la frontera del conocimiento

7/5/2020 El I+D+i en la UPV/EHU. Avances 2019-2020, en la frontera del conocimiento - Metalmecánica

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G. Gómez-Escudero, I. Villarón, P. Fernández-Lucio1, M. Ostolaza, L. Godino, M. Cortina, T. Pazmiño, J.I.Arrizubieta, E. Ruiz-Salas, A. Del Olmo, H. González-Barrio, A. Lamikiz, J. A. Sánchez y L.N. López deLacalle, de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU); y O. Pereira, F.J. Amigo Fuertes, A. Lamikiz y L. N.López de Lacalle, del Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica (CFAA) 06/05/2020

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El campo de aplicación y experiencia del Grupo se basa en tecnologías aditivas,mecanizado, fabricación híbrida, metrología, recti�cado y EDM

El Grupo de Fabricación de Alto Rendimiento del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Escuelade Ingeniería de Bilbao, perteneciente a la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) realiza trabajos deinvestigación cercanos de las empresas y a los sectores industriales tractores desde principios de losaños 90. En la actualidad, los sectores industriales que les toca más de cerca son principalmente elsector aeronáutico, energía, moldes y matrices; abarcando aun así otros sectores en menor medida.Son objeto de sus investigaciones los desafíos industriales de mejora de los procesos actuales,

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METALMECÁNICA

El I+D+i en la UPV/EHU. Avances 2019-2020, enla frontera del conocimiento

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automatización y monitorización, etc., lo que se traduce en generar bene�cios a sus socios con losresultados obtenidos de los diferentes ensayos realizados.

El campo de aplicación y experiencia del Grupo se basa en tecnologías aditivas, mecanizado, fabricaciónhíbrida, metrología, recti�cado y EDM. Con el �n de satisfacer las necesidades de las empresas, el Grupoconsta de instalaciones tanto en la Facultad de Ingeniería de Bilbao y como de un centro tecnológico enZamudio conocido como 'Centro de Fabricación Aeronáutica Avanzada' (CFAA). La concepción de este centrocomo conjunción de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) y el Clúster Empresarial para el Desarrollo deTécnicas avanzadas de fabricación aeronáutica, junto con la Diputación del País Vasco y la Diputación Foralde Bizkaia, en colaboración con el Parque Tecnológico y Cientí�co de Bizkaia, permite al Centro focalizarseen técnicas avanzadas de fabricación abarcando un amplio espectro. Este enfoque tiene como objetivoavanzar los niveles actuales de desarrollo tecnológico asociados en el ámbito de las universidades (MRL,Manufacturing Readiness Levels 2 a 5) a niveles de preparación tecnológica en entornos su�cientementerepresentativos (niveles de MRL 6 a 8), situados más cerca de las necesidades de producción de lasempresas.

En este trabajo se resumirán los últimos avances realizados por el Grupo durante este último período 2019-2020 en relación con el procesamiento láser, las técnicas de mecanizado y el recti�cado. Los resultadosobtenidos alcanzaron niveles de MRL 4-5, abriéndose camino para seguir siendo desarrollándose en el CFAAdurante los próximos meses.

A continuación, se exponen los avances más signi�cativos desarrollados en detalle para cada rama deinvestigación.

Estrategias de torneado buscando aumentar la productividad

En el ámbito del mecanizado, se sigue investigando en la línea de aumentar la productividad en sectorescomo el aeronáutico basada en aumentar el Material Removal Rate (MRR). Para ello, se puede optar por dosvías: aumentar la velocidad de corte o aumentar la sección de viruta. En el caso de la velocidad de corte, seestá analizando la viabilidad de seguir aumentándola en el mecanizado con cerámicas y PCD en materialestermorresistentes (Inconel718 y Ti6Al4V respectivamente) gracias a la modi�cación geométrica de losinsertos mediante el conocido laser engraving. De hecho, en el caso del mecanizado con cerámicas delInconel718, se ha conseguido reducir los esfuerzos de corte gracias a la mejora de �uidez de viruta De estaforma se ha obtenido un menor rozamiento entre herramienta y viruta, lo que ha llevado a un aumento enla vida útil de la misma.

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Figura 1. Distintas modi�caciones en la herramienta (cerámica izquierda y PCD derecha).

