ESTUDIO DE LOS PARMETROS DE ACABADO SUPERFICIAL EN EL MECANIZADO DE LA ALEACIN DE Al-Cu AA2024.

APLICACIN DE UNE-EN ISO 4288 Y UNE-EN ISO 1302

Sebastin Prez, Miguel ngel (2); Marcos Brcena, Mariano (1); Rubio Alvir, Eva Mara (2); Snchez Sola, Jos Miguel (1)

(1)Universidad de Cdiz, Espaa Escuela Superior de Ingeniera

Departamento de Ingeniera Mecnica y Diseo Industrial Correo electrnico: josemiguel.sanchez@uca.es

(2)Universidad Nacional de Educacin a Distancia, Espaa

Escuela Superior de Ingenieros Industriales Departamento de Ingeniera de Construccin y Fabricacin

RESUMEN

En la actualidad, estas aleaciones de aluminio son empleadas en la fabricacin de componentes estructurales de aeronaves y vehculos 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 microgeomtricas (acabado superficial) del torneado en seco de barras cilndricas, sometidas a valores moderados de velocidad de corte y avance. La determinacin de las irregularidades del acabado superficial, de las muestras mecanizadas se realiza, en base a los parmetros Ra (desviacin media aritmtica) y Rz (mxima altura del perfil). Los resultados obtenidos de estos parmetros, han permitido establecer una relacin potencial con los parmetros de corte. Estas relaciones, permiten predecir el comportamiento de Ra y Rz en el rango de velocidad y avance considerado. Por ltimo, se procede a la representacin simblica 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 Bzier, 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 Bzier, Surface quality, Ra, Rz. Grupo temtico: Tolerancias y control de calidad geomtrica en el producto industrial.

1. Introduccin Las aleaciones ligeras, especialmente las de aluminio y titanio, se emplean estratgicamente para la fabricacin de componentes estructurales de aeronaves debido a su baja densidad, y en general, a sus buenas propiedades mecnicas [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 ltimos 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 supresin total de estos fluidos originan condiciones muy agresivas de los procesos [6-8]. Esta nueva situacin hace necesaria buscar combinaciones de parmetros de corte y tipos de herramientas que optimicen el mecanizado en condiciones extremas, con el propsito 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 ms considerados, es el relacionado con sus aspectos microgeomtricos, es decir, el grado de acabado superficial obtenido. En la fase experimental de este trabajo, se realiza el torneado en seco de barras cilndricas de la aleacin AA2024, en un rango de velocidad y avance. Una vez concluidos los ensayos, se procede a la evaluacin del estado superficial obtenido. La evaluacin del grado de acabado se ha realizado a partir de los parmetros ms extendidos [9-10], es decir, la desviacin media aritmtica (Ra) y la mxima altura del perfil (Rz). La cuantificacin de los parmetros del perfil R, se realiza con el rugosmetro Perthometer PeCo T, en el que se fija el palpador de contacto mecnico MFW 250 de 2 m de radio y 90 de ngulo de punta. Los valores obtenidos de estos parmetros han permitido establecer una expresin potencial que relacione Ra y Rz con los parmetros tecnolgicos. 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 cuantificacin de estos parmetros, se procede a la representacin simblica de la calidad superficial obtenida, atendiendo a las UNE-EN ISO 4288:1998 y UNE-EN ISO 1302:2002, centrndonos en los requisitos individuales y complementarios definidos por las especificaciones unilaterales y bilaterales de los estados superficiales. Para la determinacin de estas especificaciones, el estudio se ha centrado, en la regla del 16 % [11]. 2. Experimental 2.1 Material empleado y preparacin de las muestras En este trabajo, las piezas empleadas para la realizacin de los ensayos de torneado eran barras cilndricas de 80 mm de dimetro y 150 mm de longitud, de aleacin de aluminio-cobre con designacin AA2024 [12], en estado de temple T351. Antes de la realizacin de los ensayos, se procedi 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 manipulacin y almacenamiento y, por otra, que todas las muestras presentasen el mismo estado superficial inicial. 2.2 Realizacin de los ensayos Las piezas preparadas segn 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 numrico Emcotronic TM02 de 2 ejes. El citado control, permiti fijar los parmetros 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 configuracin 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 numrico Los ensayos se realizaron sin lubricante ni refrigerante en base a la reciente normativa ISO 14000. Con la aparicin de esta normativa muchas compaas se han visto obligadas a redisear sus sistemas de fabricacin con procesos ms amigables con el medio ambiente [15-16]. Asimismo, en la realizacin 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) 43 64 85 127 170 a (mm/rev) 0.05 0.1 0.2 0.3

