Fundamentos del rectificado de metales:orígenes, acción de corte y perspectivas de la industria

En este artículo discutiremos sobre:- 1. Introducción al rectificado 2. Origen del rectificado 3. Acción de corte en el rectificado 4. Mecánica de la acción de corte en el rectificado 5. Temperatura en el rectificado 6. Características de autoafilado de la muela abrasiva 7. Esfuerzos residuales en el rectificado 8. Causas del desgaste demasiado rápido de la muela 9. Causas del acristalamiento de la muela 10. Condiciones de funcionamiento y otros detalles. 

Contenido:

1. Introducción a la molienda
2. Origen de la molienda
3. Acción de corte en el rectificado
4. Mecánica de la acción cortante en el rectificado
5. Temperatura en la molienda
6. Características de autoafilado de la muela abrasiva
7. Esfuerzos residuales en el rectificado
8. Causas del desgaste demasiado rápido de las ruedas
9. Causas del vidriado de las ruedas
10. Condiciones de funcionamiento
11. Uso de fluidos de corte durante el rectificado
12. Seguridad en el rectificado
13. Fallos de rectificado
14. Efectos térmicos de la molienda
15. Factores que afectan la rugosidad de la superficie en la operación de rectificado
16. Solución de problemas en el rectificado

1. Introducción al rectificado:

El rectificado también se puede considerar como un proceso de mecanizado, es decir, un proceso de eliminación de metal, pero comparativamente en menor volumen. Moler significa "desgastar", desgastar por "fricción" o "afilar". En el rectificado, el material se elimina mediante una muela abrasiva giratoria. La acción de una muela es muy similar a la de una fresa.

La muela está formada por un gran número de herramientas de corte constituidas por partículas abrasivas proyectadas en la muela. Se pueden ver virutas de metal alargadas definidas que varían en tamaño de 0,4 a 0,8 mm examinando el material extraído bajo el microscopio.

Hoy en día, la molienda se utiliza principalmente para los siguientes fines:

(i) Eliminar una cantidad muy pequeña de metal de la pieza de trabajo para que sus dimensiones estén dentro de tolerancias muy estrechas después de que se hayan llevado a cabo todas las operaciones de acabado preliminar y tratamiento térmico. Por lo tanto, es básicamente un proceso de acabado empleado para producir precisiones dimensionales y geométricas cercanas.

(ii) A veces se utiliza para obtener un mejor acabado en la superficie.

(iii) A veces se utiliza para mecanizar superficies duras que de otro modo serían difíciles de mecanizar con herramientas de acero de alta velocidad o cortadores de carburo.

(iv) También se utiliza para afilar las herramientas de corte.

(v) También se utiliza para rectificar roscas para tener tolerancias estrechas y un mejor acabado.

(vi) A veces también se aplica para tasas de eliminación de material más altas (mecanizado abrasivo).

La molienda es uno de los procesos extremadamente importantes en el trabajo de producción. Posee ciertas ventajas sobre otros procesos de corte.

Algunas de las ventajas son:

(i) Es muy adecuado para cortar aceros endurecidos, etc. Las piezas que requieren superficies duras se mecanizan primero para darles forma en estado recocido, y sólo se deja una pequeña cantidad para esmerilar dependiendo del tamaño, la forma y la tendencia del material a deformarse durante la operación de tratamiento térmico.

(ii) El acabado extremadamente liso deseable en las superficies de contacto y de apoyo sólo se puede producir mediante una operación de rectificado debido al gran número de bordes cortantes en la muela abrasiva.

(iii) No hay marcas como resultado de la alimentación, porque la rueda tiene un ancho considerable.

(iv) Se pueden lograr dimensiones muy precisas y un acabado superficial más suave en muy poco tiempo.

(v) Se pueden producir perfiles complejos con precisión con plantillas de ajuste relativamente económicas.

(vi) Se requiere muy poca presión en este proceso, lo que permite su uso en trabajos muy ligeros que de otro modo tenderían a salirse de la herramienta. Esta característica permite el uso de trozos magnéticos para sujetar el trabajo en muchas operaciones de rectificado.

