Cómo obtener el máximo beneficio del rectificado con alimentación creep

Cada vez más fabricantes toman conciencia de la reducción de costos gracias al rectificado con alimentación creep. La nueva tecnología permite hacer más y tener mejores resultados. El rectificado con alimentación creep produce partes con calidad superior y en menos tiempo que con otros procesos, gracias a la utilización de nuevos granos abrasivos, mejores máquinas-herramienta y métodos perfeccionados.

La alimentación creep es, básicamente, un proceso para retirar grandes cantidades de material en una sola pasada de la rueda abrasiva, produciendo las tolerancias y acabados superficiales prescritos en una segunda pasada. En comparación con otros procesos de rectificado, el de alimentación creepinvolucra tiempos de ciclo más cortos, tasas de remoción de metal más altas, mayor precisión dimensional y una operación más silenciosa, gracias a las relativamente más grandes áreas de unión entre la rueda abrasiva y la pieza de trabajo.

Varias compañías han trabajado duro para desarrollar el know-how y así establecer prácticas recomendadas de rectificado con alimentación creep. Una de esas compañías, Norton Abrasives, diseñó y adelantó numerosas pruebas en su laboratorio de desarrollo de productos. Estas pruebas señalan el camino para aprovechar al máximo el proceso de alimentación creep.

Sobre las pruebas
Todos los experimentos con rectificado de alimentación creep usaron una máquina-herramienta estándar y un refrigerante de aceite soluble en agua suministrado a la interfaz rueda/trabajo, a velocidades que igualaban la aceleración periférica de la rueda. Se usó una boquilla en lo alto para limpiar la rueda con un chorro de refrigerante a 195 psi (gráfico 1 ).

Para crear una imagen completa del impacto del proceso es necesario medir y evaluar variables como la tasa de remoción de metal, las fuerzas normal y tangencial, y el consumo de energía. En conjunto, estos factores son una medida excelente de la acción de corte de la rueda y de la eficiencia de la operación.

Las fuerzas de rectificado tienen gran importancia en el rectificado con alimentación creep, ya que esta involucra una unión alta de la rueda a la pieza de trabajo. Se necesita poca energía específica de rectificado en esta clase de proceso para lograr altas tasas de remoción de metal y para prevenir la quemadura de la pieza de trabajo.

Cuando se correlacionan con la tasa de remoción de metal, las fuerzas de rectificado pueden proveer una evidencia gráfica de la acción de corte de una rueda. Las gráficas típicas de fuerza normal a tasa de remoción de metal aparecen en el gráfico 2 . Una pendiente alta (como la marcada con 'A') muestra incrementos grandes en la tasa de remoción de metal con incrementos pequeños en las fuerzas de rectificado, señal de un corte afilado o de una rueda de acción suave. En contraste, una pendiente plana o ligera (como la marcada con 'B') muestra un cambio menor en la tasa de remoción de metal e incrementos grandes en las fuerzas de rectificado, señal de un corte embotado o de una rueda de acción dura.

En general, los acabados superficiales son importantes porque reflejan la calidad de la pieza y pueden ser usados indirectamente para indicar la capacidad del proceso de mantener la forma. La correlación de las fuerzas de rectificado con el acabado superficial es útil para manejar la disyuntiva entre calidad de la parte y eficiencia del proceso.

Corte hacia arriba versus corte hacia abajo
ón para rotar una rueda cuando hace contacto con la pieza de trabajo. El asunto circunda los beneficios derivados de rectificar con una acción de corte hacia arriba o hacia abajo a medida que el material es alimentado (gráfico 3 ). Se han llevado a cabo muchas pruebas usando una rueda de óxido de aluminio para cortar acero 4340, con dureza Rockwell C 50, y luego usando una rueda de diamante para cortar carburo de tungsteno.

