CAPITULO 25: EL ESMERILADO Y OTROS PROCESOS ABRASIVOS
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Los procesos de maquinado abrasivo se usan como operaciones de acabado. Procesos por abrasivos incluyen el rectificado, el bruñido, el superacabado, el pulido y el abrillantado. El esmerilado es el proceso abrasivo más importante Los procesos abrasivos son importantes comercial y tecnológicamente, por: Pueden usarse en todos los tipos de materiales, desde metales suaves hasta aceros endurecidos, y en materiales no metálicos, como cerámicas y silicio. lgunos de estos procesos pueden usarse para producir acabados superficiales e!tremadamente finos de hasta "."#$ mm %&m'in(. Para ciertos procesos abrasivos, las dimensiones pueden su)etarse a tolerancias e!tremadamente estrechas
1. El Esme Esmeri rillado. ado. El esmerilado es un proceso de remoción de material en el cual las
part*culas abrasivas están contenidas en una rueda de esmeril aglutinado que opera a velocidades perif+ricas muy altas. 1.1. La r!eda de esmeril. na rueda de esmeril consiste en part*culas abrasivas y
material aglutinante. Los materiales aglutinantes mantienen a las part*culas part*culas en su luga lugarr y esta establ blec ecen en la form forma a y la estr estruc uctu tura ra de la rued rueda. a. Esto Estoss dos dos ingredientes y la forma en que se fabrican determinan los cinco parámetros básicos de la rueda de esmeril: &( material abrasivo, #( tamaño del grano, -( material aglutinante, ( /ure0a de la rueda y $( estructura de la rueda.
Ma"erial a#rasi$o. Los materiales abrasivos de mayor importancia comercial
son el ó!ido de aluminio, el carburo de silicio, el nitruro de boro c1bico y el diamante. Las propiedades generales de un material abrasivo para las ruedas de esmeril incluyen alta dure0a, resistencia al desgaste, tenacidad y fragilidad.
Tama%o del &ra'o El tamaño de grano pequeño produce me)ores acabados,
mientras que los mayores tamaños de grano permiten velocidades de remoción de material más grandes. Por lo tanto, cuando se selecciona el tamaño de granos abrasivos, debe tomarse en cuenta ambos parámetros. La selección del tamaño de grano depende tambi+n hasta cierto punto del tipo de material de traba)o. Los materiales de traba)o más duros requieren tamaño de grano más pequeño para un corte efectivo, mientras que los materiales más suaves requieren tamaños de granos más grandes. Ma"eriales a&l!"i'a'"es El material aglutinante su)eta los granos abrasivos y
establece la forma y la integridad estructural de la rueda de esmeril. Las propiedades convenientes del material aglutinante incluyen la resistencia, la tenacidad, la dure0a y la resistencia a la temperatura.
Es"r!("!ra de la r!eda se refiere al espaciamiento relativo entre los granos
abrasivos en la rueda. demás de los granos abrasivos y el material aglutinante, las ruedas de esmeril contienen huecos de aire o poros D!re)a de la r!eda indica la resistencia del aglutinante de la rueda de esmeril
para retener los granos abrasivos durante el corte.
1.2. A'*lisis del +ro(eso de esmerilado.
La $elo(idad +eri,-ri(a o $elo(idad li'eal de la r!eda. 2e determina
mediante la velocidad de rotación de la rueda. v =πDN
D'de: v =velocidad linealdela rueda m/min ft/min N = velocidad derotacióndel husillo rev/min
D= diámetro delarueda m ft
La $elo(idad de remo(i' de ma"eriales. 2e determina mediante la velocidad
de la rueda y el área de la sección transversal R MR=V w wd
D'de: d = profundidad de corte o avanceradial
w =ancho de latrayectoria del esmerilado
V w = velocidad deltrabajo
En una operación de esmerilado, lo que interesa es cómo se combinan las condiciones de corte con los parámetros de la rueda de esmeril para afectar los siguientes aspectos: acabado superficial, fuerzas y energía, temperatura de la superficie de trabajo, desgaste de la rueda. A(a#ado s!+er,i(ial. La mayor parte del esmerilado comercial se reali0a para lograr acabados superficiales superiores a los que puede alcan0arse con maquinado convencional. El acabado superficial de la pie0a de traba)o lo afecta el tamaño de las virutas individuales que se forman durante el esmerilado. n factor obvio en la determinación del tamaño de viruta es el tamaño del grano3 los tamaños más pequeños de grano o part*culas rinden me)ores acabados. Lo'&i"!d +romedio de $ir!"a lc =√ Dd
D'de: Ic=longitud dela viruta mm (¿) D = diámetrode larueda mm (¿)
d = profundidad de corte o avanceradial mm (¿) !
