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th
Proceedings of the 5 Manufacturing Engineering Society International Conference – Zaragoza – June 2013
A Metrological Evaluation of Secondary Adhesion Wear effects
in the Dry Turning of UNS-A92024-T3 alloy through FocusVariation Microscopy (FVM)
D. García-Jurado(1), J.M. Mainé(1), M. Batista(1), L. Shaw(2), T. Hausotte(2),
M. Marcos(1)
(1)
Departamento de Ingeniería Mecánica y Diseño Industrial, Universidad de Cádiz. Escuela Superior
de Ingeniería. c/ Chile 1, E-11002, Cádiz (España). E-mail: [email protected]
(2)
Institute of Manufacturing Metrology, University Erlangen-Nuremberg, Naegelsbachstr 25, D91052, Erlangen (Alemania)
RESUMEN
El concepto de desgaste en herramientas de corte ha sido generalmente relacionado
con la pérdida de material. Actualmente, no solo debe ser considerado únicamente
en este sentido, ya que el desgaste está relacionado con la alteración de las
propiedades o características geométricas y/o fisicoquímicas que modifican las
condiciones iniciales de corte. Las alteraciones geométricas también incluyen la
adición de material. La transferencia de material pieza-herramienta durante el
proceso de mecanizado de aleaciones de aluminio, está relacionado con el
mecanismo de desgaste por adhesión secundaria o indirecta en forma de capa (BuiltUp Layer, BUL) sobre la cara de desprendimiento o en volumen (Built-Up Edge, BUE)
sobre el filo. En el presente trabajo se han evaluado los efectos del desgaste por
adhesión secundaria en herramientas de WC-Co en el proceso de torneado en seco
de la aleación UNS-A92024-T3 a partir de modelos geométricos tridimensionales de
las herramientas ensayadas, generados empleando Microscopía de Foco Variable
(MFV). Para ello, se han definido parámetros que cuantifiquen la adhesión de
material.
Palabras clave: UNS-A92024; desgaste por adhesión; Built-Up Layer; Built-Up Edge;
Microscopía de Foco Variable (FVM)
ABSTRACT
Tool wear concept has been usually related with the loss of tool material. Currently,
it must not involve only this way, since wear includes all the changes of the tool
properties -geometrical and physicochemical- which modify the initial cutting
conditions. Therefore, tool geometrical alterations also include material addition.
Transfer of cutting material to cutting tool during machining process of aluminium
alloys, is strongly related with the secondary or indirect adhesion wear mechanisms,
in form of layer (Built-Up Layer, BUL) onto the tool rake face and/or bulk (Built-Up
Edge, BUE) located on the cutting edge. High resolution tridimensional models from
cutting tool tested have been obtained with Focus-Variation Microscopy (FVM)
techniques, and definition of adhesion wear parameters, have allowed evaluating
the wear effects on WC-Co cutting tools in the dry turning of UNS-A92024-T3 alloy.
Keywords: UNS-A92024; tool adhesion wear; Built-Up Layer; Built-Up Edge; FocusVariation Microscopy (FVM)
1. Introducción
El sector aeroespacial ha sido tradicionalmente un promotor para el desarrollo y aplicación de
materiales avanzados en ingeniería. La demanda de estos materiales es generalmente estimulada por
los requisitos funcionales de los componentes, que se integran en un sistema técnico complejo. Las
principales cuestiones que se abordan en el desarrollo de materiales avanzados son las propiedades,
procesos de fabricación y coste asociado. En este contexto, las aleaciones de aluminio son ampliamente
utilizadas en el sector transporte y particularmente en el diseño y fabricación de componentes
aeronáuticos.
Pese al relativo descenso en el empleo de las aleaciones de aluminio, Figura 1, la combinación de
propiedades específicas, coste, comportamiento predecible y fiabilidad, unido a muchos años de
th
experiencia en la fabricación, capacidad de reciclaje y un impacto ambiental mínimo, aseguran que las
aleaciones de aluminio continuarán teniendo un elevado peso específico en la fabricación de
componentes estructurales aeronáuticos. La evolución de las aleaciones de aluminio ha conllevado un
desarrollo en paralelo de los procesos de conformado por arranque de material por métodos
convencionales, siendo de los más extendidos en el sector aeroespacial.