El corte hacia abajo es, en general, más eficiente y causa menos problemas porque resulta más fácil entregar de manera efectiva el refrigerante a la zona de rectificado; además, permite la formación de viruta con espesor más uniforme. Una pieza de trabajo de acero y una rueda de óxido de aluminio requieren menos energía con el corte hacia abajo y se obtiene un mejor acabado superficial que con el corte hacia arriba, a profundidades de corte considerables (0,125''). Con una pieza de carburo de tungsteno, el corte hacia abajo requirió 26% menos energía, produjo menos viruta y mostró menores daños térmicos.

Por otro lado, el corte hacia arriba produjo un mejor acabado superficial con carburo de tungsteno, probablemente porque la rueda creó una acción de bruñido en la parte más baja del corte. Ahí, la viruta generada por el corte hacia arriba es más delgada, siendo el espesor de la viruta de correlación directa con el acabado superficial. A diferencia del corte hacia abajo, el corte hacia arriba comienza formando la viruta con el roce y alejando parte de ella de la superficie de la pieza de trabajo, para mejorar el acabado superficial. Cuando se corta hacia arriba con una rueda de óxido de aluminio, las relaciones G mejoran cerca de 25%, pero a expensas de la calidad de la superficie. Igualmente, la aplicación de refrigerante y la vibración fueron un problema mayor con el corte hacia arriba, a tasas de remoción de metal más altas.

En resumen, el corte hacia abajo es mejor para una mayor remoción de material (con la premisa de que el alistamiento en la máquina tiene la rigidez adecuada), mientras que el corte hacia arriba mejora el acabado superficial a tasas de remoción de metal más bajas.

Selección de la rueda apropiada
Muchos factores influyen en la selección de la mejor rueda para rectificado. El tipo de abrasivo, el tamaño de grano, el grado y el sistema de unión son factores críticos. En las pruebas, el tamaño del grano abrasivo y los sistemas de unión de las ruedas de diamante marcaron una diferencia notable en desempeño con relación al acabado superficial de la pieza de trabajo.

Tipo de rueda. En una serie de pruebas se compararon ruedas de diamante galvanizadas, plateadas y adheridas durante el rectificado de carburo de tungsteno C--2. Las ruedas galvanizadas fueron corregidas dentro de 0,0002'' y no se reacondicionaron. Las demás ruedas fueron corregidas con un dispositivo de corrección dotado de controlador de freno y se reacondicionaron con una barra vitrificada de óxido de aluminio de grano fino.

Todas las ruedas galvanizadas mostraron una relación predecible entre fuerzas y acabado superficial para varios tamaños de grano (gráfico 4 ). En pruebas para comparar ruedas plateadas, vitrificadas y de unión con resina, las primeras mostraron más embotamiento. De hecho, el desempeño de las ruedas plateadas fue el más difícil de predecir, ya que cambiaron o se embotaron constantemente con el uso, mientras que los sistemas vitrificados y de unión con resina se podían reacondicionar.

En general, las ruedas de diamante con adhesivo produjeron superiores acabados superficiales, mostraron mejores características de mantenimiento de forma y tuvieron mejor consistencia de los resultados del rectificado. Las ruedas de diamante galvanizadas mostraron los mayores cambios en energía, relación G y acabado superficial en toda la vida de la rueda. Estas ruedas tienen una sola capa de granos abrasivos, lo cual explica los cambios de desempeño durante la vida de la rueda. Las ruedas vitrificadas requirieron mayor energía, pero tuvieron relaciones G menos afectadas por cambios en las tasas de remoción de metal. Las ruedas con resina resultaron más difíciles de corregir, aunque requirieron en general menos energía y llevaron a obtener mejores acabados superficiales. Dentro de las ruedas de unión con resina, las de grano grueso fueron más difíciles de corregir que las de grano fino.

Diámetro de la rueda. Los resultados de la comparación entre ruedas con diámetros de 18,715'' y 16,58'' mostraron que la rueda más pequeña tiene menores requerimientos de energía y fuerzas normales más bajas por unidad de metal removido. Sin embargo, las ruedas más grandes tuvieron, en general, un mejor desempeño para obtener radios de esquinas y mantener una buena relación G, especialmente a bajas tasas de remoción de metal. A medida que la rueda se fue haciendo más pequeña, el arco de contacto con la pieza de trabajo también disminuyó, y este cambio redujo las fuerzas totales de rectificado.