2.3 Herramientas empleadas

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 parmetros geomtricos. Como se puede observar, es una herramienta neutra con ngulo de punta de 55. Para la realizacin de cada uno de los ensayos se emplea una nueva herramienta, con la intencin 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. Parmetros geomtricos de la herramienta 2.4 Equipo empleado en las mediciones de los parmetros de rugosidad En la figura 3, se muestra el rugosmetro PeCo T empleado en la evaluacin de los parmetros de rugosidad. En esta figura, se aprecian algunos de los elementos bsicos que constituyen el equipo de medida: (a). Palpador de contacto mecnico MFW 250 con 2 m de radio y 90 de ngulo de punta. (b). Unidad de avance Marsuf PGK 120, que proporciona el desplazamiento del palpador. (c). Mesa motorizada Marsurf PKT, que facilita el montaje, alineacin y desplazamientos de las superficies. El software empleado permite la evaluacin de los parmetros asociados a los perfiles D, P, R y W. Asimismo, facilita la adquisicin de perfiles individuales, mltiples y topogrficos de las superficies. Antes de la realizacin de las mediciones se procede a la calibracin del rugosmetro, para lo cual se emplean diversos patrones con trazabilidad nacional e internacional, figuras 4 y 5. Para la evaluacin 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 apreciacin de la posible influencia del desgaste de la herramienta sobre el acabado superficial de las muestras mecanizadas. Cada medida se llev 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 travs de los parmetros Ra y Rz. Las mediciones realizadas permiten una doble interpretacin: Por un lado, la asignacin a cada muestra de un valor medio de las veinte mediciones realizadas. Y por otro, la anotacin simblica 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 intencin de garantizar su repetibilidad.

Figura 3. Rugosmetro empleado para la cuantificacin de Ra y Rz de las muestras mecanizadas.

En la realizacin de este trabajo, se ha evaluado la incertidumbre tpica expandida del sistema de medicin adoptado, resultando un valor de 0.2 y 1.2 micrmetros para Ra y Rz respectivamente. En consecuencia, se puede decir que existe una probabilidad del 95 % de que el valor verdadero del parmetro estudiado se encuentre en el intervalo definido por la media de las medidas y su incertidumbre asociado ( media Ra U [k=2]) y ( media Rz U [k=2]) [17-19]. 3. Resultados y Discusin En la figura 7(A), se representa la evolucin de los valores de Ra en funcin de la velocidad de corte para cada avance empleado. De igual forma, en la figura 7(B) se muestra la evolucin de Ra en funcin del avance para cada velocidad de corte aplicada. En esta figura puede apreciarse como, Ra es una funcin creciente del avance, tal y como era de esperar para el valor

Figura 4. Patrn de rugosidad con trazabilidad internacional

Figura 5. Patrn de amplificacion con trazabilidad nacional

de la profundidad de corte empleada [20]. De acuerdo con esto, sern los valores ms bajos del avance los que permitan una menor desviacin media aritmtica.

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 evolucin de Ra con la velocidad de corte. En efecto, como ya se ha dicho, para los avances ms 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 parmetro controlante de Ra. Sin embargo, puede apreciarse cmo para un avance de 0.2 mm/rev, el valor

Figura 7. (A) Evolucin de Ra-v para los diversos avances. (B) Evolucin de Ra-a para las diversas velocidades. de esta desviacin se ve afectado notablemente con el aumento de la velocidad de corte, experimentando un considerable descenso cuando la misma aumenta. Esto puede explicarse en

trminos de que en estas condiciones se tiene un valor crtico en el que la velocidad de corte tiene un mayor control sobre Ra. Es conviene comentar, que la evolucin de Rz con v y Rz con a, presentan una evolucin similar a la reflejada en las figuras 7(A) y 7(B). Atendiendo a la evolucin de los parmetros de rugosidad con los parmetros tecnolgicos, es posible plantear la existencia de una relacin entre stos. Estas relaciones potenciales se pueden modelar:

Ra = Ka vMa Ra = Ka aMa (1) Rz = Kz vMz Rz = Kz aMz (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 a. La dependencia de las constantes y exponentes de la variable fijada sugiere la adopcin de un modelo nico, tanto para Ra como para Rz, en el que se contemple la influencia de ambos parmetros y las constantes que aparezcan dependan del resto de parmetros fijados. De acuerdo con lo expuesto en [20], se puede proponer un modelo potencial del tipo Taylor, para el comportamiento de los parmetros 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 (5)Rz = K vX aY (6)

