CAPITULO 25: EL ESMERILADO Y OTROS PROCESOS ABRASIVOS

Los procesos de maquinado abrasivo se usan como operaciones de acabado. Procesos por abrasivos incluyen el rectificado, el bruido, el superacabado, el pulido y el abrillantado. El esmerilado es el proceso abrasivo ms importante Los procesos abrasivos son importantes comercial y tecnolgicamente, por: Pueden usarse en todos los tipos de materiales, desde metales suaves hasta aceros endurecidos, y en materiales no metlicos, como cermicas y silicio. Algunos de estos procesos pueden usarse para producir acabados superficiales extremadamente finos de hasta 0.025 mm (1m-in). Para ciertos procesos abrasivos, las dimensiones pueden sujetarse a tolerancias extremadamente estrechas

1. El Esmerilado.- El esmerilado es un proceso de remocin de material en el cual las partculas abrasivas estn contenidas en una rueda de esmeril aglutinado que opera a velocidades perifricas muy altas.

1.1. La rueda de esmeril.- Una rueda de esmeril consiste en partculas abrasivas y material aglutinante. Los materiales aglutinantes mantienen a las partculas en su lugar y establecen la forma y la estructura de la rueda. Estos dos ingredientes y la forma en que se fabrican determinan los cinco parmetros bsicos de la rueda de esmeril: 1) material abrasivo, 2) tamao del grano, 3) material aglutinante, 4) Dureza de la rueda y 5) estructura de la rueda.

Material abrasivo.- Los materiales abrasivos de mayor importancia comercial son el xido de aluminio, el carburo de silicio, el nitruro de boro cbico y el diamante. Las propiedades generales de un material abrasivo para las ruedas de esmeril incluyen alta dureza, resistencia al desgaste, tenacidad y fragilidad.

Tamao del grano El tamao de grano pequeo produce mejores acabados, mientras que los mayores tamaos de grano permiten velocidades de remocin de material ms grandes. Por lo tanto, cuando se selecciona el tamao de granos abrasivos, debe tomarse en cuenta ambos parmetros. La seleccin del tamao de grano depende tambin hasta cierto punto del tipo de material de trabajo. Los materiales de trabajo ms duros requieren tamao de grano ms pequeo para un corte efectivo, mientras que los materiales ms suaves requieren tamaos de granos ms grandes.

Materiales aglutinantes El material aglutinante sujeta 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 dureza y la resistencia a la temperatura.

Estructura de la rueda se refiere al espaciamiento relativo entre los granos abrasivos en la rueda. Adems de los granos abrasivos y el material aglutinante, las ruedas de esmeril contienen huecos de aire o poros

Dureza de la rueda indica la resistencia del aglutinante de la rueda de esmeril para retener los granos abrasivos durante el corte.

1.2. Anlisis del proceso de esmerilado.

La velocidad perifrica o velocidad lineal de la rueda. Se determina mediante la velocidad de rotacin de la rueda.

Dnde:

La velocidad de remocin de materiales. Se determina mediante la velocidad de la rueda y el rea de la seccin transversal

Dnde:

En una operacin de esmerilado, lo que interesa es cmo se combinan las condiciones de corte con los parmetros de la rueda de esmeril para afectar los siguientes aspectos: acabado superficial, fuerzas y energa, temperatura de la superficie de trabajo, desgaste de la rueda.

Acabado superficial. La mayor parte del esmerilado comercial se realiza para lograr acabados superficiales superiores a los que puede alcanzarse con maquinado convencional. El acabado superficial de la pieza de trabajo lo afecta el tamao de las virutas individuales que se forman durante el esmerilado. Un factor obvio en la determinacin del tamao de viruta es el tamao del grano; los tamaos ms pequeos de grano o partculas rinden mejores acabados.

Longitud promedio de viruta

Dnde:

Relacin de aspecto del grano

Dnde:

Numero de virutas formadas

Dnde:

Fuerzas y energa Si se conociera la fuerza requerida para pasar el trabajo contra una rueda de esmeril, la energa especfica en el esmerilado podra determinarse como

Dnde:

En el esmerilado, la energa especfica es mucho ms grande que en el maquinado convencional. Hay varias razones para esto. La primera es el efecto del tamao en el maquinado. Los tamaos ms pequeos de viruta en el esmerilado ocasionan que la energa requerida para remover cada unidad de volumen sea aproximadamente diez veces ms alta que en el maquinado convencional. Segundo, los granos individuales en una rueda de esmeril tienen ngulos de inclinacin Extremadamente negativos. Estos ngulos de inclinacin muy bajos dan por resultado valores bajos para el ngulo del plano de corte y altas deformaciones cortantes; esto implica niveles ms altos de energa en el esmerilado. Tercero, la energa especfica es ms alta en el esmerilado porque no todas las partculas individuales se involucran en el corte real. Debido 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 a) Granos de corte, en el cual los granos penetran bastante dentro de la superficie para formar una viruta y remover el material. b) Granos fracturados, en el cual el grano penetra dentro del trabajo, pero no lo suficiente para causar corte; en su lugar, la superficie del trabajo se deforma y la energa se consume generando calor sin ninguna remocin de material. c) Friccin, en el cual el grano toca la superficie durante su recorrido, pero solamente ocurre friccin de roce, la cual consume energa generando calor sin remover ningn material.

