1 Introducción

Este trabajo hace una evaluación y análisis multifactorial sobre el acabado superficial en un proceso de fresado en el mecanizado de un acero ASTM A36, utilizando un Diseño Experimental Factorial Básico (DFB).También se realiza el desarrollo de una nueva metodología de acción experimental que utiliza el Programa Sistema para Evaluar Multifactorialmente Procesos, Productos y Organizaciones (SEMPRO) Versión 2 (Sarache y col., 2004); en esta metodología se consideran las variables profundidad de corte, velocidad de avance y el uso o no de Fluido de Corte. En esta primera fase se pretende obtener información tal como lo plantea (Cheng 2004) y contrastarla con otras a fin de darle validez a los resultados experimentales. El fresado es un proceso de mecanizado que está constituido por una herramienta llamada fresa con aristas cortantes dispuestas simétricamente alrededor de un eje. La pieza sobre la cual se hará el trabajo es fijada a una mesa que controla el operario; el movimiento de la pieza va vinculado al movimiento rotativo de la fresa, las virutas tienen un espesor variable. Se realizó un análisis multifactorial sobre las variables de la operación de planeado en la fresadora que mayor influencia ejercen en el acabado superficial del acero al carbono ASTM A36. Se evaluó la textura superficial o rugosidad de la superficie, la cual está influenciada por muchos factores de los cuales se evaluaran: Velocidad de corte, según (Krar y col., 2002) se determina por su velocidad periférica o superficial. El movimiento de la pieza con respecto a la fresa no interviene en este cálculo. La velocidad de corte puede expresarse por la siguiente ecuación:

Donde: V.C: Velocidad de Corte. D: Diámetro del cortador y N: rpm., para la velocidad de corte se considera: el tipo de material que se va a trabajar, material de la fresa, el acabado superficial requerido, profundidad de corte, rigidez de la máquina y montaje de la pieza.

Velocidad de avance, según (Tandon y col., 2003) es aquella en la cual la herramienta y la pieza se desplazan una con respecto a la otra, de modo que se arranque una nueva porción de metal con la herramienta por cada diente y en cada revolución, y (Casillas 1982) define los avances como: en concordancia y oposición. En el primero, el esfuerzo de arranque va creciendo desde cero hasta su valor máximo hacia el final del trabajo, y se anula bruscamente cuando el diente abandona la pieza. Esta forma de trabajar perjudica la fresa, porque el frotamiento entre el diente y la pieza endurece el material y el aumento de temperatura en el filo reduce su vida. En el segundo, se realiza el corte en forma más racional, pues el diente incide repentinamente sobre el metal e inicia el corte sin deslizarse sobre la pieza; en consecuencia se facilita el arranque de la viruta, se calienta menos el filo, alargando la vida de la fresa, y se obtiene un mejor acabado superficial, condición ésta sumida para la experimentación. La velocidad de avance se calcula mediante:

Donde: Sz: Avance por diente, Z: Número de dientes y Sv: Avance por vuelta, el cual está tabulado en (Casillas 1982).

El material que se corta según (Krar y col., 2002) define la dureza Brinell de un material como la guía excelente para facilitar el mecanizado, para la duración del corte se establece que deben usarse las menores velocidades de corte, igualmente para la profundidad de corte, se cree que para obtener un acabado superficial bajo o ligero se debe trabajar con un valor por lo menos 0.4 mm. Si se escogen cortes más ligeros y avances excesivamente finos la viruta producida será muy delgada y la fresa rozará la superficie mas no la penetrará. Para un acabado fino se debe reducir el avance en lugar de incrementar la velocidad de la fresa. Refrigerante, según (Krar y col., 2002), las altas velocidades de corte generan calor que debe disiparse para proteger tanto a la herramienta como al material. Por lo que ambos deben ser roseados con un líquido refrigerante como aceite soluble, azufrado o mineral, en este caso mineral, este trabajo experimental genera valores que concuerda con experimentos anteriores pero logra mediante esta nueva metodología reducir los esfuerzos, tiempos y costos de experimentación y resultados válidos.

