Fundamentos del Rectificado Metálico: 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 Rectificado 4. Mecánica de la Acción de Corte en Rectificado 5. Temperatura en Rectificado 6. Características de Autoafilado de la Muela de Rectificar 7. Tensiones Residuales en Rectificado 8. Causas de Desgaste Excesivo de la Muela 9. Causas del Vitrificado de la Muela 10. Condiciones de Operación y Otros Detalles.

Contenido:

1. Introducción al Rectificado
2. Origen del Rectificado
3. Acción de Corte en Rectificado
4. Mecánica de la Acción de Corte en Rectificado
5. Temperatura en Rectificado
6. Características de Autoafilado de la Muela de Rectificar
7. Tensiones Residuales en Rectificado
8. Causas de Desgaste Excesivo de la Muela
9. Causas del Vitrificado de la Muela
10. Condiciones de Operación
11. Uso de Fluidos de Corte durante el Rectificado
12. Seguridad en Rectificado
13. Fallos en Rectificado
14. Efectos Térmicos del Rectificado
15. Factores que Afectan la Rugosidad Superficial en Operación de Rectificado
16. Solución de Problemas en Rectificado

1. Introducción al Rectificado:

El rectificado también puede considerarse como un proceso de mecanizado, es decir, proceso de remoción de metal, pero en volumen comparativamente menor. Rectificar significa 'abrasar', desgastar por 'fricción' o 'afilar'. En el rectificado, el material se remueve por medio de una muela abrasiva rotativa. La acción de la muela de rectificar es muy similar a la de una fresa.

La muela está compuesta por un gran número de herramientas de corte constituidas por partículas abrasivas proyectadas en la muela de rectificar. Virutas de metal alargadas definidas que varían en tamaño de 0.4 a 0.8 mm pueden verse examinando el material removido bajo el microscopio.

Hoy en día, el rectificado se usa principalmente para los siguientes propósitos:

(i) Remover una cantidad muy pequeña de metal de la pieza de trabajo para llevar sus dimensiones dentro de tolerancias muy cerradas después de que todas las operaciones de acabado en bruto y tratamiento térmico se hayan llevado a cabo. Es así básicamente un proceso de acabado empleado para producir precisiones dimensionales y geométricas cercanas.

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

(iii) A veces se usa para mecanizar esas superficies duras que de otra manera son difíciles de mecanizar con herramientas de acero de alta velocidad o cortadores de carburo.

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

(v) También se usa para rectificar roscas para tener tolerancias cerradas y mejor acabado.

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

El rectificado es uno de los procesos extremadamente importantes en 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 a forma en condición recocida, dejando solo una pequeña cantidad para rectificar dependiendo del tamaño, forma y tendencia del material a deformarse durante la operación de tratamiento térmico.

(ii) Acabado extremadamente suave deseable en superficies de contacto y cojinetes puede producirse solo por operación de rectificado debido al gran número de bordes de corte en la muela de rectificar.

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

(iv) Dimensiones muy precisas y acabado superficial más suave pueden lograrse en muy poco tiempo.

(v) Perfiles complejos pueden producirse con precisión con plantillas de rectificado relativamente económicas.

(vi) Se requiere muy poca presión en este proceso, permitiendo su uso en trabajos muy ligeros que de otra manera tenderían a separarse de la herramienta. Esta característica permite el uso de mandril magnético para sujetar el trabajo en muchas operaciones de rectificado.

(vii) Los abrasivos tienen dureza muy alta; son menos sensibles al calor comparados con otros materiales y pueden sostener altas temperaturas. Así estos pueden trabajarse a velocidades de corte más altas. Las muelas de rectificar tienen propiedades de autoafilado debido a la liberación de granos desafilados y exposición de nuevos afilados.

(viii) El rectificado es el método conveniente de remover material de materiales después del endurecimiento.

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

2. Origen del Rectificado:

En las etapas tempranas, el 'cincel' se pensaba como la herramienta más conveniente para remover metal. En el cincel hay solo un borde de corte y más material puede removerse por él pero con acabado muy pobre. Para obtener mejor acabado en los materiales, el hombre empezó a usar lima. En la lima, hay múltiples bordes de corte.

Con ella el material removido es menos, pero mejor acabado puede obtenerse. Con el avance de la tecnología, el cincel fue reemplazado por una herramienta de corte de punto único para tener remoción controlada de metal y la operación de remoción de metal se lleva a cabo en varias máquinas herramienta como tornos, cepilladoras, máquinas de fresar, etc.

