INFLUENCIA DEL ÁNGULO DE LA PUNTA, TRATAMIENTO TERMOQUIMICO Y FLUIDOS DE CORTE...

MEMORIAS DEL 14 CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 17 al 19 DE SEPTIEMBRE, 2008 PUEBLA, MÉXICO

866 ISBN 978-968-9773-03-8 Derechos Reservados © 2008, SOMIM

INFLUENCIA DEL ÁNGULO DE LA PUNTA, TRATAMIENTO TERMOQUIMICO Y FLUIDOS DE CORTE SOBRE LA VIDA DE BROCAS, AL MAQUINAR ACERO 4040

TRATADO TÉRMICAMENTE

Januz Łabedź, Piotr Rusek AGH, Wydział InŜynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Wytrzymałości i Technologii Maszyn

Al. Mickiewicza 30. Poland. [email protected] [email protected]

Eduardo Aguilera Gómez, Guillermo Negrete Romero

Facultad de Ingeniería Mecánica, Eléctrica y Electrónica, Universidad de Guanajuato, Carr.Salamanca-Valle de Santiago Km 3.5+1.8 comunidad de Palo Blanco, 36885 Salamanca, Gto., México.

Teléfono (464) 6479940 ext 2455 y 2353 . Fax: (464) 6479940 ext 2311. [email protected] [email protected]

RESUMEN En este trabajo se presentan los resultados de una investigación sobre la duración de brocas utilizando diseño de experimentos para determinar la influencia del ángulo de la punta, tratamiento termoquímico y fluidos de corte, al maquinar acero 4040 tratado térmicamente. Para el desarrollo del experimento, se afilaron tres brocas con ángulos de punta diferentes, se aplicaron tres tipos de tratamiento termoquímico y se emplearon tres fluidos de corte diferentes; con el fin de determinar la importancia relativa de los factores, se utilizaron técnicas de diseño de experimentos y se encontró que la influencia de los dos primeros factores es importante y para este caso, el tipo de fluido de corte no influyó en la vida útil de la herramienta. .

ABSTRACT In this paper, the influence of cutting angle, thermochemical treatment and cutting fluids on drill life in thermical treated 4040 steel machining are shown. For this experiment three different drill point angles were used, also three thermochemical treatments and three cutting fluids were applied. Design of experiments was done to find the relative meaning of these factors. Results of the experiments shown that, the main influence are from the two first factors, and the kind of cutting fluid had not influence on the drill life.

NOMENCLATURA Cn Fluido de Corte n Ff Fuerza axial On Tratamiento térmico de la broca n 2κ Ángulo de la punta o cono INTRODUCCIÓN Las brocas son herramientas que trabajan con velocidad de corte que varía a lo largo del filo cortante; al afilar la herramienta, el ángulo de la punta puede cambiarse, esto causa diferencias en la cantidad de calor generado en el corte y en la intensidad de fricción de la superficie del cono, sobre el cono y en la superficie de desprendimiento o cara, así como sobre la viruta y el material cortado; y tiene como consecuencia el deterioro que se observa como desgaste de los filos cortantes principales en el borde de la herramienta y de todos los elementos que tienen contacto con el material.



