estudio de la maquinabilidad de elastÓmeros en rÉgimen de … · [email protected],...

MEMORIAS DEL XVI CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 22 al 24 DE SEPTIEMBRE, 2010 MONTERREY, NUEVO LEÓN, MÉXICO

Derechos Reservados © 2010, SOMIM

ESTUDIO DE LA MAQUINABILIDAD DE ELASTÓMEROS EN RÉGIMEN DE ENFRIAMIENTO POR CO2 - INFLUENCIA EN FUERZAS DE CORTE, TEMPERATURA Y ACABADO

SUPERFICIAL- 1Toscano Reyes Hernán, 1Siller Carrillo Héctor R., 1Cue Sampedro Rodrigo, 1Rodríguez González Ciro A.,

2Elías Zúñiga Álex, 3Licea Jiménez Liliana

1Centro de Innovación en Diseño y Tecnología, Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey, Av. Eugenio Garza Sada 2501 Sur, CP 64849 Monterrey, N.L., MEXICO

Teléfono: (81) 83582000 ext. 5105, [email protected]

2Departamento de Ingeniería Mecánica, Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey, Av. Eugenio Garza Sada 2501 Sur, CP 64849 Monterrey, N.L., MEXICO

Teléfono: (81) 83582000 ext. 5005

3 CIMAV, S.C. Unidad Monterrey, Alianza norte 202, Apodaca, N. L., Mexico 66600 Teléfono: (81) 11560800

[email protected], [email protected], [email protected] [email protected], [email protected], [email protected]

RESUMEN En este trabajo de investigación se estudia la influencia de los parámetros de corte en la maquinabilidad de elastómeros, tipo de material que tiene una amplia aplicación en industrias de alto valor agregado e impacto social, como la biomédica y la aeroespacial. Los experimentos se han realizado recopilando señales de fuerzas de corte y temperatura durante un proceso de torneado con herramientas de corte con insertos intercambiables, a temperatura ambiente y en régimen de pre – enfriamiento por CO2. Los resultados han demostrado que en régimen de pre-enfriamiento con parámetros calibrados previamente y el uso de herramientas de corte con ángulos negativos, el acabado superficial y la calidad de las piezas maquinadas mejora considerablemente. ABSTRACT This research work studies the influence of cutting parameters in the machinability of elastomeric materials. This type of material has a vast application in significant and high social impact industries, such in biomedical and aerospace. The experiments have been performed through the gathering of cutting forces and temperature signals during a turning process with commercial cutting tools with interchangeable inserts, room temperature and a pre cooling regimen by CO2. Results have proved that in a pre cooling regimen with previously calibrated parameters and the use of cutting

tools with negative angles, the surface finish of the workpieces can be improved considerably. NOMENCLATURA

Variable Definición Unidad

de medida

Vc Velocidad de Corte m/min fn Avance por revolución mm/rev ap Profundidad de corte mm Fx Fuerza axial N Fz Fuerza de corte N Fy Fuerza radial N Tc Temperatura de corte ºC

Ra Rugosidad media aritmética µm

H1 Herramienta de Corte no.1 --

H2 Herramienta de corte no.2 --

Dext Diámetro Externo mm Dint Diámetro interno mm

Tabla 1. Nomenclatura del estudio.

INTRODUCCIÓN

Un biomaterial es un material sintético que no produce efectos adversos en el organismo cuando se pone en contacto con los tejidos vivos y los líquidos fisiológicos, puede emplearse para evaluar, tratar, aumentar, completar o reemplazar un órgano o tejido vivo; se diferencia de un material biológico en que este es producido por un sistema biológico, pero un material biológico



puede tratarse para ser empleado como biomaterial (1). Existe una amplia gama de materiales biocompatibles o biomateriales dentro de la que destacan las aleaciones de titanio, algunos polímeros termoplásticos y los elastómeros. Estos últimos son considerados materiales de difícil maquinabilidad debido a la dificultad que existe para procesarlos mediante arranque de viruta. Generalmente suelen lograr acabados superficiales rugosos y no aptos para que las piezas maquinadas sean utilizadas en biomedicina. La ingeniería de superficies en ingeniería biomédica es considerada un sub-conjunto de la ingeniería de precisión, micro ingeniería y nanotecnología. Cada superficie biomédica es diseñada para aplicaciones muy específicas y para lograr alcanzar valores adecuados de calidad superficial se requiere controlar los procesos de manufactura, mediante la calibración adecuada de los parámetros de operación y de la utilización de sensores que permitan recopilar información en línea del proceso (2).

