ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DE LOS PARÁMETROS DE CORTE EN LA

RUGOSIDAD SUPERFICIAL DE UN ACERO AISI 1045 TEMPLADO DESDE

TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS Y REVENIDO

OSCAR YESID GUTIÉRREZ BERMÚDEZ

20132375061

CRISTIAN CAMILO GUTIÉRREZ QUINTERO

20132375008

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ

2015

ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DE LOS PARÁMETROS DE CORTE EN LA

RUGOSIDAD SUPERFICIAL DE UN ACERO AISI 1045 TEMPLADO DESDE

TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS Y REVENIDO

OSCAR YESID GUTIÉRREZ BERMÚDEZ

CRISTIAN CAMILO GUTIÉRREZ QUINTERO

TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO

CARLOS ARTURO BOHÓRQUEZ ÁVILA

DOCENTE INGENIERIA MECÁNICA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ

2015

3

CONTENIDO

pág.

INTRODUCCIÓN 13

1. MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES 14

1.1 LOS ACEROS DOBLE FASE 14

1.1.1 Su implementación en la industria 16

1.2 ACEROAISI 1045 18

1.3 ¿QUÉ ES UN DISEÑO DE EXPERIMENTOS? 21

1.3.1 Diseño de experimentos de tipo 3k 23

1.4 ¿QUÉ ES LA RUGOSIDAD? 23

1.5 ¿QUÉ ES MECANIZAR? 25

1.5.1 ¿Con qué se realizaron los mecanizados? 26

1.5.2 Características técnicas 27

1.6 HERRAMIENTAS UTILIZADAS 30

1.7 PARÁMETROS DE CORTE: AVANCE, VELOCIDAD DE CORTE Y PROFUNDIDAD 31

4

1.8 DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE PROBETAS A TRAVÉS DEL DISEÑO DE EXPERIMENTOS 31

1.9 DESCRIPCIÓN DE LAS PROBETAS A MECANIZAR 32

1.10 TRATAMIENTOS REALIZADOS A LAS PROBETAS 33

1.10.1 Temple 34

1.10.2 Revenido 36

1.10.3 Tiempos de mantenimiento en el revenido 37

2. DESARROLLO DEL PROYECTO Y RESULTADOS 38

2.1 ESQUEMA GENERAL DEL PASO A PASO DEL DESARROLLO DEL PROYECTO 38

2.2 RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN NECESARIA 39

2.3 CREACIÓN DEL DISEÑO DE EXPERIMENTOS 39

2.4 ADQUISIÓN DE LOS MATERIALES 40

2.5 PARÁMETROS DE CORTE OBTENIDOS A TRAVÉS DEL ESTADO DEL ARTE 41

2.5.1 Avance 42

2.5.2 Velocidad de corte 42

2.5.3 Profundidad 42

5

2.5.4 Elección de los parámetros de corte para las probetas 43

2.6 MECANIZADO DE LAS PROBETAS SIN TRATAMIENTO 43

2.7 MECANIZADO DE LAS PROBETAS DOBLE FASE DE LOS TRES TIEMPOS DE REVENIDO 44

2.8 TOMA DE MEDIDAS DE LA RUGOSIDAD 45

2.9 RECOPILACIÓN Y TABULACIÓN DE LOS DATOS EXPERIMENTALES 47

2.9.1 Análisis de covarianza 47

2.9.2 Análisis de correlación 48

3. ANÁLISIS E INTERPRETACIONES 49

3.1 ANÁLSIS ESTADÍSTICO 49

3.1.1 Análisis estadístico para probetas sin tratamiento térmico 49

3.1.2 Análisis estadístico para probetas con tiempo de mantenimiento en el revenido de 15 minutos 54

3.1.3 Análisis estadístico para probetas con tiempo de mantenimiento en el revenido de 30 minutos 57

3.1.4 Análisis estadístico para probetas con tiempo de mantenimiento en el revenido de 45 minutos 60

3.2 ANÁLSIS MECÁNICO REALIZADO A LAS PROBETAS 63

4. EVALUACIÓN FINANCIERA DEL PROYECTO 64

6

4.1 MATERIA PRIMA 64

4.2 TIEMPO DE PREPARACIÓN DEL CENTRO DE MECANIZADO 64

4.3 TIEMPOS DE MECANIZADO 65

4.4 COSTO DE MECANIZADO 66

4.5 TIEMPO DE LIMPIEZA Y LUBRICACIÓN DEL CENTRO DE MECANIZADO 66

4.6 COSTO TIEMPO DE LIMPIEZA Y LUBRICACIÓN 66

4.7 COSTO TOTAL DEL USO DEL CNC 66

4.8 TIEMPO DE REALIZACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS 67

4.8.1 Templado 67

4.8.2 Revenido 67

4.9 COSTO TOTAL DE LOS TRATAMIENTOS 68

4.10 TIEMPO DE MEDICIÓN DE RUGOSIDAD 68

4.11 COSTO DE LA MEDICIÓN DE RUGOSIDAD 68

4.12 COSTO DE LOS ARTÍCULOS CONSULTADOS QUE TENÍAN INFORMACIÓN PARA EL INICIO Y EL DESARROLLO DEL PROYECTO 69

4.13 COSTO DEL DESARROLLO DEL PROYECTO 69

7

5. CONCLUSIONES 70

BIBLIOGRAFÍA 71

8

LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1 Diagrama de esfuerzo vs deformación de un acero doble fase 14

Figura 2 Microestructura interna de un acero DP 15

Figura 3 Límite elástico de los aceros DP 16

Figura 4 Aplicaciones del acero DP 17

Figura 5 Microestructura interna de los aceros AISI 1045 19

Figura 6 Celda cristalina de la ferrita BCC 19

Figura 7 Red cristalina de la ferrita BCC 20

Figura 8 Microestructura de la Martensita 21

Figura 9 Superficie mostrando la rugosidad superficial aumentada 24

Figura 10 Rugosímetro de la Universidad Distrital 25

Figura 11 Centro de mecanizado Leadwell Universidad Distrital 26

Figura 12 Especificaciones técnicas centro de mecanizado Leadwell-v20 27

Figura 13 Prensa hidráulica del centro de mecanizado Universidad Distrital 28

Figura 14 Bridas y acoples centro de mecanizado leadwell Universidad Distrital 29

Figura 15 Control FANUC centro de mecanizado Universidad Distrital 29

9

Figura 16 Catálogo escariador marca MasterCut 30

Figura 17 Pieza mostrando los parámetros de corte en general durante un mecanizado 31

Figura 18 Probeta de pruebas 33

Figura 19 Fórmulas de Gur 34

Figura 20 Diagrama de templado en general de un material 35

Figura 21 Procedimiento de templado en recipiente con agua 35

Figura 22 Diagrama de Revenido en general de un material 36

Figura 23 Enfriamiento a temperatura ambiente posterior al revenido 37

Figura 24 Esquema paso a paso general del desarrollo del proyecto 38

Figura 25 Mecanizado de las probetas 44

Figura 26 Mecanizado de las probetas 46

Figura 27 Gráfica de efectos principales para rugosidad 52

Figura 28 Gráfica de interacción para rugosidad 53

Figura 29 Gráfica de efectos principales para rugosidad 55

Figura 30 Gráfica de interacción para rugosidad 56

Figura 31 Gráfica de efectos principales para rugosidad 58

10

Figura 32 Gráfica de interacción para rugosidad 59

Figura 33 Gráfica de efectos principales para rugosidad 61

Figura 34 Gráfica de interacción para rugosidad 62

11

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1 Aceros de alta resistencia SAE J2340 18

Tabla 2 Composición química del acero AISI/SAE 1045 según la CGA 32

Tabla 3 Tabla del diseño experimental 40

Tabla 4 Parámetros de corte utilizados 43

Tabla 5 Medidas experimentales obtenidas de rugosidad superficial 46

Tabla 6 Tabla análisis de covarianza 47

Tabla 7 Tabla análisis de correlación 48

Tabla 8 Relación de los materiales a utilizar en cantidades y costos 64

Tabla 9 Tabla tiempos de mecanizado 65

12

RESUMEN

Este informe presentado, es la descripción del análisis de la influencia de los parámetros de corte en la rugosidad superficial de un acero AISI 1045 templado desde temperaturas intercríticas y revenido.

Inicialmente se presenta una descripción de qué son los aceros doble fase y cómo ha sido su implementación en la industria, junto con un breve marco teórico necesario para entender algunos aspectos claves dentro del desarrollo del proyecto. Luego se muestran los diferentes parámetros de corte a tener en cuenta dentro de un mecanizado y su posible influencia sobre el acabado superficial de un material.

Seguido a esto, se muestra el diseño de experimentos realizado para la obtención de la cantidad de probetas necesarias para llevar a cabo las pruebas. Posteriormente se relata cómo fueron los ensayos realizados tanto del acero sin recibir ningún tipo de tratamiento así como del acero llevado a temperaturas intercríticas y revenido junto con la toma de datos de las probetas mecanizadas. Al final se encuentra todo el análisis y conclusiones referentes a la variación de la rugosidad superficial dependiendo de los parámetros de corte y el tipo de tratamiento térmico utilizado junto con una evaluación financiera del proyecto.

Palabras clave: Doble fase, tratamiento térmico, diseño de experimentos, mecanizar, rugosidad.

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INTRODUCCIÓN

Lo que se busca por medio del desarrollo de este proyecto es analizar cuál podría ser la influencia de realizar un tratamiento térmico a un acero, en este caso a un AISI 1045 en las medidas de rugosidad superficial tras realizar un mecanizado.

El tratamiento convertirá el acero en uno de tipo doble fase; dichos aceros doble fase son aceros de bajo contenido en carbón que ofrecen a los usuarios del mismo, altas características mecánicas y una buena conformabilidad. Estos aceros son obtenidos mediante tratamientos térmicos, que llevan el acero a altas temperaturas llegando a una zona donde predomine el contenido de austenita y ferrita en su estructura interna, y luego se procede a enfriarlo a alta velocidad para lograr obtener martensita a partir de la austenita. Posterior a esto se realiza un tratamiento de revenido para aliviar tensiones internas en el material que hayan quedado tras la realización del temple. Los aceros doble fase han venido ganando terreno en la industria, principalmente en la parte de ensamble de automóviles, donde su aplicación a ayudado a los diseñadores a reducir el peso total del vehículo gracias a que estos aceros ofrecen unas mayores propiedades mecánicas gracias a su estructura interna, dando así unas dimensiones menores a las piezas finales del vehículo, alcanzando con esto una mejor relación peso potencia y un menor consumo de combustible, algo esencial debido a las posibles crisis petroleras evidenciadas en un futuro cercano y obteniendo con esto una mayor competitividad y atributos al auto final ofertado. Es por esto y debido a la poca información que se conoce de ellos, que estudiar sobre este tipo de aceros, dará un mayor conocimiento de los mismos y hará crecer el interés por conocer más sobre cómo funcionan dichos materiales, específicamente en este caso como es la variación de la medida de la rugosidad superficial del acero, abriendo la posibilidad de continuar investigaciones en el área para poder plantear nuevas soluciones a posibles problemas o generar procesos más competitivos, donde cada vez se demanda más en su desarrollo y puesta en marcha. Logrando con esto la posible consecución de nuevas piezas y partes, satisfaciendo los altos estándares de calidad exigidos en el mundo de hoy.

