Iso 1302

ESTUDIO DE LOS PARÁMETROS DE ACABADO SUPERFICIAL EN EL MECANIZADO DE LA ALEACIÓN DE Al-Cu AA2024. APLICACIÓN DE UNE-EN ISO 4288 Y UNE-EN ISO 1302 Sebastián Pérez, Miguel Ángel (2); Marcos Bárcena, Mariano (1); Rubio Alvir, Eva María (2); Sánchez Sola, José Miguel (1) (1)

Universidad de Cádiz, España Escuela Superior de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica y Diseño Industrial Correo electrónico: [email protected] electrónico: [email protected] (2)

Universidad Nacional de Educación a Distancia, España Escuela Superior de Ingenieros Industriales Departamento de Ingeniería de Construcción y Fabricación

RESUMEN En la actualidad, estas aleaciones de aluminio son empleadas en la fabricación de componentes estructurales de aeronaves y vehículos aeroespaciales. A estos componentes y a su superficie se les exigen un alto grado de acabado. En este trabajo, se presenta el estudio de las desviaciones microgeométricas (acabado superficial) del torneado en seco de barras cilíndricas, sometidas a valores moderados de velocidad de corte y avance. La determinación de las irregularidades del acabado superficial, de las muestras mecanizadas se realiza, en base a los parámetros Ra (desviación media aritmética) y Rz (máxima altura del perfil). Los resultados obtenidos de estos parámetros, han permitido establecer una relación potencial con los parámetros de corte. Estas relaciones, permiten predecir el comportamiento de Ra y Rz en el rango de velocidad y avance considerado. Por último, se procede a la representación simbólica de la calidad superficial obtenida, centrada en los requisitos individuales y complementarios definidos por las especificaciones unilaterales y bilaterales de los estados superficiales.

Palabras clave: Torneado, Superficie Coons, Curvas de Bézier, Calidad superficial, Ra, Rz ABSTRACT At the present time, those aluminium alloys have been used in the production of structural components of airships and aerospace vehicles. Generally, those components and their surfaces finishing have to present high quality requirements. In this work, the study of the deviations microgeometric is presented (finishing surface) of bars cylindrical obtained by turned dry under condition of imposed cutting (cutting speed and feed). The determination of the irregularities of  the superficial finish of the machined parts is carried out based on the parameters Ra (arithmetic average deviation) and Rz (maximum height of the profile). The obtained results of these parameters, allows us to establish a potential relationship with the cutting parameters. The obtained relationships allow us to predict the behaviour of Ra and Rz in the range of cutting and feed considered. Lastly, the symbolic representation of the obtained superficial quality is approached, bases in the individual and complementary requirements defined by the unilateral and bilateral specifications of the superficial states.

Keywords: Turning, Surface Coons, Curves Bézier, Surface quality, Ra, Rz. Grupo temático: Tolerancias y control de calidad geométrica en el producto industrial.

1. Introducción Las aleaciones ligeras, especialmente las de aluminio y titanio, se emplean estratégicamente para la fabricación de componentes estructurales de aeronaves debido a su baja densidad, y en general, a sus buenas propiedades mecánicas [1]. Para ello, dichas aleaciones se someten a diversas operaciones de conformado, con exigentes requisitos de calidad [2-4]. De entre las operaciones de conformado, se encuentra el mecanizado con arranque de material. En los últimos tiempos, debido a las exigencias en materia medioambiental, estos procesos se tratan de llevar a cabo en ausencia de fluidos de corte [5]. Sin embargo, la supresión total de estos fluidos originan condiciones muy agresivas de los procesos [6-8]. Esta nueva situación hace necesaria buscar combinaciones de parámetros de corte y tipos de herramientas que optimicen el mecanizado en condiciones extremas, con el propósito de obtener un nivel de calidad del producto en concordancia con las especificaciones demandadas y con el menor coste posible. De entre los requisitos de calidad de las piezas mecanizadas, uno de los más considerados, es el relacionado con sus aspectos microgeométricos, es decir, el grado de acabado superficial obtenido. En la fase experimental de este trabajo, se realiza el torneado en seco de barras cilíndricas de la aleación AA2024, en un rango de velocidad y avance. Una vez concluidos los ensayos, se procede a la evaluación del estado superficial obtenido. La evaluación del grado de acabado se ha realizado a partir de los parámetros más extendidos [9-10], es decir, la desviación media aritmética (Ra) y la máxima altura del perfil (Rz). La cuantificación de los parámetros del perfil R, se realiza con el rugosímetro Perthometer PeCo T, en el que se fija el palpador de contacto mecánico MFW 250 de 2 µm de radio y 90º de ángulo de punta. Los valores obtenidos de estos parámetros han permitido establecer una expresión potencial que relacione Ra y Rz con los parámetros tecnológicos. El modelo propuesto, permite predecir el comportamiento de Ra y Rz para todos los valores de velocidad y avance incluido en el rango considerado. Una vez realizada la cuantificación de estos parámetros, se procede a la representación simbólica de la calidad superficial obtenida, atendiendo a las UNE-EN ISO 4288:1998 y UNEEN ISO 1302:2002, centrándonos en los requisitos individuales y complementarios definidos por las especificaciones unilaterales y bilaterales de los estados superficiales. Para la determinación de estas especificaciones, el estudio se ha centrado, en la regla del 16 % [11].