Fuerza de corte en un grano individual

Dnde:

Temperaturas en la superficie de trabajo Debido al efecto de tamao de grano, a los ngulos de inclinacin altamente negativos, la profundidad del corte y a la friccin de los granos abrasivos contra la superficie de trabajo, el proceso de esmerilado se caracteriza por altas temperaturas y alta friccin. La mayor parte de la energa en el esmerilado permanece en la superficie trabajada, lo que ocasiona altas temperaturas de la superficie de trabajo. Las altas temperaturas superficiales tienen varios efectos dainos posibles, Primero todo quemaduras y grietas en la superficie. Un segundo efecto trmico perjudicial es el ablandamiento de la superficie de trabajo. Las altas temperaturas de esmerilado pueden hacer que la superficie pierda algo de su dureza. El tercer efecto trmico en el esmerilado puede causar esfuerzos residuales en la superficie de trabajo y posible decrecimiento en la resistencia a la fatiga de la pieza.

Desgaste de la rueda.- Se reconocen tres mecanismos como las causas principales de desgaste en las ruedas de esmeril: 1) La fractura del grano ocurre cuando una porcin de los granos se rompe, pero el resto permanece aglutinado en la rueda. Los filos del rea fracturada se convierten en nuevos filos de corte en la rueda de esmeril. La tendencia del grano a fracturarse se denomina fragilidad. Una alta fragilidad significa que los granos se fracturan ms rpidamente debido a las fuerzas de corte en los granos Fc.

2) El desgaste por rozamiento involucra el desgaste de los granos individuales que dan como resultado zonas planas y filos redondeados. Se debe a mecanismos fsicos similares, incluidas la friccin y la difusin, as como las reacciones qumicas que se originan entre el material abrasivo y el de trabajo en presencia de temperaturas muy altas.

3) La fractura del aglutinante ocurre cuando los granos individuales son expulsados 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 fuerza resultante del corte es excesiva. Los granos afilados cortan de manera ms efectiva con fuerzas de corte ms bajas; por lo tanto, stos permanecen fijos 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 relacin de esmerilado

Dnde:

Los valores tpicos de GR estn entre 95 y 125. La relacin de esmerilado por lo general se incrementa cuando aumenta la velocidad de la rueda v. La razn es que el tamao de la viruta formada por cada grano es ms pequeo a velocidades ms altas, as que la cantidad de fracturas de grano se reduce. Como las velocidades ms altas de la rueda mejoran tambin el acabado superficial, hay una ventaja general al operar a altas velocidades de esmerilado. Sin embargo, cuando las velocidades se incrementan demasiado, aumenta el desgaste por friccin y la temperatura. Como resultado, la relacin de rectificado se reduce y el acabado superficial se demerita.

Cuando la rueda est en la tercera regin de la curva de desgaste, debe refilarse mediante un procedimiento llamado aderezado, que consiste en romper los granos desgastados en la periferia exterior de la rueda de rectificado a fin de exponer 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 adereza cuando est girando. Aunque el aderezado afila la rueda, no garantiza la forma de la rueda.

El formado es un procedimiento alternativo que no slo afila la rueda, sino que tambin restaura su forma cilndrica y asegura la rectitud de su permetro exterior. El procedimiento implica el uso de una herramienta de punta de diamante (se puede usar tambin otros tipos de herramienta para rectificar) que avanza lentamente y con precisin a travs de la rueda conforme sta gira. Lo anterior sucede a una profundidad muy ligera de la rueda (0.025 mm o menos).

1.3. Consideraciones en la aplicacin del esmerilado1.3.1. Lineamientos de aplicacin.

1.3.2. Fluidos para esmerilar. Dos funciones comunes son reducir la friccin y eliminar el calor de los procesos. Incluyen en su composicin qumica aceites de esmerilar y aceites solubles al agua. Se recomiendan comnmente las mezclas de aceite en agua como fluidos de esmerilar, esto refuerza el mecanismo de reduccin de la friccin.1.4. Operaciones de esmerilado y mquinas de esmerilar.