Rela(i' de as+e("o del &ra'o rg =
w " t
D'de: r g =relación deascpecto del grano w # =ancho de viruta
t =espesor de de viruta
/!mero de $ir!"as ,ormadas nc = vw$
D'de:
nc = numero de virutasformandas v =velocidad dela rueda mm/ min (¿ / min)
w =avance transversal mm (¿) $ = granos por área enla superficie dela rueda deesmeril
(
granos granos ¿2 mm 2
)
0!er)as e'er&a 2i se conociera la fuer0a requerida para pasar el traba)o contra una rueda de esmeril, la energ*a espec*fica en el esmerilado podr*a determinarse como % =
& c v v w wd
D'de: % = energ'aespec'fica ( / mm 3 (¿−lb /¿ 3 ) & c = fuer)a de cortenecesaria para pasar el trabajo contrala rueda N ( lb) v =velocidad dela rueda m / min ( ft / min ) w =ancho del corte mm(¿)
d = profundidad de corte mm (¿) ! v w =velocidad deltrabajo mm / min (¿/ min) *
En el esmerilado, la energ*a espec*fica es mucho más grande que en el maquinado convencional. 4ay varias ra0ones para esto. La primera es el efecto del tamaño en el maquinado. Los tamaños más pequeños de viruta en el esmerilado ocasionan que la energ*a requerida para remover cada unidad de volumen sea apro!imadamente die0 veces más alta que en el maquinado convencional. 2egundo, los granos individuales en una rueda de esmeril tienen ángulos de inclinación E!tremadamente negativos. Estos ángulos de inclinación muy ba)os
dan por resultado valores ba)os para el ángulo del plano de corte y altas deformaciones cortantes3 esto implica niveles más altos de energ*a en el esmerilado. 5ercero, la energ*a espec*fica es más alta en el esmerilado porque no todas las part*culas individuales se involucran en el corte real. /ebido a las posiciones y a las orientaciones aleatorias de los granos en la rueda.
Pueden reconocerse tres tipos de acciones de los granos, como se ilustra en la figura a3 4ra'os de (or"e en el cual los granos penetran bastante dentro de la superficie
para formar una viruta y remover el material. #3 4ra'os ,ra("!rados en el cual el grano penetra dentro del traba)o, pero no lo
suficiente para causar corte3 en su lugar, la superficie del traba)o se deforma y la energ*a se consume generando calor sin ninguna remoción de material. (3 0ri((i' en el cual el grano toca la superficie durante su recorrido, pero solamente
ocurre fricción de roce, la cual consume energ*a generando calor sin remover ning1n material.
0!er)a de (or"e e' !' &ra'o i'di$id!al
( ) ( ) 0.5
r g vw & " c = + 1 v$
d D
0.25
D'de: " c =fuer)a de corte,ue act-a sobre ungrano individual + 1=constante de proporcionalidad ,ue depende de la resistenciadel material,ue se corta / laagude)a de los granos
Tem+era"!ras e' la s!+er,i(ie de "ra#a6o /ebido al efecto de tamaño de grano, a los ángulos de inclinación altamente negativos, la profundidad del corte y a la fricción de los granos abrasivos contra la superficie de traba)o, el proceso de esmerilado se caracteri0a por altas temperaturas y alta fricción. La mayor parte de la energ*a en el esmerilado permanece en la superficie traba)ada, lo que ocasiona altas temperaturas de la superficie de traba)o. Las altas temperaturas superficiales tienen varios efectos dañinos posibles, Primero todo quemaduras y grietas en la superficie. n segundo efecto t+rmico per)udicial es el ablandamiento de la superficie de traba)o. Las altas temperaturas de esmerilado pueden hacer que la superficie pierda algo de su dure0a. El tercer efecto t+rmico en el esmerilado puede causar esfuer0os residuales en la superficie de traba)o y posible decrecimiento en la resistencia a la fatiga de la pie0a. . s= + 2 d
0.75
( ) r g $ v V w
0.5
D
0.25
Des&as"e de la r!eda. 2e reconocen tres mecanismos como las causas principales de desgaste en las ruedas de esmeril:
&( La fractura del grano ocurre cuando una porción de los granos se rompe, pero el resto permanece aglutinado en la rueda. Los filos del área fracturada se convierten en nuevos filos de corte en la rueda de esmeril. La tendencia del grano a fracturarse se denomina fragilidad. na alta fragilidad significa que los granos se fracturan más rápidamente debido a las fuer0as de corte en los granos 6c. #( El desgaste por ro0amiento involucra el desgaste de los granos individuales que dan como resultado 0onas planas y filos redondeados. 2e debe a mecanismos f*sicos similares, incluidas la fricción y la difusión, as* como las reacciones qu*micas que se originan entre el material abrasivo y el de traba)o en presencia de temperaturas muy altas. -( La fractura del aglutinante ocurre cuando los granos individuales son e!pulsados del material aglutinante. La tendencia hacia este mecanismo depende del grado de la rueda, entre otros factores. La fractura del aglutinante ocurre generalmente porque el grano se ha despegado debido al desgaste por roce, y la fuer0a resultante del corte es e!cesiva. Los granos afilados cortan de manera más efectiva con fuer0as de corte más ba)as3 por lo tanto, +stos permanecen fi)os en la estructura del aglutinante. Los tres mecanismos se combinan para ocasionar que la rueda de esmeril se desgaste, como se describe en la figura
La rela(i' de esmerilado /R=
V w V g
/ónde: /R=relación de esmerilado Vw = volumen de material de trabajo removido
Vg= volumencorrespondientede la ruedaderectificado gastada!