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1 MARCO TEORICO Y ANTECEDENTES

1.1 LOS ACEROS DOBLE FASE

Los aceros doble fase o dual phase (DP) son aceros que poseen en su estructura interna una matriz de ferrita y una fase martensítica, este segundo componente le permite ganar resistencia a la tensión y a la fatiga. Mientras que la matriz de ferrita es blanda proporcionando propiedades dúctiles al material. Estos aceros se usan ampliamente en la fabricación de partes para la industria automotriz ya que poseen una alta resistencia mecánica por el orden de 600-1000 MPa, reduciendo así costos en cuanto al peso de fabricación, minimizando por ende uno de los objetivos que busca esta industria que es reducir los consumos de combustible. La obtención de estos aceros se logra mediante un tratamiento térmico, que consiste en llevar el acero a una alta temperatura, exactamente la de austenización, fase en la cual al mantener por unos minutos para que la temperatura sea homogénea en el material, se procede a enfriarla a alta velocidad, generalmente en agua, para lograr por medio de este enfriamiento transformar la fase de austenita en martensita, dándole así las anteriores características nombradas. Luego se suele acompañar con un revenido a una alta temperatura y con un enfriamiento controlado para garantizar las propiedades deseadas al final del tratamiento, principalmente para aliviar tensiones internas generadas por el tratamiento anterior y para mejorar sus propiedades en cuanto a la fragilidad. La figura muestra la combinación de los parámetros de resistencia y ductilidad que obtienen estos aceros tratados térmicamente.

Figura 1 Diagrama de esfuerzo vs deformación de un acero doble fase.

Fuente: http://www.alikhosravani.org/projects/heterogeneous-plastic-deformation-in-dual-phase-steel/

15

La estructura interna de estos aceros es la que determina sus propiedades de resistencia y ductilidad tan deseadas y que se contienen en un solo material al contrario de lo que pasa en los aceros HSLA que tienen altas resistencias pero bajas ductilidades y los aceros al carbono que tienen baja resistencia y alta ductilidad. La imagen a continuación muestra por medio de un ensayo metalográfico la microestructura interna de este tipo de aceros por medio de la toma de fotos en un microscopio de alta resolución, aunque cabe resaltar que por los procesos de producción y por algunas características especiales los aceros DP en ocasiones también tienen otros contenidos en la microestructura como lo es la vainita y algunos otros elementos que pueden mejorar algunas propiedades, pero esto ya es propiamente por el proceso en específico para obtener un material característico en especial.

Figura 2. Microestructura interna de un acero DP.

Fuente: http://www.alikhosravani.org/projects/heterogeneous-plastic-deformation-in-dual-phase-steel/

La templabilidad de estos aceros se puede mejorar gracias a algunos elementos de los aceros al carbono como lo son el Manganeso, cromo, molibdeno, vanadio y níquel, que en ocasiones se agregan de forma individual o en conjunto, esto, para generar la fase martensítica en el acero al carbono con mayor facilidad. Los aceros Dual Phase son un tipo de aceros avanzados de alta resistencia gracias a la formación de sus dos fases como se evidencia en la Figura 2 por un lado una matriz blanda de ferrita fina la cual aporta una gran formabilidad a la estructura del acero, y por otro lado las pequeñas islas de martensita aportando alta dureza al acero.

Estos aceros avanzados pasan por controles en el momento del enfriamiento de la austenita para luego ser evolucionada en martensita ya que de acuerdo a la cantidad de formación de martensita se podrá evaluar la dureza del mismo.

16

Figura 3. Límite elástico de los aceros DP.

Fuente: http://www.ehu.eus/manufacturing/proyectos/109_ca.pdf

Por ende el tratamiento térmico posterior realizado a estos aceros que es conocido como recocido es fundamental ya que el definirá la fase más dura. Los resultados de este tratamiento final modificaran el valor elástico del material ver Figura 3. Como se observa los tratamientos térmicos que se pueden realizar al acero AISI 1045 mejoran considerablemente sus propiedades ya que su microestructura interna de elementos variará y se transformará en la medida que sufre algún ataque térmico específico llevado a cabo con los equipos adecuados y los procedimientos previamente estudiados para de esta manera obtener nuevas características en el acero transformado.

1.1.1 Su implementación en la industria.

Los aceros doble fase han venido tomado vuelo en la industria, principalmente como se mencionó anteriormente en la de ensamble de vehículos. Varias piezas que exigen soportar altas cargas y choques en el momento de impacto son obtenidas con este tipo de aceros DP. Partes que componen la estructura de la carrocería del automóvil, refuerzos en los asientos y barras de seguridad laterales han encontrado en este tipo de aceros un material confiable y que suple con sus propiedades los componentes y sistemas ya mencionados.

Una amplia gama de los aceros doble fase son obtenidos para ser aplicados en piezas y partes que componen los sistemas de diferentes mecanismos se sabe que los aceros DP con altos contenidos de martensita son usados en la fabricación de vigas de parachoques, refuerzos en las puertas, refuerzos centrales entre otros. Ver Figura 4.

17

Figura 4. Aplicaciones del acero DP.

Fuente: http://www.ehu.eus/manufacturing/proyectos/109_ca.pdf

La normalización de los aceros para esta industria indica que la SAE efectuó una reclasificación para las hojas de acero, basándose en la formabilidad y propiedades de resistencia requeridos en la fabricación del automóvil. El resultado de dicha clasificación dio como resultado dos especificaciones:

SAE J2329: Categorías y propiedades en hojas de acero de bajo carbono.

SAE J2340: Categorías y propiedades en hojas de acero para resistencia a la abolladura, alta resistencia y ultra alta resistencia.

Los aceros Dual Phase se encuentran representados por la categoría SAE J2340 ya que como se sabe estos son usados para aplicación de alta resistencia. El grado de resistencia de estos aceros es de 550 MPa, la tabla más adelante mostrada indica el grado de resistencia de estos tipos de aceros según el tipo de acero.

Los aceros avanzados surgen para solucionar los problemas de seguridad del pasajero además como mejorar el rendimiento del vehículo pensando en el consumo de gasolina. Son aceros de grado R, ver Tabla 1, esto indica que son aceros que son aliviados sus esfuerzos por trabajo en frío siendo aceros de alta resistencia. Además de buscar vehículos con pesos ligeros que respondan a su vez positivamente con el medio ambiente. Por otro lado la seguridad es un aspecto clave hoy en día por ellos los aceros de alta resistencia han ganado mayor aceptación ya que tiene la propiedad de absorber la energía esto cuando son chocados permite que se deformen disipando la energía asegurando la vida del pasajero.

18

Tabla 1. Aceros de alta resistencia SAE J2340.

ACERO GRADO/TIPO GRADO DE

RESISTENCIA MPa.

Resistencia a la abolladura endurecido sin horneado.

A 180, 210, 250, 280

Resistencia a la abolladura endurecido por horneado.

B 180, 210, 250, 280

Alta resistencia endurecido por precipitación.

S 300, 340

Alta resistencia baja aleación. X, Y 300, 340, 380, 420, 490,

550

Alta resistencia recuperación por recocido. R

490, 550, 700, 830

Fuente: http://cdigital.dgb.uanl.mx/te/1020150556/1020150556_02.pdf

Los factores tenidos en cuenta a la hora de diseñar, fabricar y planear el futuro uso del vehículo son los determinantes para elegir el acero adecuado para la necesidad presentada, debido a estos grandes avances y estudios en estos tipos de aceros ha conllevado a que sean preferidos por sus propiedades visualizadas en el rendimiento a la hora de ser probados.

1.2 ACERO AISI 1045. El conocimiento y estudio de los elementos internos que componen el acero AISI 1045 son de gran ayuda ya que con esta información se identifican la función y el comportamiento de estos elementos en el material sin haberle realizado ningún tratamiento. Los dos elementos que conforma la microestructura del acero AISI 1045 se visualizan en la Figura 4 en la cual observamos que esta se compone por ferrita granos de color claro que rodean a los granos de perlita los cuales poseen un color más oscuro estos dos elementos aportan bajas propiedades de resistencia mecánica y dureza.

19

Figura 5. Microestructura interna de los aceros AISI 1045.

Fuente: http://blog.utp.edu.co/metalografia/files/2010/10/Tratamientos-t%C3%A9rmicos_1.pdf

Los análisis de falla a elementos mecánicos que contienen este material al ser sometidos a cargas de fatiga en su superficie crean una grieta que finaliza en la fractura del material. Utilizando el equipo adecuado como puede ser la microscopia electrónica de barrido se puede inspeccionar en que punto de algún componente se produce la ruptura, por lo general dicho punto de fractura se produce en la Ferrita ya que este es el elemento más blando y dúctil que componen la microestructura de este tipo de aceros al medio carbono. La ferrita es una solución sólida con poco carbono en Hierro α, su solubilidad a los 723° C es de 0.025 % de Carbono a causa de esta valor tan bajo este elemento es considerado como Hierro α casi puro, la estructura de la ferrita es de tipo BCC, cubica centrada en el cuerpo con un átomo de carbono C.

Figura 6. Celda cristalina de la ferrita BCC.

Fuente: http://www.monografias.com/trabajos70/formas-alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono/image006.jpg

20

La perlita es un elemento que se encuentra en láminas intercaladas formadas por cementita y ferrita; se genera perlita siempre que haya un enfriamiento lento, por debajo de los 720º C, el nombre de perlita se da debido a las perlas. Las propiedades mecánicas de la perlita son1:

σ t = 780 MPa

Porcentaje de alargamiento: A = 15 %

Dureza : HB =190 a 300 Luego de llevar a cabo el tratamiento conocido como templado del material los elementos internos que constituyen el acero AISI 1045 son transformados en austenita y posteriormente cuando se realiza rápidamente el enfriamiento del acero evitando que el carbono se diluya, esta austenita da paso a lo que conocemos como martensita. La austenita es un componente que se encuentra como solución sólida en Hierro γ (FCC) y está presente en los aceros con temperaturas superiores a Ac1. Formada por cristales cúbicos centrados en las caras en forma de granos poligonales. Las propiedades mecánicas de la austenita son2:

σt = 860 a 1030 MPa

Porcentaje de alargamiento, A = 30 a 60 %

Dureza: HB = 300 Figura 7 Red cristalina de la ferrita BCC.