De manera similar, para controlar la remoción de metal y obtener mejor acabado con herramienta de múltiples bordes de corte, se usa el rectificado. El proceso de rectificado resulta en 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 Rectificado:

Se observará que una muela de rectificar consiste en partículas abrasivas, material aglutinante y vacíos. Las partículas abrasivas proyectadas actúan como puntas de herramienta de corte y remueven metal. Una muela de rectificar correctamente seleccionada exhibe acción de autoafilado.

A medida que el corte procede, las partículas abrasivas en el borde de corte se desafilan, y eventualmente estas se agrietan a lo largo de los planos de fractura debido a la resistencia ofrecida por el material de la pieza de trabajo que resiste la acción de corte. Así se producen nuevos puntos de corte que llevan a cabo más acción de corte.

Este proceso continúa hasta que los granos abrasivos se desgastan hasta el nivel del aglutinante. En este punto, el aglutinante permite que el resto de los granos desgastados sean arrancados de la muela, exponiendo nuevos granos que estaban previamente debajo de la superficie de la muela y los nuevos granos hacen más acción de corte.

Dos problemas a menudo encontrados ya sea por selección incorrecta de muela de rectificar o por condiciones de corte inadecuadas son vitrificado de la muela y carga de la muela. El vitrificado de la muela se refiere a la condición cuando los granos se desgastan hasta el nivel del aglutinante y se mantienen por demasiado tiempo para corte eficiente. Esto resulta debido al uso de una muela dura (muela con fuerte resistencia del aglutinante y granos demasiado finos).

El problema puede remediarse cambiando la muela y a veces cambiando las condiciones de corte. La carga de la muela ocurre cuando virutas de la pieza de trabajo se incrustan en la cara de corte de la muela, reduciendo así la tasa de corte porque la profundidad de penetración se reduce. Ocurre debido a vacíos demasiado pequeños y puede curarse aumentando la velocidad de la muela o usando diferente muela incluso.

Así, la selección de la muela de rectificar para corte correcto, continuo y eficiente demanda la correcta selección del tipo de abrasivo, el tamaño de los granos, el tipo de agente aglutinante y su resistencia, y el tamaño de los vacíos. Además, el comportamiento de la muela de rectificar es afectado por el material de la pieza de trabajo, velocidad de corte, profundidad de corte y la tasa de avance.

Aunque el diamante es el material más duro, pero debido a su alto costo, sus aplicaciones son restringidas. Al2O3, SiC y B4C tienen alta dureza en comparación con acero endurecido y así pueden usarse para remoción de metal por deformación plástica. Puede mencionarse que el material de herramienta de corte tiene que ser más duro para remoción de metal por deformación plástica y también para mantener su forma y para menos desgaste.

Dado que no es posible hacer la forma usual de herramienta de corte con estos materiales, se usa de ellos en forma de granos, la forma en que están disponibles en forma natural. Los granos de estos materiales (abrasivos) se aglutinan con algún material aglutinante en forma de rueda. Los granos abrasivos en la superficie de la rueda actúan como bordes de corte. Estos están distribuidos aleatoriamente y orientados aleatoriamente.

4. Mecánica de la Acción de Corte en Rectificado:

La Fig. 20.2 (a) muestra la acción de corte de granos en un proceso de rectificado. Para simplificación, todos los granos pueden asumirse idénticos.

La Fig. 20.2 (b) muestra la vista elaborada del esquema de formación de viruta durante rectificado superficial. La sección transversal de viruta sin cortar se encuentra aproximadamente triangular teniendo espesor t y ancho w. Sin embargo, el espesor y ancho sin cortar varían y sean sus valores máximos tmax y wmax. El valor promedio puede ser la mitad de estos. La longitud promedio de viruta l = D/2 x θ (D = diámetro de la muela de rectificar y θ es muy pequeño)

Si f es el avance (valor típico es 0.2 a 0.6 m/seg) y W = ancho de corte en mm, volumen total de material removido por unidad de tiempo = fdW

Volumen promedio de una viruta = f(1/6) wmax tmax l.

Si N es el rpm de la muela de rectificar, ρ = densidad superficial en granos/mm2, entonces número de granos activos en el borde de la muela y así número de virutas producidas por unidad de tiempo = πNDW ρ.