Los valores t*picos de GR están entre 7$ y &#$. La relación de esmerilado por lo general se incrementa cuando aumenta la velocidad de la rueda . La ra0ón es que el tamaño de la viruta formada por cada grano es más pequeño a velocidades más altas, as* que la cantidad de fracturas de grano se reduce. 8omo las velocidades más altas de la rueda me)oran tambi+n el acabado superficial, hay una venta)a general al operar a altas velocidades de esmerilado. 2in embargo, cuando las velocidades se incrementan demasiado, aumenta el desgaste por fricción y la temperatura. 8omo resultado, la relación de rectificado se reduce y el acabado superficial se demerita.
8uando la rueda está en la tercera región de la curva de desgaste, debe refilarse mediante un procedimiento llamado aderezado, que consiste en romper los granos desgastados en la periferia e!terior de la rueda de rectificado a fin de e!poner granos afilados frescos para luego remover las virutas que se han quedado atrapadas en los poros de la rueda. Esto se logra por medio de un disco giratorio, una barra abrasiva u otra rueda de rectificado operando a alta velocidad, sostenida contra la rueda que se adere0a cuando está girando. unque el adere0ado afila la rueda, no garanti0a la forma de la rueda. El formado es un procedimiento alternativo que no sólo afila la rueda, sino que tambi+n restaura su forma cil*ndrica y asegura la rectitud de su per*metro e!terior. El procedimiento implica el uso de una herramienta de punta de diamante %se puede usar tambi+n otros tipos de herramienta para rectificar( que avan0a lentamente y con precisión a trav+s de la rueda conforme +sta gira. Lo anterior sucede a una profundidad muy ligera de la rueda %"."#$ mm o menos(. 1.7. Co'sidera(io'es e' la a+li(a(i' del esmerilado
1.7.1. Li'eamie'"os de a+li(a(i'.
1.7.2. 0l!idos +ara esmerilar.
/os funciones comunes son reducir la fricción y eliminar el calor de los procesos. 9ncluyen en su composición qu*mica aceites de esmerilar y aceites solubles al agua. 2e recomiendan com1nmente las me0clas de aceite en agua como fluidos de esmerilar, esto refuer0a el mecanismo de reducción de la fricción. 1.8. O+era(io'es de esmerilado m*9!i'as de esmerilar.
El rectificado se usa tradicionalmente para el acabado de pie0as cuya geometr*a ha sido creada mediante otras operaciones. demás de estos usos tradicionales, las aplicaciones de esmerilado se están e!pandiendo para incluir operaciones de más alta velocidad y más alta remoción del material. El estudio de las operaciones y delas máquinas en esta sección incluyen los siguientes tipos:
o
Esmerilado de superficies planas.
o
Esmerilado de superficies cil*ndricas.
o
Esmerilado sin centros.
o
Esmerilado de alta remoción de material
o
tras operaciones de esmerilado.
1.8.1. Esmerilado de s!+er,i(ies +la'as.
8omo el traba)o se sostiene normalmente en una orientación hori0ontal, el esmerilado perif+rico se reali0a girando la rueda en un e)e hori0ontal y el esmerilado frontal se reali0a girando la rueda en un e)e vertical.