(vii) Los abrasivos tienen una dureza muy alta; Son menos sensibles al calor en comparación con otros materiales y pueden soportar altas temperaturas. Por lo tanto, se pueden trabajar a velocidades de corte más altas. Las muelas abrasivas tienen propiedades de autoafilado debido a que liberan granos apagados y exponen otros nuevos y afilados.

(viii) La molienda es el método conveniente para eliminar material de los materiales después del endurecimiento.

(ix) El rectificado, a diferencia del mecanizado convencional, no necesita cortar la piel dura de las piezas forjadas, etc.

2. Origen de la molienda:

En las primeras etapas, se pensaba que el "cincel" era la herramienta más conveniente para quitar metal. En el cincel solo hay un filo y con él se puede sacar más material pero con muy mal acabado. Para conseguir un mejor acabado en los materiales, el hombre empezó a utilizar una lima. En la lima, hay múltiples filos de corte.

Con él el material eliminado es menor, pero se puede obtener un mejor acabado. Con el avance de la tecnología, el cincel fue reemplazado por una herramienta de corte de un solo punto para controlar la remoción de metal y la operación de remoción de metal se lleva a cabo en varias máquinas herramienta como tornos, perfiladoras, fresadoras, etc.

De manera similar, para controlar la remoción de metal y obtener un mejor acabado mediante herramienta de múltiples filos, se utiliza el rectificado. El proceso de rectificado da como resultado una mejora en la precisión geométrica de un componente (± 0,02 mm) y una mejora del acabado superficial (0,1 µm Ra).

3. Acción de corte en el rectificado:

Se observará en la figura 20.1 que una muela abrasiva consta de partículas abrasivas, material aglutinante y huecos. Las partículas abrasivas que sobresalen actúan como puntas de herramientas de corte y eliminan el metal. Una muela abrasiva seleccionada correctamente exhibe una acción de autoafilado.

A medida que avanza el corte, las partículas abrasivas en el filo se vuelven opacas y eventualmente se agrietan a lo largo de los planos de escisión debido a la resistencia ofrecida por el material de la pieza de trabajo que resiste la acción de corte. De este modo se generan nuevos puntos de corte que realizan una acción de corte adicional.

Este proceso continúa hasta que los granos abrasivos se desgastan hasta el nivel de unión. En este punto, la unión permite que el resto de los granos desgastados se arranquen de la rueda, exponiendo nuevos granos que anteriormente estaban debajo de la superficie de la rueda y los nuevos granos realizan una mayor acción de corte.

Dos problemas que se encuentran a menudo, ya sea por una selección incorrecta de la muela abrasiva o por condiciones de corte inadecuadas, son el vidriado y la carga de la muela. El vidriado de ruedas se refiere a la condición en la que los granos se desgastan hasta el nivel de unión y se mantienen durante demasiado tiempo para un corte eficiente. Esto se debe al uso de una muela dura (muela con una fuerte adherencia y granos demasiado finos).

El problema se puede solucionar cambiando la rueda y, a veces, cambiando las condiciones de corte. La carga de la rueda se produce cuando las virutas de la pieza de trabajo se incrustan en la cara de corte de la rueda, lo que reduce la velocidad de corte porque se reduce la profundidad de penetración. Ocurre debido a huecos demasiado pequeños y se puede curar aumentando la velocidad de la rueda o utilizando una rueda diferente.

Así, la selección de la muela para un corte correcto, continuo y eficiente exige la selección correcta del tipo de abrasivo, el tamaño de los granos, el tipo de agente aglutinante y su resistencia, y el tamaño de los huecos. Además, el comportamiento de la muela se ve afectado por el material de la pieza, la velocidad de corte, la profundidad de corte y el avance.

Aunque el diamante es el material más duro, debido a su alto costo, sus aplicaciones están restringidas. Al2O3, SiC y B4C tienen una dureza elevada en comparación con el acero endurecido y, por tanto, pueden utilizarse para la eliminación de metal mediante deformación plástica. Se puede mencionar que el material de la herramienta de corte tiene que ser más duro para eliminar el material por deformación plástica y también para mantener su forma y reducir el desgaste.