Figura 1. Evolución de materiales para programas aeronáuticos comerciales (Adaptado de [1])
De la necesidad de conformar estas aleaciones, bajo condicionantes más agresivos motivados por las
nuevas legislaciones en materia medioambiental [2], surge la necesidad de controlar o disminuir los
efectos del desgaste en la herramienta de corte bajo unas condiciones de operación establecidas,
debido a que afectan directamente a la vida de la herramienta, así como a la pérdida de calidad de los
elementos mecanizados [3-5], repercutiendo inevitablemente en la rentabilidad del proceso. Uno de los
posibles caminos para obtener ratios de mejora en esta fase del proceso es el aumento en la vida de la
herramienta.
El concepto de desgaste ha sido generalmente relacionado con la pérdida de material. Actualmente, no
sólo debe ser considerado únicamente en este sentido, ya que el desgaste está relacionado con la
alteración de características geométricas o propiedades fisicoquímicas que modifican las condiciones
iniciales de corte. Por tanto, las alteraciones geométricas también incluyen la adición de material. El
mecanismo de adhesión y concretamente la adhesión secundaria o indirecta se estima el mecanismo de
desgaste predominante en el mecanizado de las aleaciones de aluminio y es considerado el principal
causante del desgaste [6-8], donde se produce una transferencia de material del elemento a
mecanizado a través de la viruta a la herramienta de corte, modificando los parámetros iniciales de la
herramienta.
De acuerdo con este mecanismo, durante los primeros instantes de mecanizado se incorpora una
delgada capa de material, cuya composición es cercana al aluminio puro, sobre la cara de
desprendimiento, formando el Built-Up Layer (BUL) primario, originado y desarrollado por causas
termomecánicas [6,9]. Posteriormente favorecido por las características microestructurales y
geométricas de la etapa anterior y de forma mecánica se adhiere material al filo de corte cuya
composición es similar a la aleación, formando el Built-Up Edge (BUE) [6,8,9]. A continuación, evoluciona
una capa de BUL secundario, originado por la extrusión mecánica del BUE sobre el BUL primario [8,10].
En ambos casos, se modifican las propiedades geométricas y fisicoquímicas de la herramienta de corte.
La formación de BUL y BUE, se considera un proceso dinámico e inestable durante el proceso de
mecanizado, incluyendo una fase de iniciación en la zona de contacto herramienta-viruta, crecimiento
hasta cierto espesor y geometría irregular, y por último se produce un colapso y ruptura por acción
mecánica [8,11], pudiendo desprender partículas de la herramienta y favorecer otros tipos de desgaste.
Hasta el momento se observa una carencia generalizada de estudios sobre la evaluación del BUL y BUE
en el mecanizado de aleaciones de aluminio, principalmente debido a la dificultad que presenta su
caracterización y cuantificación. Los principales estudios se centran en determinar, monitorizar y
analizar variables indirectas o consecuencias del desgaste a través de parámetros relacionados con el
proceso y los elementos mecanizados [8-10].
En este trabajo se pretende establecer una metodología basada en la propuesta y definición de
parámetros metrológicos que caractericen los efectos del desgaste por adhesión secundaria o indirecta
en el torneado horizontal en seco de la aleación de aluminio UNS A92024-T3, empleando herramientas
th
de WC-Co sin recubrimiento. Para ello, se han obtenido modelos tridimensionales de alta resolución
sobre las diferentes zonas de la herramienta de corte donde se localizan el BUL y el BUE empleado la
técnica de microscopia de foco variable (FVM), permitiendo realizar una evaluación directa, sin contacto
y no destructiva de la evolución del desgaste bajo las condiciones de ensayo establecidas.