Por otro lado, este año, debido a la reciente introducción al mercado de nuevas geometrías de corte en elmundo del torneado, se está investigando también el concepto de aumentar la productividad a través de lasección de viruta, es decir, conseguir mayor tasa de arranque por el avance * profundidad y no tanto por lavelocidad de corte. Este concepto de mecanizado de alto avance se basa en disminuir al máximo posible elángulo de posicionamiento Kappa (en algunas geometrías hasta de 18º). De esta manera es posibleaumentar el avance por revolución incluso, en algunos materiales, a sextuplicar los valores de avanceconvencionales. Por ello, y de cara a entender el proceso de corte con estas herramientas, se han realizadodistintos modelos mecanísticos para distintos materiales, alguno de la industria aeronáutica como elNimonic 623.

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Figura 2. Predicción de fuerzas de corte en función de los parámetros de corte.

Con estos procesos se busca aumentar la productividad sin perder calidad en el componente �nal. Es porello por lo que, una vez obtenido los modelos de las distintas estrategias, se está investigando quéparámetros de corte mantienen, incluso llegando a mejorar, la integridad super�cial de la pieza. Para ello seestá haciendo hincapié en la temperatura que se alcanza en el proceso, un análisis de las tensionesresiduales una vez mecanizado, etc.

De cara a reducir el número de ensayos en máquina se están utilizando programas de elementos �nitos,como Deform. De esta forma, podemos realizar un análisis comparativo cambiando muchas variables delproceso (vc, f, ap, refrigeración, geometría de herramienta, etc), sin gastar recursos de material y demáquinas.

Proceso de mecanizado basado en la �losofía ECO2: CryoMQL + Herramientas de PCD en elmecanizado de alta velocidad de Ti6Al4V

La necesidad de generar cada vez procesos de más e�cientes medioambientalmente implica desde elmundo del mecanizado el tener que adaptarse a esta situación. Asimismo, no hay que perder de vista lacreciente competitividad de los países emergentes con el �n de no perder las posiciones en el mercadoactual. Teniendo en cuenta esta tesitura, se necesita centrar los esfuerzos en mejorar no sólo los parámetrosque más impacto ambiental generan, sino en aquellos que a su vez pueden generar un aumento de laproductividad.

Para ello, desde la UPV/EHU junto con Tecnalia y con la colaboración de las empresas Zubiola, Laip, TivolyNECO, Susensa y HRE Hidraulic bajo el proyecto Hazitek-HardCraft han buscado la forma de dar respuesta aestas dos líneas de tal modo que se alcance un proceso de mecanizado de �losofía ECO2(Ecología+Economía) con la combinación de la refrigeración CryoMQL con fresas de diamante policristalino(PCD) para el mecanizado de alta velocidad de Ti6Al4V.

El uso de la tecnología CryoMQL se basa en usar como �uido de corte la combinación de CO licuado juntocon aceite biodegradable pulverizado. Cabe destacar que el CO es reciclado de un proceso primario y portanto al ser utilizado como �uido de corte no genera huella ambiental en sí. Por otra parte, debido al estrictocontrol de la temperatura de corte que la tecnología CryoMQL presenta, se posibilita la utilización de

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sustratos de herramienta avanzados como el PCD en materiales tan reactivos como el Ti6Al4V sin que existaproblemas de difusión con éste o se adquieran temperaturas de corte tan altas que el PCD gra�tice.Basándose en estas premisas se procedió a la realización de una batería de ensayos en los que se buscóaumentar la productividad del proceso de fresad a través del aumento de la velocidad de corte.

Montaje experimental

Los ensayos experimentales han sido realizados en un centro de mecanizado Kondia A6. Con el �n deevaluar el comportamiento de las herramientas de diamante policristalino (PCD) durante el fresado deTi6Al4V y optimizar su utilización industrialmente se procedió a la realización de fresados en escuadra. Elequipo de refrigeración CryoMQL utilizado ha sido un equipo ‘Plug&Play’ BeCold el cual permite la utilizaciónno sólo la tecnología CryoMQL, sino la refrigeración criogénica con CO o la lubricación MQL en modo ‘standalone’. En cuanto a las herramientas utilizadas, se usaron unas herramientas optimizadas para el uso de COpor Zubiola S. Coop. formadas por un cuerpo de metal duro con 4 insertos de PCD soldados. En cuanto a lascondiciones de corte, inicialmente se estableció velocidad de corte (vc) 180 m/min, el avance por diente (fz)0,06 mm/z, la profundidad de pasada axial (ap) 10 mm y la profundidad de pasada radial (ae) 0,3 mm. Elcriterio de �nal de vida de herramienta se estableció en un desgaste de �anco de 0,35 mm (ISO 8688 parte 2)y la longitud de cada pasada fue de 100 mm. Durante los ensayos se procedió a la medida del desgaste delos �los de la herramienta después de cada pasada con un microscopio PCE-200.

