Optimizacion de procesos de mecanizado mediante control de tensiones residuales y otros parametros de integridad superficial

Resumen

titulo: Optimización de procesos de mecanizado mediante control de tensiones residuales y otros parámetros de integridad superficial Resumen: El propósito de este trabajo ha sido determinar el proceso de mecanizado óptimo de materiales para aplicaciones aeronáuticas y de automoción desde el punto de vista de la integridad superficial de la pieza mecanizada, que condiciona fuertemente la vida en servicio de dicha pieza. Para caracterizar lo que se conoce como integridad estructural de las piezas mecanizadas se han estudiado (tanto en la superficie como su evolución con la profundidad): las tensiones residuales, la microestructura, las propiedades mecánicas, el espaciado interplanar de la red cristalina, la anchura de los picos de difracción, la fracción volumétrica de fases (austenita retenida en el caso de los aceros) y la rugosidad superficial. Teniendo en cuenta todos estos factores puede decidirse sobre el proceso de mecanizado previsiblemente óptimo para la vida en servicio del material. La investigación se ha centrado más intensamente en la determinación detallada del campo de tensiones residuales generado por el mecanizado en la zona próxima a la superficie, para lo que se han puesto a punto las técnicas experimentales necesarias para su medida cuantitativa mediante difracción de rayos-x. Se han estudiado tres tipos diferentes de mecanizado (y para cada tipo, distintos procesos): rectificado (de producción y de afino), torneado duro (convencional con distintos grados de desgaste de la herramienta, con ranura o asistido por láser y con mínima cantidad de lubricante) y corte por electroerosión (desbaste y desbaste más acabado). Los procesos de rectificado generan tensiones compresivas en la superficie libre, que se vuelven nulas o tractivas bajo la misma, para posteriormente anularse en el interior del material. Estos procesos no modifican de forma notable la estructura sub-superficial del material. Para el torneado duro, y dependiendo del estado de la herramienta, pueden obtenerse en la superficie libre tensiones tractivas o compresivas, inmediatamente bajo la superficie siempre se obtienen tensiones compresivas importantes hasta una profundidad de 50 a 100 ó 200 micrómetros, donde tienden a anularse. Asimismo, el torneado duro genera cambios estructurales notables en la superficie de la pieza mecanizada, observándose en algunos casos la denominada "capa blanca", de elevada dureza, cuya estructura es nanocristalina. Los procesos de corte por electroerosión generan tensiones residuales tractivas en la superficie y hasta una profundidad entre 50 y 80 micrómetros, en la que tienden a anularse. También dan lugar a rugosidades superficiales muy elevadas y generan cambios notables en la microestructura, incluida la formación de capas blancas, y en las propiedades mecánicas. El proceso combinado torneado duro + rectificado de afino final se presenta como el proceso óptimo de mecanizado (desde el punto de vista de la calidad estructural final y sin tener en cuenta consideraciones económicas). Como el rectificado de afino final induce tensiones compresivas en la superficie y a lo largo de un cierto espesor, que posteriormente tienden a cero en el interior del material, elimina el pico tractivo superficial generado en el torneado previo, altamente perjudicial para la vida en servicio de la pieza pues favorece la formación y propagación de grietas. A la vez, se eliminan las capas cuya estructura había sido fuertemente modificada por el torneado. El resultado es una estructura superficial prácticamente intacta, de baja rugosidad y bajo tensiones compresivas, que es lo ideal para el servicio de la pieza. The purpose of this work has been to determine the optimum machining process of materials for aeronautics and automotive applications from the perspective of the surface integrity of the machined part, which strongly conditions the service life of the part. To characterize the surface integrity of machined parts, the following have been studied (at the surface and the in-depth evolution): the residual stresses, the microstructure, the mechanical properties, the interplanar spacing of the crystal lattice, the width of the diffraction peaks, the volumetric fraction of the phases (retained austenite in the case of steels) and the superficial roughness. Taking into account all these factors, the foreseeable optimum machining process for the service life of the material can be decided. The investigation has been focused more intensely in the detailed determination of the residual stress field generated by a machining process in the superficial layer, for which the necessary experimental techniques for their quantitative measurement by means of X-ray diffraction were tuned. Three machining types (and for each type different processes) have been studied: grinding (production and finishing), hard turning (conventional with different too! wear grades, laser-assisted and with a minimum quantity of lubricant) and electro-discharge machining (roughing and roughing plus