El objetivo principal de este estudio es mejorar la calidad superficial final de elastómeros maquinados, comparando mediciones de rugosidad final obtenidas en temperatura ambiente y con un pre-enfriamiento por CO2 de las piezas de trabajo. Se pretende desarrollar una metodología experimental válida que permita el registro de señales de las fuerzas de corte y la temperatura de corte para el análisis de la influencia de los parámetros de corte en la maquinabilidad de elastómeros. METODOLOGIA La sujeción necesaria para la experimentación se ha diseñado para asegurar que el material tenga estabilidad dinámica durante el proceso de corte. Se han utilizado herramientas con insertos intercambiables y previamente se han calibrado los parámetros de corte. Ha sido necesario determinar las variables de respuesta más representativas de la maquinabilidad del material de la pieza de trabajo. Estas son fuerzas de corte, temperatura del proceso y rugosidad superficial promedio Ra (3). La Figura 1 representa gráficamente la metodología descrita.

Figura 1. Metodología del estudio.

MONTAJE EXPERIMENTAL Los experimentos se realizaron en un Torno Horizontal Milltronics ML-14 CNC, con potencia de 11/7.5 kW. El montaje de la herramienta de corte incluye una base de acero para poder llegar al centro de la máquina, un sujetador de buril es utilizado para fijar las herramientas al dinamómetro, el contra punto del torno se utiliza para tener una mayor estabilidad en el corte (ver Figura 2). La tabla 2 lista las características del material de la pieza de trabajo y de las herramientas de corte. Además, el registro de las variables de respuesta se realizó con el equipo listado en la tabla 3.

Figura 2. Montaje experimental.



Tabla 2. Características de pieza de trabajo, y herramientas de corte Pieza de trabajo

Denominación SAE J200 Dureza: 65º Shore "A" +/-5º Fuerza de tensión: 4 MPa Elongación a la ruptura: 250%

Características técnicas

Resistencia al desgarre: 15 kg/cm2

Geometría Dext=50 mm , Dint =25.5 mm 60 mm longitud de corte

Herramienta de Corte 1 (H1) Porta Inserto ISO: MDJNR-12-3B

Geometría: ángulo de ataque: -6º, ángulo de desahogo: -6º

Inserto ISO: DNMG110408-MTF Tp200

Herramienta de Corte 2 (H2) Porta Inserto ISO: MDPNN-12-4B

Geometría: ángulo de ataque: -9º, ángulo de desahogo: -9º

Inserto ISO: DNMG150408HQ

Tabla 3. Equipos de metrología y caracterización

Equipos de medición: Fuerzas de Corte:

Kistler 9257B Dinamómetro piezoeléctrico: Escala (x,y,z)

10 y 100 MU/Volt Adquisición de datos: Tarjeta NI

6062E Frecuencia de muestreo 3 kHz Interfaz grafica: LabView 8.1 Temperatura Termopar Tipo K Morfología de la Viruta Microscopio Electrónico de Barrido SEM-JEOL-JSM35

Rugosidad:

Rugosimetro Carl Zeiss Surfcom 1500SD2

Parámetros de muestreo λ=8, l=40 mm ISO 97

DISEÑO EXPERIMENTAL Siguiendo la metodología propuesta, se utilizó un diseño de experimentos tipo factorial completo con cuatro factores y una ap= 0.5 mm constante. Se utilizaron dos niveles 400 y 600 m/min para Vc, 0.025 y 0.05 mm/rev para fn, dos temperaturas de la pieza de trabajo (temperatura ambiente y con un pre – enfriamiento por CO2 en un periodo de 6 horas previas al montaje (4) y dos configuraciones para las herramientas de

corte dando un total de 16 condiciones de corte; se realizaron 3 réplicas para cada condición teniendo un total de 48 experimentos para este estudio. La tabla 4, muestra los factores y niveles respectivamente.

Tabla 4. Factores y niveles del diseño de experimentos

Velocidad de Corte Vc,(m/min) 400-600

Avance por revolución fn (mm/rev) 0.025-0.05

Temperatura de la pieza de trabajo (ºC) Temp= -75 a 25

Herramienta de corte H1

ángulo de ataque: -6º, ángulo de desahogo: -6º

H2 ángulo de ataque: -9º, ángulo de desahogo: -9º

RESULTADOS En la Figura 3 se muestra la gráfica de la rugosidad superficial promedio (Ra) de las piezas maquinadas en una temperatura ambiente (Temp= 25ºC), se observa que la herramienta H2 con fn= 0.05 mm/rev en los dos niveles de Vc contribuye a la máxima rugosidad registrada en esta temperatura de la pieza de trabajo. Se observa también que las mediciones tienen una variación relativamente amplia en cada arreglo experimental. Esto debido a las vibraciones que genera el elastómero al ser sometido a la presión por las herramientas de corte en cada experimento (5).