2. Experimental 2.1 Material empleado y preparación de las muestras En este trabajo, las piezas empleadas para la realización de los ensayos de torneado eran barras cilíndricas de 80 mm de diámetro y 150 mm de longitud, de aleación de aluminio-cobre con designación AA2024 [12], en estado de temple T351. Antes de la realización de los ensayos, se procedió a efectuar un desbastado con una profundidad de corte de 1 mm y avance de 0.1 mm/rev [13,14], con objeto de que, por una

parte, se elimine la capa mixta de oxido natural e impurezas desarrollada durante la manipulación y almacenamiento y, por otra, que todas las muestras presentasen el mismo estado superficial inicial.

2.2 Realización de los ensayos Las piezas preparadas según se ha indicado, se sometieron a ensayos de torneado horizontal en seco, haciendo uso de un centro de torneado de EMCO modelo EMCOTurn 242 TC, figura 1. En esta figura, se aprecia el control numérico Emcotronic TM02 de 2 ½ ejes. El citado control, permitió fijar los parámetros de avance, profundidad de pasada y controlar la velocidad de corte durante el proceso de mecanizado. En ese sentido, no se ha trabajado en la configuración de una secuencia de ensayos automatizada. Esto significa que, a pesar de las posibilidades de la infraestructura experimental empleada, cada ensayo ha sido llevado a cabo, de una forma individualizada.

Figura 1. Centro de torneado equipado con control numérico

Los ensayos se realizaron sin lubricante ni refrigerante en base a la reciente normativa ISO 14000. Con la aparición de esta normativa muchas compañías se han visto obligadas a rediseñar sus sistemas de fabricación con procesos más amigables con el medio ambiente [15-16]. Asimismo, en la realización de estos ensayos se fija una profundidad de pasada, d, de 2 mm. En la tabla I, se incluyen los valores de la velocidad de corte y avance impuestos. Los ensayos se realizan teniendo en cuenta todas las combinaciones posible de los valores incluidos en esta tabla. Tabla I. Valores de la velocidad de corte y avance aplicados.

v (m/min) a (mm/rev)

2.3 Herramientas empleadas

43 0.05

64 0.1

85 0.2

127 0.3

170

Los ciclos de cilindrado se han llevado a cabo haciendo uso de plaquitas de nitruro de titanio de SECO, con referencia ISO KCMW 11T308FN M. En la figura 2, se muestran sus principales parámetros geométricos. Como se puede observar, es una herramienta neutra con ángulo de punta de 55º. Para la realización de cada uno de los ensayos se emplea una nueva herramienta, con la intención de garantizar las mismas condiciones iniciales.

a = 18.77 mm

d = 9.53 mm

h = 4.40 mm

l = 11.60 mm

r = 0.80 mm

s = 3.97 mm

Figura 2. Parámetros geométricos de la herramienta

2.4 Equipo empleado en las mediciones de los parámetros de rugosidad En la figura 3, se muestra el rugosímetro PeCo T empleado en la evaluación de los parámetros de rugosidad. En esta figura, se aprecian algunos de los elementos básicos que constituyen el equipo de medida: (a). Palpador de contacto mecánico MFW 250 con 2 µm de radio y 90º de ángulo de punta. (b). Unidad de avance Marsuf PGK 120, que proporciona el desplazamiento del palpador. (c). Mesa motorizada Marsurf PKT, que facilita el montaje, alineación y desplazamientos de las superficies. El software empleado permite la evaluación de los parámetros asociados a los perfiles D, P, R y W. Asimismo, facilita la adquisición de perfiles individuales, múltiples y topográficos de las superficies. Antes de la realización de las mediciones se procede a la calibración del rugosímetro, para lo cual se emplean diversos patrones con trazabilidad nacional e internacional, figuras 4 y 5. Para la evaluación de la rugosidad superficial se efectuaron medidas en tramos como los que se indican en la figura 6. Las disposiciones de los tramos obedecen intencionadamente a la apreciación de la posible influencia del desgaste de la herramienta sobre el acabado superficial de las muestras mecanizadas. Cada medida se llevó a cabo sobre cuatro generatrices equiespaciadas. A partir de las medidas realizadas en cada tramo de cada generatriz, se ha evaluado la rugosidad superficial a través de los parámetros Ra y Rz. Las mediciones realizadas permiten una doble interpretación: Por un lado, la asignación a cada muestra de un valor medio de las veinte mediciones realizadas. Y por otro, la anotación simbólica del estado superficial obtenido. Llegado a este punto, es conviene remarcar, que las mediciones se realizaron al menos tres veces en cada tramo con la intención de garantizar su repetibilidad.