Esmerilladora de s!+er,i(ies +la'as (o' !sillo ori)o'"al mesa de "ra#a6o os(ila'"e.
Puede usarse para formar superficies con contornos especiales empleando una rueda de rectificado perfilada. Estas operaciones pueden reali0arse sin necesidad de usar un movimiento de avance transversal. En su lugar, este se reali0a haciendo oscilar el traba)o a la dimensión deseada. 8apa0 de lograr una superficie muy plana en el traba)o. 1.8.2. Esmerilado Cil'dri(o.
Para pie0as de revolución. 2e divide en: o Esmerilado cil*ndrico interno. o Esmerilado cil*ndrico e!terno.
Esmerilado (il'dri(o e;"er'o. o o o
o
o
5ambi+n llamado esmerilado entre centros. Estas máquinas se aseme)an mucho a un torno. diferencia del torno el portaherramientas a sido reempla0ado por un motor de alta velocidad para mover la rueda de esmeril. E!isten dos tipos de movimientos: vance transversal, la rueda de esmeril avan0a en dirección paralela al e)e de rotación de la pie0a. 8orte profundo, la rueda de esmeril avan0a de manera radial dentro del traba)o. Las ruedas de esmerilado perfiladas usan este tipo de movimiento de avance. El esmerilado e!terno se usa para terminar pie0as que han sido maquinadas al tamaño apro!imado t+rmicamente para alcan0ar la dure0a deseada.
Esmerilado (il'dri(o i'"er'o. o o
o o
pera de forma similar a la operación de torneado interno. Las velocidades superficiales de la rueda son similares a las del esmerilado cil*ndrico e!terno. Puede avan0ar de forma transversal y avance profundo. 2e usa para acabar superficies internas endurecidas de gu*as de co)inetes y superficies de bu)es.
1.8.7. Esmerilado si' (e'"ros. Esmerilado e;"er'o si' (e'"ros: o
o
8onsiste en dos ruedas3 la rueda de esmeril y una rueda reguladora. Las pie0as de traba)o se sostienen mediante una cuchilla de apoyo y se alimentan a trav+s de las dos ruedas.
o
o
La rueda de esmeril gira a una velocidad superficial de &#"" a &;"" m
o
/ónde: f r > velocidad de avance, mm
Dr
> diámetro de la rueda reguladora mm %in(.
N r
> velocidad de rotación de la rueda reguladora en
rev ángulo de inclinación de la rueda reguladora.
Esmerilado i'"er'o si' (e'"ros: o
En lugar de una cuchilla de apoyo, se usan dos rodillos de soporte para mantener la posición de traba)o.
o
8onsiste en que es capa0 de proporcionar una concentricidad muy estrecha entre los diámetros interno y e!terno de una pie0a tubular, como las gu*as para un co)inete de rodillos.
1.8.8. Esmerilado de al"a remo(i' de ma"erial.
2e reali0a a profundidades de corte muy altas y a velocidades de avance muy ba)as. Proceso parece especialmente apropiado para aquellos casos en los cuales la relación entre profundidad y ancho es relativamente grande. ?enta)as: o ltas tasas de remoción de material. Precisión me)orada para pie0as contorneadas. o o 5emperaturas reducidas en la superficie de traba)o.
1.8.5. O"ras o+era(io'es de esmerilado. Esmeriladoras de erramie'"as.
o
o
o
5ienen dispositivos que posicionan y orientan las herramientas de corte. Las de propósito general usan aditamentos especiales y a)ustes para acomodar una variedad de configuraciones geom+tricas de las herramientas. Las de propósito 1nico generan geometr*a de tipos espec*ficos de herramienta. @stas incluyen afiladores para fresas de engranes, afiladores de fresas de varios tipos, etc.
Esmeriladora de i'"eriores $er"i(ales. o
o
o
sadas para rectificar agu)eros con alta precisión en pie0as de acero endurecido. 2e usan para alta precisión y buen acabado de componentes endurecidos 5ambi+n e!isten las de operaciones automati0adas.
Esmeriles de dis(o. o
La venta)a del esmerilador de discos son una buena planicidad y paralelismo a velocidades altas de producción.
Re#a#ador. o
Es generalmente una operación manual para operaciones de esmerilado de desbaste, tales como remover la rebada de pie0as fundidas, for)ado y alisado de las )untas soldadas.
Esmerilado (o' #a'das a#rasi$as. o o
2. 3.
sa part*culas abrasivas pegadas a una banda fle!ible %tela(. La velocidad de la banda depende del material que se está esmerilando. El rango t*pico es de A$" a &A"" m