Se verá desde aquí que la muela parecerá más blanda, si N, D, o ρ disminuyen, o f o d aumentan, porque el valor de Fav aumentará y causará una desalojamiento más frecuente de los granos abrasivos. En operación de rectificado superficial, fuerza radial FR = 2F. (Ver Fig. 20.3)

5. Temperatura en Rectificado:

Una temperatura muy alta es alcanzada por la punta de la partícula abrasiva al cortar. Sin embargo, no ocurre calentamiento serio de la muela porque tal alta temperatura es solo por una duración muy corta y el gradiente de temperatura en los granos de corte es muy pronunciado.

La temperatura media teórica aproximada en la interfaz viruta/herramienta es dada por:

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

Para rectificado normal, la temperatura puede reducirse bajando la velocidad de la muela pero no disminuyendo el espesor de la viruta. De hecho, el daño térmico puede resultar para cortes de acabado ligeros.

Al usar fluido en rectificado, no solo disminuye la temperatura de la pieza de trabajo y el desgaste de la muela, sino que la muela se carga menos lo que reduce la frecuencia de rectificado de la muela. Sin embargo, el fluido no puede prevenir daño superficial a la pieza de trabajo debido a alta temperatura momentánea.

6. Características de Autoafilado de la Muela de Rectificar:

En una muela de rectificar, las herramientas de corte (puntas) tienen forma irregular y están distribuidas aleatoriamente. Los bordes afilados en la periferia de la muela toman parte en el proceso de remoción de material y gradualmente se vuelven desafilados i.e., desgastados (dull). Debido a mayores fuerzas sobre ellos durante el mecanizado, o bien fracturan para presentar nuevo borde de corte afilado, o se alojan fuera y nuevos granos debajo de él se exponen y toman parte en la remoción de material.

Este proceso imparte a las muelas de rectificar la característica de autoafilado. Se daría cuenta que la resistencia del aglutinante (llamado su grado) decide la fuerza máxima que un grano abrasivo puede soportar y esta es una característica importante de la muela de rectificar. Una muela con aglutinante fuerte se llama dura.

Los pequeños y calientes chips producidos en operación de rectificado tienen tendencia a soldarse a la muela o pieza de trabajo. Además, un gran número de granos puede tener un gran ángulo de ataque negativo debido a orientación aleatoria del grano, y estos en lugar de cortar, pueden frotar. Estos factores hacen que el proceso de rectificado sea ineficiente y consuma alta energía específica.

7. Tensiones Residuales en Rectificado:

La temperatura en la interfaz grano-viruta durante el rectificado alcanza valores muy altos (alrededor de 1500°C). Debido a la alta temperatura, los cambios microestructurales pueden tener lugar debido a calentamiento rápido y temple (debido a fluido de corte). Los efectos térmicos y mecánicos pueden afectar la superficie rectificada a una profundidad de aproximadamente 0.2 mm.

Esto resultaría en desarrollo de altas tensiones residuales de tracción y si estas alcanzan valores altos, pueden ocurrir grietas superficiales. La Fig. 20.7 muestra cómo la tensión residual puede ocurrir a varias profundidades con diferentes velocidades de la muela en una pieza de trabajo después de rectificado superficial. La temperatura de rectificado puede asumirse proporcional a la energía gastada por unidad de área superficial rectificada,

Así, la temperatura y los defectos causados por alta temperatura de rectificado pueden reducirse disminuyendo d, D, ρ o N, o aumentando f.

El tiempo durante el cual un grano permanece en contacto con la viruta:

que es del orden de 0.0001 seg.

La temperatura de interfaz grano-viruta se encuentra que es:

donde V = velocidad superficial de la muela

R = conductividad térmica del material de trabajo

ρc = calor específico volumétrico del material de trabajo.

8. Causas de Desgaste Excesivo de la Muela:

i. Muela demasiado blanda

ii. Cara de muela demasiado estrecha

iii. Velocidad de muela demasiado lenta

iv. Velocidad de trabajo demasiado rápida

v. Aglomeración de muela

vi. Presencia de agujeros o ranuras en la pieza.

9. Causas del Vitrificado de la Muela:

i. Muela demasiado dura

ii. Grano demasiado fino

iii. Velocidad de muela demasiado rápida

iv. Velocidad de trabajo demasiado lenta

v. Muela cargada con virutas

10. Condiciones de Operación:

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

Las varias condiciones de operación y su efecto en la operación de rectificado se dan a continuación:

(i) Velocidad de la Muela:

El aumento en la velocidad de la muela (con tasa de avance constante) resulta en reducción del tamaño de viruta removida por un solo grano abrasivo, reduciendo así el desgaste de la muela. La velocidad de muela más alta está limitada por el diseño de la muela, tipo de aglutinante, operación de rectificado, potencia y rigidez de la máquina de rectificar, etc. La velocidad de muela normalmente varía entre 20 a 40 m/seg dependiendo del tipo de aglutinante y diferentes operaciones de rectificado.