El procedimiento seguido para el desarrollo de las pruebas se basó en la realización de sucesivas pasadascon las que ir desgastando la herramienta. Además, durante los ensayos se fue aumentando la velocidad decorte y manteniendo las demás condiciones de corte constantes con el �n aumentar la productividad delproceso. De este modo, las primeras 20 pasadas se mantuvieron la Vc inicial y a partir de ese punto cada 10pasadas se aumentó la Vc en un 50% hasta llegar al criterio de �nal de vida de herramienta. El montajeexperimental se muestra en la �gura 3.

Figura 3: Montaje experimental realizado de los ensayos.

Resultados obtenidos

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Los resultados obtenidos se muestran en la �gura 4. Como se puede observar, la utilización de lacombinación de herramientas de PCD con la refrigeración CryoMQL puede superar ampliamente lavelocidad de corte convencional establecida industrialmente. En este caso se aumentó un 75% logrando unalongitud de mecanizado de 4.000 mm. Una vez llegado a este punto se dobló el valor inicial alcanzando los5.000 mm mecanizados sin que la herramienta presente ninguna marca de debilidad ni en el �lo, ni en lasoldadura. Por tanto, la combinación propuesta se logra no sólo un aumento de la productividad, sino quese reduce la huella ambiental al eliminar la taladrina como �uido de corte. Logrando así abrir un nicho demercado donde el mecanizado con rendimiento ECO2 (Ecología+Economía) se hace realidad.

Figura 4: Resultados obtenidos del fresado de Ti6Al4V con herramienta PCD y refrigeración CryoMQL.

El aporte por láser: nuevos avances

El Laser Metal Deposition (LMD) o aporte por láser es una técnica de fabricación aditiva que permite realizarrecubrimientos, así como generar nuevas estructuras capa a capa con una gran �exibilidad en cuanto ageneración de geometrías y una alta calidad metalúrgica. En este tipo de procesos, el material de aporte essuministrado en forma de polvo o hilo metálico y fundido sobre la super�cie de un material base o sustrato,uniéndose metalúrgicamente al mismo [1]. De este modo, se obtienen recubrimientos con propiedadessemejantes o incluso superiores a las del material empleado como sustrato.

La idoneidad del proceso LMD está demostrada para una gran variedad de materiales como los aceros paraherramientas, aceros inoxidables, aleaciones base níquel y aleaciones de titanio, entre otros. Este procesode fabricación aditiva ha demostrado ser e�caz en el recubrimiento y reparación de componentes de altovalor añadido [2], así como para abrir nuevas posibilidades en el diseño de geometrías innovadoras. Por lotanto, su aplicación cubre un amplio espectro de sectores industriales, como la fabricación y reparación decomponentes de motores aeroespaciales, moldes y matrices o la aplicación de recubrimientos de altorendimiento, entre otros [3].

A este respecto, el desarrollo de recubrimientos de alto rendimiento es un campo en el que la aplicación delproceso LMD puede ser particularmente interesante. El uso de esta tecnología permite la fabricación demateriales compuestos, así como el control de la microestructura del material aportado con una afecciónĆ



térmica mínima. De este modo, se puede dar lugar a recubrimientos con propiedades mejoradas en cuantoa dureza, resistencia al desgaste, fatiga térmica o corrosión, entre otros [4]. Esta solución puede ser de granutilidad para la reparación y la fabricación de componentes.

A pesar de que el LMD es un proceso versátil y con aplicación directa a diversos sectores, se trata de unatecnología compleja, cuyo uso es aún incipiente. En consecuencia, se requieren esfuerzos de I+D centradosen su validación, estandarización y demostración, para así poder superar los desafíos que aún quedan pordelante, aumentando su �abilidad. En este sentido, la implementación de algoritmos de monitorización ycontrol de las variables de proceso resultan imprescindibles para conducir a una fabricación más estable y,por consiguiente, �able.

Recubrimientos de alto rendimiento mediante LMD multi-material

El estudio de recubrimientos de alto rendimiento fabricados mediante LMD se ha incorporadorecientemente a las líneas de investigación del grupo debido a la necesidad de ofrecer una solución a losrequisitos cada vez más exigentes demandados por la industria [5]. Estos recubrimientos se enmarcandentro de las posibles alternativas para la mejora de propiedades super�ciales de componentes sometidos acondiciones ambientales extremas [6], ya sean entornos agresivos en términos de corrosión, rozamiento otemperatura. Generalmente, se emplean en componentes de alto valor añadido como, por ejemplo,troqueles de estampación en caliente, de forma que su vida útil puede extenderse considerablemente.