Figura 3. Rugosidad generada en la pieza de trabajo a

temperatura ambiente.



Figura 4. Rugosidad generada en la pieza de trabajo con pre-enfriamiento.

Se aprecia en la Figura 4 que la rugosidad superficial promedio (Ra) de las piezas de trabajo con pre – enfriamiento por CO2 disminuye considerablemente sobre todo en la herramienta H1. Se observa que la variabilidad de las mediciones disminuye también debido a las características mecánicas del elastómero. Este fenómeno se presenta en el trabajo de Rodkwan, (5), en el que se comenta que el fenómeno se relaciona con el bajo módulo de rigidez propio de los elastómeros.

Se tiene en esta gráfica (Figura 4) una rugosidad minima de Ra=12.5 µm para la combinación de H1 con Vc= 600 m/min y fn= 0.05 mm/rev para la pieza de trabajo pre –enfriada; mientras que en temperatura ambiente (25ºC) la minima obtenida es de 20 µm con las dos herramientas para Vc= 600 m/min y fn= 0.025 mm/rev; teniendo una diferencia de 7.5 µm entre las rugosidades mínimas obtenidas en las diferentes temperaturas del material de trabajo debido al pre– enfriamiento de las piezas en el periodo mencionado. En la Figura 5 se muestran las superficies de las probetas maquinadas para tener una percepción más clara del acabado final de las piezas; como referencia la Figura 3 muestra los valores de rugosidad superficial promedio (Ra) para la combinación utilizada en el maquinado de las probetas de la Figura 5(a) y 5(b). En estas dos imágenes se observa que el avance por revolución se refleja en la superficie del material debido al bajo módulo de rigidez del elastómero. Éste presenta una mayor resistencia al desgarro por la herramienta, visible en forma de material no arrancado en la superficie. La Figura 5(c) muestra una superficie con un maquinado homogéneo (valores de Ra en la Figura 4) debido al incremento en la rigidez del

material al disminuir la temperatura del mismo. En otras palabras, se logra desprender mayor cantidad de material y tener mejorar la maquinabilidad con estas condiciones. La tabla 5 muestra la ecuación de regresión lineal obtenida, la cual explica el 60.5% de ajuste de la variación en la rugosidad promedio de las piezas de trabajo, el valor P indica que la regresión es significativa. Aunque debido a que el sistema no esta aislado se aprecia dispersión en los resultados obtenidos de la regresión lineal (6).

Figura 5. Acabados superficiales obtenidos de las piezas de trabajo a) H1, Vc=600 m/min, fn=0.025 mm/rev (25ºc), b) H2, Vc=600 m/min, fn=0.025 mm/rev (25ºC) y c) H1, Vc=600 m/min, fn=0.05 mm/rev (-75ºC). Amplificación 10x.

Tabla 5. Ecuación de regresión de la rugosidad de las piezas de trabajo.

Ecuación de regresión: Ra = 16.2 - 0.00178 Vc + 2.75 Temp + 92.2 fn + 0.573 Fx - 0.314Fz R-Sq = 75% R-Sq(adj) = 73.3%% Análisis de varianza: Fuente DF SeqSS Adj SS Adj MS F P Efectos 3 902.7 902.7 300.913 44 0 Error 44 300.6 300.6 6.831 residual Falta 4 196.2 196.2 49.047 18.8 0 De ajuste Error 40 104.4 104.4 2.609 puro Total 47 1204.3 Predictor Coef SE Coef T P Constante 16.239 2.682 6.05 0.000 Vc -0.001785 0.003927 -0.45 0.652 Temp 2.755 1.386 1.99 0.053 fn 92.22 32.02 2.88 0.006 Fx 0.5735 0.4420 1.30 0.202 Fz -0.3140 0.2667 -1.18 0.246

En la Figura 6 se grafica la fuerza resultante del proceso. Se observa que ésta es menor en el torneado de las piezas pre- enfriadas por CO2. Se



aprecia también en la gráfica que la H2 contribuye con las menores fuerzas de corte registradas durante el maquinado del elastómero pre-enfriado. Esto debido en gran parte a la geometría integrada al inserto, el cual permite reforzar los bordes cortantes. El inserto tiene una saliente grande para obtener óptima resistencia, desvía la presión de corte hacia el filo en donde esta bien soportado, en lugar de hacia abajo y fuera en la sección transversal más frágil del borde (7). La tabla 6 muestra la ecuación que predice la fuerza de corte, con un porcentaje del 85.9% de ajuste en los datos experimentales.