A mayores tasas de remoción de metal, la rueda más pequeña mostró relaciones G ligeramente más altas, atribuidas a cambios en la superficie de contacto entre la rueda y la pieza de trabajo. Con mayores fuerzas presentes a tasas de remoción de metal superiores, la rueda más grande incrementa el área de contacto, resultando en fuerzas de rectificado más altas que producen mayor desgaste de la rueda.

Porosidad de la rueda. La porosidad, la red de pequeñas cavidades dentro de la rueda vitrificada para alimentación creep, determina la capacidad de la rueda de llevar refrigerante y retirar las virutas de metal durante el proceso de rectificado. La porosidad es creada por la adición de materiales especiales para inducción de poros durante el proceso de manufactura y tiene un gran efecto en el desempeño de la rueda durante el rectificado.

Las ruedas hechas con poros finos tuvieron un mejor desempeño que las que fueron hechas con poros grandes. Por ser más pequeños, los poros finos crean una red de interconexión de porosidad más permeable (es más fácil para un líquido fluir a través de ella), pues los poros están más juntos. Esta estructura de poros actúa como una esponja para promover la distribución de refrigerante y el flujo de viruta. Las ruedas con poros grandes y espaciados son más resistentes al flujo de refrigerante y a las virutas de metal durante el rectificado porque los poros son menos permeables. Sin una permeabilidad adecuada ocurre el "flujo de calor" o la "ebullición de núcleos" del refrigerante, que dejan la zona de rectificado seca y sin lugar para la evacuación. Esta condición termina por dañar la pieza de trabajo, metalúrgicamente hablando, y degrada su geometría.

Reacondicionamiento de la rueda. El reacondicionamiento es crítico para el rectificado con alimentación creep porque mantiene la rueda en una condición abierta y libre para el corte. Para operaciones que justifiquen el costo, los reacondicionadores de cilindros de diamante pueden ser parte del proceso de rectificado. El tipo de reacondicionador de rodillos de diamante y la manera en que se usa tienen un gran impacto en la calidad y eficiencia del proceso de rectificado con alimentación creep.

En general, los rodillos para reacondicionamiento que contienen un tamaño de partículas de diamante más fino, parecen sacar el mejor desempeño a las ruedas para alimentación creep. En pruebas de reacondicionamiento de una rueda de óxido de aluminio, un rodillo de diamante con malla 30/40 produjo superiores acabados superficiales y mejores relaciones G que un rodillo de reacondicionamiento con grano 20/30 comparable. Sin embargo, las ruedas reacondicionadas con diamantes más finos, consumieron menos energía.

Hubo una relación directa entre la concentración de diamante en el rodillo de reacondicionamiento y el consumo de energía y otros aspectos de la rueda reacondicionada. Las ruedas reacondicionadas con rodillos que contenían mayores concentraciones de diamante tuvieron un mejor filo y dieron un corte más libre. Al mismo tiempo, el tipo de rodillo tuvo poco efecto en la capacidad de mantener las esquinas afiladas, a pesar de que las ruedas mejor afiladas fueron creadas por un rodillo de alta concentración.

Los rodillos de reacondicionamiento con plato reverso generalmente tienen una alta concentración de diamante, con tamaños de partícula fina, lo cual los hace más productivos que los rodillos de reacondicionamiento con adhesivo. En comparación con rodillos metálicos con adhesivo, los de diamante con plato reverso exhiben menos desgaste y las ruedas de rectificado que reacondicionan muestran menos energía y fuerzas más bajas de rectificado. Por la naturaleza de su diseño, los rodillos de diamante con plato reverso son más durables y capaces de mantener geometrías y tolerancias más estrechas.