2. Fase experimental
Para los ensayos se emplearon barras cilíndricas de la aleación de aluminio UNS-A92024 en estado T3,
cuya composición nominal en masa ha sido indicada en la Tabla 1.
Tabla 1. Composición química nominal (wt %) de la aleación UNS-A92024
Cu
Mg
Mn
Zn
Si
Fe
Ti
Cr
Al
3,8-4,9 1,2-1,8 0,3-0,9
0,25
0,5
0,5
0,1
0,1 Resto
Con objeto de evitar complejidades derivadas de aspectos geométricos pieza-herramienta, el estudio
realizado se ha llevado a cabo a partir de ensayos de torneado horizontal en seco en un centro de
torneado CNC EMCOTurn 242 con control EmcoTronic TM02, Figura 2. Se han empleado herramientas
intercambiables de Carburo de Wolframio (WC-Co) sin recubrimientos de SECO®, con referencia ISO
DCMT 11T308-F2-HX, Figura 3.
Figura 2. Centro de torneado EmcoTurn 242
Figura 3. Características de la herramienta
En la ejecución de los ensayos, se ha establecido un rango de parámetros tecnológicos de corte
empleados usualmente en ciertas fases del proceso en la fabricación de componentes aeronáuticos,
Tabla 2. En cada uno de los ensayos se ha utilizado una herramienta nueva, con el fin de garantizar las
mismas condiciones iniciales de partida.
Tabla 2. Parámetros tecnológicos de corte seleccionados
Velocidad de corte, vc (m/min)
Avance, f (mm/rev)
Profundidad de corte, d (mm)
50
0,05
100
0,10
1
150
0,20
200
0,30
Para evaluar el nivel de desgaste en las herramientas se ha empleado un microscopio topográfico óptico
Alicona InfiniteFocus IFM G4e, Figura 4. Este sistema de medición se fundamenta en la técnica de
Microcopia de Foco Variable (MFV), recientemente incluida en la norma ISO 25178-6 para medir la
calidad superficial sin contacto [12]. El principio de variación de enfoque combina la pequeña
profundidad de campo de un sistema óptico con la exploración vertical automatizada, proporcionando
modelos tridimensionales topográficos en colores reales de las superficies complejas estudiadas [13,14].
Para realizar un análisis metrológico del desgaste se han obtenido modelos topográficos 3D de alta
resolución sobre la cara de desprendimiento. Se ha seguido una sistemática basada en el análisis de
diferencias para la obtención de desviaciones entre los modelos 3D de la misma herramienta de corte
antes (definida como fase premecanizado) y después de la realización de los ensayos de torneado bajo
las condiciones de corte establecidas (fase posmecanizado), Figura 5. Una vez obtenidos ambos modelos
de la misma herramienta y tras realizar un proceso de alineación, tomando como referencia para el
análisis la herramienta en fase premecanizado, se obtiene un nuevo modelo 3D (desgaste) que refleja
información del cambio geométrico y de características iniciales de la herramienta, es decir, el nivel de
desgaste por adhesión secundaria en forma de BUL y BUE.
th
Z
Curva de enfoque
X
Posición de la forma
Posición de Z
a)
Medida de enfoque
y
Figura 4.a) Microscopio de foco variable Alicona InfiniteFocus, b) Detalle de montaje
Modelo 3D htas. Fase premecanizado
(Referencia)
Desgaste por adhesión secundaria
Estrategia y realización de ensayos de torneado
Modelo 3D htas. Fase posmecanizado
Área de estudio cara
desprendimiento
Área de estudio cara
desprendimiento
Modelo 3D de desgaste por
adhesión secundaria (BUL-BUE)
Histograma de alineación
Análisis 3D diferencial de herramientas
V+
Parámetro para evaluación
del desgaste por adhesión
Figura 5. Esquema de la metodología experimental, ensayo vc=50 m/min, f= 0,30 rev/min, d=1 mm.