La intensidad del proceso de corte llamado barrenado, depende de muchos factores, hay que mencionar aquí las propiedades del material cortado y del material del filo cortante de la broca, la geometría y dimensiones de la herramienta, los parámetros de corte, la profundidad del barreno maquinado, el tipo de fluido de corte y la manera de suministrarlo [1], [2], [3], [4] y [5]. Para aumentar la vida de las brocas, es importante analizar la prioridad que se dará a cada uno de los factores mencionados. En este trabajo se analizan factores para prolongar la vida de las brocas al maquinar barrenos en acero 4040 tratado térmicamente y con éste propósito se iniciaron investigaciones sobre influencia del tratamiento térmico de la herramienta, geometría del filo cortante limitada a la corrección del ángulo de la punta 2κ y análisis del fluido de corte que también influye sobre la vida de las brocas. No se analizan posibilidades de cambio de los parámetros de corte por la manera de barrenado que se aplica en este trabajo, el maquinado se realiza con el uso de un cabezal neumático de taladrado que trabaja con condiciones de corte definidas, los estudios tienen como propósito la evaluación de la importancia de de los factores mencionados sobre la vida de la herramienta en las condiciones de corte establecidas. DISEÑO DEL EXPERIMENTO En el diseño del experimento, se supuso que las investigaciones se realizan para barrenado de agujeros en muestras con diferentes tipos de brocas; se llamó broca O0 a la que no tiene tratamiento térmico adicional, se usan además brocas O1 y O2 con dos diferentes procesos de tratamiento térmico y se afilarán brocas con tres diferentes valores de ángulo de la punta o cono 2κ; que son llamadas 2κ 1, 2κ 2 y 2κ 3; el proceso de maquinado se llevará a cabo utilizando 3 diferentes fluidos cortantes C1, C2, C3. El criterio de evaluación de la vida de la herramienta será la sumatoria de las longitudes de los barrenos realizados desde el momento de inicio del proceso de barrenado hasta el momento de aumento repentino del valor de la fuerza axial Ff. Ya que en el caso analizado, el número de factores investigados es tres y cada uno de los factores tiene 3 valores, se propuso hacer este experimento usando un programa estadístico aleatorio con i2 de primer grado [6], [7]. Las mediciones se realizarán sin repeticiones Fig 1.

SELECCIÓN DEL TRATAMIENTO TERMOQUÍMICO DE LAS BROCAS Para el tratamiento termoquímico en herramientas cortantes, se aplican diferentes procesos, tales como nitrurado, cianurado, pasivacion con vapor de agua, fosfatizado, cromado, recubrimiento con azufre, así como nitrurado iónico, además el nitrutitanizado y también implantación iónica [5], [8], [9] y [10]. De los métodos mencionados se usarán dos, que son el fosfatizado y el nitrurado iónico. El fosfatizado es un proceso de fabricación de una capa de protección de fosfatos sobre la superficie del metal a través de la acción de baños de hidrofosfato de manganeso, de hierro o de zinc con inhibidores adecuados, la capa formada aumenta la resistencia a la corrosión, mejora las propiedades superficiales durante la deformación plástica y también disminuye la fricción. El nitrurado iónico se realiza a través de descargas con arco eléctrico que se realizan en un medio ambiente en el que se encuentran nitruros, esto mejora la resistencia al desgaste, especialmente al desgaste abrasivo, aumenta la resistencia a la fatiga y la tenacidad, mejora la ductilidad durante las cargas dinámicas y también mejora la resistencia a la corrosión.

Oo O1 O2

2 κ 1 A = C1 B = C2 C = C3 2 κ 2 B = C2 C = C3 A = C1 2 κ 3 C = C3 A = C1 B = C2

Fig.1. Esquema del diseño del experimento



En el caso de las herramientas cortantes fabricadas de acero rápido, la capa superficial nitrurada hace decrecer el coeficiente de fricción y mejora las propiedades a la fricción ocasionando con ello un mejor deslizamiento, lo que facilita la salida de viruta y permite disminuir la temperatura de corte, dando como resultado la reducción de las fuerzas de adhesión, entonces se disminuye la probabilidad de que ocurra el fenómeno de filo recrecido y se produzcan acabados de baja calidad en la superficie de corte. En el diseño del experimento se tomó la siguiente descripción de brocas, O0 son herramientas sin tratamiento termoquímico; O1 son herramientas fosfatizadas y O2 herramientas con nitrurado iónico. SELECCIÓN DE LOS FLUIDOS CORTANTES Como fluidos cortantes se aplican en general aceites, emulsiones, microemulsiones, soluciones de substancias químicas, pastas y gases. Se requiere que los fluidos aplicados en las operaciones de barrenado tengan buenas propiedades lubricantes, disminuyan el desgaste del filo cortante, proporcionen enfriamiento rápido, mejoren la salida de la viruta y también favorezcan la disminución de vibraciones [1], [9], [11] y [12].