Figura 6. Evolución en la fuerza de corte

Tabla 6. Ecuación de regresión de la Fuerza resultante durante el maquinado de elastómero.

Ecuación de regresión: FR = 14.0 + 0.00805 Vc + 8.89 Temp – 16.6 fn R-Sq = 86.6% R-Sq(adj) = 85.9% Análisis de varianza: Fuente DF SeqSS Adj SS Adj MS F P Efectos 3 3824.1 3824.1 1274.71 96.65 0.0 principales Error 44 580.3 580.3 13.19 residual Falta 4 258.1 258.1 64.51 8.01 0.0 ajuste Error 40 322.3 322.3 8.06 puro Total 47 4404.4 Predictor Coef SE Coef T P Constant 14.033 3.101 4.53 0.000 Vc 0.0080 0.005242 1.54 0.132 Temp 8.8869 0.5242 16.95 0.000 fn -16.64 41.93 -0.40 0.694

Como se mencionó en la metodología, la medición de la temperatura en la pieza de trabajo se registró con un termopar tipo K (8). La tabla

7 muestra la ecuación que predice la temperatura de corte con un ajuste de 81.4% en los datos experimentales.

Para la clasificación de la viruta, se adapta el modelo desarrollado por (9) citado en los trabajos base para el desarrollo de esta experimentación (3 y 4). La Figura 7, muestra la codificación para la clasificación realizada. Debido a que las virutas del elastómero son de color negro y no reflejan la luz, lo que dificulta su caracterización con medios ópticos, se utilizó un microscopio de barrido de electrones (SEM-JEOL-JSM35) para obtener las imágenes y realizar la codificación de las mismas.

Figura 7. Metodología de clasificación de virutas

experimentales

Tabla 6. Ecuación de regresión de la temperatura de corte resultante durante el

maquinado de elastómero. Ecuación de regresión: Tc = - 36.9 + 0.0100 Vc + 30.3 Temp + 224 fn + 1.63 FR S = 21.5398 R-Sq = 82.6% R-Sq(adj) = 81.4% Análisis de varianza: Fuente DF Seq SS Adj SS Adj MS F P Efectos 3 96980 96980.1 32326.7 69.68 0 Principales Error 44 20414 20414.4 464.0 Residual Falta 4 415 415.1 103.8 0.21 0.933 Ajuste Error 40 19999 19999.3 500.0 Total 47 117395 Predictor Coef SE Coef T P Constante -36.90 21.65 -1.70 0.096 Vc 0.00998 0.03103 0.32 0.749 Temp 30.299 8.297 3.65 0.001 fn 224.3 242.3 0.93 0.360 FR 1.6342 0.8695 1.88 0.067

En la Figura 8 se muestra la imagen de una de las virutas recolectadas y codificadas, generadas por la H1 con pre- enfriamiento de la pieza de trabajo. Se aprecia que la viruta no se encuentra derretida o quemada, sus bordes son rugosos y en la superficie se observan surcos, lo que caracteriza a esta viruta como del tipo RC. Se observa también que al aumentar la velocidad de corte a Vc=600 m/min y fn= 0.05 mm/rev con la



misma herramienta la viruta cambia al tipo SCM, como se puede observar en la figura 9. Nota: Los puntos blancos que se observan en la superficie se deben a la carga o elementos que se le adicionan al polímero para mejorar sus propiedades. Las Figuras 10 y 11 muestran las virutas generadas a temperatura ambiente con las mismas condiciones de corte que las Figuras 8 y 9 y se puede observar claramente que las virutas están quemadas y se clasifican como del tipo B.

El régimen de pre-enfriamiento genera virutas del tipo RC y SCM (Figura 8 y 9) lo cual indica un corte uniforme en la pieza y fuerzas de corte relativamente bajas (ver Figura 6). La rugosidad superficial promedio obtenida con esta combinación de parámetros es la mínima comparada en las Figuras 3 y 4 representadas en la Figura 5 por la calidad superficial obtenidas en el torneado de las probetas; el incremento en la temperatura de la pieza es el menor del set experimental, lo cual indica que parte del calor generado en la interfaz de la herramienta y la pieza es disipado por el flujo de la viruta.