La comparación de rodillos rectificados versus no rectificados y superpuestos muestra una diferencia significativa en el desempeño de la rueda. Para un rodillo rectificado los diamantes han sido superpuestos o rectificados con el fin de brindar una superficie extremadamente uniforme. Los reacondicionadores de rodillo rectificados producen ruedas más duras (hasta tres veces). Al igual que una rueda dura, las ruedas reacondicionadas con un rodillo rectificado requieren menos energía y tienen una mejor relación G. Sin embargo, hay una gran tendencia a quemar la pieza de trabajo, y los acabados superficiales son más pobres. Probablemente, la inferior calidad superficial es causada por incrementos en las fuerzas de rectificado necesarias para lograr la tasa deseada de remoción de metal.

Los reacondicionadores con rodillos de diamante plateados producen una rueda de rectificado de óxido de aluminio más afilada y abierta que los rodillos para reacondicionar de diamante con unión por sinterizado. Las ruedas vitrificadas reacondicionadas con rodillos de diamante plateados usan menos energía y tienen menores fuerzas normales. En las pruebas, las relaciones G no estuvieron afectadas por la elección de los tipos de rodillo para reacondicionamiento. Sin embargo, los acabados superficiales fueron mucho más pobres, un resultado que puede atribuirse a la acción de rectificado por el afilado de la rueda reacondicionada. Una rueda más afilada rectificará más libremente a tasas más altas de remoción de metal.

La velocidad de rotación del rodillo de diamante y la dirección de esta rotación también tienen un efecto importante sobre el rectificado con alimentacióncreep en aplicaciones de reacondicionamiento con penetración. La velocidad y dirección de la rotación se determinan en el punto de contacto entre el rodillo y la rueda abrasiva (gráfico 5 ). Una relación de velocidad positiva significa que el rodillo y la rueda viajan en la misma dirección en el punto de contacto. Una relación de velocidad de +0,85 indica que la velocidad periférica del rodillo de diamante equivale a 85% de la velocidad periférica de la rueda en la misma dirección. Eso significa que la superficie de la rueda pasa la superficie del rodillo de diamante con 15% de la velocidad superficial de la rueda.

Un reacondicionador de rodillo aplicado a una rueda de óxido de aluminio produce resultados variados, según su velocidad y dirección. Generalmente, las condiciones óptimas de consumo de energía y acabado superficial están en un rango de relación de velocidades de +0,85 a +0,5. El gráfico 6 muestra una figura típica de velocidad rotacional y consumo de energía para varios niveles de remoción de metal. Nótese que las curvas de energía para diferentes tasas de remoción son casi paralelas. Típicamente, el consumo de energía se incrementa en 20% cuando la relación de velocidad disminuye de +0,85 a +0,5 y sólo crece ligeramente cuando la relación de velocidad disminuye aún más. Con el reacondicionador a una velocidad de rotación de -0,85 (dirección opuesta a la rueda de rectificar en el punto de contacto), la rueda de rectificar se embota, condición que produce daño térmico a la pieza de trabajo.

Cuando las fuerzas de rectificado son bajas, las fuerzas de reacondicionamiento son altas, y viceversa. Esto es debido a que las fuerzas de reacondicionamiento se relacionan con la velocidad del reacondicionador. Las fuerzas de reacondicionamiento más altas son generadas cuando hay reacondicionamiento por impacto, lo cual a su vez genera las fuerzas mínimas de rectificado. Cuando se usan altas relaciones de velocidad del reacondicionador se requiere un dispositivo energizado, de alto torque y rígido para brindar la energía adecuada de reacondicionamiento y minimizar la deflexión, que causa condiciones de ovalamiento de la rueda.

Los mayores cambios causados por diferentes relaciones de velocidad aparecen en los acabados superficiales. En general, los acabados superficiales mejoran cuando la relación de velocidad disminuye de +0,85 a +0,2. Para relaciones de +0,2 a -0,85, los acabados de superficie se vuelven impredecibles, probablemente a causa de las altas fuerzas de rectificado. Elasentamiento de un reacondicionador de rodillo con plato reverso cambia su desempeño. Aliviar la matriz de unión durante el proceso de asentamiento expone más diamante y produce una rueda que tiene fuerzas de rectificado más bajas, consume menos energía y brinda superiores acabados superficiales y un mejor mantenimiento de la forma. Aliviar la matriz de unión del rodillo de reacondicionamiento le permite al rodillo afilar mejor la rueda de rectificado y que esta haga un corte más frío. Los resultados son tasas de remoción de metal más altas y ninguna quemadura en la pieza de trabajo.