Dado que con estos materiales no es posible fabricar herramientas de corte con la forma habitual, se utilizan en forma de granos, forma en la que se encuentran en forma natural. Los granos de estos materiales (abrasivos) se unen con algún material aglutinante en forma de rueda. Los granos abrasivos en la superficie de la rueda actúan como bordes cortantes. Estos están distribuidos aleatoriamente y orientados aleatoriamente.

4. Mecánica de la Acción Cortante en el Rectificado:

La figura 20.2 (a) muestra la acción cortante de los granos en un proceso de molienda. Para simplificar, se puede suponer que todos los granos son idénticos.

La figura 20.2 (b) muestra una vista elaborada del esquema de formación de virutas durante el rectificado superficial. Se encuentra que la sección transversal de la viruta sin cortar es aproximadamente triangular y tiene un espesor t y un ancho w. Sin embargo, el espesor y el ancho sin cortar varían y sus valores máximos son tmax y wmax. El valor medio puede ser la mitad de estos. La longitud media de la viruta l =D/2 x θ (D =diámetro de la muela y θ es muy pequeño)

Si f es el avance (el valor típico es de 0,2 a 0,6 m/seg) y W =ancho de corte en mm, volumen total de material eliminado por unidad de tiempo =fdW

Volumen medio de un chip =f(1/6) wmax tmax l.

Si N son las rpm de la muela, ρ =densidad de la superficie en granos/mm2, entonces el número de granos activos en el límite de la muela y, por tanto, el número de virutas producidas por unidad de tiempo =πNDW ρ.

A partir de aquí se verá que la rueda parecerá más blanda si N, D o ρ disminuyen, o f o d aumentan, porque el valor de Fav aumentará y provocará un desprendimiento más frecuente de los granos abrasivos. En operación de rectificado de superficies, fuerza radial FR =2F. (Consulte la figura 20.3)

5. Temperatura en Molienda:

Al cortar, la punta de la partícula abrasiva alcanza una temperatura muy alta. Sin embargo, no se produce un calentamiento importante de la rueda porque esta temperatura tan alta tiene una duración muy corta y el gradiente de temperatura en los granos de corte es muy pronunciado.

La temperatura media teórica aproximada de la interfaz chip/herramienta viene dada por:

∴ Para un rectificado fino, la temperatura de la viruta/herramienta se puede reducir disminuyendo tanto la velocidad de la muela como el espesor de la viruta.

Para el rectificado normal, la temperatura se puede reducir disminuyendo la velocidad de la muela pero no disminuyendo el espesor de la viruta. De hecho, se pueden producir daños térmicos en cortes de acabado ligeros.

Al utilizar fluido en el rectificado, no sólo disminuye la temperatura de la pieza de trabajo y el desgaste de la rueda, sino que también la rueda está menos cargada, lo que reduce la frecuencia del rectificado. Sin embargo, el fluido no puede evitar daños en la superficie de la pieza de trabajo debido a una alta temperatura momentánea.

6. Características de autoafilado de la muela abrasiva:

En una muela abrasiva, las herramientas de corte (puntas) tienen formas irregulares y están distribuidas aleatoriamente. Los bordes afilados en la periferia de la rueda participan en el proceso de eliminación de material y gradualmente se vuelven desafilados, es decir, desgastados (sin filo). Debido a las mayores fuerzas sobre ellos durante el mecanizado, se fracturan para presentar un nuevo filo afilado o se alojan y nuevos granos debajo quedan expuestos y participan en la eliminación del material.

Este proceso confiere a las muelas la característica de autoafilado. Se comprenderá que la fuerza de unión (llamada grado) decide la fuerza máxima que puede soportar un grano abrasivo y esta es una característica importante de la muela abrasiva. Una rueda con una unión fuerte se llama dura.

Las virutas pequeñas y calientes producidas en la operación de rectificado tienden a soldarse a la rueda o pieza de trabajo. Además, una gran cantidad de granos pueden tener un ángulo de ataque negativo grande debido a la orientación aleatoria de los granos, y estos, en lugar de cortar, pueden rozar. Estos factores hacen que el proceso de molienda sea ineficiente y consuma mucha energía específica.

