistance, fatigue strength and corrosion strength. 
Experimental work was carried out on a conventional lathe and with a single roller burnishing tool using specimens of AISI 1045 grade carbon steel to establish the effect of three roller burnishing parameters, force, feed and the number of passes, in the surface finishing, the surface hardness, the variation in the diameter of the piece and the depth of the deformed layer. For it was measured it the surface ruggedness and the surface hardness, as well as the previous diameter to the mechanical treatment for surface plastic deformation. The experiment was carried out properly lubricated. 
A complete factorial experimental design was applied N = 23 and the obtained information was processed with the statistical software STATGRAPHICS Plus Version 4.1 for Windows. 
It was possible to establish that all the input parameters and burnishing data have a controlled effect, in different percentage, on the four output responses. 

Introducción
La deformación plástica superficial (DPS) y en particular el proceso de rodilado, rodillado o bruñido con rodillo constituye un método de tratamiento superficial de las piezas para incrementar sus cualidades físico-mecánicas y de acabado aprovechando las características de plasticidad de los metales, lo cual puede evitar en muchos casos el empleo de esquemas tecnológicos tradicionales como el rectificado, tratamientos térmicos y termo-químicos, que son altamente consumidores de energía y potencialmente contaminantes del medio ambiente, además de que no en todos nuestros talleres se cuenta con el equipamiento para dar esos procesos.
Este método de elaboración no requiere de equipamiento tecnológico adicional, solo el uso del herramental específico para su aplicación y del conocimiento del régimen apropiado de trabajo de dicho herramental a partir del tipo de material tratado y del resultado deseado (buen acabado, resistencia al desgaste, a la fatiga, etc.). El método es universalmente aplicable a cualquier tipo de pieza y metal, aunque los mejores resultados se obtienen en superficies donde la aplicación de las tecnologías tradicionales es poco efectiva o imposible.
Por el volumen y la actualidad de las referencias bibliográficas consultadas se puede afirmar que los tratamientos por deformación plástica superficial y específicamente el bruñido por rodillo, actualmente se han convertido en una operación secundaria de acabado muy popular.
Ahora se hace necesario realizar un estudio experimental que permita establecer un modelo matemático que relacione determinados parámetros de partida y el régimen de tratamiento, con parámetros que caractericen cualidades microgeométricas superficiales y propiedades físico-mecánicas de las superficies tratadas.
El objetivo de este trabajo es investigar el proceso de bruñido por rodillo simple como alternativa de tratamiento mecánico por deformación plástica superficial para la sustitución de esquemas tecnológicos tradicionales, con el fin de mejorar el acabado superficial y aumentar la dureza superficial en piezas de acero AISI 1045, empleando un torno paralelo convencional.
Es bueno destacar que en Cuba no existe una cultura tecnológica sobre el empleo del bruñido por rodillo simple, como tratamiento mecánico por deformación plástica superficial. Se ha empleado este tratamiento, pero hasta donde se conoce ha sido fundamentalmente de una manera empírica, sin una disciplina tecnológica con sus procedimientos y metodologías, ni con un régimen de bruñido conocido y establecido. De ahí la importancia y novedad del trabajo que aquí se presenta.

Desarrollo
Propuesta del modelo del diseño experimental
Se decide aplicar un diseño experimental del tipo factorial completo con N = 2k (k = 3 variables) (X1: fuerza, X2: avance y X3: número de pasadas) y con 2 niveles (máximo y mínimo) (ver Tabla # 3), por que se necesitan menos corridas experimentales, los experimentos son sencillos de realizar, la planificación es simple y eso permite ahorro de material para las probetas, menos tiempo en los ensayos y se mantiene un nivel satisfactorio de seguridad estadística en los resultados, esto daría un modelo con un diseño factorial simple 23 que resultaría en 8 corridas experimentales. En cada una de ellas se utilizaron 3 réplicas, para un total de 24 corridas.