Refrigerantes
Los investigadores examinaron detalladamente los refrigerantes usando el alistamiento mostrado en el gráfico 6. Cada refrigerante de aceite soluble en agua para servicio pesado se condujo a la interfaz rueda/pieza de trabajo a través de una boquilla diseñada para ajustar la velocidad del flujo de refrigerante a la velocidad periférica de la rueda. Este método de entrega de refrigerante aseguró que el refrigerante penetrara la zona de rectificado. Para calcular la velocidad del refrigerante se divide el flujo volumétrico de la bomba de refrigerante entre el área de la sección transversal de la apertura de la boquilla para refrigerante usando las conversiones apropiadas.

La aplicación adecuada del refrigerante es probablemente la única parte más importante del rectificado con alimentación creep --además del diseño de la boquilla y su localización, que son críticos--. La apertura debe tener un contorno recto y uniforme para eliminar la turbulencia y la aireación, asegurando así un flujo suave y continuo de refrigerante. La boquilla debe estar tan cerca como sea posible de la zona de rectificado, con el chorro dirigido hacia el contacto entre la rueda y la pieza de trabajo. La mejor posición es usualmente 7° apartado de la horizontal.

En una evaluación de dos refrigerantes de aceites diferentes, solubles en agua y para servicio pesado, las concentraciones más altas de refrigerante y las temperaturas menores mejoraron el desempeño. Un incremento en la concentración de refrigerante mejoró el desempeño en el rectificado al disminuir tanto las fuerzas de rectificado como los requerimientos de energía, y prolongó la vida de la rueda. Sin embargo, el acabado superficial no resultó afectado por la concentración de refrigerante en estas pruebas.

Específicamente, los resultados de la prueba indicaron que al incrementar la concentración de refrigerante se puede reducir la energía entre 20% y 30%. Una mejora de 78% en los valores de relación G se obtuvo al cambiar una mezcla de inhibidor de óxido por 3% de concentración de refrigerante de aceite soluble en agua. Se obtuvieron mejoras de 100% a 200% cuando se cambió la concentración a 5%.

La pieza de trabajo se quemó con todas las tasas de remoción de metal al utilizar la solución del inhibidor de óxido, pero al incrementar la concentración de aceite soluble en agua la situación mejoró notablemente. No se presentaron quemaduras en las pruebas con una concentración de 5%. Estos resultados indicaron que la lubricidad es el atributo más importante del refrigerante. La capacidad del refrigerante para retirar calor (conductividad térmica) tiene mucha menos influencia.

Más aún, reducir la temperatura del refrigerante en 7°, de 32 °C a 25 °C, resultó en una mejora de 30% en la remoción de metal. La rueda cortó con más libertad con una temperatura de refrigerante más baja --y el cambio es aún más evidente a velocidades de mesa más altas--. También se presentó 28% de disminución en el consumo específico de energía con una temperatura más baja. De la misma forma, la menor temperatura mejoró el acabado superficial y generó las mejores relaciones G. Las mejoras más drásticas en todos los modos se produjeron cuando se operó a la máxima velocidad de la mesa o la tasa de remoción de metal.

Aplicar los hallazgos
Usar estos hallazgos para mejorar el rectificado con alimentación creep puede reducir sustancialmente los costos e incrementar la productividad. Aunque la lección general más importante es pensar en el rectificado con alimentacióncreep como un sistema en el cual todos los elementos están interrelacionados, entender cómo se afectan las variables entre sí es la mejor guía para manejar los cambios y lograr óptimos resultados.

©Reproducido de Modern Machine Shop con autorización expresa del editor.