7. Tensiones residuales en el rectificado:

La temperatura en la interfaz grano-viruta durante la molienda alcanza valores muy altos (alrededor de 1500°C). Debido a la alta temperatura, los cambios microestructurales pueden tener lugar debido al rápido calentamiento y enfriamiento (debido al fluido de corte). Los efectos térmicos y mecánicos pueden afectar la superficie del suelo hasta una profundidad de aproximadamente 0,2 mm.

Esto daría como resultado el desarrollo de altas tensiones de tracción residuales y, si éstas alcanzan valores elevados, pueden producirse grietas en la superficie. La figura 20.7 muestra cómo la tensión residual puede ocurrir a varias profundidades con diferentes velocidades de la muela en una pieza de trabajo después del rectificado superficial. Se puede suponer que la temperatura de molienda es proporcional a la energía gastada por unidad de superficie molida.

Por lo tanto, la temperatura y los defectos causados por la alta temperatura de molienda se pueden reducir disminuyendo d, D, ρ o N, o aumentando f.

El tiempo durante el cual una arena permanece en contacto con el chip:

que es del orden de 0,0001 seg.

Se encuentra que la temperatura de la interfaz del chip de grano es:

donde V =velocidad superficial de la rueda

R =conductividad térmica del material de trabajo

ρc =calor específico volumétrico del material de trabajo.

8. Causas del desgaste demasiado rápido de las ruedas:

yo. Rueda demasiado blanda

ii. Cara de rueda demasiado estrecha

III. Velocidad de rueda demasiado lenta

IV. Velocidad de trabajo demasiado rápida

v. Apiñamiento de la rueda

vi. Presencia de agujeros o ranuras en la obra.

9. Causas del acristalamiento de las ruedas:

yo. Rueda demasiado dura

ii. Grano demasiado fino

III. Velocidad de rueda demasiado rápida

IV. Velocidad de trabajo demasiado lenta

v. Rueda cargada de virutas

10. Condiciones de funcionamiento:

La selección adecuada de diversas condiciones operativas es muy importante para el éxito de cualquier operación de rectificado.

Las diversas condiciones operativas y su efecto en la operación de rectificado se detallan a continuación:

(i) Velocidad de la rueda:

El aumento de la velocidad de la rueda (con una velocidad de avance constante) da como resultado una reducción del tamaño de la viruta eliminada por un solo grano abrasivo, reduciendo así el desgaste de la rueda. Una velocidad más alta de la muela está limitada por el diseño de la muela, el tipo de aglomerante, la operación de rectificado, la potencia y rigidez de la máquina rectificadora, etc. La velocidad de la muela normalmente varía entre 20 y 40 m/seg dependiendo del tipo de aglomerante y las diferentes operaciones de rectificado.

(ii) Velocidad de trabajo:

El aumento de la velocidad de trabajo aumenta el desgaste de las ruedas, pero disminuye el calor producido. La alta velocidad de trabajo está limitada por el desgaste prematuro de las ruedas y las vibraciones inducidas por el desgaste. La baja velocidad de trabajo produce un sobrecalentamiento local, que deforma/templa la pieza de trabajo endurecida y afecta sus propiedades mecánicas.

Para disminuir el desgaste de las ruedas, se debe reducir la velocidad de trabajo. Si el calor producido es mayor y se produce un atasco, especialmente en ruedas duras, se debe aumentar la velocidad de trabajo. Para la operación de desbaste, la velocidad de trabajo varía de 11 a 50 m/min y para la operación de acabado de 6 a 30 m/min en caso de rectificado cilíndrico. La velocidad de trabajo para el rectificado interno varía entre 15 y 30 m/min y para el rectificado superficial entre 8 y 15 m/min.

(iii) Alimentación:

La tasa de eliminación de material aumenta al aumentar la velocidad de alimentación o descendente, pero el resultado es un mayor desgaste de las ruedas y un acabado deficiente, lo que afecta la precisión dimensional y geométrica.

El aumento del avance transversal o del avance transversal aumenta el desgaste de la rueda y produce una superficie deficiente. Por lo general, su valor se ajusta a 2/3 a 3/4 del ancho de la rueda en el caso de rectificado de acero y a 3/4 a 5/6 del ancho de la rueda en el caso de piezas de trabajo de hierro fundido.