Fuente: http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#ferrita

1 VA LARRE. Metalografía y tratamientos térmicos, Capítulo 5 estructura de los aceros [En línea] [Citado en 30 de junio de 2015] Disponible en : http://blog.utp.edu.co/metalografia/files/2010/10/Tratamientos-t%C3%A9rmicos_1.pdf, p. 5 2 Ibíd., p. 5

21

La martensita presenta una estructura tetragonal cristalina centrada ya que es una solución sólida saturada de Carbono en hierro α, la cual surge luego del enfriamiento rápido de la austenita, una de las características de la martensita es que presenta una elevada dureza la cual depende en medida del porcentaje de Carbono presente. Figura 8. Microestructura de la Martensita.

Fuente: http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#ferrita

El material es enfriado inmediatamente luego de terminado el temple lo que produce la martensita la cual se visualiza en la figura 4 en especie de agujas, este nuevo elemento aporta mejorando considerablemente las propiedades mecánicas del acero AISI 1045. Las características mecánicas del acero AISI 1045 comparadas con los aceros DP Doble Fase cambian ampliamente, ya que su estructura interna evoluciona haciéndose más fuerte, pudiendo ofrecer al consumidor un material con una gran dureza para ser aplicado en los procesos industriales actuales, teniendo en cuenta que para su consecución debe haber una buena inversión en equipos y materiales para lograr obtener aceros de doble fase.

1.3 ¿QUÉ ES UN DISEÑO DE EXPERIMENTOS?

Para definir qué es un diseño de experimentos es necesario iniciar con saber que es un experimento. Éste resulta ser algo que se crea y organiza en diferentes conjuntos de prueba, con el fin de llegar a comprobar la validez de una hipótesis planteada sobre un problema dado, esto se hace mediante cambios aleatorios en

22

las diferentes variables de entrada que puedan haber y observar los cambios en las salidas finales que se obtengan.

Tras la definición anterior entonces, se tiene que un diseño de experimentos no es más que una metodología de tipo estadístico por medio de la cual se logra planificar y analizar un experimento.

Los diseños de experimentos también tienen algunos campos de aplicación en específico, en este caso en la parte ingenieril que es propiamente donde se realiza el involucramiento de esta técnica para resultados finales del estudio en relación tenemos algunas como lo son3:

Ayudan a las mejoras en el desempeño de un proceso de manufactura.

Ayudan a la creación de productos nuevos.

Crea mejoras a productos existentes a través de la creación de conjeturas y conclusiones finales que llevan a la creación de nuevas conjeturas hasta llegar a un objetivo final que determina la nueva fase del producto.

Posibles evaluaciones de materias primas alternas.

Ayuda a la selección de los diferentes parámetros del diseño, para crear un producto robusto y que no afecten el desempeño del mismo.

Algunas partes importantes que comprende un diseño de experimentos son los siguientes, se explican para tener claridad del nombre y función que cada uno llevará en el experimento general:

Variable: Una variable no resulta ser más que una característica propia de un elemento que se esté observando y que puede tornar a cambios o no en ella o en posibles combinaciones con otras existentes dentro del experimento, esta debe poderse medir y analizar. Las variables pueden ser de tipo continua o cualitativa, de respuesta, dependientes o independientes, de bloqueo o extrañas.

Factor: Su uso va ligado íntimamente con la variable. Es por esto que un factor resulta ser en sí mismo una variable. Solo que en este caso el factor es llamado así porque se busca entonces saber que efecto posible puede tener sobre la respuesta final.

Tratamiento: Se refiere a la combinación o combinaciones que se puedan llegar a realizar a un nivel de un factor, dependiendo si es de tipo unifactorial o multifactorial.

3 UDLAP. Teoría de diseño de experimentos. [En línea] [Citado 02-Feb-2015] Disponible en internet: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/salvador_s_g/capitulo4.pdf

23

Aleatorización: Es una técnica dentro del diseño de experimentos que se aplica directamente a los resultados obtenidos, por medio de la cual se busca disminuir las influencias sobre estos por parte de las variables de tipo extrañas.

Nivel: Se refieren a los factores. Los niveles resultan ser las categorías, grados, tipos, etc., existentes de un factor, que se observarán para un diseño de experimental.

Error: El error básicamente resulta de una resta, entre el valor que se encuentre en cada medición tomada sobre la muestra y el valor exacto tenido. Estos se usan cuando los resultados finales no son iguales.

1.3.1 Diseño de experimentos de tipo 3k.

Éste es un diseño de experimentos diferente a uno de tipo normal, ya que hay diferentes clases de diseños de experimentos, según la cantidad de factores y de niveles que tengan cada uno de los factores. Pueden ir desde un experimento comparativo simple, experimentos con un solo factor donde se hace un análisis de varianza, diseños factoriales de tipo 2k, 3k, etc. Es necesario explicar éste tipo de experimentos debido a que es el que se utilizó durante todo el desarrollo del análisis de la rugosidad de un acero AISI 1045 de tipo doble fase o dual phase.

Tras un estudio detallado del estado del arte, se encontró que era necesario evaluar tres factores diferentes, que en este caso eran tres parámetros de corte, junto con tres niveles que eran con los que contaban cada uno de ellos. Por esto aparece este tipo de diseño experimental.

Este es un diseño donde hay un arreglo factorial de k factores y cada factor tiene tres niveles que pueden clasificarse en bajo, intermedio y alto. Aquí se realiza una combinación de cada factor con cada nivel de los mismos, donde se tendrán todas las combinaciones posibles en este formato de diseño. Cabe resaltar que los factores son un número indeterminado, pero lo que los define de este tipo son los niveles que cada factor tenga, es decir tres. Este diseño se usará desde el principio para determinar el número de ensayos, y hasta finalizar para llegar a las conclusiones finales.

1.4 ¿QUÉ ES LA RUGOSIDAD?

Luego de finalizado el mecanizado de una pieza esta queda expuesta a presentar irregularidades en su área superficial dependiendo del proceso utilizado y el material de la pieza trabajada. Ningún tipo de material presenta una superficie totalmente lisa, incluso aquellos que tengan un buen acabado superficial también presentan

24

este fenómeno. La figura siguiente muestra en una escalada ampliada la forma en la cual queda una superficie de material después de que la herramienta ha hecho su trabajo sobre ella:

Figura 9. Superficie mostrando la rugosidad superficial aumentada.

Fuente: http://mmcdp.webcindario.com/capitulos/08-rugosidad.pdf

Las irregularidades mostradas pueden ser grandes o pequeñas, la rugosidad es aquella que se centra en estas últimas debido a que las primeras son propias de errores de forma. Las pequeñas irregularidades sobre la superficie se pueden dividir en ondulaciones y en rugosidades, la primera se asocia más con aspectos exteriores a la pieza, mientras que la segunda es causada por la fricción de una herramienta. Para llevar a cabo la medida de rugosidad en una pieza se utilizan: comparadores viso táctiles los cuales evalúan el acabado superficial por comparación visual y táctil, rugosímetros de palpador entre ellos encontramos el rugosímetro de palpador mecánico, palpador piezoeléctrico, palpador capacitivo, palpador inductivo, entre otros.

El método utilizado en este estudio fue por medio de un rugosímetro de palpador, el cual se muestra en la imagen a continuación que es propiedad de la universidad Distrital de Colombia:

25

Figura 10. Rugosímetro de la Universidad Distrital.

Fuente: Fotografía tomada; propiedad de Gutiérrez Oscar, Gutiérrez Cristian, estudiantes de la facultad Tecnológica de la Universidad Distrital.

Este instrumento se utiliza cuando se desea obtener con rapidez los valores de profundidad e imperfecciones presentadas en la superficie, el cual detecta las ondulaciones y discontinuidades en el material después de su fabricación. Con esta herramienta se verifica que el acabado final de una pieza luego de ser maquinado responda a las exigencias y necesidades según la aplicación en la cual se vaya a utilizar.

1.5 ¿QUÉ ES MECANIZAR?

Mecanizar es entonces realizar la remoción de viruta o partículas de un material o materia prima a través de una herramienta de corte específica para el tipo de operación de interés o requerida sobre dicho material o pieza a transformar. La transformación de la materia prima no solamente se hace a través de la remoción de partículas del mismo material, sino que también hay técnicas por medio de las cuales lo que se hace es cambiar la forma externa o microestructura internas del mismo a través de procesos que no tienen que ver con arranque de viruta, pero que si realizan o crean una nueva configuración sobre el material base.

Se pueden distinguir dos clases de procesos de mecanizado dependiendo del método utilizado en la remoción de material. Los procesos convencionales son aquellos que utilizan medios mecánicos entre ellos encontramos el torneado,

26

fresado y taladrado. Por otro lado encontramos la otra clasificación de procesos que son llamados no convencionales los cuales no utilizan ningún medio mecánico para la remoción del material.

1.5.1 ¿Con qué se realizaron los mecanizados?

Los mecanizados realizados a las probetas se hicieron por medio de un centro de mecanizado marca Leadwell. Un centro de mecanizado es una máquina altamente automatizada concebida con el fin de realizar mecanizados sobre materias primas de manera automática y casi sin intervención de tipo humana, ya que el ser humano entra tan solo en una parte de la programación y operación del mismo.

Figura 11. Centro de mecanizado Leadwell Universidad Distrital.

Fuente: http://www.udistrital.edu.co:8080/web/laboratorio-mecanica/fresa-cnc-leadwell-v20

El centro de mecanizado Leadwell V20 i cuenta con 5 ejes construidos en fundición con guías de rodillos en los tres ejes con amplias dimensiones, contando con múltiples variables de cabezales que van desde 8.000 rpm hasta 20.000. Además de estar dotado con un encoder que se sitúa en el eje de giro para lograr así mayor precisión.

27

1.5.2 Características técnicas.

Figura 12. Especificaciones técnicas centro de mecanizado Leadwell-v20.

Fuente: http://www.udistrital.edu.co:8080/web/laboratorio-mecanica/fresa-cnc-leadwell-v20

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Esta moderna máquina cuenta con una prensa hidráulica de marca VERTEX, figura 13 para las diferentes operaciones y aplicaciones de sujeción, está fabricada en hierro fundido de alta calidad, correderas maneras cama llama templadas y rectificadas cuenta refuerzo para la presión máxima de apriete con fuerza mínima el aceite hidráulico recomendado para su operación es de numero 68.

Figura 13. Prensa hidráulica del centro de mecanizado Universidad Distrital.