Herramienta empleada
La herramienta fue construida en el Taller de maquinado de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Central de Las Villas, ver figura 1.
El cuerpo de la herramienta es de acero AISI 1045, se emplea este material por sus características y propiedades que garantizan un correcto funcionamiento de la herramienta y por su aceptable costo, el rodillo tiene 41 mm de diámetro y es de acero AISI D2 con una dureza de 58 HRC y un acabado de 0,8 μm, el perfil tiene un radio de 20,5 mm para la elaboración de superficies con la salida libre de la herramienta. Dicha herramienta se puede clasificar de rodillo simple montados entre apoyos con un sistema de carga mecánico.
El muelle de la herramienta fue previamente calibrado, empleando para ello un dinamómetro debidamente certificado y avalado por el Instituto Nacional de Investigaciones Metrológicas de la República de Cuba. 
Para la realización de los experimentos la herramienta de bruñir se instaló en el portaherramienta del torno paralelo convencional modelo C-11 MT de fabricación búlgara existente en el Taller antes mencionado.

Figura 1. Esquema de la herramienta de bruñir por rodillo simple

Preparación del experimento
Las probetas que se emplean en los ensayos fueron obtenidas a partir de una barra cilíndrica laminada en frío, en estado de entrega, de 65 mm de diámetro de acero AISI 1045, el diámetro exterior nominal de la probeta será de 63 mm. 
El valor del diámetro de la probeta obedece al cumplimiento de la relación entre dicho diámetro y el diámetro del rodillo, que según (Odintsov, 1987) debe ser:


1. Mandril 
2. Probeta 
3. Arandela de sujeción
4. Tuerca

Figura 2. Esquema de montaje de la probeta en el mandril

El material a emplear fue caracterizado química y metalográficamente. El análisis químico se realizó utilizando un espectrómetro de emisión atómica marca Spectrum modelo Spectrocast y el análisis metalográfico se realizó en un microscopio óptico metalográfico Neophot-32, ambos de procedencia alemana, pertenecientes al Laboratorio de Metalografía de Centro de Investigación de Soldadura de esta Facultad, de los resultados obtenidos se confirma que el material a emplear en los experimentos es un acero AISI 1045 con una estructura metalográfica ferrito-perlítica y la composición química obtenida se muestra en la Tabla # 1. 
Al acero seleccionado se le realizaron pruebas, en el Laboratorio de Resistencia de Materiales del Departamento de Mecánica Aplicada y Dibujo de la Facultad, con el objetivo de determinar las propiedades mecánicas del mismo, que se muestran en la Tabla # 2. Para los ensayos se empleó la máquina universal ZD-40 de procedencia alemana.
Se selecciona el mencionado material para ser tratado porque es un acero al carbono muy difundido y representativo en la fabricación de piezas de la industria mecánica conociéndose bien sus propiedades mecánicas y su comportamiento, además puede ser rectificado y tratado térmicamente y de esta forma compararse con esos métodos tradicionales de aumentar el acabado y la dureza superficial, económicamente no es tan caro como otros y porque existen experiencias anteriores de su tratamiento superficial por deformación plástica mediante rodillo, según (Gómez, 2003) es empleado dicho material en las camisas de los cilindros hidráulicos que serán tratados, es bueno precisar que a partir de estudios realizados se prefieren aceros de bajo contenido de carbono y no aleados para ser bruñidos porque poseen una mayor plasticidad que permite que se deformen mejor (por tener una estructura con un mayor contenido de ferrita) y en consecuencia que mejore el acabado superficial y aumente la dureza. 

    Tabla # 1. Composición química del acero caracterizado



Elementos, en %

Carbono 

(C)


Manganeso 

(Mn)


Silicio

(Si)


Cromo

(Cr)


Fósforo

(P)


Azufre

(S)


0,48

0,63

0,369

0,168

0,027

0,037

    Tabla # 2. Propiedades mecánicas del acero caracterizado

Límite de resistencia (MPa)

673

Límite de rotura (MPa)

598

Límite de fluencia (MPa)

353

Elongación (%)

14

Estricción (%)

35

Módulo de elasticidad (MPa)