(ii) Velocidad de Trabajo:

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

Para disminuir el desgaste de la muela, la velocidad de trabajo debería reducirse. Si el calor producido es más, la obstrucción ocurre, particularmente con muelas duras, la velocidad de trabajo debería aumentarse. Para operación de desbaste, la velocidad de trabajo varía de 11 a 50 m/min y para operación de acabado de 6 a 30 m/min en caso de rectificado cilíndrico. Velocidad de trabajo para rectificado interno varía entre 15 a 30 m/min y para rectificado superficial entre 8 a 15 m/min.

(iii) Avance:

La tasa de remoción de material aumenta al aumentar el avance de profundidad o avance radial, pero resulta en mayor desgaste de la muela y pobre acabado, afectando así la precisión dimensional y geométrica.

El aumento de avance transversal o cruzado aumenta el desgaste de la muela y produce pobre superficie. Usualmente su valor se ajusta a 2/3 a 3/4 del ancho de la muela en caso de rectificado de acero y 3/4 a 5/6 del ancho de la muela en el caso de pieza de trabajo de hierro fundido.

(iv) Área de Contacto de Rectificado:

Cuando el área de contacto es grande (como en el caso de rectificado interno, superficial y con diámetros mayores de pieza con muela de diámetro pequeño), la presión unitaria es baja, y para acción de corte libre continua se usa una muela de grado blando. Grano más grueso se usa para proporcionar adecuada holgura de viruta entre granos abrasivos. Grano más fino y muelas de grado más duro se usan cuando el área de contacto es pequeña.

11. Uso de Fluidos de Corte durante el Rectificado:

Mucho calor se genera en el contacto de la muela de rectificar y la pieza de trabajo durante la operación de rectificado, la mayoría del cual se transfiere a la pieza de trabajo. Los fluidos de rectificado ayudan a prevenir calentamiento excesivo de la pieza de trabajo y limpiar la muela.

Los fluidos de rectificado que contienen aditivos de azufre o cloro ayudan a reducir la fuerza de corte y mejorar el acabado superficial y aumentar la vida de la muela de rectificar. Usualmente emulsiones base agua y aceites de rectificado en cantidad amplia (15-20 litros/min para máquina de rectificado mediana normal) se usan para este propósito.

El fluido se dirige a la interfaz entre muela y pieza de trabajo para que pueda crear una película de baja resistencia al corte entre la muela y el trabajo. El fluido se suministra bajo presión usando boquillas especiales, para que la película de aire alrededor de la superficie de la muela debido a alta velocidad, sea penetrada. Para prevenir obstrucción en la muela debido a partículas finas, el fluido de rectificado se filtra finamente.

12. Seguridad en Rectificado:

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

Varios aspectos importantes son:

(i) Montaje de Muela de Rectificar:

La muela debe montarse correctamente en el husillo y estar encerrada por un protector. El orificio de la muela no debe ser un ajuste apretado en la manga.

(ii) Velocidad de la Muela:

La velocidad máxima de la muela es determinada por la resistencia última a la rotura de la muela y depende del abrasivo usado, tamaño de grano, aglutinante, estructura, grado, forma y tamaño de la muela. Su valor es especificado por los fabricantes lo cual nunca debe ser excedido.

(iii) Inspección de la Muela:

Las muelas antes de montarse deben ser revisadas por daños en tránsito, grietas y otros defectos. La prueba de resonancia es suficiente para aglutinante vitrificado. Las muelas sanas, al ser golpeadas ligeramente a 45° desde la línea vertical con un martillo de plástico suenan como un anillo metálico claro pero la muela agrietada no resonará.

Las muelas, cuando no están en uso, deben almacenarse en un lugar seco y colocarse en sus bordes en estantes.

(iv) Protectores de Muela:

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

(v) Recolección de Polvo y Precauciones de Salud:

Cuando se rectifica en seco, se debe hacer provisión para extraer polvo de rectificado. Las cubiertas protectoras de la máquina nunca deben removerse mientras la máquina está en uso. El operador debe usar dispositivos de seguridad para proteger sus ojos y cuerpo de partículas abrasivas voladoras y polvo.

(vi) Operación de la Muela:

Potencia adecuada es esencial en máquinas de rectificar. Si la potencia no es adecuada entonces las muelas se ralentizarán y desarrollarán puntos planos, haciendo que la muela funcione fuera de balance.