Fuente: http://www.vertex-tw.com.tw/products/products_list.php?language=_eng&cid=22 El sistema de bridas y acoples está contenido en un rack de plástico que se compone por las siguientes partes:

24 piezas de los pernos prisioneros (4 ea, pulgadas 3/4/5/6/7/8 o 75/100/125/150/175/200 mm)

6 piezas T-Nuts

4 PC Tuercas de acoplamiento

6 piezas de brida Tuercas

6 uds paso Abrazaderas

6 PC Paso Bloques

CK-18, CK20, CK206, Placa de madera usada para mantener. La imagen siguiente lo muestra de una manera más clara.

29

Figura 14. Bridas y acoples centro de mecanizado leadwell Universidad Distrital.

Fuente: http://www.udistrital.edu.co:8080/web/laboratorio-mecanica/sistemas-de-sujecion El control numérico vital para la programación del sistema de coordenadas, inicio, paro de emergencia y procesos de este centro de mecanizado es de marca FANUC optimizado para centros de mecanizado el cual puede reconocer hasta un máximo de 4 ejes simultáneamente. Figura 15. Control FANUC centro de mecanizado Universidad Distrital.

Fuente: http://www.cnc1.com/images/customer-files/Fanuc, MD_Standard_Features_and_Options.pdf

30

1.6 HERRAMIENTAS UTILIZADAS.

Se utilizó como herramienta principal de corte para el mecanizado de las probetas un escariador de tungsteno de 12 mm de diámetro marca MasterCut. A continuación se muestra el catálogo del escariador utilizado, este era uno de tipo 4 flautas o filos de corte de tamaño estándar:

Figura 16. Catálogo escariador marca MasterCut.

Fuente: http://www.mastercuttool.com/wp-content/uploads/2013/09/Standard-Endmill-Information-Web-Tecnical-8.pdf

31

1.7 PARÁMETROS DE CORTE: AVANCE, VELOCIDAD DE CORTE Y PROFUNDIDAD

Para llevar a cabo una operación de maquinado es necesario manejar un movimiento entre la pieza y la herramienta de trabajo, esto se logra gracias a los tres conceptos utilizados para la presente investigación; el primero se conoce como velocidad de corte el segundo avance y por último la profundidad. Estos parámetros dependen del tipo de material, herramienta y acabado que se desea obtener.

Velocidad de corte: establecida por la velocidad de rotación del husillo de la maquina donde se coloca la pieza o la herramienta, este valor por lo general está dado en rev/min.

Avance de corte: Se define como la velocidad relativa entre la herramienta y la pieza de trabajo.

Profundidad de corte: se conoce como la diferencia de los radios de la pieza antes y después de pasar la herramienta, este término se expresa en mm.

Figura 17. Pieza mostrando los parámetros de corte en general durante un mecanizado.

Fuente: http://www.monografias.com/trabajos101/proceso-industriales-practica/proceso-industriales-practica.shtml

1.8 DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE PROBETAS A TRAVÉS DEL DISEÑO DE EXPERIMENTOS

Tras realizar las fases iniciales de determinación de los parámetros de corte a utilizar durante las pruebas, se dio como diseño experimental a utilizar uno de tipo 3k o 33. Tras realizar esta elección por la cantidad de factores y niveles de cada uno de los anteriores, se crea el diseño de experimentos a través del software Minitab en su versión de prueba. Seguido a esto el software arroja que la cantidad de pruebas necesarias o corridas para crear el diseño experimental debe de ser de 27,

32

que resultan ser la combinación de todos los niveles de los factores sin repetición de ninguno con los demás.

Por esto, al saber la cantidad de corridas por realizar tras el ingreso de los datos al software de los tres y factores y los tres niveles de cada uno, se da como resultado final que para realizar la cantidad total de pruebas es necesario un total de 108 probetas, resultantes de 4 tipos de tratamientos térmicos diferentes sobre las probetas de acero AISI 1045, y su respectiva multiplicación por la cantidad de corridas, sin embargo se hizo la adquisición de apenas 10 debido a que las probetas pueden reutilizarse por la cantidad de material que se remueve y el volumen grande que resulta tras un mecanizado realizado, por lo que pueden realizarse varias pruebas en una misma probeta.

1.9 DESCRIPCIÓN DE LAS PROBETAS A MECANIZAR

Las probetas a mecanizar son de acero AISI 1045, éste es un tipo de acero al medio carbono, se utiliza cuando se busca buenas condiciones de resistencia y dureza, sus usos principales son para la fabricación de ejes, engranes, piñones y demás partes para maquinaria. Cuenta con una dureza entre 54-60 HRC y una densidad de 7.87 g/cm3. En cuanto a propiedades mecánicas las más sobresalientes son el esfuerzo de fluencia que es de 310 MPa, el esfuerzo máximo que es de 565 MPa., un módulo de elasticidad de 200 GPa y una maquinabilidad del 57%. Adicional a esto, este tipo de aceros pueden ser sometidos a tratamientos térmicos como temple y revenido teniendo una buena respuesta a estas técnicas. La composición química de este acero se describe por medio de la tabla a continuación.

Tabla 2. Composición química del acero AISI/SAE 1045 según la CGA

Fuente: http://www.cga.com.co/index.php?searchword=1045&option=com_search&Itemid=

33

Las probetas tienen unas medidas de 100mm de largo por 100mm de ancho y espesor de12mm como lo muestra la imagen a continuación:

Figura 18. Probeta de pruebas.

Fuente: Figura realizada por medio de Solid Works, propiedad de Gutiérrez Oscar, Gutiérrez Cristian.

Todas las probetas son de igual dimensión y del mismo material, para garantizar unas condiciones iniciales ideales, para la toma de datos experimentales y así garantizar que las medidas de rugosidad serán las reales al final del proceso.

Las probetas se sometieron a unos rectificados iniciales para garantizar una cara plana sobre la cual se pudiera realizar los mecanizados y tras estos tomar los datos experimentales arrojados.

1.10 TRATAMIENTOS REALIZADOS A LAS PROBETAS.

Para las probetas mecanizadas para medir la rugosidad, se realizaron dos tratamientos diferentes para verificar la influencia del tratamiento térmico en las medidas de rugosidad. Los tratamientos fueron de un temple seguido de un revenido. Los cuales se hicieron a 760°C para el temple y de 400°C para el revenido, teniendo tres tiempos diferentes de mantenimiento en el revenido que fueron de 15, 30 y 45 minutos respectivamente.

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Los tiempos y temperaturas usadas para los tratamientos se consiguieron a través de las fórmulas de Gur, las cuales otorgan los valores de A1 y A3 es decir las temperaturas intercríticas o de austenización del acero AISI 1045, las cuales se relacionan por medio de la imagen a continuación:

Figura 19. Fórmulas de Gur.

Fuente: http://www.cimec.org.ar/ojs/index.php/mc/article/viewFile/4283/4209

Donde las temperaturas A1 y A3 son las siguientes: A1= 708⁰C y A3=786.782⁰C. Por lo cual la temperatura de 760 ⁰C se encuentra dentro de estos parámetros y se tomó como la elegida para realizar los tratamientos de temple. Mientras que la

temperatura de revenido de 400⁰C es una temperatura normal para realizar un revenido en este tipo de aceros.

1.10.1 Temple.

Cuando se habla de temple o templado, se refiere a un tipo de tratamiento térmico el cual consiste en el enfriamiento a gran velocidad de la pieza previo a un calentamiento a alta temperatura de la misma, dicho cambio brusco en la temperatura modifica la microestructura de los componentes del material tratado. Su objetivo es producir un aumento en la dureza y resistencia mecánica de la pieza templada. Se produce el temple cuando se alcanza la temperatura de austenización, donde se forman cristales de austenita, los cuales al ser enfriados rápidamente se transforman en martensita. La figura siguiente muestra en un diagrama temperatura vs tiempo como se realiza el tratamiento:

35

Figura 20. Diagrama de templado en general de un material.

Fuente: http://www.trateriber.es/pdf/Temple-Revenido.pdf Los medios de enfriamiento que se utilizan en este tipo de tratamiento térmico son: el agua, el aire, el aceite y soluciones salinas; estos son usados dependiendo de las características que se quieran obtener y del tipo de material. A continuación se muestra la imagen del temple hecho a la probeta con el agua. Figura 21. Procedimiento de templado en recipiente con agua.

Fuente: Fotografía tomada; propiedad de Gutiérrez Oscar, Gutiérrez Cristian, estudiantes de la facultad Tecnológica de la Universidad Distrital

36

1.10.2 Revenido. Este término es otro tipo de técnica térmica que se puede llevar a cabo para tratar una pieza mejorando sus propiedades, el objetivo de este procedimiento es aliviar las tensiones generadas después de haber realizado el temple en el material evitando que se generen deformaciones o grietas, incrementando la tenacidad y ductilidad del mismo disminuyendo su dureza, resistencia mecánica y límite de elasticidad. Figura 22. Diagrama de Revenido en general de un material.

Fuente: http://ensayosydiagramas.blogspot.com/p/tratamientos-termicos.html El revenido se realiza después de ser tratado el material previamente con un temple, calentando la pieza templada entre los 250°C y 650°C sin exceder la temperatura de austenización, luego el material es dejado enfriar a temperatura ambiente. Las temperaturas escogidas dependen del proceso a trabajar con el material tratado. Un revenido alto maneja temperaturas entre los 500°C y 650°C se utiliza para piezas que van a estar sometidas a realzada fatiga y grandes cargas de impacto. El procedimiento completo de templado y luego revenido alto se conoce como bonificado. A continuación se muestra la imagen del enfriamiento después del revenido de las probetas.

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Figura 23. Enfriamiento a temperatura ambiente posterior al revenido.

Fuente: Fotografía tomada; propiedad de Gutiérrez Oscar, Gutiérrez Cristian, estudiantes de la facultad Tecnológica de la Universidad Distrital 1.10.3 Tiempos de mantenimiento en el revenido.

Los tiempos de mantenimiento en el revenido de 15, 30 y 45 minutos son tiempos que se encuentran dentro de los rangos normales a realizar después de un temple. Cabe resaltar que estos tiempos se utilizan en aceros donde se alcanzó una temperatura de austenización total, donde en nuestro caso no fue así lo sucedido, sim embargo era un acercamiento propicio para poder realizar la investigación y por esto se tomaron estos tiempos como los óptimos para utilizar dentro del desarrollo de las pruebas experimentales4.

4 TOTTEM, G. HOWES, M. Steel heat treatment. Segunda edición. New York: Marcel Dekker. 1997.

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2 DESARROLLO DEL PROYECTO Y RESULTADOS

2.1 ESQUEMA GENERAL DEL PASO A PASO DEL DESARROLLO DEL PROYECTO

Figura 24. Esquema paso a paso general del desarrollo del proyecto.