Que mediante regresin mltiple permitan determinar K, K, x, x, y, e y de la expresin (5) y (6). Al efectuar dicha regresin se han obtenido los siguientes valores:

K = 21.38 K = 131.83 x = - 0.16 x = -0.24 y = 1.01 y = 0.88

De acuerdo con lo anterior, el modelo propuesto adopta la forma:

Ra = 21.38 v-0.16 a1.01 (7)Rz = 131.83 v-0.24 a0.88 (8)

La buena aproximacin realizada se ve reflejada por los valores del coeficiente de determinacin, las desviaciones estndar de los residuales y el error absoluto de la media.

Las ecuaciones (7) y (8) se pueden representar grficamente mediante una superficie Coons interpolando las familias de curvas de Bzier 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 parmetros de rugosidad estudiados, con v y a. Asimismo, predicen el comportamiento de Ra y Rz en funcin del avance, para una velocidad de corte determinada, mediante planos paralelos al definido por Ra Rz y a (Plano A-B-C). De igual forma, trazando planos paralelos al definido por Ra Rz y v (Plano D-E-F-G), es posible predecir la evolucin de Ra y Rz con la velocidad de corte para un avance determinado.

Figura 8. Superficie Coons de la evolucin: (A) de Ra con v y a, y (B): de Rz con v y a. En estas figuras, es conveniente remarcar, que la interseccin 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 parmetros de corte implicados. En resumen, es posible construir un modelo del parmetro Ra y Rz en funcin del avance y velocidad de corte. Estos modelos permiten predecir el comportamiento del sistema en condiciones distintas de las estudiadas experimentalmente. 4. Aplicacin de UNE-EN ISO 4288 y UNE-EN ISO 1302 En la tabla II, se muestran las mediciones realizadas del parmetro Ra en el mecanizado en seco de esta aleacin, cuando se aplica 127 m/min, 0.05 mm/rev y 2 mm.

Tabla II. Valores de Ra obtenido en el torneado de la aleacin de Al-Cu.

Tramos G-0 G-90 G-180 G-270 01-00 (m) 0.63 0.60 0.61 0.61 03-02 (m) 0.42 0.62 0.52 0.52 06-05 (m) 0.48 0.49 0.51 0.50 08-07 (m) 0.41 0.41 0.47 0.42 10-09 (m) 0.43 0.41 0.44 0.41

La aplicacin de la regla del 16 % para los valores obtenidos [21], permite establecer como especificaciones bilaterales en este caso, son:

Limite superior de especificacin: Ra = 0.60 m Limite inferior de especificacin: Ra = 0.41 m

De acuerdo con esto, las mediciones del parmetro Rz, son:

Limite superior de especificacin: Rz = 4.06 m Limite inferior de especificacin: Rz = 2.76 m

En consecuencia, para el caso estudiado atendiendo a [11], su anotacin simblica, es:

En la anotacin simblica que se representa, se asume por defecto la banda de transmisin y la longitud de evaluacin. En la realizacin de este trabajo, se han obtenido los lmites superior e inferior de Ra y Rz del torneado en seco de esta aleacin, para todas las combinaciones de velocidad de corte y avance que se recogen en la tabla I. 5. Conclusiones En el diseo 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 geomtricas y dimensionales. En este trabajo, se ha estudiado la influencia de los procesos de mecanizado con los aspectos microgeomtricos de piezas torneadas en seco de la aleacin 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 precisin del grado de acabado. Los datos obtenidos permiten establecen modelos paramtricos y superficies Coons que predicen los valores de estas desviaciones, para el rango de velocidad de corte y avance considerado. Finalmente, la metodologa empleada en este trabajo, permite la anotacin simblica de los estados superficiales atendiendo a las normativas actuales. Agradecimientos Este trabajo ha recibido financiacin de la Comisin Interministerial de Ciencia y Tecnologa (CICYT) proyecto DPI2001-3747, de AIRBUS Espaa, de la Junta de Andaluca (ATT-2003) y de Fondos Europeos de Desarrollo Regional (FEDER). Referencias [1]. E. Angelucci, Aviones, ayer, hoy y maana, Argos, Madrid, 1965. [2]. J. Hinrichsen and C. Bautista, The challenge of reducing both airframe weight and

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