Previo a la obtención de los modelos 3D, se han analizado y establecido las principales variables de
influencia que intervienen en la captura, condiciones de iluminación y magnificación, con motivo de
garantizar la precisión y calidad de las medidas realizadas. Para la obtención de los modelos 3D en fase
premecanizado y posmecanizado, se ha empleado un objetivo de 20X e iluminación coaxial LED
modulable y alta intensidad, resolución vertical y horizontal igual a 1 µm y 3µm respectivamente. El
volumen de medición a estudiar sobre las herramientas de corte (x,y,z), está formado por una matriz de
modelos 3D individuales (4 filas y 8 columnas) que componen el modelo extendido de 32 capturas sobre
la zona estudiada de dimensiones lx = 2590 µm (eje x), ly = 3710 µm (eje y), donde el valor lz (eje z) está
condicionado por el nivel de desgaste en la herramientas en fase posmecanizado.
3. Resultados y discusión
A partir de la metodología llevada a cabo en la fase experimental, se ha realizado un análisis
comparativo de la evolución del desgaste por adhesión secundaria bajo las condiciones y rangos de
parámetros de corte establecidos (vc, f, d). Para ello, se ha definido el parámetro relacionado con el
volumen de material adherido (V+) sobre la herramienta de corte provocado por el mecanismo de
adhesión. Este parámetro describe cuantitativamente el nivel de desgaste, el cual es obtenido a partir
de los modelos 3D de desgaste derivado de la comparación entre las herramientas en fase
premecanizado y posmecanizado. La Figura 6 muestra la evolución del desgaste en términos de V+ en
función de (a) el avance (f) y (b) la velocidad de corte (vc).
th
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
Velocidad de avance (f) en mm/rev
0,2 mm/rev
0,3 mm/rev
3E+7
4E+7
5E+7
6E+7
7E+7
8E+7
0,3
0,1 mm/rev
2E+7
5E+7
4E+7
3E+7
2E+7
a)
0,05 mm/rev
1E+7
150 m/min
0E+0
200 m/min
Volumen de material adherido (V+) en µm3
7E+7
100 m/min
6E+7
50 m/min
1E+7
0E+0
Volumen de material adherido (V+) en µm3
8E+7
b)
50
100
150
Velocidad de corte (vc) en m/min
200
Figura 6. a) Evolución del volumen de material adherido (V+) en función del avance (f) b) Evolución del
volumen de material adherido (V+) en función de la velocidad de corte (vc)
En la figura anterior, puede observarse la influencia de los parámetros tecnológicos de corte empleados
en la realización de cada uno de los ensayos de torneado. A partir de un primer análisis, a medida que
aumenta la velocidad de avance aparece una tendencia general a incrementar la probabilidad de
aparición e intensidad adhesión (aumento de V+), Figura 6.a. Este comportamiento puede observarse en
los ensayos de vc=50 m/min y velocidad de avance incluidos en el intervalo de 0,05 a 0,3 mm/rev. En la
Figura 7 se muestra gráficamente como se produce un incremento considerable del volumen de
material adherido a medida que aumenta la velocidad de avance para vc de 50 m/min. Cabe destacar
como evoluciona la morfología del BUL secundario y BUE a medida que se produce un incremento en el
avance, repercutiendo en cambios en la distribución del volumen de material adherido sobre la cara de
desprendimiento y filo de corte. En el caso de ensayos con avances relativamente pequeños e
intermedios (0,05 y 0,20 mm/rev), se observa que el espesor de BUE en el filo de corte es prácticamente
inexistente en la corta duración de los ensayos (10 s), mientras que para el avance de 0,30 mm/rev, el
espesor de BUE aumenta hasta valores de espesor próximos a 210 µm. Un comportamiento similar se
presenta en el área afectada por la adhesión secundaria sobre la cara de desprendimiento,
observándose que presenta una relación directa con el avance aplicado.