Dentro de los recubrimientos de alto rendimiento destacan los Composites de Matriz Metálica [7] (Figura 5),que son aquellos materiales compuestos formados por una matriz metálica en la que se introduce una fasediscreta, generalmente cerámica, con el objetivo de mejorar las propiedades de la misma. Dichos materialescompuestos permiten adecuar las propiedades mecánicas del composite a especi�caciones concretas, porejemplo, debido al carácter cerámico de la fase discreta, se pueden obtener recubrimientos de alta durezasin condicionar la ductilidad de los mismos [8]. En concreto, los materiales compuestos con fase discreta dealta dureza son de gran interés en el campo de la troquelería previamente mencionado, en los que esnecesario preservar la super�cie expuesta dotándola de una mayor resistencia al desgaste [9].

Figura 5: LMD de recubrimientos de MMC sobre troquel de estampación en caliente. Ć



Es este contexto el que ha motivado el desarrollo de composites de matriz metálica mediante LMD,combinando acero de herramientas de trabajo en caliente, AISI H13, con partículas cerámicas de carburo detungsteno, WC. Los resultados preliminares indican una mejora considerable de la resistencia al desgaste delos recubrimientos de esta naturaleza con respecto de un recubrimiento mono-material sin fase de refuerzo(coe�ciente de fricción de 0,16 frente a 0,57) (Figura 6), además de un incremento de dureza signi�cativo,alcanzando valores de hasta 70 HRC.

Figura 6: Estudio de la mejora al desgaste de recubrimientos multi-material mediante ensayos pin-on-disk.

Debido al gran potencial demostrado por los ensayos preliminares realizados con este tipo de materialescompuestos y dada la idoneidad del proceso de LMD para su fabricación, se está ampliando la investigaciónen este campo, realizando ensayos con diferentes combinaciones materiales para aplicaciones especí�casen el ámbito de la mejora de propiedades super�ciales. Además, con el objetivo de explotar las ventajas yoportunidades del LMD multi-material, se ha incorporado también el concepto de materiales con gradientefuncional (FGM), esto es, con diferente estructura y composición a lo largo de su volumen total, el cual estáteniendo una gran repercusión en la investigación de materiales.

Monitorización del proceso LMD

La monitorización y control del proceso LMD constituye un reto que está siendo abordado por la comunidadcientí�ca en la actualidad. Los parámetros que se monitorizan guardan relación directa con las principalesvariables controladas del proceso. Dadas las características del mismo, los métodos tradicionales deadquisición de datos pueden no resultar adecuados. Por ejemplo, en el caso de la temperatura, determinarsu valor mediante un termopar, el cual requiere contacto, sería imposible ya que este no aguantaría las altastemperaturas inherentes al proceso.

Para ello, el uso de técnicas de medición de la temperatura sin contacto ha resultado ser una solución decoste relativamente bajo y de aplicación directa para la sensorización del baño fundido generado en la pieza,como son las cámaras CCD [10] o la pirometría. Esta última permite determinar la temperatura de formaexterna, colocando un pirómetro de dos colores enfocando al baño fundido. [11]. Sin embargo, la e�caciadel pirómetro colocado en esta posición se reduce cuando se realizan trayectorias complejas en el aporte,Ć



necesitándose un enfoque diferente. No obstante, la temperatura es tan solo una de las variables amonitorizar y existen pocas soluciones en la industria que aúnen una monitorización integral del proceso[12].

De esta manera, una de las líneas de investigación en la UPV/EHU consiste en el desarrollo de sensores amedida para el proceso de aporte láser, la determinación de una metodología de calibración robusta y eldesarrollarlo de software capaz de recoger, gra�car e interpretar dichas señales.

Figura 7: Sensores empleados: izda) pirómetro de 2 colores y su montaje, dcha) sensor del �ujo de polvo.

De acuerdo con dichos objetivos, una primera aproximación a la implementación de los sensores (Figura 7)ha sido probada, con su consiguiente calibración y validación. De esta forma, las señales de diversossensores han sido adquiridas de forma simultánea, entre los que destacan un pirómetro de dos colorescolocado de forma coaxial y un sensor de �ujo de polvo reconvertido a caudalímetro másico. Además, se hadesarrollado con éxito un software para la adquisición de datos (Figura 8), obteniendo datos de temperaturay caudal másico de polvo en tiempo real, lo cual permite detectar anomalías en el proceso, las cuales setraducirían en defectos en pieza.

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Figura 8: Interfaz grá�ca del software desarrollado para la adquisición de datos del proceso LMD.