2,1 x 105

En el maquinado previo al bruñido por rodillo se necesita obtener bajos valores de rugosidad como premisa para lograr posteriormente un buen acabado superficial, dichos valores previos (Ra) obtenidos en esa elaboración se deben encontrar entre 3,2 y 6,3 μm, que son los recomendados por la literatura consultada (El-Axir, 2000), para garantizar esto la probeta se cilindró exteriormente con el siguiente régimen de corte: n = 850 rpm, S = 173,57 m/min, f = 0,066 mm/rev en 2 pasadas, una con a = 1,75 mm y la otra a = 0,25 mm, con una herramienta de tornear de sujeción mecánica Sandvik, el código del vástago es PSSN R 25 25 M 12 con una plaquita SNMG 12 04 08-PM de calidad 4025 empleando el torno paralelo antes mencionado. 

Durante el desarrollo del trabajo se utiliza una velocidad periférica de trabajo constante, conociendo que n = 150 rpm y d = 63 mm, entonces S = 29,68 m/min .
Este valor de velocidad se encuentra dentro del rango recomendado por la literatura consultada (El-Axir, 2000) para el bruñido de piezas de acero al carbono.
En la Tabla # 3 se muestran los tres parámetros de entrada y los niveles en que se variarán, así como otras informaciones del experimento. 
Tabla # 3. Parámetros de entrada del experimento


Parámetros

 


Símbolo

Niveles

-1

1

Fuerza (N)

X1

1000

1500

Avance (mm/rev)

X2

0,066

0,228

Número de pasadas

X3

3

5

Diámetro del rodillo (mm)

41

Condiciones de trabajo

Refrigerado, con aceite soluble al 5% 

 

 



Parámetros de respuesta (salida)
    1.      Acabado superficial (Ra) (µm)
    2.      Dureza superficial (Hv)
    3.      Profundidad de la capa deformada (mm)
    4.      Diámetro exterior (mm)

Procedimiento experimental
Primeramente y previo al tratamiento por bruñido se realizaron las mediciones de rugosidad superficial (Ra) y del diámetro exterior en el Laboratorio de Metrología del Departamento de Procesos Tecnológicos de esta Facultad, estas mediciones se realizaron con el rugosímetro electromecánico Mitutoyo, modelo SURFTEST – III y con el micrómetro de exteriores Mitutoyo de 50 – 75 mm, apreciación 0,01mm, ambos de nacionalidad japonesa. Además en el Laboratorio de Metalografía del Centro de Investigaciones de Soldadura de la mencionada Facultad se realizaron las mediciones de dureza Hv con el durómetro Vicker marca Heckert, modelo HMO 10U de fabricación alemana, con una carga de 98 N y con un penetrador de diamante piramidal de136° de vértice. 

Una vez que todas las probetas fueron previamente medidas se procede a realizar el experimento en el torno paralelo, la herramienta fue montada en el portaherramienta y las probetas con su mandril colocadas entre plato y punto, para garantizar una correcta medición del desplazamiento a la herramienta le fue acoplado un indicador de carátula con una precisión de 0,01 mm, que mediante la carta dinamométrica del muelle de la herramienta, previamente obtenida, permite determinar con exactitud la fuerza del rodillo ejercida sobre la probeta, este proceso ocurre debidamente lubricado. 

Posterior al tratamiento las probetas se les volvió a medir rugosidad superficial, diámetro exterior y dureza superficial en los laboratorios y con el equipamiento mencionado previamente, además en el Laboratorio de Metalografía del Centro de Investigaciones de Soldadura de la Facultad se realizaron las mediciones de microdureza subsuperficial para determinar la profundidad de la capa endurecida por la deformación plástica del bruñido por rodillo con el microdurómetro Vicker marca Shimadzu, modelo M de fabricación japonesa y con un penetrador de diamante piramidal de136° de vértice. 

Es bueno precisar que todo el equipamiento empleado está debidamente certificado y aprobado para su empleo por la Oficina Nacional de Normalización de la República de Cuba.