(iv) Área de contacto de molienda:

Cuando el área de contacto es grande (como en el caso del rectificado interno, superficie y con diámetros más grandes de trabajo con rueda de diámetro pequeño), la presión unitaria es baja y para una acción de corte libre y continua se utiliza una rueda de grado suave. Se utiliza un grano más grueso para proporcionar una separación adecuada de virutas entre los granos abrasivos. Se utilizan ruedas de grano más fino y de grado más duro cuando el área de contacto es pequeña.

11. Uso de fluidos de corte durante el rectificado:

Durante la operación de rectificado se genera mucho calor en el contacto de la muela y la pieza de trabajo, la mayor parte del cual se transfiere a la pieza de trabajo. Los líquidos de pulido ayudan a prevenir el calentamiento excesivo de la pieza de trabajo y a lavar la muela.

Los fluidos de molienda que contienen aditivos de azufre o cloro ayudan a reducir la fuerza de corte, mejorar el acabado de la superficie y aumentar la vida útil de la muela. Normalmente se utilizan para este fin emulsiones a base de agua y aceites de molienda en grandes cantidades (15-20 litros/min para una máquina rectificadora normal de tamaño mediano).

El fluido se dirige a la interfaz entre la rueda y la pieza de trabajo para que pueda crear una película de baja resistencia al corte entre la rueda y la pieza de trabajo. El líquido se suministra bajo presión mediante boquillas especiales, de modo que la película de aire que se forma alrededor de la superficie de la rueda debido a la alta velocidad pueda penetrar. Para evitar que la muela se obstruya debido a partículas finas, el líquido abrasivo se filtra finamente.

12. Seguridad en el rectificado:

Cualquier práctica insegura en el rectificado puede ser peligrosa para la operación y merece una cuidadosa atención.

Varios aspectos importantes son:

(i) Montaje de muelas abrasivas:

La rueda debe estar montada correctamente en el eje y protegida por una protección. El orificio de la rueda no debe quedar muy ajustado al manguito.

(ii) Velocidad de la rueda:

La velocidad máxima de la rueda está determinada por la resistencia máxima al estallido de la rueda y depende del abrasivo utilizado, el tamaño del grano, la adherencia, la estructura, el grado, la forma y el tamaño de la rueda. Su valor lo especifican los fabricantes y nunca debe superarse.

(iii) Inspección de ruedas:

Las ruedas antes del montaje deben revisarse para detectar daños durante el transporte, grietas y otros defectos. La prueba de timbre es suficientemente buena para la unión vitrificada. Las ruedas sanas, cuando se golpean ligeramente a 45° de la línea vertical con un martillo de plástico, suenan como un anillo metálico transparente, pero la rueda agrietada no suena.

Las ruedas, cuando no estén en uso, deben almacenarse en un lugar seco y colocarse sobre sus bordes en rejillas.

(iv) Protectores de ruedas:

Estos siempre deben usarse durante el rectificado y ajustarse periódicamente para compensar el desgaste de la rueda.

(v) Recolección de polvo y precauciones sanitarias:

Al lijar en seco, se debe prever la aspiración del polvo del lijado. Las cubiertas protectoras de la máquina nunca deben retirarse mientras la máquina esté en uso. El operador debe usar dispositivos de seguridad para proteger sus ojos y su cuerpo de partículas abrasivas y polvo voladores.

(vi) Operación de la rueda:

Una potencia adecuada es fundamental en las rectificadoras. Si la potencia no es adecuada, las ruedas disminuirán la velocidad y desarrollarán puntos planos, lo que hará que la rueda pierda el equilibrio.

Durante el rectificado en húmedo, la muela no debe sumergirse parcialmente, ya que esto la desequilibraría gravemente.

13. Fallos de rectificado:

Dos fallas comunes debido a una elección incorrecta de la muela o una condición de rectificado incorrecta son:

(i) Carga y

(ii) Acristalamiento.

La carga ocurre cuando los espacios entre los granos abrasivos se obstruyen con partículas del metal que se está moliendo. Como tales, los granos no se proyectan lo suficiente como para promover un corte eficiente. Ocurre debido al rectificado de metales blandos con muelas de estructura abierta. El vidriado se reconoce fácilmente por el aspecto brillante de la cara de la rueda.