En de�nitiva, la monitorización del proceso permite el estudio de su estabilidad de manera no invasiva, enaras de aumentar las garantías de la producción de componentes de calidad. No obstante, el desarrollo de lamonitorización aún se encuentra en una fase temprana y es por ello que hace falta generar másconocimiento en este ámbito. Además, para conseguir un sistema de monitorización y un control robustoque impulse el LMD más allá de los límites actuales, es necesario continuar investigando el efecto de cadavariable en la calidad del material aportado.

Nuevos avances en el sector del recti�cado

El Grupo de Procesos de Recti�cado, perteneciente al Grupo de Fabricación de Alto Rendimiento de laUPV/EHU, colaborando a su vez con el centro tecnológico IDEKO dentro del marco del Digital GrindingInnovation Hub (DGIH) ha realizado una serie de avances dentro de la tecnología de recti�cado que semostrarán a continuación. A día de hoy el potente trabajo se traduce en la realización de numerososproyectos en común en los que forman parte 4 alumnos y alumnas del grado, 3 alumnos del máster,doctorandos y personal docente e investigador del departamento de ingeniería mecánica. Asimismo, estosproyectos están enfocados a resolver problemas industriales reales que presentan algunas de las empresascolaboradoras del DGIH como son Unesa. S.L, Elkin S. Coop. y Danobat S.Coop.

Debido al gran interés industrial, desde hace 2 años el grupo de procesos de recti�cado compagina lasinvestigaciones tanto básicas como aplicadas con el desarrollo y programación de un software que darespuesta a las necesidades industriales de análisis online del proceso. Para ello, de las diferentes ramas enlas que se dividen las investigaciones se desarrolla un módulo especí�co con el �n de conseguir un softwarecapaz de analizar por completo el proceso de recti�cado. Grinding REsearch Assisting Tool (GREAT) es elnombre que se le ha dado a este software desarrollado en Python. En la Figura 9 se muestra el interface delsoftware, el cual inicialmente fue desarrollado para uso interno del grupo de recti�cado, como unaherramienta académica, pero debido a su gran potencial y fácil manejo para el usuario se ha implementadoen diferentes empresas. Por el momento GREAT dispone de 4 módulos totalmente desarrollados eintegrados: adquisición y análisis de potencia, adquisición y análisis de fuerzas, caracterización del desgasteĆ



de wear �at y caracterización del desgaste de diamantadores. Además, durante este año se estándesarrollando otros dos nuevos módulos relacionados con la cuanti�cación del desgaste volumétrico demuelas y con la detección de daño térmico en piezas, los cuales se detallarán más adelante.

Figura 9: Interface del módulo de potencia del GREAT.

Los proyectos en los que se está trabajando en la actualidad están enfocados a solucionar problemasindustriales reales dentro del proceso de recti�cado. A groso modo, los proyectos que se detallan acontinuación se pueden clasi�car en 3 ramas: la optimización de los procesos de recti�cado mediante el usode muelas customizadas, la detección del desgaste de las muelas, especialmente en muelas de per�l, y ladetección temprana de daño térmico minimizando el número de rechazos durante el recti�cado.

La industria prioriza la optimización de los procesos de recti�cado, lo que ha hecho que las muelas estándarpierdan mercado y sean las muelas customizadas las requeridas por las empresas recti�cadoras. Para ello,los fabricantes de muelas tienen que dar con la combinación exacta entre aglomerante y granos abrasivospara cada aplicación especí�ca. En este sentido, Unesa, fabricante de muelas abrasivas con gran experienciaen el sector, necesita poseer una completa caracterización de los granos abrasivos y aglomerantes queutiliza, así como de las diferentes combinaciones de ambos para poder fabricar muelas customizadas con lasque minimizar tiempos de mecanizado y maximizar la vida útil de las mismas. Para ello, uno de los proyectosque se está llevando a cabo es el análisis experimental de la in�uencia del tamaño de grano abrasivo en lae�ciencia del proceso. El objetivo de esta investigación es analizar la in�uencia del tamaño de grano en elcomportamiento de la muela, es decir, analizar el tamaño de grano óptimo para conseguir el máximorendimiento de la muela en función del tipo de proceso. Para ello, se ha comparado el comportamiento de 3muelas idénticas con diferentes tamaños de grano (46, 60 y 80). Durante los ensayos se han analizado tantocondiciones de desbaste como de acabado variando los parámetros del proceso y se ha medido la potenciaconsumida y la rugosidad de la pieza. Tras analizar los resultados obtenidos, se ha observado que la muelaque más potencia ha consumido en cada proceso y que mejor acabado super�cial ha conseguido ha sido lade grano más �no (80). Esto demuestra que, aunque para conseguir acabados super�ciales exigentes estetamaño de grano sea el más adecuado, energéticamente hablando no es el que mejor rendimiento ofrece.Por lo tanto, a la hora de elegir una muela hay que estudiar estos dos factores, y valorar la rentabilidad decada proceso.