Resultados y Discusión
Para procesar los valores experimentales se emplea el paquete estadístico profesional STATGRAPHICS® Plus Versión 4.1 para Windows, de Statistical Graphics Corp., pudiéndose conformar para cada propiedad el modelo empírico-matemático correspondiente. El grado de significación de la influencia de los distintos factores sobre cada propiedad será analizado más adelante.

Comportamiento del incremento de dureza


En la siguiente tabla se pueden apreciar los valores obtenidos de las diferencias de las durezas después del tratamiento en las 3 réplicas.

Tabla # 4. Resultados de la variación de la dureza (dDureza) después del tratamiento



No.

Diferencias (%)

 

 


S

V (%)

1

8.478

8.677

8.412

8.523

0.157

1.84

2

5.976

6.075

6.056

6.036

0.059

0.97

3

6.687

6.488

6.223

6.466

0.274

4.24

4

6.911

6.849

7.227

6.996

0.223

3.19

5

7.592

7.539

7.337

7.489

0.151

2.01

6

6.600

6.313

6.413

6.442

0.170

2.64

7

6.443

6.090

6.317

6.283

0.208

3.32

8

7.838

8.019

8.013

7.957

0.107

1.35

Las 3 columnas enmarcadas en las diferencias porcentuales contiene la información de cada una de las réplicas realizadas, además se muestran los valores medios, la desviación estándar y el coeficiente de variación (en %) de cada uno de los experimentos, que ofrece una idea de cuan dispersas están las observaciones experimentales con respecto al valor medio, en estos casos para 3 réplicas el valor de dicho coeficiente no debe ser mayor de 4 para un 5% de error (95% de confianza).

En el análisis de varianza de ANOVA se ofrece una importante información, el coeficiente de regresión, R2= 96,91%, ajustado para los grados de libertad, que muestra la medida de cuanto se parece el modelo estadístico-matemático a los valores observados (datos experimentales), de manera tal que describe el comportamiento de los datos experimentales en el rango estudiado de las variables. Se consideran valores aceptables 90% o más. 


Ddureza = 22,4216 – 0,0112361·Fuerza – 54,4103·Avance + 0,0359235·Fuerza·Avance + 0,0013328·Fuerza·Pasadas + 2,04074·Avance·Pasadas
Como se puede apreciar en el modelo empírico-matemático (ecuación de regresión) que describe el comportamiento de las variables respuestas en función de las variables de entrada, no se expresan las variables que no tienen significación o influencia, según se corrobora con el diagrama de Pareto, en este caso el número de pasadas, y no serán considerados en lo adelante.

En la figura 3 se muestra dicho diagrama, que ilustra el efecto estándar de las variables, como se observa todas las variables de entrada, excepto el número de pasadas, tienen influencia, las interacciones entre las variables consideradas tienen una mayor influencia, que las variables por si solas.



Figura 3. Diagrama de Pareto donde se muestran los efectos sobre la variación de la dureza.

En la figura 4 se aprecia el tipo de influencia de las variables, como se observa a medida que la fuerza y el avance aumentan, el incremento de la dureza disminuye, con el número de pasadas ocurre lo contrario, pero este no es significativo. 


Figura 4. Representación de los efectos principales sobre la variación de la dureza.

De los resultados obtenidos por el software se aprecia que la interacción entre la fuerza y el avance tiene una alta influencia en el incremento de dureza, cuando la fuerza tiende a aumentar y el avance está próximo a sus valores máximos y tiene un efecto opuesto cuando el avance está próximo a sus valores mínimos. Algo similar ocurre con las interacciones entre la fuerza y el número de pasadas, y entre el avance y el número de pasadas. Nótese que hay correspondencia con lo ilustrado en el diagrama de Pareto. 

En las figuras 5 y 6 se muestran las superficies de respuestas estimadas de la variación de dureza, para 3 y 5 pasadas de la herramienta. El mayor incremento de dureza se consigue con una fuerza de 1000 N, un avance de 0,066 mm/rev y 3 pasadas (Figura 5), otro valor de incremento considerable, aunque menor que el anterior, se puede apreciar en la figura 6, con una fuerza de 1500 N, un avance de 0,228 mm/rev y 5 pasadas. 

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