Durante rectificado en húmedo, la muela no debe estar parcialmente sumergida, ya que esto lanzaría seriamente la muela fuera de balance.

13. Fallos en Rectificado:

Dos fallos comunes debido a elección incorrecta de muela o condición de rectificado incorrecta son:

(i) Carga y

(ii) Vitrificado.

La carga ocurre cuando los espacios entre los granos abrasivos se obstruyen con partículas del metal siendo rectificado. Como tales granos no proyectan suficientemente para promover corte eficiente. Ocurre debido a rectificado de metales blandos con muela de estructura abierta. El vitrificado es fácilmente reconocido por apariencia brillante en la cara de la muela.

Ocurre debido a granos abrasivos volviéndose desafilados y no rompiéndose del aglutinante. Esto sucede cuando las muelas son demasiado duras para el material siendo rectificado. El vitrificado puede reducirse aumentando velocidad de muela o de trabajo.

El acabado superficial y requerimiento de potencia específica también podrían incorporarse para evaluar el rendimiento general de la muela de rectificar. En ese caso, la relación de rectificado es igual a la relación de la cantidad de material rectificado por cantidad de desgaste de la muela y el producto de potencia de rectificado específica y acabado superficial en 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. Una porción mayor del calor se disipa en la pieza de trabajo y el resto es retenido por la muela de rectificar.

Dos efectos térmicos del rectificado son:

1. Efecto en la Muela de Rectificar:

Debido a la generación de calor, se desarrollan grietas que se llaman grietas de rectificado. Las grietas son perpendiculares a las marcas de rectificado.

2. Efecto en la Pieza de Trabajo:

(a) Decoloración:

La oxidación de superficies tiene lugar a 200°C produciendo óxido metálico. Estos óxidos tienen colores diferentes al metal padre. En otras palabras, podemos decir que esto conduce a decoloración de la pieza de trabajo. La generación de calor es debido a los granos desafilados que llevarán a quemado de superficie.

(b) Daño Mecánico:

Debido a la nitidez de los granos, se forman rayaduras en la superficie metálica.

(c) Daño Metalúrgico:

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 Superficial en Operación de Rectificado:

La rugosidad superficial en rectificado depende de la muela de rectificar (su diámetro, abrasivo, dureza, rectificado, desgaste) y condiciones de rectificado (velocidad de muela, velocidad de pieza de trabajo, avance longitudinal, diámetro de pieza de trabajo). Las Figs. 20.14 muestran variación de rugosidad superficial en rectificado con cambio en varios parámetros.

16. Solución de Problemas en Rectificado:

Varios fallos que podrían encontrarse durante el rectificado y varias soluciones para superarlos se dan a continuación:

(i) Desgaste Rápido de la Muela:

Esto puede cuidarse por:

(a) Usando muela más dura,

(b) Aumentando velocidad de muela,

(c) Reduciendo tasa de avance transversal y velocidad de trabajo, y disminuyendo ligeramente la profundidad de corte.

(ii) Vitrificado de la Muela:

Esto ocurre debido a rectificado incorrecto, selección incorrecta de muela y uso de avance transversal lento y alta velocidad de trabajo. Puede cuidarse manteniendo la muela afilada, usando muela más blanda o grano más grueso, reduciendo velocidad de muela y avance transversal rápido, usando mayor profundidad de avance radial y aumentando profundidad de corte.

(iii) Marcas de Vibración:

Estas pueden cuidarse por:

(a) Balanceando correctamente la muela,

(b) Usando herramienta de rectificado adecuada,

(c) Usando grado más blando o grano más grueso,

(d) Reduciendo vibraciones de máquina revisando cojinetes y cimientos, y ajustando cojinetes de husillo,

(e) Apretando polea,

(f) Usando soportes o abrazaderas adecuados para trabajos grandes.

(iv) Acabado Grueso:

Esto podría ser debido a usar ya sea muela demasiado gruesa o muela demasiado blanda.

(v) Carga de la Muela:

Esto puede cuidarse usando muela de estructura más blanda o porosa; usando rectificador más afilado, usando cantidad copiosa de refrigerante limpio. Marcas irregulares de diferentes longitudes y anchos podrían ocurrir debido a refrigerante sucio. Marcas irregulares profundas ocurren debido a bridas de muela sueltas.

(vi) Sobrecalentamiento de la Pieza de Trabajo:

Esto ocurre debido a selección incorrecta de muela. Para superarlo, se debería usar muela más blanda y refrigerante suficiente.