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Figura 10: Super�cie diamantada de muela de alúmina vitri�cada de tamaño de grano 46 (azul), 60 (amarillo) y 80 (verde).

Asimismo, la caracterización del comportamiento mecánico de las muelas abrasivas es de gran interés paralos fabricantes de muelas, ya que permitiría predecir el tipo de desgaste predominante o determinar si eldesgaste prematuro de las muelas se debe a fallos de los granos abrasivos, del aglomerante o a unacombinación de ambos. Este estudio aún no ha sido abordado desde el punto de vista cientí�co, sinembargo es de gran interés industrial. Para llevarlo a cabo, el grupo de recti�cado colabora estrechamentecon la ENSAM de Bordeaux. En este marco se encuentra una de las tesis en cotutela realizada por uno de losdoctorandos del grupo. En anteriores investigaciones se demostró el gran potencial de los elementosdiscretos para la simulación del desgaste de las muelas abrasivas, es por ello, que para caracterizar elcomportamiento mecánico de las muelas se ha optado por el desarrollo de modelos de elementos discretos.Además, las muelas abrasivas se pueden entender como materiales heterogéneos, compuestos por granos,aglomerante y poros, presentando una similitud en su composición con los composites, para los cuales se hademostrado la adecuación de modelos DEM (Discrete Element Method). Es por ello que para realizar lacaracterización mecánica de las muelas abrasivas así como para determinar si el desgaste volumétrico de lasmuelas de per�l viene determinado por la rotura de los granos abrasivos, de los puentes de aglomerante opor una combinación de ambas, se están desarrollando modelos DEM del proceso de recti�cado, tal y comose muestra en la �gura 11.

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Figura 11: Simulación del proceso de recti�cado mediante la discretización de la muela abrasiva.

Como primer paso de esta compleja investigación, se han llevado a cabo ensayos experimentales paracuanti�car el desgaste volumétrico de las muelas de alúmina vitri�cada teniendo en cuenta el efecto delborde de la muela, de manera que los resultados de este estudio experimental sean aplicables a las muelasde per�l. En estos primeros ensayos se concluye que el desgaste volumétrico aumenta con la velocidad deavance vw. Además, en la Figura 12 se observa no sólo el desgaste volumétrico sino también la pérdida deper�l de la muela. En la parte izquierda de la �gura 12 en rojo se detalla el per�l original de la muela,mientras que la forma fotogra�ada corresponde a la �nal. Además, en la parte derecha se observa laevolución del per�l a medida que el volumen de material recti�cado aumenta.

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Figura 12: Cuanti�cación del desgaste volumétrico y pérdida de per�l en muelas de alúmina vitri�cadas.

Con el �n de sistematizar las mediciones del per�l de la muela, se ha desarrollado un programa en pythonque compara las imágenes de los diferentes per�les de las muelas y da como resultado el desgastevolumétrico de la muela. En la �gura 13 se muestran dos de los per�les de la muela obtenidos y lacuanti�cación del desgaste tras el tratamiento de las imágenes. Este programa será incluido en el softwaredel Great con el �n de generar un software de análisis y procesamiento de datos lo más completo posible.

Figura 13: Superposición de los per�les de la muela para la obtención del área y volumen desgastado.

Paralelamente, debido al gran interés de conocer el comportamiento ante el desgaste de las muelas deper�l, se desarrolla un proyecto centrado en la caracterización mecánica de las muelas de forma. El objetivoes modelizar el comportamiento mecánico de una muela abrasiva mediante DEM con el �n de construir unaherramienta de simulación dinámica 3D. Esta caracterización se lleva a cabo mediante el análisis modal delas frecuencias de vibración de las muelas abrasivas, siendo el objetico �nal obtener el módulo de Young E ycoe�ciente de Poisson ν de las muelas abrasivas.

Además de la caracterización del desgaste de las muelas, el diamantado de las mismas determina lae�ciencia del recti�cado, así como la vida útil de las herramientas. Debido al gran interés industrial porcaracterizar la in�uencia del diamantado en la topografía de las muelas abrasivas se están llevando a caboproyectos cuyo objeto es determinar la in�uencia del diamantado en muelas de superabrasivo. Por un lado,se ha diseñado una metodología para la caracterización del desgaste y el análisis de la e�ciencia deldiamantado de moletas rotativas. Por otro lado, se ha realizado una comparativa de diferentes fabricantesde moletas con el �n de determinar la e�ciencia de las mismas, es decir, determinar qué fabricantes proveenherramientas de diamantado con menor desgaste y son capaces de ofrecer mejores resultados en elrecti�cado. Para ello se han realizado ensayos de diamantado a muelas de CBN con aglomerante vítreo enuna recti�cadora cilíndrica, tal y como se muestra en la parte izquierda de la �gura 14, y posteriormente serealiza el recti�cado de probetas de acero templado F5520, midiendo la potencia consumida y la rugosidadde la pieza.