Tipo de fluido de corte

Propiedad definida Aceite CM

Aceite SM

Aceite ACP-3 EKO

Viscosidad Cinemática a 50oC [mm2/s]

18 - 25 12,8 - 15

45 - 65

azufre %

- - hasta 1

cloro % - - 1 - 2,5 fósforo

% - - hasta 1

Aditivos Activos EP (presión extrema)

grasas %

2,5 - 5 7 - 9 -

Temperatura de fluencia max. oC

–5 – 6 – 12

Temperatura de inflamación min. oC

170 180 190

Número de Acidez o Liczba kwasowa max.

mg KOH/g 3,5 0,8 -

Tabla 1.-Fluidos de corte Estas tareas en cierto grado las realizan aceites y por eso dentro de ellos se decidió seleccionar tres fluidos cortantes; atendiendo las recomendaciones de los fabricantes se aplicaron en las investigaciones los aceites ACP-3 EKO, aceite CM y aceite SM. El aceite ACP-3 EKO es un producto recomendado para barrenado de agujeros profundos y para trabajo en máquinas automáticas, su contenido incluye aceites refinados, aditivos activos que aumentan la resistencia de la capa fronteriza del aceite y que disminuyen el desgaste de los filos cortantes, también incluye aditivos anticorrosivos, este aceite contiene 10% de concentrado ACP y 90% de aceites para máquinas. El aceite CM es la mezcla del aceite universal refinado con aditivos de ácidos grasos, tiene buenas propiedades anticorrosivas, es un producto inflamable por eso hay que cuidar la seguridad durante el almacenamiento y aplicación. El aceite SM es un aceite enriquecido con grasa alrededor de hasta 7% con baja viscosidad; además de los aditivos de grasa contiene medios anticorrosivos y antiespumantes, se recomienda para el maquinado de elementos que se realiza a bajas velocidades de corte y también en los casos en los que la temperatura del filo cortante no rebasa 1200 C.



Los datos básicos para los fluidos cortantes se indican en la Tabla 1; en el diseño de experimentos, se aplicaron las siguientes descripciones C1 aceite ACP-3 EKO; C2 aceite CM; y C3 aceite SM. PREPARACIÓN DE LOS ELEMENTOS PARA BARRENAR La investigación se realizó en elementos preparados de acero 4040 tratados térmicamente con el siguiente contenido químico: 0.43% C; 0.65% Mn; 0.27% Si; 0.93% Cr; 0.25% Ni; máximo contenido de las inclusiones de fósforo y de azufre 0.05% a 0.035%. La forma y las dimensiones de los elementos a barrenar se presentan en la Figura 2, corresponden al proceso de fabricación de partes dentro de una planta industrial del área metalmecánica de la cual se recibieron las muestras. La materia prima para la producción de los elementos es una pieza forjada, a la cual se le hicieron operaciones de tratamiento térmico de normalizado, luego torneado y posteriormente otra vez tratamiento térmico de temple y revenido, el normalizado se realizó calentando la pieza hasta la temperatura de 870-900 0C durante un tiempo de 30 min, recocido a esta temperatura durante 45 min y posteriormente se enfrió al aire, la operación de tratamiento térmico final se refiere a temple y revenido posterior; para el temple se llevó la pieza a una temperatura de 850-900 0C durante un tiempo de 30 min, luego se uniformizó la pieza a esta temperatura durante un tiempo de 35 min y se enfrió en aceite a temperatura de 60-90 0C con lo que logró una dureza de 44-46 Rc; después las piezas se lavaron en emulsión LN1 a temperatura de 60-90 0C y en agua con temperatura de 60-80 0C; luego se revinieron durante un tiempo de 5 horas; para el revenido se elevó la temperatura de la pieza hasta 500 0C, se uniformizó a esa temperatura durante 2 horas y luego se enfrió al aire, las piezas así tratadas tenían dureza de 31±2 Rc. Para la investigación se prepararon 15 muestras.