El rectificado se usa tradicionalmente para el acabado de piezas cuya geometra ha sido creada mediante otras operaciones. Adems de estos usos tradicionales, las aplicaciones de esmerilado se estn expandiendo para incluir operaciones de ms alta velocidad y ms alta remocin del material. El estudio de las operaciones y delas mquinas en esta seccin incluyen los siguientes tipos: Esmerilado de superficies planas. Esmerilado de superficies cilndricas. Esmerilado sin centros. Esmerilado de alta remocin de material Otras operaciones de esmerilado.1.4.1. Esmerilado de superficies planas. Como el trabajo se sostiene normalmente en una orientacin horizontal, el esmerilado perifrico se realiza girando la rueda en un eje horizontal y el esmerilado frontal se realiza girando la rueda en un eje vertical.

Esmerilladora de superficies planas con husillo horizontal y mesa de trabajo oscilante.

Puede usarse para formar superficies con contornos especiales empleando una rueda de rectificado perfilada. Estas operaciones pueden realizarse sin necesidad de usar un movimiento de avance transversal. En su lugar, este se realiza haciendo oscilar el trabajo a la dimensin deseada. Capaz de lograr una superficie muy plana en el trabajo.

1.4.2. Esmerilado Cilndrico. Para piezas de revolucin. Se divide en: Esmerilado cilndrico interno. Esmerilado cilndrico externo.

Esmerilado cilndrico externo. Tambin llamado esmerilado entre centros. Estas mquinas se asemejan mucho a un torno. A diferencia del torno el portaherramientas a sido reemplazado por un motor de alta velocidad para mover la rueda de esmeril. Existen dos tipos de movimientos: Avance transversal, la rueda de esmeril avanza en direccin paralela al eje de rotacin de la pieza. Corte profundo, la rueda de esmeril avanza de manera radial dentro del trabajo. Las ruedas de esmerilado perfiladas usan este tipo de movimiento de avance. El esmerilado externo se usa para terminar piezas que han sido maquinadas al tamao aproximado trmicamente para alcanzar la dureza deseada.

Esmerilado cilndrico interno. Opera de forma similar a la operacin de torneado interno. Las velocidades superficiales de la rueda son similares a las del esmerilado cilndrico externo. Puede avanzar de forma transversal y avance profundo. Se usa para acabar superficies internas endurecidas de guas de cojinetes y superficies de bujes.

1.4.3. Esmerilado sin centros. Esmerilado externo sin centros: Consiste en dos ruedas; la rueda de esmeril y una rueda reguladora. Las piezas de trabajo se sostienen mediante una cuchilla de apoyo y se alimentan a travs de las dos ruedas. La rueda de esmeril gira a una velocidad superficial de 1200 a 1800 m/min y la rueda reguladora gira a velocidades ms bajas y est inclinada a un ngulo ligero I para controlar la alimentacin del trabajo. Esta ecuacin puede usarse para predecir la velocidad de alimentacin.

Dnde: = velocidad de avance, mm/min (in/min). = dimetro de la rueda reguladora mm (in). = velocidad de rotacin de la rueda reguladora en rev/min. = ngulo de inclinacin de la rueda reguladora.

Esmerilado interno sin centros: En lugar de una cuchilla de apoyo, se usan dos rodillos de soporte para mantener la posicin de trabajo. Consiste en que es capaz de proporcionar una concentricidad muy estrecha entre los dimetros interno y externo de una pieza tubular, como las guas para un cojinete de rodillos.

1.4.4. Esmerilado de alta remocin de material. Se realiza a profundidades de corte muy altas y a velocidades de avance muy bajas. Proceso parece especialmente apropiado para aquellos casos en los cuales la relacin entre profundidad y ancho es relativamente grande. Ventajas: Altas tasas de remocin de material. Precisin mejorada para piezas contorneadas. Temperaturas reducidas en la superficie de trabajo.

1.4.5. Otras operaciones de esmerilado. Esmeriladoras de herramientas. Tienen dispositivos que posicionan y orientan las herramientas de corte. Las de propsito general usan aditamentos especiales y ajustes para acomodar una variedad de configuraciones geomtricas de las herramientas. Las de propsito nico generan geometra de tipos especficos de herramienta. stas incluyen afiladores para fresas de engranes, afiladores de fresas de varios tipos, etc. Esmeriladora de interiores verticales. Usadas para rectificar agujeros con alta precisin en piezas de acero endurecido. Se usan para alta precisin y buen acabado de componentes endurecidos Tambin existen las de operaciones automatizadas. Esmeriles de disco. La ventaja del esmerilador de discos son una buena planicidad y paralelismo a velocidades altas de produccin.

Rebabador. Es generalmente una operacin manual para operaciones de esmerilado de desbaste, tales como remover la rebada de piezas fundidas, forjado y alisado de las juntas soldadas.

Esmerilado con bandas abrasivas. Usa partculas abrasivas pegadas a una banda flexible (tela). La velocidad de la banda depende del material que se est esmerilando. El rango tpico es de 750 a 1700 m/min (2500 a 5500 ft/min).

2. 3.