Ocurre debido a que los granos abrasivos se vuelven opacos y no se desprenden de la unión. Esto sucede cuando las ruedas son demasiado duras para el material que se está moliendo. El acristalamiento se puede reducir aumentando la velocidad de la rueda o de trabajo.

También se podrían incorporar el acabado de la superficie y los requisitos de potencia específicos para evaluar el rendimiento general de la muela abrasiva. En ese caso, la relación de rectificado es igual a la relación entre la cantidad de material triturado por la cantidad de desgaste de la rueda y el producto del poder de rectificado específico y el acabado superficial de la pieza de prueba.

14. Efectos térmicos del rectificado:

Durante el proceso de rectificado se genera mucho calor entre la herramienta de corte y la pieza de trabajo. La mayor parte del calor se disipa en la pieza de trabajo y el resto lo retiene la muela.

Dos efectos térmicos del rectificado son:

1. Efecto sobre la muela abrasiva:

Debido a la generación de calor se desarrollan grietas que se denominan grietas por trituración. Las grietas son perpendiculares a las marcas de pulido.

2. Efecto sobre la pieza de trabajo:

(a) Decoloración:

La oxidación de las superficies tiene lugar a 200°C produciendo óxido metálico. Estos óxidos tienen colores diferentes a diferencia del metal original. En otras palabras, podemos decir que esto provoca la decoloración de la pieza de trabajo. La generación de calor se debe a los granos opacos que provocarán quema de la superficie.

(b) Daños mecánicos:

Debido a la agudeza de los granos, se forman rayones en la superficie metálica.

(c) Daños metalúrgicos:

Debido a la generación de calor se forman grietas frágiles en la superficie.

(d) Daño químico:

Debido a la generación de calor se forman óxidos químicos.

15. Factores que afectan la rugosidad de la superficie en la operación de rectificado:

La rugosidad de la superficie en el rectificado depende de la muela (diámetro, abrasivo, dureza, acabado, desgaste) y de las condiciones de rectificado (velocidad de la muela, velocidad de la pieza, avance longitudinal, diámetro de la pieza). Higos. 20.14 muestra la variación de la rugosidad de la superficie en el rectificado con cambios en varios parámetros.

16. Solución de problemas en el rectificado:

A continuación se detallan varios fallos que se pueden encontrar durante el rectificado y varias soluciones para superarlos:

(i) Desgaste rápido de las ruedas:

Esto puede ser solucionado por:

(a) Usando una rueda más dura,

(b) Aumento de la velocidad de la rueda,

(c) Reducir la velocidad de recorrido y de trabajo, y disminuir ligeramente la profundidad de corte.

(ii) Acristalamiento de ruedas:

Esto ocurre debido a un rectificado incorrecto, una selección incorrecta de las ruedas y el uso de desplazamiento lento y alta velocidad de trabajo. Se puede solucionar manteniendo la rueda afilada, utilizando una rueda más blanda o de grano más grueso, reduciendo la velocidad de la rueda y el desplazamiento rápido, utilizando una mayor profundidad de alimentación y aumentando la profundidad de corte.

(iii) Marcas de chatter:

Estos pueden ser atendidos por:

(a) Equilibrar adecuadamente la rueda,

(b) Utilizando la herramienta de vendaje adecuada,

(c) Utilizando un grado más suave o un grano más grueso,

(d) Reducir las vibraciones de la máquina comprobando los cojinetes y las bases, y ajustando los cojinetes del husillo,

(e) Polea de ajuste,

f) Utilizar soportes o abrazaderas adecuados para trabajos de gran tamaño.

(iv) Acabado grueso:

Esto podría deberse al uso de una rueda demasiado gruesa o demasiado blanda.

(v) Carga de ruedas:

Esto se puede solucionar utilizando una rueda de estructura más blanda o porosa; usando una rectificadora más afilada, usando una gran cantidad de refrigerante limpio. Podrían aparecer marcas irregulares de diferentes longitudes y anchos debido al refrigerante sucio. Se producen marcas irregulares profundas debido a pestañas de rueda sueltas.

(vi) Sobrecalentamiento de la pieza de trabajo:

Esto ocurre debido a una selección incorrecta de la rueda. Para superarlo, se debe utilizar una rueda más blanda y suficiente refrigerante.