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Figura 14: Moleta de diamante junto con muela superabrasiva de CBN vitri�cada (izquierda) y moleta de SiC con muela de diamantecon aglomerante resina (derecha).

Por otro lado, se están estudiando las condiciones de diamantado para una muela de diamante conaglomerante de resina. La primera parte consiste en analizar el proceso de reper�lado mediante moletas deabrasivo convencional (SiC), la con�guración de los ensayos se muestra en la parte derecha de la �gura 14.Para ello, dentro de una super�cie concreta de la muela se analiza la variación de la concentración degranos, los saltos de grano y se realiza el seguimiento de la evolución de varios granos en concreto. Debido ala agresividad del reper�lado, la muela pierde su geometría inicial. Por lo tanto, una vez conseguido unreper�lado óptimo de la muela de diamante, se procede a recuperar dicha geometría, realzando así unproceso de reper�lado completo. La segunda parte de este estudio consiste en el reavivado de la muela,para ello se analizan diferentes condiciones de diamantado hasta conseguir las condiciones óptimasutilizando en este caso moletas de corindón.

Además, se estudian nuevas tecnologías de diamantado, como el diamantado por ultrasonidos. De estaforma se consigue que el diamantado no sea continuo, el diamantador impacta sobre la periferia de lamuela con una frecuencia delimitada por el usuario. El objetivo de este estudio es controlar las zonas deimpacto del diamantador en la muela. Para ello se ha desarrollado un programa que estima la posición decada uno de esos impactos sobre una imagen representativa del per�l de la muela, además de calculardiferentes parámetros para facilitar el análisis y la interpretación de los resultados llevada a cabo por elusuario. Este programa también permite decidir las zonas de impacto, para eliminar material embotado deforma especí�ca, entre otros propósitos. Se trata de un trabajo de gran interés para muelas que poseen unacapa muy �na de material abrasivo y que el diamantado de toda la super�cie supondría la eliminación degran cantidad de muela útil, provocando grandes pérdidas económicas. En este caso el estudio se realiza enmuelas de CBN. La aplicación de muelas de CBN electrodepositadas es una de las aplicaciones de interésque se pretende probar, pero ahora mismo queremos analizar la capacidad del diamantador asistido porultrasonidos para per�lar y reavivar muelas de diamante de aglomerante resinoide.

Finalmente, se ha abordado uno de los hándicaps del proceso de recti�cado, la medición de la temperaturaen el contacto y la detección de quemado en piezas recti�cadas. Durante el recti�cado es muy complicadomedir la temperatura en el contacto entre la pieza y la muela debido a la inaccesibilidad al mismo y a lasextremas condiciones de presión, velocidad y temperatura del mismo. Durante años y en la actualidad la

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medición de la temperatura en el contacto ha sido y sigue siendo de gran interés desde un punto de vistatanto cientí�co como industrial. Es por ello, que dos de los proyectos que se están llevando a cabo en estosmomentos están relacionados con la temperatura. Por un lado, doctorandos en cotutela entre la UPV/EHU eIdeko y alumnos de grado se está desarrollando un pirómetro con �bra óptica. Este pirómetro dista de unoconvencional en que el haz de luz es dirigido hasta el punto de medición mediante una �bra óptica en vez deser el propio medio el conductor. Con ello, se consigue un punto de enfoque mucho más nítido,posibilitando a su vez el recti�cado con refrigeración. Además, se analiza la in�uencia de diferentesparámetros del proceso en el calentamiento de la pieza en una zona cercana al contacto. De este modo sepodrán estimar las temperaturas reales en el punto de recti�cado. A partir de estos datos se modi�carán losparámetros de recti�cado que sean necesarios obteniendo así un rango de temperaturas de trabajo óptimopara cada tipo de material y especi�cación.