Fuente: Figura realizada por medio de SmartArt.

RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN

NECESARIA

CREACIÓN DISEÑO DE EXPERIMENTOS

COMPRA DE LOS MATERIALES

DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE

CORTE

MECANIZADO DE LAS PROBETAS SIN TRATAMIENTO

TOMA DE RUGOSIDADES

MECANIZADO DE LAS PROBETAS CON TRATAMIENTO

TOMA DE LAS NUEVAS

RUGOSIDADES

TABULACIÓN DE LOS DATOS

EXPERIMENTALES OBTENIDOS EN EL

DISEÑO DE EXPERIMENTOS

ANÁLISIS DE LOS DATOS

CONCLUSIONES FINALES

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2.2 RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN NECESARIA

Para el desarrollo del presente informe se recopiló información de primera necesidad para poder analizar y dar origen y desarrollo al mismo. A continuación se resume por medio de unos pequeños ítems la información en general adquirida:

La información básica consultada fue en primera instancia sobre los parámetros de corte que se utilizarían en el mecanizado en duro de las probetas en mención. Tras encontrar los parámetros de influencia y los valores que estos debían tomar, se procedió a evaluar todo lo relacionado con las herramientas de corte a utilizar para el arranque de viruta.

A continuación toda la información principal y de mayor contenido fue sobre los aceros doble fase, información que otorgó todo el cuerpo central del proyecto y el porqué del mismo. Sus usos, avances, ventajas, implementación, obtención, y posibles zonas de impacto futuras.

El paso siguiente fue el de recoger la información necesaria para poder saber qué era un diseño de experimentos y cómo se usaría en el proyecto. Se recogió aquí información de tipo estadística y analítica, para manejar esta técnica vital dentro de las pruebas en general.

Por último la información buscada rodo en torno al parámetro final a medir y que se buscaría en las probetas de prueba, la rugosidad superficial tras realizados los mecanizados.

2.3 CREACIÓN DEL DISEÑO DE EXPERIMENTOS

El diseño de experimentos que se utilizó fue uno de tipo 3k, por medio del cual se logró implementar cada uno de los factores de corte presentes y escogidos en el estado del arte y la serie de niveles con los cuales contaba cada uno de ellos. El inicio de éste, se dio ingresando el tipo de experimento que se utilizaría al software Minitab y tras esto se ingresaron los factores y los niveles con los cuales contó cada factor. Que en este caso los factores resultaron ser los parámetros de corte utilizados que fueron avance, profundidad y velocidad de corte y los niveles cada uno de los tres valores que podían tomar.

Tras realizar la inserción de los datos dentro del software de diseño de experimentos se tiene la siguiente tabla, por medio de la cual se tuvo el orden de las corridas, cómo se debían implementar las combinaciones de cada parámetro en las pruebas y la cantidad de las mismas, además de una columna extra que el software mismo

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coloca a la espera de la entrada final de las medidas de rugosidad tras realizadas las pruebas en las probetas.

Tabla 3. Tabla del diseño experimental.

Fuente: Tabla hecha a través de Microsoft Excel.

2.4 ADQUISICIÓN DE LOS MATERIALES

Tras saber la cantidad de pruebas a realizar y el tipo de herramienta a utilizar, se hizo la adquisición de un escariador de tungsteno de 12 mm de diámetro y una serie de probetas de acero AISI 1045, cortadas a la medida y rectificadas por dos caras.

41

La información consultada no tuvo ningún tipo de inversión, ya que los artículos en general consultados y utilizados pertenecen a las bases de datos de la universidad Distrital de Colombia.

El centro de mecanizado pertenece a las instalaciones de la universidad Distrital y por ende éste se usó previa solicitud de prácticas libres por parte del estudiantado, al igual que el rugosímetro.

2.5 PARÁMETROS DE CORTE OBTENIDOS A TRAVÉS DEL ESTADO DEL ARTE.

Los parámetros de corte utilizados para las pruebas sobre las probetas y posterior toma de datos sobre la rugosidad se realizaron de manera previa a través de un estudio detallado del estado del arte. Que se relaciona a continuación.

Los parámetros de corte toman dentro de este estudio un gran valor debido a que estos precisamente son los principales factores que se estudiaron y verificaron cómo afectan la rugosidad superficial al final del mecanizado de un acero doble fase tipo AISI 1045. Pero al mismo tiempo toman relevancia por otros factores, debido a que los parámetros de corte son los que generan los cambios de la medida final de la rugosidad superficial del material mecanizado. Por estas razones es que fue de primordial determinación estos parámetros para identificar cuáles serían los que se utilizarían y tuvieran en principal cuenta durante los ensayos realizados para fijar los demás parámetros presentes durante un mecanizado y enfocarse directamente en aquellos que generaron posibles cambios significativos a la medida final de rugosidad en las superficies mecanizadas y preparadas para la obtención de los datos para realizar todo el análisis estadístico y conclusiones del presente informe. Por esto los artículos citados a continuación otorgaron la información necesaria tanto como para definir cuáles fueron los parámetros a tener en cuenta, junto con cuáles fueron sus valores o variaciones durante los ensayos realizados para un mecanizado de aceros de alta dureza como lo son los de tipo doble fase. Después de una investigación en distintas bases de datos sobre la influencia de los parámetros de corte en mecanizados de materiales duros, se encontró que los factores en general y en común en distintos artículos que más determinan o afectan la medida final de la rugosidad superficial de un material tras su mecanizado son el avance, la velocidad de corte y la profundidad. Por esto estos fueron los parámetros tenidos en cuenta como los factores del diseño experimental, mientras que los demás parámetros presentes durante un mecanizado se tomaron como una constante durante el proceso para generar una reducción en las variables y factores

42

que se tendrían que tener en consideración y que a medida que se realizaran las pasadas del mecanizado volverían a variar de valor de nuevo. De estos tres parámetros o factores, el avance es aquel que da un mayor cambio en la rugosidad superficial final del material, con contribuciones de tipo secundario por parte de la velocidad de corte y la profundidad5. Aunque algunas variaciones en el diseño experimental pueden llegar arrojar valores finales de rugosidad del mismo orden con los otros dos parámetros de corte mencionados.

2.5.1 Avance.

Los valores del avance se encuentran en el artículo de fresado en duro, “empirical models and optimal cutting parameters for cutting forces and Surface roughness in hard milling of AISI H13 steel”6. Valores acordes al tipo de herramienta, pero también muestran en los resultados y discusiones del artículo una serie de conclusiones que podrían asemejarse a lo esperado en el proceso de este estudio.

2.5.2 Velocidad de corte.

Los valores de la velocidad de corte, debieron ser ajustados un poco, debido a que según los catálogos encontrados para el tipo de herramienta utilizado sobrepasaban los límites a los cuales la herramienta se podía trabajar. Es por esto que se tomaron los dos primeros datos que utilizaron debido a que solo estos se mantenían dentro del rango de trabajo y el tercer valor se sacó como el punto medio entre estos dos valores. Estos valores se consiguieron gracias al artículo “Estimating the effect of cutting parameters on surface finish and power consumption during high speed machining of AISI 1045 steel using Taguchi design and ANOVA”7.

2.5.3 Profundidad.

Como lo que se buscó fue la medición final de la rugosidad superficial, las medidas de profundidad usadas fueron bajas para generar una especie de acabado sobre la

5 LALWANI, D. Experimental investigations of cutting parameters influence on cutting forces and surface roughness in finish hard turning of MDN 250 steel.[Base de datos en línea] (2008) [Consultado el 24 de 03 de 2015], Disponible en: Engineering Village Research Databases. 6 DING, Tongchao. Empirical models and optimal cutting parameters for cutting forces and Surface roughness in hard milling of AISI H13 steel. [Base de datos en línea] (2010) [Consultado el 24 de 03 de 2015], Disponible en: Engineering Village Research Databases. 7 BHATTACHARYA, Anirban. Estimating the effect of cutting parameters on surface finish and power consumption during high speed machining of AISI 1045 steel using Taguchi design and ANOVA. [Base de datos en línea] (2008) [Consultado el 24 de 03 de 2015], Disponible en: Engineering Village Research Databases.

43

superficie, por lo que fue necesario hacer desbastes tipo rectificado, por lo que los valores de este parámetro se tomaron en base a un artículo de torneado en duro8.

2.5.4 Elección de los parámetros de corte para las probetas

Tras todo el estudio del arte anterior presentado, la tabla a continuación muestra en resumen cuales fueron los parámetros de corte usados junto con los valores de cada uno de sus niveles.

Tabla 4. Parámetros de corte utilizados.

Avance (mm/Rev.)

Profundidad (mm)

Velocidad de corte (m/min)

0,04 0,1 58

0,08 0,15 77

0,12 0,2 96

Fuente: Tabla realizada en Microsoft Excel.

2.6 MECANIZADO DE LAS PROBETAS SIN TRATAMIENTO

Tras el diseño anterior y teniendo la cantidad de probetas y la forma de combinación de los parámetros de corte para hacer los mecanizados, se procedió a los arranques de material por medio del centro de mecanizado. Para esto se puso a punto el centro de mecanizado, se instalaron las herramientas de corte en el mismo (escariador de 12 mm), se colocó la probeta en posición y de manera fija dentro de la máquina a través de la prensa con la que cuenta y se utilizó un comparador de caratula para asegurar que la cara a ser mecanizada estuviera totalmente plana respecto a la herramienta de corte.

Tras esto y la autorización por parte del operario de la máquina se procedió al ingreso de los parámetros de corte al sistema para que el centro de mecanizado realizará el arranque de viruta sobre la superficie a analizar.

8 LALWANI, D. Experimental investigations of cutting parameters influence on cutting forces and surface roughness in finish hard turning of MDN 250 steel.[Base de datos en línea] (2008) [Consultado el 24 de 03 de 2015], Disponible en: Engineering Village Research Databases.

44

Primero se realizaron las pruebas a las probetas de acero AISI 1045 en su estado de suministro sin ningún tipo de tratamiento térmico, estos arranques de viruta fueron relativamente rápidos y el filo de corte de la herramienta al ser nuevo en ese momento permaneció estable hasta el fin de las primeras 27 pruebas en este estado del material. Las medidas de rugosidad en micras se observan en el numeral 2.8.

A continuación se muestra una imagen donde se revela cómo se hicieron los mecanizados en general de las probetas:

Figura 25. Mecanizado de las probetas.

Fuente: Fotografía tomada; propiedad de Gutiérrez Oscar, Gutiérrez Cristian, estudiantes de la facultad Tecnológica de la Universidad Distrital

2.7 MECANIZADO DE LAS PROBETAS DOBLE FASE DE LOS TRES TIEMPOS DE REVENIDO

Seguido a los mecanizados anteriores, se procedió a los mecanizados de las probetas que habían sido sometidas a los tratamientos térmicos convirtiéndolas en unas de tipo doble fase; estos tratamientos dieron unas características diferentes a las probetas lo cual generó un tiempo mayor de mecanizado debido a su dureza.