Este aumento en la intensidad del desgaste por adhesión secundaria para velocidades de corte
constante puede ser explicado a través del aumento de la temperatura en la zona de contacto virutapieza, favorecida por la baja conductividad térmica de la herramienta empleada, así como la ausencia de
fluidos de corte, las cuales favorecen el mecanismo de adhesión secundaria [8].
Figura 7. Evolución de BUL-BUE para ensayos con vc=50 m/min y f indicados en la figura
th
Según estos resultados, todo parece indicar que el avance favorece el mecanismo por adhesión
secundaria, en buen acuerdo con [8], así como la cantidad de material adherido en el filo de corte y la
cara de desprendimiento, presentando una mayor variabilidad a medida que la velocidad de avance
aumenta. A velocidades intermedias 100 y 150 m/min, existe una tendencia a estabilizarse a medida que
aumenta este parámetro, aunque esta hipótesis parece no coincidir para el ensayo vc=200 m/min y
f=0,20 mm/rev. La singularidad de este hecho ya fue apreciada en ensayos similares en [6].
La velocidad de corte parece tener una influencia significativa en la cantidad de material adherido sobre
la herramienta en forma de BUL y BUE. En términos generales a medida que aumenta la velocidad de
corte aumenta la intensidad de desgaste por adhesión secundaria, a excepción de los ensayos a
velocidad de avance de 0,30 mm/rev, donde el aumento de la velocidad favorece la disminución de
material adherido. Para las velocidades extremas analizadas (vc=50 m/min y vc=200 m/min) se puede
observar una elevada variabilidad en la cantidad de material adherido. En cambio, se aprecia una menor
dispersión a velocidades de corte intermedias de 100 y 150 m/min. Para velocidades de avance de 0,05
y 0,10 mm/rev la velocidad de corte parece tener una menor influencia en el nivel de desgaste.
La Figura 7 pone de manifiesto que el volumen de material adherido aporta información relevante
acerca del nivel de desgaste, aunque carece de información relativa a la distribución y morfología del
material incorporado sobre la cara de desprendimiento y filo de corte. En la Figura 8, se muestran un
análisis de la morfología del material adherido utilizando el software Talymap Platinium. Para ello, se
han empleado perfiles de forma bidimensionales a través del filo de corte, paralelos a la dirección de
fluencia de la viruta, para las herramientas en la fase premecanizado y posmecanizado. Se han analizado
los ensayos con menor y mayor nivel de desgaste, Figuras 8(a) y 8(b). Comparando ambos ensayos, se
puede observar como la cantidad y morfología de material adherido provocan severas modificaciones
sobre la geometría inicial de la herramienta, donde los parámetros tecnológicos de corte analizados
tienen una relevancia muy significativa.
En la Figura 8(c) se muestra la herramienta de corte ensayada bajo las condiciones vc=200 m/min y
f=0,20 mm/rev comentada anteriormente. Se puede observar cómo la intensidad del material adherido
sobre la cara de desprendimiento aumenta a medida que aumenta la distancia respecto al filo de corte.
El espesor de BUE representa aproximadamente el 20% del espesor del BUL secundario. Este fenómeno
pude ser debido a que la formación de BUE y BUL es desarrollado bajo un proceso cíclico e inestable
durante el proceso de corte [8, 11]. Por tanto, en el caso abordado, en instantes previos al analizado
posiblemente se haya alcanzado el espesor crítico de BUE y por consiguiente, se haya fracturado y
desprendido parte de material adherido sobre el filo de corte, debido a que existen evidencias de
diferentes capas de BUL secundario extruido y estratificado sobre la cara de desprendimiento [8].
La morfología del material adherido obtenida se encuentra en contraposición al caso mostrado en la
Figura 8(b), donde no se ha alcanzado el espesor crítico de BUE y por lo tanto no se ha desprendido del
filo. Comparando ambas herramientas, se puede observar niveles de desgaste del mismo orden en
términos de V+, sin embargo la geometría, morfología y distribución del material depositado sobre el
filo de corte y cara de desprendimiento son sensiblemente diferentes y complementarias, afectando por
tanto de manera diferente a los parámetros geométricos de corte iniciales.