Figura 8. Virutas, herramienta 1 (H1), régimen de pre- -enfriamiento (CO2) Velocidad de corte VC= 400m/min y avance de fn= 0.05 mm/rev.

Figura 9. Virutas, herramienta 2 (H2), régimen de pre- -enfriamiento (CO2) Velocidad de corte VC= 600m/min y avance de fn= 0.05 mm/rev.

Figura 10. Virutas, Herramienta 1 (H1), temperatura ambiente Velocidad de corte VC= 400m/min y avance de fn= 0.05 mm/rev.

Figura 11. Virutas, Herramienta 2 (H2), temperatura ambiente Velocidad de corte VC= 600m/min y avance de fn= 0.05 mm/rev.



CONCLUSIONES.

A partir de los resultados de este estudio (9) se pueden extraer las siguientes conclusiones: • Se mejora la rugosidad promedio (12.5 µm) con los parámetros Vc= 600 m/min y fn= 0.05 mm/rev que representan la mejor combinación para la calidad superficial obtenida en las piezas maquinadas, en comparación con Yan (4) que reporta en su estudio la mínima de 45 µm.

• El ángulo de preparación del filo del inserto de la herramienta 1 (H1), genera mayores fuerzas de corte, pero al tener una saliente pronunciada antes del ángulo de ataque permite tener mayor contacto con la pieza de trabajo, evita ser afectado en mayor parte por la vibración propia del elastómero. Al disminuir la temperatura del elastómero y con ángulos negativos de las herramientas se generan menores fuerzas de corte que en trabajos previos (4,5) que utilizan ángulos positivos en las herramientas.

Este proceso se puede aplicar, una vez optimizado, en la manufactura de partes de dentadura, tubos traqueales, segmentos de esófago, entre otras, que requieren bajos niveles de rugosidad superficial promedio (alrededor de 3 µm de Ra) (10). Además, se ha comprobado que las herramientas de distribución comercial son factibles para la manufactura de piezas de elastómeros. AGRADECIMIENTOS

Este trabajo ha sido posible gracias al financiamiento del proyecto Conacyt #61061: "Síntesis y Modelos Constitutivos de Polímeros Biocompatibles para Dispositivos Microfluídicos. Se ha contado con apoyo adicional de las cátedras de investigación en Máquinas Inteligentes y Nanomateriales para Dispositivos Médicos del Tecnológico de Monterrey. Se agradece asimismo al Programa Conacyt de Estancias Posdoctorales para el Fortalecimiento de Posgrado. REFERENCIAS

(1) Piña B. Ma. C., Medina M. N., Los Materiales de implante. Materiales Avanzados, 3, 6-12 (2004).

(2) Ramsden J., Allen D. M., Stephenson D. J., Alcock J. R., Pegg G. N., Fuller G., Goch G., The design and Manufacture of

Bioedical Surfaces. Annals of the CIRP 5, 687-711 (2007).

(3) Shih A. J., Lewis M. A., Strenkowski J. S., End Milling of Elastomers- Fixture Design and Tool effectiveness for Material Removal. Journal of Manufacturing Science and Engineering 126, 115-123 (2004).

(4) Yan J., Strenkowski J. S., A finite element análisis of orthogonal rubber cutting, Journal of Material Processing Technology 174: 102-108 (2006).

(5) Rodkwan, S., A numerical and Experimental Investigation of the Machinability os Elastomers. NCSU Tesis Doctoral. (2002).

(6) Montgomery, D. C., Runger, G. C., Probabilidad y estadística aplicada a la ingeniería. 2da. Edicion, Limusa Wiley; (2007).

(7) Chiles, V., Black, S. C., Lissaman, A. J., Martin, S. J., Principios de ingeniería de manufactura. 1ra. Edición en Español, Editorial Continental (2006).

(8) Sullivan D. O., Cottell M., Temperature measurement in single point turning. Journal of Materials Processing Technology 118, 301-308 (2001)

(9) Toscano H., Siller H.R., Rodríguez C.A., Elías-Zúñiga A. Tesis de Maestría en Sistemas de Manufactura: Estudio De La Maquinabilidad De Elastómeros En Régimen De Enfriamiento Por Co2 - Influencia En Fuerzas De Corte, Temperatura Y Acabado Superficial-. Tecnológico de Monterrey (2010).

(10) Xiao-na L., Yi-min Z., Effect of Surface Treatment on the Bonding of Silicone Elastomer to Acrylic Resin. Journal of US-China Medical Science 5, 54-58 (2008).

estudio de la maquinabilidad de elastÓmeros en rÉgimen de … · [email protected],...

Documents