2 Fase Pre-Experimental

El experimento se realizó utilizando como herramienta computacional el Programa (SEMPRO 2) para el manejo de los datos y cálculos sobre la base de todas las mediciones para el análisis; se utilizaron barras de acero al carbono ASTM A36 con dimensiones de 2.5 cm. X 2.5 cm. X 9 cm. las cuales fueron mecanizadas tal y como vienen del proceso de fabricación, sin proceso previo; con una Fresa Frontal de seis dientes de diámetro 80 mm, de Carburo de Tungsteno; La fresadora está ubicada en el Laboratorio de Tecnología de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Los Andes, marca JafoJarocin. Para medir rugosidad de las piezas mecanizadas se utilizó un rugosímetro que trabaja con un palpador de aguja marca TAYLOR- HOBSON, éste realiza mediciones de longitudes de recorrido de 2.5; 5; 8; 12; 16 mm. Disponiendo de varias escalas de medición en micropulgadas (3, 30, 100, 300 y 1000) y en micrometros (0.1; 0.3; 1; 3; 10; 30) y apreciación analógica de 0.1 µm.

Luego de aplicar la técnica de grupo nominal como complemento a lo planteado por (Oliveira y col., 2004) se determinó que se consideran relevantes en el proceso. la Profundidad de Corte, Avance de la Mesa y el uso o no del Refrigerante. Lo anterior coincide con los trabajos de (Lee y col., 2005), en el que algunos de los factores que afectan el acabado superficial son: Refrigerante, Profundidad de Corte, Avance de la Mesa, Velocidad de Corte, Procesos Cinemáticas y Ángulo de la Herramienta; y el de (Aguilera y col., 2004) quienes determinan que uno de los factores que afecta la rugosidad es el Avance de la Mesa, solo que éste se experimentó en Pino (Pinus radiata).

El cálculo del valor mínimo y máximo del Avance de la Mesa se presenta a continuación, apoyado en (Casillas, 1982) la velocidad de corte en m/min., está entre 40-60 y el avance por diente 0.05 – 0.15, sustituyendo en las ecuaciones anteriores, se tiene para una VC = 40 m/min. N = 159,15 rpm. Como se debe ajustar a los valores en rpm al de la máquina fresadora, el valor más cercano es N = 180 rpm., y por lo tanto utilizando la ecuación (2) S = 56 mm/min., de igual manera para VC = 60 m/min. N = 238,73 rpm., se ajusta a los valores de la máquina y el valor más cercano es N = 280 rpm., por lo tanto S = 90 mm/min. Igualmente para la Profundidad de Corte que se tienen 1 y 2 mm, que respectivamente corresponde a los señalados en (Casillas 1982), para el caso del refrigerante utilizado tiene la siguiente proporción 5 litros de agua en 2,5 litros de aceite lo cual sirve para configurar la siguiente tabla:

3 Hipótesis

El mejor acabado superficial de una pieza utilizando un proceso de fresado se alcanza cuando la profundidad de corte y el avance de la mesa son mínimos y además se hace uso de refrigerante.

4 Fase Experimental

Se realiza el proceso de mecanizado plano de las piezas y se mide el acabado superficial con el rugosímetro, en una escala de 0 a 30 µm. y con un error del instrumento de 0.2µm. que genera como resultado los valores observados en la siguiente tabla.

5 Fase Post-Experimental

Realizada la experimentación y tabulados los datos, se calcula la varianza y el error del efecto tanto independiente como de interacción de las variables estudiadas, utilizando los valores de la Tabla 4 y las siguientes ecuaciones (Walpole y. col., 1998).

Donde g = 8 son los grados de libertad; equivalente al número de pruebas realizadas

Entonces, el Error del efecto de las variables es:

Para calcular el efecto de cada variable y de las variables de interacción, se utiliza la ecuación planteada por Yates y col., 2003.

(Rugosidad media por signo +/- de la columna en estudio) donde N =8 pruebas básicas

6 Discusión

Se comprueba en esta experimentación el trabajo realizado por (Jensen y col., 1999, parte I) quienes consideran que los aspectos más relevantes en el proceso de fresado para lograr un mejor acabado superficial son: Avance de la Mesa y Profundidad de Corte, sin embargo, en el experimento hay otra variable determinante en el acabado superficial y es el uso de Refrigerante.