Figura 3. Rugosímetro empleado para la cuantificación de Ra y Rz de las muestras mecanizadas.

Figura 4. Patrón de rugosidad con trazabilidad internacional

Figura 5. Patrón de amplificacion con trazabilidad nacional

En la realización de este trabajo, se ha evaluado la incertidumbre típica expandida del sistema de medición adoptado, resultando un valor de 0.2 y 1.2 micrómetros para Ra y Rz respectivamente. En consecuencia, se puede decir que existe una probabilidad del 95 % de que el valor verdadero del parámetro estudiado se encuentre en el intervalo definido por la media de las medidas y su incertidumbre asociado ( Ra media ± U [k=2]) y ( Rz media ± U [k=2]) [17-19].

3. Resultados y Discusión En la figura 7(A), se representa la evolución de los valores de Ra en función de la velocidad de corte para cada avance empleado. De igual forma, en la figura 7(B) se muestra la evolución de Ra en función del avance para cada velocidad de corte aplicada. En esta figura puede apreciarse como, Ra es una función creciente del avance, tal y como era de esperar para el valor

de la profundidad de corte empleada [20]. De acuerdo con esto, serán los valores más bajos del avance los que permitan una menor desviación media aritmética.

Figura 6. Tramos considerados en las generatrices equiespaciadas para las mediciones de Ra y Rz.

En estas figuras, se pueden apreciar diferentes tendencias en la evolución de Ra con la velocidad de corte. En efecto, como ya se ha dicho, para los avances más bajos se puede apreciar una cierta tendencia a la estabilidad con un leve decrecimiento en los primeros cambios de v para avances de 0.1mm/rev. Esta tendencia se invierte para los avances mayores (0.3 mm/rev). Esto parece indicar que, al menos para estos valores, es el avance el parámetro controlante de Ra. Sin embargo, puede apreciarse cómo para un avance de 0.2 mm/rev, el valor

Figura 7. (A) Evolución de Ra-v para los diversos avances. (B) Evolución de Ra-a para las diversas velocidades.

de esta desviación se ve afectado notablemente con el aumento de la velocidad de corte, experimentando un considerable descenso cuando la misma aumenta. Esto puede explicarse en

términos de que en estas condiciones se tiene un valor crítico en el que la velocidad de corte tiene un mayor control sobre Ra. Es conviene comentar, que la evolución de Rz con v y Rz con a, presentan una evolución similar a la reflejada en las figuras 7(A) y 7(B). Atendiendo a la evolución de los parámetros de rugosidad con los parámetros tecnológicos, es posible plantear la existencia de una relación entre éstos. Estas relaciones potenciales se pueden modelar: Ra = Ka · vMa Rz = Kz · vMz

Ra = Ka´ · aMa´ Rz = Kz´ · aMz´

(1) (2)

De acuerdo con lo observado en las figuras 7(A) y 7(B), para las condiciones fijadas en este trabajo, los coeficientes Ka y Kz y los exponentes Ma y Mz dependen de los avances aplicados. De igual forma, los coeficientes Ka´, Kz´ y los exponentes Ma´, Mz´ dependen de las velocidades de corte impuestas en cada proceso. Sin embargo, estos modelos marginales se encuentran limitados por el hecho de fijar un valor para v ó a. La dependencia de las constantes y exponentes de la variable fijada sugiere la adopción de un modelo único, tanto para Ra como para Rz, en el que se contemple la influencia de ambos parámetros y las constantes que aparezcan dependan del resto de parámetros fijados. De acuerdo con lo expuesto en [20], se puede proponer un modelo potencial del tipo Taylor, para el comportamiento de los parámetros de rugosidad con la velocidad de corte y el avance. De esa forma, puede expresarse Ra y Rz de la forma: Ra = K · vX · aY Rz = K’ · vX’ · aY’

(5) (6)

Que mediante regresión múltiple permitan determinar K, K’, x, x’, y, e y’ de la expresión (5) y (6). Al efectuar dicha regresión se han obtenido los siguientes valores: K = 21.38 x = - 0.16 y = 1.01