45

Además de que el escariador debió ser sometido a varios afilados en esta fase ya que perdía el filo de corte a una tasa mayor que en las pruebas anteriores y era necesario garantizar que el filo de corte de la herramienta fuera el adecuado, debido a que dentro de los objetivos de este proyecto no se encontraba el analizar el desgaste de la herramienta. Tras dichos afilados se procedió a la culminación de las pruebas en los tres tipos de probetas de acero doble fase con los que se contaba.

2.8 TOMA DE MEDIDAS DE LA RUGOSIDAD

La toma de medidas de la rugosidad superficial sobre las probetas requirió un proceso simple, pero de cuidado y preparación previa, el proceso de medición y las medidas experimentales obtenidas se relacionan a continuación:

Se inició con el ensamble de algunas partes vitales para el funcionamiento del rugosímetro como lo es el palpador y su protector el cual se asegura con tornillos tipo allen con ayuda de un pequeño destornillador incluido en el kit de elementos.

La medición se realizó por medio de un rugosímetro el cual se calibró primero antes de iniciar las mediciones tal como lo indicaba el manual del usuario del mismo, configurando la norma de medición, las longitudes a medir y la cantidad de mediciones que iba a tomar dentro de la longitud de medición del palpador. Por último por medio del patrón que tiene en su interior alojado el rugosímetro para calibrar el mismo, se hizo la verificación que la medida aún se encontrara dentro de los límites de incertidumbre admisibles, verificando que la medida que el palpador otorgará de la rugosidad de éste fuera la misma que se encontraba en el manual o máximo con una desviación del 10%.

Se prepararon las probetas para la medición, esto debido a que la viruta, refrigerante e impurezas quedan sobre su superficie tras realizado el mecanizado sobre estas. Se realizaron aquí remoción de todas estas realizando una labor de secado y limpieza.

Se dispuso una superficie adecuada en la cual la probeta pudiera mantenerse totalmente horizontal y rígida; además se utilizó una base para el rugosímetro para que éste se encontrará allí fijo y realizará la medición sin ningún tipo de contacto externo, debido que la más mínima vibración puede generar un cambio al final, en el resultado medido.

Se tomaron las medidas y se ingresaron en una tabla de Excel realizada para análisis de varianza y correlación del diseño experimental.

A continuación se muestra el rugosímetro junto con su estructura de soporte armada, y listo para realizar la medición:

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Figura 26. Mecanizado de las probetas.

Fuente: Fotografía tomada; propiedad de Gutiérrez Oscar, Gutiérrez Cristian, estudiantes de la facultad Tecnológica de la Universidad Distrital

A continuación se muestra la tabla con las medidas de rugosidad obtenidas en las probetas con cada uno de los diferentes tratamientos térmicos aplicados y tiempos de revenido expuestos. Las medidas aquí consignadas son el resultado del promedio de tres mediciones realizadas a lo largo de la probeta de pruebas para asegurar una medida más exacta y cercana a la realidad en cada uno de los casos posibles.

Tabla 5. Medidas experimentales obtenidas de rugosidad superficial.

Fuente: Tabla elaborada en Microsoft Excel.

47

2.9 RECOPILACIÓN Y TABULACIÓN DE LOS DATOS EXPERIMENTALES

Luego de la obtención de las medidas de rugosidad superficial del material tratado térmicamente (doble fase), que era un objetivo fundamental dentro del desarrollo investigativo, se procedieron a hacer dos análisis de tipo estadístico en Microsoft Excel, el análisis de covarianza y el del coeficiente de correlación, presentados a continuación para dar a conocer cómo los parámetros de corte relacionados en la tabla 4 del numeral 2.5.4 tenían o no algún tipo de relación o interacción entre sí durante las pruebas:

2.9.1 Análisis de covarianza.

Éste es un análisis para determinar si las variables de medida en este caso los tres

valores diferentes para cada uno de los parámetros de corte (factores) tienden a

variar conjuntamente9, es decir, si los valores altos de un factor varían

conjuntamente con los valores altos de otro factor, donde el valor encontrado será

positivo, si por el contrario son los dos valores bajos de un factor los que varían

conjuntamente tomando como valor uno negativo o si tienden a cero lo que indicaría

que los valores de los factores no tienen ningún tipo de variación relacionada. A

través de tabla a continuación se revela la matriz de covarianza para los tres

parámetros de corte junto con sus tres posibles valores respectivos a considerar:

Tabla 6. Tabla análisis de covarianza.

Columna 1 Columna 2 Columna 3

Columna 1 0,00106667

Columna 2 0,00133333 0,00166667

Columna 3 0,50666667 0,63333333 240,666667

Fuente: Tabla realizada por medio de Microsoft Excel.

9 OFFICE. Usar las Herramientas para análisis para realizar análisis de datos complejos [En línea] [Citado en 26

de junio de 2015] Disponible en: https://support.office.com/es-co/article/Usar-las-Herramientas-para-

an%C3%A1lisis-para-realizar-an%C3%A1lisis-de-datos-complejos-6c67ccf0-f4a9-487c-8dec-

bdb5a2cefab6?ui=es-ES&rs=es-CO&ad=CO#__toc309744615

48

Tras lo anterior la tabla muestra que el cruce de los niveles de los parámetros de

corte haciendo un análisis de covarianza tienden a no tener ningún tipo de variación

respecto a los niveles del otro factor con el cual se éste comparando o realizando el

cruce estadístico, porque sus valores resultantes tienden a cero.

2.9.2 Análisis de correlación.

Éste tipo de análisis estadístico tiene exactamente el mismo fin que el anterior

aunque utilice un procedimiento de cálculo diferente, además de que los valores

finales esperados se encuentran entre -1 y 1, donde incluso estos dos valores

también pueden ser tomados o incluidos. En este caso los valores de 1 o cercanos

a este valor, hacen referencia a algún tipo de relación en la variación de los puntos

altos de los factores a combinar, los valores de -1 o cercanos a él, hacen referencia

a una posible variación conjunta respecto a los valores bajos de una variable de

medida en consideración, mientras que un valor cercano a cero o con tendencia a

éste, hará referencia a que no hay ningún tipo de relación entre los valores de los

parámetros usados. A través de tabla a continuación se revela la matriz del

coeficiente de correlación para los tres parámetros de corte junto con sus tres

posibles valores respectivos a considerar:

Tabla 7. Tabla análisis de correlación.

Columna

1 Columna

2 Columna

3

Columna 1 1

Columna 2 1 1

Columna 3 1 1 1

Fuente: Tabla realizada por medio de Microsoft Excel.

Tras lo anterior la tabla muestra que el cruce de los niveles de los parámetros de

corte haciendo un análisis de coeficiente de correlación, tienden a estar

relacionados en los valores altos de los parámetros de corte respecto a una posible

variación conjunta. Esto debido a que los valores arrojados por la matriz de

correlación fueron exactamente iguales a 1.

49

3 ANÁLISIS E INTERPRETACIONES

Tras toda la creación de la matriz del diseño experimental, la realización de las

pruebas experimentales y la toma de las medidas de rugosidad, se realizó primero

que todo el análisis de tipo estadístico que se podía alcanzar por medio de la

herramienta Minitab y posterior a éstos análisis, se hizo el análisis de tipo mecánico

a los resultados obtenidos.

3.1 ANÁLISIS ESTADÍSTICO

En el software Minitab se realizó la inserción de los datos de rugosidad obtenidos

gracias a las pruebas y tras esto se procedió a hacer el análisis del diseño factorial.

La secuencia con la que se muestra el análisis estadístico es la siguiente: Primero

se encuentra el análisis realizado a las probetas sin ningún tipo de tratamiento

térmico, luego a las probetas con el tiempo de mantenimiento en el revenido de 15

minutos, luego con el tiempo de mantenimiento en el revenido de 30 minutos y por

último las probetas que tuvieron un tiempo de mantenimiento en el revenido de 45

minutos. Cabe resaltar que tras un análisis estadístico inicial se verificó que el

proceso fuera normalmente normalizado debido a que la mayoría de sus datos se

encontraban en la media de medición.

3.1.1 Análisis estadístico para probetas sin tratamiento térmico.

Para realizar el análisis estadístico fue necesario retirar la posible interacción entre

los tres parámetros de corte o factores en el software, debido a que varios autores

que hablan sobre el diseño experimental argumentan que dicha interacción no va a

afectar de una manera significativa la respuesta final obtenida. Es decir, la

interacción entre los tres factores o parámetros de corte debe ser eliminada en el

análisis de varianza del diseño de experimentos, debido a que según la tabla inicial

del ANOVA (análisis de varianza) no afecta significativamente la respuesta

rugosidad. Aquí se tuvo en cuenta que los valores de R cuadrado fueran lo más

altos posibles debido a que este factor dice en proporción, qué cantidad de datos

se están incluyendo dentro del análisis.

A continuación se observan las tablas del ANOVA finales arrojadas por el software

que nos dan los análisis iniciales:

50

La tabla anterior refleja los resultados obtenidos para los 3 parámetros de corte,

junto con las interacciones posibles en los mismos. Pero sin la interacción de los

tres factores como se mencionó anteriormente que se retiraba según los

argumentos dados. Cabe resaltar que de igual manera se realizó un análisis

incluyendo esta interacción, pero dicha interacción arrojaba un resultado final de

valor cero para varias columnas de la tabla incluso para todos los ensayos

realizados, lo que hacía imposible de analizar los fenómenos ocurridos.

Continuando con el análisis estadístico es fundamental observar las 2 columnas

finales de la tabla de varianza, que son las nombradas con las letras F y P, que son

el valor del estadístico de contraste F y la significación del contraste P. Si alguno de

los valores de F resulta ser menor a los de P, dicha interacción puede ser retirada y

realizarse el análisis de varianza sin esta interacción, pero con la previa

visualización de esta tabla donde se visualice que el valor final es realmente menor.

Para verificar cuales parámetros de corte tienen un mayor efecto en el valor final de

rugosidad obtenido se verifica cual es el valor de F mayor entre los existentes, y el

51

orden de mayor a menor que tengan dará el orden y la proporción con la cual afectan

esta medida experimental final.

Al observar la tabla se ve como el avance es entre los tres parámetros de corte

tomados el que da el mayor aporte a una medida de rugosidad tomada más baja,

seguido por la velocidad de corte y terminando con la profundidad, este último con

una medida de F casi igual al de la columna P, lo que significa que es casi nulo el

efecto que este causa sobre la rugosidad en comparación con los otros dos

parámetros.

