Estudio del torneado en seco de la aleación ti6al4v. Relaciones paramétricas para el acabado superficial

Resumen

El entorno socioeconómico de la Bahía de Cádiz, con la importancia de un sector industrial como el aeronáutico y la Universidad de Cádiz, con su oferta de estudios y actividad investigadora, dando respuesta a necesidades reales, constituye el marco de desarrollo de la presente Tesis Doctoral, enfocándola desde la investigación para la mejora del mecanizado en seco de aleaciones usadas en la construcción aeronáutica, en concreto la aleación Ti6Al4V. Esta aleación, junto con las propiedades que la hacen atractiva para formar parte de la estructura de la aeronave, presenta unas características que la llevan a ser considerada de baja maquinabilidad, destacando la baja conductividad térmica, la reacción química con la mayoría de los materiales de herramienta de corte, y la formación de viruta serrada. La mejora del rendimiento de un proceso de mecanizado de esta aleación implica el conocimiento del comportamiento del material ante dicho proceso. El principal objetivo de la presente Tesis Doctoral, se encamina al análisis paramétrico del mecanizado de la aleación de titanio Ti6Al4V, partiendo de un estudio del comportamiento de la misma en procesos de torneado en seco, para reducir al máximo el impacto ambiental. Este análisis paramétrico permitirá establecer modelos matemáticos que relacionarán los parámetros de corte aplicados, con diferentes variables de salida relacionadas con el rendimiento del proceso. Esto proporcionaría, a priori, dentro de los rangos estudiados, la obtención de piezas según las especificaciones consideradas en condiciones económicas, energéticas y medioambientalmente asumibles. Se presenta la metodología desarrollada para poder alcanzar los objetivos presentados anteriormente, buscando el mejor aprovechamiento de los recursos y capacidades disponibles. Contiene la secuencia de ensayos realizados y las distintas vías de análisis empleadas, estableciendo los protocolos de trabajo necesarios que permitirán, en un futuro, servir de base para la realización de estudios semejantes a los desarrollados en esta Tesis Doctoral. Fases de la Metodología experimental: 1. Fase pre-mecanizado, donde se lleva a cabo una caracterización del material y se prepara para la adaptación al equipo de trabajo. Junto a esto, la selección e identificación de las herramientas de corte, correspondiendo a metal duro, sin recubrimiento y con recubrimiento. 2. Ensayos de torneado 3. Fase post-mecanizado, evaluando los parámetros a considerar que son la morfología de la viruta, desgaste de las herramientas de corte y calidad superficial de las probetas obtenidas. Se presentan los resultados del estudio del torneado en seco de la aleación Ti6Al4V en los primeros diez segundos de mecanizado empleando herramientas de WC-Co con (CR) y sin recubrimiento (SR). Dicho estudio ha contemplado el análisis de la viruta generada, la calidad de acabado superficial desde los puntos de vista macro y microgeométricos y las alteraciones sufridas por la herramienta de corte. 1. A bajos avances, formación de viruta continua, enredada y compactada, que debería afectar de forma negativa a la calidad superficial de las piezas torneadas, especialmente para los ensayos donde se han empleado herramientas de metal duro sin recubrir, puesto que en el caso del menor avance ensayado, esta viruta acaba enredada alrededor de la herramienta y afectando a la pieza final. 2. Se muestra la influencia del avance en la formación de viruta no continua, en tramos largos o cortos, presentándose este tipo de viruta a avances altos (a partir de 0,2 mm/r) y velocidades de corte medias-bajas. 3. Se distinguen para todos los ensayos llevados a cabo, la forma de salida de la viruta, pudiendo golpear la pieza mecanizada, o la pieza sin mecanizar, caso en el cual no influiría la fluencia de la misma en el acabado o tolerancias finales. 4. Para los dos tipos de herramientas empleados, los principales mecanismos de desgaste que afectan a la herramienta son, desgaste adhesivo y desgaste abrasivo. El desgaste de tipo adhesivo, corresponde a adhesión secundaria o indirecta, en el filo, cara de desprendimiento y de incidencia de la herramienta (MBUL-BUL secundario-BUE-BUL secundario por extrusión del BUE). 5. La adhesión secundaria comienza, con la formación de capas estratificadas de óxidos de titanio (TiOx), gracias a las temperaturas que se alcanzan en las zonas de corte. A partir de estas capas (MBUL), por causas mecánicas y térmicas, se forma BUL secundario, BUE y extrusión del mismo hacia el interior de la cara de desprendimiento (BUL secundario). BUE y BUL corresponden a material de la aleación mecanizada, siendo difícil su identificación, por la disminución de porcentajes de titanio observado en los análisis composicionales, por la presencia de los óxidos de titanio. El parámetro de corte que más influye en el desgaste adhesivo es el avance. 6. Las herramientas recubiertas no se recomiendan para el mecanizado en seco de este tipo de aleación de titanio, especialmente a partir de un avance de 0,2 mm/r. El uso de recubrimientos que impiden la transmisión de calor, junto con las características del material (baja conductividad térmica), elevan de forma importante la temperatura en las zonas de corte (especialmente en la zona de contacto herramienta-viruta). 7. Para los dos tipos de herramienta empleados, la rugosidad superficial (Ra) generada en diferentes tramos, según parámetros de corte, se ve influida de forma importante por el avance, y en menor medida por la velocidad de corte, con la que tiende a disminuir de forma más intensa cuando se mecaniza con herramientas CR, relacionada con el mayor desgaste que sufren este tipo de herramientas. 8. El aumento del avance, conlleva un aumento importante de los valores de la rugosidad, independientemente del tipo de herramienta. El uso de herramientas recubiertas, especialmente, a altos valores de la velocidad de corte, suaviza este aumento. 9. Es posible obtener un modelo matemático potencial para Ra en función de la velocidad de corte y avance que proporciona una buena aproximación entre valores teóricos y experimentales. 10. La calidad superficial incluye también tolerancias geométricas, según la norma UNE-EN ISO 1101:2006 que dimensionan y definen correctamente (en forma, posición y orientación), los componentes de los conjuntos estructurales. Las tolerancias geométricas obtenidas en los tramos mecanizados según parámetros de corte, presentan diferentes evoluciones y tendencias. Se ve influencia de forma diferente por la velocidad de corte y avance, en función del tipo de tolerancia analizada, ya que se miden de forma diferente. 11. Es posible conseguir modelos matemáticos, que relacionen las tolerancias geométricas estudiadas, con los parámetros de entrada analizados que son la velocidad de corte y avance. De los modelos considerados, un modelo exponencial polinómico de segundo orden, abarca la mayoría de tolerancias obtenidas. Este modelo, ha dado buenos resultados para la predicción de tolerancias geométricas en el mecanizado de otras aleaciones ligeras de uso aeronáutico, como las del aluminio. 12. De forma general, no es posible establecer relaciones entre tres parámetros, considerados simultáneamente, como la macromorfología de la viruta, el desgaste de la herramienta y las desviaciones geométricas. 13. El uso de herramientas sin recubrimiento proporciona un rango de parámetros de corte donde se general los mejores valores de calidad superficial simultáneamente (micro y macro). Esto no es posible conseguirlo en los ensayos llevados a cabo con herramientas recubiertas. 14. A la hora de seleccionar un tipo de herramientas, analizando como parámetro de análisis del comportamiento de la aleación en el proceso de torneado, la calidad superficial, no es posible la elección de un tipo u otro de herramienta, de forma general. Según la desviación analizada, y los parámetros de corte ensayados, las dos herramientas pueden generar los valores más bajos de desviación.