Por último, se está desarrollando un software informático que permite maximizar la producción al tiempoque se obtienen piezas recti�cadas de alta calidad super�cial, evitando el daño térmico. Para ello se hanrealizado unos ensayos experimentales que han permitido de�nir el comportamiento del materialrelacionando la energía especí�ca de recti�cado con los parámetros representativos del proceso como heq,Gch y agresividad. Además, mediante estos ensayos se han de�nido los límites de daño térmico para cadacombinación de material-muela. Estos datos serán los inputs del software en desarrollo. El programa,basado en el modelo térmico de Malkin, permite a partir de los datos ya citados, calcular el máximoQw’(cantidad de material arrancado por unidad de tiempo) que no produce dañado térmico. Es decir,permite minimizar el tiempo de mecanizado, aumentado así la productividad y obtener piezas recti�cadasde alta calidad. En la �gura 15 se muestra el interface del programa desarrollado, que será un módulo más aañadir en el Great, aportándole así un gran potencial a este software.

Figura 15: Interface del módulo de detección del daño térmico incorporado en el Great.

Monitorización y tratamiento de datos en el Grupo deFabricación de Alto Rendimiento de la Escuela deIngeniería de Bilbao (UPV/EHU)

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Los requisitos actuales de los usuarios de máquina herramienta apuntan a un conocimiento más profundode los procesos de mecanizado. En un mercado tan competitivo y globalizado como es la fabricación, seinsta a la nueva generación de ingenieros a desarrollar habilidades trasversales en diversos ámbitos de laingeniería, tales como la mecánica, la mecatrónica o la electrónica. Uno de los aspectos más esenciales parapoder llegar a entender todos los fenómenos que suceden en los procesos de mecanizado es lamonitorización, que junto con toda la tecnología desarrollada en los últimos años permite determinarposibles errores y desviaciones en relación a las condiciones teóricas y las reales, debidas a condiciones deproceso inalcanzables por la máquina herramienta; así como guardar datos históricos de las piezasfabricadas por la misma máquina; o incluso tratar los datos recibidos por la máquina casi en tiempo real.Para fortalecer estas habilidades de los estudiantes, el Grupo de Fabricación de Alto Rendimiento de laUniversidad del País Vasco (UPV/EHU) ha estado trabajando en distintos temas relativos a la monitorizaciónde los procesos de mecanizado. Para ello ha llevado a cabo una serie de Trabajos Fin de Grado y Trabajos Finde Máster. En ellos se aborda el tema de tratamiento de fuerzas de corte en los procesos de fresado,torneado y taladrado. Gracias a la rápida evolución en la tecnología de adquisición de datos y el inmejorablesoporte que ofrecen softwares de desarrollo integrado como MATLAB, se han desarrollado aplicacionesintegradas en el propio software que permiten estimar las fuerzas de corte generadas, y así hacer unaestimación de la vida de las herramientas (Figura 16).

Figura 16: App desarrollada e integrada en MATLAB realizada en un TFG en la UPV/EHU.

Además de los trabajos de �n de estudios, el tema de la monitorización está presente en todos los proyectosque se llevan a cabo a cabo en el departamento, esto se debe a que los resultados muestran aspectos, que asimple vista no se aprecian durante los procesos d mecanizado. Generalmente se suelen emplear una seriede dispositivos que ayudan en la toma de datos que posteriormente se analizan mediante las aplicacionesmencionadas anteriormente, estos dispositivos de captación de datos son los siguientes:a) Mesa dinamométrica Kistler 9129A: este dispositivo permite la captación de los esfuerzos de corte que sedan la pieza durante el proceso de torneado.

b) Mesa dinamométrica Kistler 9255B: este dispositivo se atornilla en la zona de trabajo, normalmentedebajo de una mordaza, y permite la captación de los esfuerzo de corte que se dan en la pieza durante losprocesos de fresado y taladrado en las tres principales direcciones de trabajo X-Y-Z. También sirve para

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captar las señales de aceleración del movimiento mediante el uso de acelerómetros triaxiales colocados enel cabezal de la máquina.

c) Sistema de medición de par y fuerza sin contacto integrado Artis Marposs: este dispositivo se acopla alportaherramientas, tanto en sistemas ISO como HSK y permite captar la señal de par y fuerza axial. Esteúltimo aspecto muy importante en los ensayos de taladrado.

d) Medidor de potencia Vydas UPC-E: este dispositivo se trata de un medidor de potencia que cuanti�ca lapotencia consumida por el husillo.

e) Microscopio PCE-MM200: este elemento permite tomar imágenes de las herramientas tanto de fresado,taladrado como tornado con alta calidad, lo cual permite medir el desgaste que se da en la herramientadurante los ensayos.

Figura 17: Sistemas de monitorización y captación de datos del Grupo de Fabricación de Alto Rendimiento de Escuela de Ingeniería deBilbao (UPV/EHU).

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la frontera del conocimiento

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