En cuanto a las interacciones entre 2 de los factores se observa como la

combinación entre el avance y la velocidad de corte dan el mayor aporte a un cambio

en la medida final de rugosidad más pequeña con un valor realmente distante de

los demás lo que revela que esta combinación fue la de un mayor efecto final,

seguido de la combinación del avance con la profundidad que también debe ser

tenido en cuenta y finalizando con un efecto casi imperceptible de la combinación

de la profundidad con la velocidad de corte, este último al ser menor que su valor P

o significación del contraste nos revela como esta combinación en realidad no está

generando ningún efecto sobre la medida final obtenida de tipo significativo, con lo

cual puede ser realizado un nuevo análisis de varianza sin esta posible

combinación.

Por esto se puede decir que si se quiere obtener un mejor acabo final luego de

realizar un mecanizado se debe tener en cuenta y en mayor medida la combinación

entre el avance y la velocidad de corte, jugando con estos factores hasta encontrar

la combinación adecuada, y de manera individual el factor determinante en los

efectos finales es el avance por lo que éste factor debe ser el de mayor atención

dentro de un mecanizado.

A continuación se observan dos gráficas, la primera de los efectos principales sobre

la rugosidad de los parámetros de corte y una segunda de la interacción entre los

parámetros de corte para la rugosidad.

52

Figura 27. Gráfica de efectos principales para rugosidad.

Fuente: Figura realizada por medio de Minitab, propiedad de Gutiérrez Oscar, Gutiérrez Cristian.

El efecto en este caso dirá que factores están influyendo en la respuesta. De manera

gráfica se observa como el avance más grande fue el que alcanzó medidas de

rugosidad menores, incluso las de valores más bajos entre los tres parámetros de

corte, muy cercanos a las 0.800 micras. La profundidad por su parte se muestra

como un factor cambiante cuyo dato medio fue el que tuvo un mayor alivio en la

medida final, mientras que por el lado de la velocidad de corte se ve que el valor

menor de los tres posibles, fue el que alcanzó la menor medida de rugosidad.

53

Figura 28. Gráfica de interacción para rugosidad.

Fuente: Figura realizada por medio de Minitab, propiedad de Gutiérrez Oscar, Gutiérrez Cristian.

Aquí se ve de manera gráfica como los posibles valores o niveles para cada

parámetro de corte variaban con respecto a la rugosidad final obtenida.

En el cuadro superior izquierdo se ve la combinación entre el avance y la

profundidad, en éste la combinación de los valores más altos de los dos parámetros

fueron los que tuvieron tendencia a las rugosidades más bajas; el cuadro superior

derecho muestra la combinación entre el avance y la velocidad de corte, donde

dicha combinación revela que posiblemente los valores bajo y medio de los dos

factores son los que dan un mejor acabo superficial final. El cuadro inferior muestra

la combinación entre la profundidad y la velocidad de corte donde la tendencia a

una rugosidad menor se ve en los niveles bajos de los dos factores.

Por lo cual tras todo lo anterior se evidenció que el avance y la combinación junto

con la velocidad de corte son los dos parámetros a tratar principalmente para

mejorar los acabados superficiales del acero AISI 1045 en su estado de suministro

sin ningún tipo de tratamiento térmico.

54

3.1.2 Análisis estadístico para probetas con tiempo de mantenimiento en el

revenido de 15 minutos.

El paso por seguir fue el de realizar el ANOVA para las probetas con el tiempo de

revenido menor, la tabla del análisis de varianza se muestra a continuación:

Tras realizada la tabla del ANOVA, se refleja unas medidas del valor del estadístico

de contraste F y la significación del contraste P, algo incongruentes con lo que se

plantea en un inicio en el literal 15 donde se explicó el porqué, el avance es el factor

que más influye en un mejor acabado superficial tras un mecanizado, que en este

caso resulta ser el de menor valor en la columna F. Sin embargo la explicación a

este caso inusual se ve mejor de manera gráfica, por lo que esto se explica a

continuación con el uso de la gráfica de efectos principales para rugosidad.

55

Figura 29. Gráfica de efectos principales para rugosidad.

Fuente: Figura realizada por medio de Minitab, propiedad de Gutiérrez Oscar,

Gutiérrez Cristian.

Gracias a esta gráfica se logra entender el porqué del comportamiento inesperado

de la tabla del análisis de varianza del diseño experimental. Como se observa en la

figura, la profundidad de corte es el parámetro que arroja los mejores acabados

superficiales, alcanzando medidas menores a las 0.600 micras. Mientras que el

avance resulta ser el que tiene el valor mayor de los tres valores más bajos de

rugosidad, es por esto que el análisis de varianza arroja tales resultados. Sin

embargo gracias a las tablas 2 y 4, se muestra que el valor más bajo de rugosidad

que resultó ser de 0.400 micras, corresponde al valor del avance mayor, ocurriendo

lo mismo con la velocidad de corte y manteniendo una profundidad de valor

intermedio de los tres posibles valores, lo cual concuerda con lo que realmente se

esperaba de dichas pruebas de arranque de viruta.

56

Figura 30. Gráfica de interacción para rugosidad.

Fuente: Figura realizada por medio de Minitab, propiedad de Gutiérrez Oscar, Gutiérrez Cristian.

La gráfica anterior de la interacción de la rugosidad muestra las tres combinaciones

dobles de los parámetros de corte, donde realmente si se ve gráficamente como el

avance más grande si fue el que alcanzó la rugosidad más baja en la superficie de

la probeta de pruebas, esto se refleja en el cuadro superior derecho donde los

niveles altos de los parámetros avance y velocidad de corte son los que alcanzaron

dicha situación en mención. La profundidad se ve en el cuadro inferior donde el nivel

intermedio es el más recomendado para trabajar este acero doble fase en

específico, ya que alcanzó el nivel más bajo de medición de la respuesta rugosidad.

Por lo cual se recomienda de manera estadística que para este tipo de acero AISI

1045 doble fase que tuvo un revenido con un tiempo de mantenimiento de 15

minutos, se deberían utilizar los avances más grandes al igual que las velocidades

de corte altas, mientras que la profundidad más recomendada es la del nivel

intermedio de las propuestas.

57

3.1.3 Análisis estadístico para probetas con tiempo de mantenimiento en el

revenido de 30 minutos.

Tras realizada la tabla del ANOVA, se refleja unas medidas del valor del estadístico

de contraste F que están por debajo del valor de la significación del contraste P, por

lo cual según estos valores tres de ellos no serían de importancia o no tienen ningún

tipo de efecto significativo sobre la respuesta final, la rugosidad. Estos tres casos

son la velocidad de corte, la combinación del avance con la profundidad y la

combinación de la profundidad con la velocidad de corte.

Mientras que la combinación del avance con la velocidad de corte se muestra como

el parámetro determinante de significación en la respuesta final, seguido también

con un gran aporte del avance por la distancia entre el valor de F y P, y terminando

con la profundidad aunque este valor con respecto a los otros por su tamaño

evidencia no ser muy importante como para realizar alguna variación en éste para

afectar la medida final.

Sim embargo a continuación se analizan los efectos e interacciones que existen

sobre la rugosidad de manera gráfica:

58

Figura 31. Gráfica de efectos principales para rugosidad.

Fuente: Figura realizada por medio de Minitab, propiedad de Gutiérrez Oscar, Gutiérrez Cristian.

De manera gráfica se representan los efectos de cada parámetro sobre el factor

final rugosidad. Según este grafico el avance del nivel bajo otorga las medidas más

bajas de rugosidad, mientras que por el lado de la rugosidad el nivel alto es el que

presenta algún tipo de alivio sobre la medida y por parte de la velocidad de corte es

la del nivel alto la que refleja los posibles resultados más bajos aunque se presenta

como una gráfica que concentra sus datos casi prácticamente en una zona central.

59

Figura 32. Gráfica de interacción para rugosidad.

Fuente: Figura realizada por medio de Minitab, propiedad de Gutiérrez Oscar, Gutiérrez Cristian. Mediante el anterior grafico de interacción para la rugosidad, el cuadro que tiene la

combinación que refleja un alivio mayor sobre el acabado superficial de la probeta

es el superior derecho, en éste, que tiene implícitos el avance y la velocidad de corte

se observa que los dos niveles bajos de cada parámetro traen consigo la medida

menor de la respuesta.

Es decir gracias a todo lo anterior para este tipo de acero AISI 1045 doble fase con

tiempo de mantenimiento en el revenido de 30 minutos, de manera estadística se

concluye que si se quiere alcanzar los valores más bajos en la respuesta los factores

a tratar son el avance y la velocidad de corte en los niveles bajos o cercanos a estos.

Mientras que la profundidad prácticamente se puede ver como un factor con una

alteración mínima sobre la respuesta final, por lo que éste no sería tenido en cuenta

para alcanzar unos resultados mejores a los presentados.

60

3.1.4 Análisis estadístico para probetas con tiempo de mantenimiento en el

revenido de 45 minutos.

Tras realizada la anterior tabla del análisis de varianza se observa un resultado de

tipo inesperado, debido a que el valor del avance en el valor estadístico del contraste

F es menor que el valor de la significación P, lo que indicaría que este factor no

tienen ningún tipo de efecto sobre la respuesta final, lo que es algo erróneo debido

a la argumentación anteriormente dada sobre como el avance es el parámetro de

corte que más influye en la medida de rugosidad.

Por otro lado las tres combinaciones de los parámetros de corte resultan ser los que

causan los efectos más significativos sobre la rugosidad, mientras que de modo

individual la velocidad de corte y la profundidad son los parámetros que tienen algún

tipo de significación sobre la respuesta aunque la profundidad debido a su valor

tiene un efecto mínimo en la respuesta final.

A continuación las gráficas darán una mejor explicación a lo que la tabla del ANOVA

presentó en una primera instancia:

61

Figura 33. Gráfica de efectos principales para rugosidad.

Fuente: Figura realizada por medio de Minitab, propiedad de Gutiérrez Oscar,

Gutiérrez Cristian.

Gracias al anterior grafico se puede ver de manera más clara como mientras la tabla

del ANOVA da como resultado al avance como un parámetro sin influencia alguna

sobre la respuesta, como uno que si influye, incluso se ve como al aumentar el

avance ocurre una mejora sobre la superficie de la probeta disminuyendo la medida

en micras de la rugosidad superficial, de manera significativa. Por otro lado la

profundidad menor o de nivel bajo resulta ser la que otorga las mejoras en el

acabado superficial, mientras que las velocidades de corte bajas son las que

otorgan un mejor acabado superficial.

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Figura 34. Gráfica de interacción para rugosidad.

Fuente: Figura realizada por medio de Minitab, propiedad de Gutiérrez Oscar,

Gutiérrez Cristian.