K’ = 131.83 x’ = -0.24 y’ = 0.88

De acuerdo con lo anterior, el modelo propuesto adopta la forma: Ra = 21.38 · v-0.16 · a1.01 (7) (8) Rz = 131.83 · v-0.24 · a0.88 La buena aproximación realizada se ve reflejada por los valores del coeficiente de determinación, las desviaciones estándar de los residuales y el error absoluto de la media. Las ecuaciones (7) y (8) se pueden representar gráficamente mediante una superficie Coons interpolando las familias de curvas de Bézier obtenidas a partir de los puntos (v, Ra), (v, Rz) para cada avance considerado y (a, Ra), (a, Rz) para cada velocidad de corte aplicada. Las figuras 8(A) y 8(B), muestran las superficies obtenidas. Estas superficies permiten relacionar los parámetros de rugosidad estudiados, con v y a. Asimismo, predicen el comportamiento de Ra y Rz en función del avance, para una velocidad de corte determinada, mediante planos paralelos al definido por Ra ó Rz y a (Plano A-B-C). De igual forma, trazando planos paralelos al definido por Ra ó Rz y v (Plano D-E-F-G), es posible predecir la evolución de Ra y Rz con la velocidad de corte para un avance determinado.

Figura 8. Superficie Coons de la evolución: (A) de Ra con v y a, y (B): de Rz con v y a.

En estas figuras, es conveniente remarcar, que la intersección de los planos trazados determinan una recta, la cual intersecta a la superficie, en un punto. El citado punto, determinada el valor de Ra o Rz, que imponen los parámetros de corte implicados. En resumen, es posible construir un modelo del parámetro Ra y Rz en función del avance y velocidad de corte. Estos modelos permiten predecir el comportamiento del sistema en condiciones distintas de las estudiadas experimentalmente.

4. Aplicación de UNE-EN ISO 4288 y UNE-EN ISO 1302 En la tabla II, se muestran las mediciones realizadas del parámetro Ra en el mecanizado en seco de esta aleación, cuando se aplica 127 m/min, 0.05 mm/rev y 2 mm. Tabla II. Valores de Ra obtenido en el torneado de la aleación de Al-Cu.

Tramos 01-00 (µm) 03-02 (µm) 06-05 (µm) 08-07 (µm) 10-09 (µm)

G-0 0.63 0.42 0.48 0.41 0.43

G-90 0.60 0.62 0.49 0.41 0.41

G-180 0.61 0.52 0.51 0.47 0.44

G-270 0.61 0.52 0.50 0.42 0.41

La aplicación de la regla del 16 % para los valores obtenidos [21], permite establecer como especificaciones bilaterales en este caso, son: Limite superior de especificación: Ra = 0.60 µm Limite inferior de especificación: Ra = 0.41 µm De acuerdo con esto, las mediciones del parámetro Rz, son: Limite superior de especificación: Rz = 4.06 µm Limite inferior de especificación: Rz = 2.76 µm En consecuencia, para el caso estudiado atendiendo a [11], su anotación simbólica, es:

En la anotación simbólica que se representa, se asume por defecto la banda de transmisión y la longitud de evaluación. En la realización de este trabajo, se han obtenido los límites superior e inferior de Ra y Rz del torneado en seco de esta aleación, para todas las combinaciones de velocidad de corte y avance que se recogen en la tabla I.

5. Conclusiones En el diseño de elementos que requieren para su conformado de procesos de mecanizado con arranque de material, es imprescindible tener en cuenta las desviaciones originadas por estos. Asimismo, es fundamental considerar el rango de valores que permite una correcta funcionalidad del elemento. Entre las desviaciones de mayor relevancia, se encuentran las geométricas y dimensionales. En este trabajo, se ha estudiado la influencia de los procesos de mecanizado con los aspectos microgeométricos de piezas torneadas en seco de la aleación de aluminio-cobre AA2024, con profundidad de corte constante. Este estudio ha revelado, que al disminuir la velocidad y aumentar el avance, se tiene una perdida de precisión del grado de acabado. Los datos obtenidos permiten establecen modelos paramétricos y superficies Coons que predicen los valores de estas desviaciones, para el rango de velocidad de corte y avance considerado. Finalmente, la metodología empleada en este trabajo, permite la anotación simbólica de los estados superficiales atendiendo a las normativas actuales.

Agradecimientos Este trabajo ha recibido financiación de la Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología (CICYT) proyecto DPI2001-3747, de AIRBUS España, de la Junta de Andalucía (ATT-2003) y de Fondos Europeos de Desarrollo Regional (FEDER).

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