Según los resultados de los valores promedios de rugosidad obtenidos en la experimentación, presentados en la Tabla 3, se pueden hacer algunas observaciones: El mínimo valor promedio de rugosidad es 6.00µm, prueba Nº 8 resultado del mecanizado a 1 mm de profundidad de corte, sin el uso del refrigerante y con un avance de la mesa de 56 mm./min., y el máximo valor promedio de rugosidad prueba Nº 1 es 9.41 µm, resultado del mecanizado a 2 mm de profundidad de corte, uso del refrigerante y avance de la mesa de 90 mm./min.; para obtener un análisis más detallado de la experimentación, se determina la varianza y el error del experimento y de los efectos. Los resultados se muestran en la Tabla 5.

Los niveles de significancia de cada variable y de la interacción entre ellas, se obtienen al comparar sus resultados con el valor del doble del error de la desviación del efecto, considerando significativos aquellos que superen éste valor (Sarache 2001). El objetivo de la investigación es el determinar en que medida las variables independientes o en interacción disminuyen la rugosidad superficial del acero al carbono ASTM A36 en el fresado; en tal sentido, solo se consideran los efectos que poseen signo negativo.

Al comparar los efectos de las variables con el doble del error (0.2075), la interacción de las variables Profundidad de Corte (V1) y Avance de la Mesa (V3) y la interacción Uso de Refrigerante (V2) y Avance de la Mesa (V3), son las significativas y esto permite el control estadístico de dos variables simultáneamente.

La ausencia de significancia en la interacción de las tres variables, Profundidad de Corte, Avance de la Mesa y Uso o no de Refrigerante, hace pensar que existe una variable que no ha sido tomada en cuanta para el estudio y que puede estar afectando el proceso. El efecto cruzado de las variables, se estudia mediante el diagrama de dos vías, los diagramas generados se muestran a continuación:

En los diagramas de dos vías generados, se pueden observar las condiciones más favorables para conseguir un mejor acabado superficial, las cuales coinciden con trabajos realizados anteriormente (Kornienko y col., 2003), se pueden identificar situaciones como lo planteado por (Aguilera y col., 2004) donde el aumento del Avance de la Mesa genera mayor rugosidad por lo tanto un acabado superficial de menor calidad.

Se tiene como variable significativa individual el uso de refrigerante, obteniéndose mejores resultados en el acabado superficial si se hace uso del mismo, coincidiendo con la literatura consultada (Lee y col., 2005) quienes señalan que el uso de medios refrigerantes adecuados se traduce en mejora de la calidad superficial. Como efectos significativos de interacción se tiene que con la Profundidad de Corte y Avance de la Mesa en sus valores mínimos se logra un mejor acabado superficial, lo cual concuerda con la hipótesis planteada en este trabajo y con la literatura consultada en (Jensen y col.,1999, parte I y II); otro efecto significativo de interacción se tiene con el avance de la mesa y uso de refrigerante, los cuales logran un mejor acabado superficial con valores mínimos para el avance y máximo para el refrigerante que coincide con valores planteados por (Lam y col., 2003).

7 Conclusiones

Claramente se aprecia que la variable avance de mesa es el factor a controlar para los procesos de mecanizado, ya que el mismo está asociado de manera colectiva con la profundidad del corte y en otra dirección con el uso del refrigerante, pero de manera individual su efecto no es significativo.

El mejor acabado superficial que involucra las tres características de corte de manera asociada es con: una profundidad de corte de 1 mm., un avance de la mesa de 56 mm./min. y con el uso del refrigerante, obteniéndose una rugosidad de 6 µm.

En el caso de interacción de variables, el mínimo valor de rugosidad en la experimentación, ver figura 1, es de 6.25 µm, con un avance de la mesa de 56 mm./min. y una profundidad de corte de 1 mm. Igualmente, se aprecia en la figura 2, que el menor valor de rugosidad 6.62 µm, corresponde al mismo valor de avance de la mesa anterior pero ahora asociado con el uso del refrigerante.

El poder corroborar los valores de rugosidad en procesos de fresado con estudios previos, demuestran la efectividad de la aplicación del SEMPRO 2, como herramienta que ayuda disminuir los esfuerzos, costos y tiempos invertidos en la experimentación.

Referencias

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Notas de autor

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