Por medio del anterior grafico se puede determinar que el avance y la velocidad de

corte en su nivel medio fueron los valores de los factores que otorgaron un mayor

alivio en la medida de rugosidad final, mientras que la profundidad tiende a ser un

factor más aleatorio en sus resultados que no da una confirmación en sí mismo de

hacía que valores se acerca más un alivio en el acabado superficial.

Sin embargo las combinaciones de los valores de nivel alto de la velocidad de corte

y el avance se acercan mucho a los resultados obtenidos con las otras

combinaciones, lo que nos lleva a la deducción de que si se quiere mejorar el

acabado superficial de las probetas de acero AISI 1045 de tipo doble fase con

tiempo de mantenimiento en le revenido de 45 minutos se deben de tratar los

valores medio y alto del avance y la velocidad de corte, para alcanzar mediciones

más bajas de rugosidad sobre esta clase en específico de acero.

63

3.2 ANÁLISIS MECÁNICO REALIZADO A LAS PROBETAS

Según la tabla 5, aproximadamente el 81.5% de los datos se encuentra con un alivio en la medida final de rugosidad, mientras que el 18.5% restante tiene una medida de rugosidad superior a la evidenciada en las probetas en su estado de suministro.

Éste alivio en la medida de la rugosidad superficial sobre aproximadamente el 81.5% de los datos obtenidos experimentalmente se debe a la influencia del tratamiento térmico utilizado sobre el acero. Esto debido a que los tratamientos térmicos generan un cambio en las fases presentes del acero AISI 1045, ya que el acero sufre un cambio por el calentamiento y el posterior enfriamiento rápido, lo cual causa un cambio de las fases internas dando como resultado final la obtención principalmente de ferrita y martensita, es decir un acero doble fase. Esta primera fase presente es la causante de que el acero sea más blando ya que tiene una dureza menor a las demás fases que puede tener un acero; entonces debido a que la ferrita es el componente más blando del acero se genera una especie de suavización de la superficie, lo que hace que el mecanizado otorgue unas medidas finales de rugosidad menores a las que se presentaban al principio de los ensayos.

El 18.5% restante que genera una medida mayor a la inicial en la rugosidad superficial puede explicarse debido a varias causas, ya que eventos como un maquinado incorrecto, unas condiciones de corte no idóneas para lo que se estaba realizando, flujo de lubricante mal direccionado, falta de fijación de la herramienta, posibles errores en la medición con el rugosímetro entre otras, podrían llevar a este evento presentado, incluso la composición química de las probetas puede resultar no ser la misma en porcentaje en todas las que se utilizaron durante las pruebas de arranque de viruta.

64

4 EVALUACIÓN FINANCIERA DEL PROYECTO

El Proyecto se financió de la siguiente manera; a continuación se encuentra la tabla

que relaciona los elementos que fue necesario comprar en la industria, junto con el

costo de los elementos utilizados para la elaboración del proyecto:

Tabla 8. Relación de los materiales a utilizar en cantidades y costos.

Cantidad Material Costo Medida

1 Escariador de Tungsteno para CNC

$ 77,000 Ø12 mm

20 Probetas de acero AISI 1045 $ 120,000 100mm x 100mm x 12

mm

1 CNC $ 48000/ hora

1 Rugosímetro $ 180000/ hora

1 Mufla $ 100000/ hora

Fuente: Tabla realizada por medio de Microsoft Excel.

4.1 MATERIA PRIMA

Perfil cuadrado acero AISI 1045 (100 x 100 x 12) mm

Densidad del acero: 7,850 Kg/m3. Peso: 0.99 Kg

4.2 TIEMPO DE PREPARACIÓN DEL CENTRO DE MECANIZADO

Estimado de 12 minutos total de montaje por probeta que se ve reflejado así:

Alistamiento de herramienta: 2 min.

Análisis del material: 4 min.

65

Puesta a punto de la máquina: 6 min.

Por lo que el total del tiempo de preparación del centro de mecanizado para las 27

pruebas en las 4 diferentes clases de acero AISI 1045 es de 1308 minutos,

equivalentes a 21.8 horas de trabajo de alistamiento.

4.3 TIEMPOS DE MECANIZADO

Con las probetas listas según la dimensión específica, se procede a realizar una

pasada con la herramienta por probeta, cada pasada tuvo una variación de los

parámetros de corte, velocidad, avance y profundidad. El tiempo de mecanizado se

calcula por medio de la siguiente ecuación:

Tm = (L/V) X (# Pasadas). Donde:

V se calcula por medio de la multiplicación del avance en mm/rev y la velocidad

de corte en rev/min.

L es la longitud a mecanizar.

Por medio de la sigui9ente tabla se dan a conocer los tiempos de mecanizado:

Tabla 9. Tabla tiempos de mecanizado.

Fuente: Tabla realizada por medio de Microsoft Excel.

66

Con estos tiempos de mecanizado se tiene una sumatoria total de 2.53 minutos en las 27 pruebas de arranque de viruta que se realizaron pero por las 4 clases de acero diferentes que fueron utilizados con exactamente los mismos parámetros equivale a un total de 10.11 minutos como tiempo total usado en el mecanizado de las probetas, equivalentes a 606.7 segundos. Con estos datos se procede a calcular el costo total del mecanizado. 4.4 COSTO DE MECANIZADO

Cm= (Tiempo de mecanizado + Tiempo de preparación)*Costo unitario de CNC.

Por ende el costo de mecanizado es de $1.054.488.

4.5 TIEMPO DE LIMPIEZA Y LUBRICACIÓN DEL CENTRO DE MECANIZADO

Desapriete de prensa para desmontaje: 25 s

Limpieza de prensa hidráulica: 240 s

Limpieza de la bancada de la maquina: 420 s

Limpieza de las demás partes del centro de mecanizado: 480 s

Lubricación y ajuste de prensa hidráulica y componentes: 180 s

Tiempo total de limpieza y lubricación: 1345 s – 22.4 min

4.6 COSTO TIEMPO DE LIMPIEZA Y LUBRICACIÓN

Precio por minuto de operario de limpieza: $97.22

Precio de la limpieza: $2177.77

4.7 COSTO TOTAL DE USO DEL CNC

Costo de mecanizado + Costo de limpieza y lubricación

67

El costo total del centro de mecanizado para la realización de las pruebas de

arranque de viruta de la superficie de la probeta es de $1.056.665.77

4.8 TIEMPO DE REALIZACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS

4.8.1 Templado.

Depositar la probeta en el interior de la mufla con ayuda de soportes: 60 s.

Iniciar la máquina configurando temperatura y tiempo de mantenimiento: 10 s.

Establecimiento de la temperatura en la probeta de 760 °C: 1 Hora y 45 min

Tiempo de Mantenimiento: 1 hora.

Extracción de la probeta del interior de la mufla: 15 s.

Enfriamiento en balde con agua: 40 s.

Tiempo Total de templado: 338.15 minutos por una probeta. Probetas

templadas 8.

4.8.2 Revenido.

Depositar la probeta en el interior de la mufla con ayuda de soportes: 60 s.

Iniciar la maquina configurando temperatura y tiempo de mantenimiento: 10 s.

Establecimiento de la temperatura en la probeta de 400 °C: 1 Hora y 30 min

Tiempo de Mantenimiento: Tm1: 15 Min, Tm2: 30 Min y Tm3: 45 min

Extracción de la probeta del interior de la mufla: 15 s.

Enfriamiento a temperatura ambiente: 3600 s.

Tiempo total de revenido :

T1: 2.77 Horas

T2: 3 Horas

T3: 3.27 Horas

68

Tiempo total de Revenido: 9.043 Horas.

Tiempo total de tratamientos: tiempo total de templado + tiempo total de revenido:

54.13 Horas.

4.9 COSTO TOTAL DE LOS TRATAMIENTOS

Tiempo total de los tratamientos*costo de la mufla= $5.412.966.6

4.10 TIEMPO DE MEDICIÓN DE RUGOSIDAD

Preparación y calibración del rugosímetro Marh Surf PS1.

Ensamble del palpador: 8 s.

Ensamble del protector del palpador: 15 s.

Montaje de la estructura del rugosímetro: 10 s.

Inicio de la medición

Seleccionar la norma a trabajar: 5 s.

Seleccionar Lt, Lc, n: 10 s.

Iniciar la medición: 12 s.

Cantidad de mediciones: 108 mediciones.

Interpretación y anotación de la medición: 6s por 108 mediciones realizadas da

un total de 648s.

Tiempo total: 708 s= 0.196 Horas.

4.11 COSTO DE LA MEDICIÓN DE RUGOSIDAD

C= tiempo de medición en horas * costo rugosímetro por hora.

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El costo total de la toma de medidas de rugosidad fue de $35.400

4.12 COSTO DE LOS ARTÍCULOS CONSULTADOS QUE TENÍAN

INFORMACIÓN PARA EL INICIO Y EL DESARROLLO DEL PROYECTO

Nota: Los diferentes artículos consultados para la elaboración del estado del arte y

consultas en general, se encuentran en las bases de datos de la Universidad

Distrital, los cuales no tienen ningún costo para los miembros de la comunidad

universitaria.

4.13 COSTO TOTAL DEL DESARROLLO DEL PROYECTO

El proyecto en su totalidad tuvo un costo de aproximadamente $6.642.031, aunque

cabe destacar que los precios de los tratamientos térmicos, uso del CNC y uso del

rugosímetro fueron gratuitos debido a que pertenecen a la Universidad, sin embargo

estos costos se calcularon para si fuera necesario una reproducción de dichas

pruebas de modo particular.

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5 CONCLUSIONES

Los parámetros de corte que más influyen en el acabado superficial final de un acero AISI 1045 tipo fase son el avance, la velocidad de corte y la profundidad. Todo esto gracias a un estudio detallado del estado del arte, los cuales debían ser tenidos en cuenta como variables fijas dentro del desarrollo del proyecto.

El diseño experimental fue la técnica primordial que permitió realizar las pruebas y obtención de datos.

Se realizó la secuencia térmica en las probetas en su estado de suministro. Por lo tanto se alcanzó el cambio de un acero AISI 1045 en su estado de suministro a uno de tipo doble fase, cambiando sus propiedades mecánicas radicalmente.

Se encontró que los cambios producidos por la secuencia térmica descrita en el documento crean unos cambios de fase en el acero, dando como resultado unas fases con una dureza menor a las iniciales, obteniendo unas medidas finales de rugosidad menores a las que se encontraron en los mecanizados a las probetas en su estado de suministro. Por lo cual aunque se utilizaron exactamente los mismos parámetros de corte en todas las pruebas se ve como el tratamiento térmico realizado es el que causa una variación en la rugosidad superficial.

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