4. Conclusiones
En el presente trabajo se ha presentado una propuesta metodológica para la evaluación metrológica y la
cuantificación de los efectos del desgaste por adhesión secundaria en herramientas de WC-Co sin
recubrimiento en el proceso de torneado horizontal en seco de la aleación de aluminio UNS-A92024-T3
(Al-Cu) de marcado interés en la fabricación de componentes estructurales aeronáuticos.
Se ha empleado la técnica de Microscopía de Variación de Enfoque (MFV), que ha permitido obtener
modelos tridimensionales de alta resolución de los efectos del desgaste por adhesión secundaria en las
herramientas de corte estudiadas bajo los parámetros tecnológicos de corte establecidos, basados en
un análisis diferencial, es decir, comparando las herramientas sin ensayar y tras la realización de los
ensayos.
th
Hta. sin ensayar (premecanizado)
0
0.5
1
1.5
2
2.5 mm
Diferencia (adhesión secundaria)
a) Menor nivel de desgaste (V+) vc=50 m/min, f=0,05 mm/rev, d=1 mm
µm
0
0.25
Hta. ensayada (posmecanizado)
60
0.5
0.75
50
1
40
1.25
30
A
1.5
1.75
20
2
10
2.25
0
B
2.5
2.75
-10
3
-20
3.25
3.5
0.25
0
0.75
0.5
1.25
1
1.5
1.75
2.25 mm
2
A
mm
0
0.5
1
1.5
2
B
2.5 mm
0
b) Mayor nivel de desgaste (V+) vc=50 m/min, f=0,30 mm/rev, d=1 mm
µm
0.25
0.5
250
0.75
1
200
1.25
A
1.5
1.75
150
2
100
2.25
B
2.5
2.75
50
3
0
3.25
3.5
0
mm
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
1.75
2
A
0
0.5
1
1.5
2
2.5 mm
0
0.25
2.25 mm
B
c) vc=200 m/min, f=0,20 mm/rev, d=1 mm
µm
100
0.5
0.75
80
1
1.25
1.5
1.75
2
60
A
40
20
2.25
2.5
2.75
B
0
3
3.25
3.5
mm
-20
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
1.75
A
2
2.25 mm
B
Figura 8. Análisis comparativo de la morfología del material adherido BUL-BUE
A través de la propuesta y definición de un parámetro en términos de volumen de material adherido
(V+), ha sido posible cuantificar el nivel de desgaste, así como realizar un análisis comparativo a partir
de los parámetros tecnológicos de corte empleados, analizando cuales son los parámetros de mayor
influencia en la intensidad del desgaste.
La comparación de perfiles bidimensionales de forma a través del filo de corte y cara de
desprendimiento sobre la herramienta de corte antes y después de ser ensayadas, ha permitido evaluar
los cambios morfológicos y de distribución del material adherido en las zonas de influencia de la
herramienta donde se localiza el desgaste. Por lo tanto, la definición de V+ y análisis morfológico del
material adherido, así como las características intrínsecas del método de medición empleado, han
permitido garantizar la bondad e idoneidad de la metodología empleada para la evaluación del desgaste
por adhesión secundaria.
Los resultados obtenidos han mostrado una dependencia alta del parámetro V+ con la velocidad de
corte, mientras que el avance repercute en la velocidad de formación de los efectos de desgaste (BUL y
BUE).
th
5. Agradecimientos
Este trabajo ha sido financiado por el Gobierno Español a través del Proyecto DPI2011-29019, la Unión
Europea (FEDER/FSE) y la Junta de Andalucía, enmarcado en una colaboración entre el Área de
Ingeniería de los Procesos de Fabricación, el Centro de Metrología Industrial, ambos pertenecientes a la
Universidad de Cádiz y el Institute of Manufacturing Metrology de la Universidad Erlangen-Nuremberg.
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