PREPARACIÓN DE BROCAS Para los experimentos se usaron 9 brocas NWKb (descripción polaca) de diámetro 37mm, con longitud 112 mm fabricados de acero rápido SW7M, se afilaron tres brocas para cada uno de los siguientes valores de ángulo de la punta: 2Κ1 de 104

0, 2Κ2 de 1180 y 2Κ3 de 120

0. Posteriormente se seleccionaron tres brocas con diferentes ángulos de la punta y se les hizo un fosfatizado, de igual manera, se seleccionaron tres herramientas para hacerles nitrurado iónico. El fosfatizado se realizó según el siguiente proceso de fabricación:

Fig.2. Elemento a barrenar



Se desengrasó en petróleo; se aplicó lavado en agua con temperatura 75± 5 0C durante un tiempo de 3 min; se activó en una solución KL66A con agua durante un tiempo de 5 min; se lavó en agua con temperatura 40-50 0C; se fosfatizó durante 10 min en un baño de fosfato-manganeso-hierro con un activador a la temperatura del baño de 95 0C; se lavaron esas piezas en agua a temperatura de 70-80 0C; se secaron las piezas; se efectuó la operación de pasivación durante 10 min en baño con una concentración de 0.2% de Cr a temperatura de 80-90 0C; finalmente, se secó a temperatura de 140-160 0C durante 5 min. El nitrurado iónico se realizó en las condiciones siguientes: Presión en la cámara de ionización p = 3.5 torr = 466.627 N/m2, flujo de amoniaco tras la cámara de ionización con un caudal de q = 47 l/h, corriente i =35A, temperatura de nitruración T = 467 0C y duración del proceso t=25 min. Las herramientas aplicadas en las investigaciones se marcaron de acuerdo a la nomenclatura dada en el diseño de experimentos. BANCO DE EXPERIMENTOS Los experimentos se realizaron en la estación de pruebas que se presenta en la Fig 3; esta estación de pruebas se conformó con una fresadora (1), el cuerpo de la máquina se fijó mediante una placa especial (3), se fijó el cabezal neumático (2) del tipo AFDL1000 de la empresa Desoutter, este cabezal tiene regulador de avance vertical, el aire se suministró al cabezal con una manguera (9), a través de un filtro de aire y de un lubricador que tomaba el aire de dos compresores que se juntaron para garantizar la estabilidad de la presión de aire en 0.5 MPa, la muestra (5) a la que se realizó el maquinado de barrenos se posicionó y fijó en una montadura especial (6) unida a un dinamómetro extensiométrico (7), el dinamómetro se fijó a la mesa de la fresadora (8) y fue conectado a través de un puente de Wheatstone (11) con el colector de datos (12) y con el voltímetro digital (10) en los cuales se observaron los cambios de valor de la fuerza axial.

Fig.3. Estación de pruebas



EXPERIMENTOS Y SUS RESULTADOS Después de la fijación de la muestra en la montadura especial y después de la ubicación de la broca en el cabezal neumático de barrenado, se acciona la máquina realizando en las muestras los barrenos con diámetro de 37mm y con profundidad de 11mm, se aplicaron los siguientes parámetros de maquinado: La velocidad de rotación n=1000 rpm, el avance f=0.1 mm/rev; durante el tiempo de barrenado se registró el valor de la fuerza axial Ff; los maquinados se realizaron según el diseño de experimentos que se presentó en la fig. 1, maquinando con una broca tantos barrenos como era posible hasta el momento en que se observó un aumento repentino de la fuerza Ff, lo cual significa que existe un desgaste considerable de los filos; sumando las longitudes Si realizadas con una sola herramienta y estas sumatorias se muestran en la tabla de la fig 4, en la que aparecen los resultados de los experimentos con las sumatorias de profundidades de barrenos realizados en mm.

ANÁLISIS DE LOS EXPERIMENTOS El análisis estadístico de los resultados obtenidos se relaciona con la evaluación de la importancia de la influencia de los factores mencionados sobre la vida de las brocas, esta evaluación se realizó aplicando análisis de varianza y la prueba F de Snedecora; los resultados de los cálculos se muestran en la tabla 2

Factor Investigado

Fcalculado Conclusión

Tratamiento térmico-químico

Fcalculado = 23.06 > Ftablas = 19

Factor importante

Valor de ángulo 2κ

Fcalculado = 24.39 > Ftablas = 19

Factor importante

Fluido Cortante Fcalculado = 14.17 < Ftablas = 19

Factor no importante

Descripciones: Ftablas – Valor que se leyó de tablas estadísticas para el test de F-Snedecora para el nivel α= 0.05 y con el número de grados de libertad f1 = f2 = 2 Fcalculado – Valor calculado basado en los resultados de las investigaciones calculando el valor de estadística F-Snedecora

Tabla 2. Evaluación estadística de los resultados experimentales

O0 O1 O2

A = C1 B = C2 C = C3 2 κ 1

20 260 154

B = C2 C = C3 A = C1 2 κ 2

37 157 585

C = C3 A = C1 B = C2 2 κ 3

74 1077 918

Fig.4. Sumatoria de las profundidades

de los barrenos realizados [mm]



CONCLUSIONES De los resultados obtenidos se concluye que durante el barrenado de agujeros con diámetro de 37mm y profundidad de 11mm en acero 4040 tratado térmicamente, es posible influir sobre la vida de la broca a través de su tratamiento termoquímico y a través del cambio del valor del ángulo de la punta 2κ; los valores adecuados correlacionados entre sí, pueden influir de manera importante en el aumento de la vida de las brocas; dentro de los métodos analizados de tratamiento termoquímico que son fosfatizado y nitrurado iónico, los mejores resultados se obtuvieron para los ángulos de la punta 2 κ 1 de 104

0 y 2 κ 3 de 120

0 aplicando fosfatizado.

En comparación con el fosfatizado, el nitrurado iónico dio mejores resultados solo para el ángulo 2κ 2 de 1180; para

una explicación de este fenómeno, es necesario realizar investigaciones adicionales. No se encontró influencia importante de los fluidos de corte, se puede suponer que cada uno de los fluidos realizaba bien su función y por eso no se observaron diferencias importantes y no se detectó cambio en la vida de las brocas debido a este factor. REFERENCIAS: [1] Boothroyd G., Knigth W.A.: “Fundamentals of Machining and MachineTools”., Marcel Dekker Inc, 2ed, 1989. [2] Dmochowski J., Uzarowicz A.: Obróbka skrawaniem i obrabiarki. Warszawa, PWN 1980, (en polaco) [3] Durán, Orlando M and Bavestrello, Italo “Definición de Condiciones para Taladrado Usando un Enfoque

Basado en Lógica Difusa”. Inf. tecnol., vol.17, no.5, p.15-20. ISSN 0718-0764, 2006 [4] Groover M.P. “Fundamentos de Manufactura Moderna”., Mc Graw Hill Interamericana, 3 ed, 2007 [5] Praca Z.: Poradnik inŜyniera. Obróbka skrawaniem Tom 1. Warszawa, WNT 1991,(en polaco) [6] Montgomery D.C., “Diseño y Análisis de Experimentos”, Limusa Wiley, 2ed, 2006 [7] Polański Z.: Metodyka badań doświadczalnych. Warszawa, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 1984, (en

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C.V., 5 ed, 2008 [10] Pełczyński T.: Obróbka cieplno-chemiczna stali. Białystok, Wydawnictwa Politechniki Białostockiej, 1991., (en polaco) [11] Banasiak W.: Rola cieczy obróbkowych w procesie skrawania. Tribologia, 1989, (en polaco) [12] Łuksa A.: Płyny do obróbki metali. Poliwa, oleje i smary w eksploatacji. 1994, (en polaco)

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