Aportes a la fabricación de micro cavidades mediante fresado para generar superficies con textura

Abstract

Las superficies de diversos componentes son modificadas para darles características particulares de funcionamiento, para ello se utilizan diversos métodos, entre ellos ablación con láser y variantes del proceso de maquinado denominadas fly cutting. Los recursos necesarios para la producción de superficies con patrones de microcavidades utilizando fly cutting conllevan el uso de equipos no convencionales de alto costo, con características como inducción de vibraciones de precisión con un alto grado de resolución del proceso, para obtener rasgos micro o nanométricos. El presente trabajo, se enfocó en generar estructuras de superficie implementando el método fly cutting en máquinas convencionales, buscando lograr este tipo de superficies con tecnología usual en la industria de maquinado. Sobre probetas de bronce SAE 40, se realizaron experimentos preliminares para seleccionar las herramientas de corte y los métodos de fabricación de las estructuras de superficie basadas en microcavidades obtenidas por maquinado. Se planteó así el trabajo con tres tipos diferentes de herramientas de corte: herramienta para torneado de roscas, herramienta cola de milano y fresa frontal de insertos rectos. Como resultado de los experimentos preliminares, se descartó el uso de la herramienta cola de milano por el riesgo que presentó para la máquina en el proceso de maquinado, el proceso de fresado frontal se descartó también debido al tipo de estructura anisotrópica que produce, por último, se decidió explorar más a fondo la fabricación de texturas de superficie usando una herramienta de torneado de roscas dado que con este método es posible obtener texturas homogéneas en superficies incluso de gran área. Para la estrategia de fabricación seleccionada, se desarrolló un método de modelado CAD usando una combinación de MatLab y de SolidWorks, el modelado del proceso permite diseñar y visualizar las estructuras de superficie antes de la fabricación. Los factores de diseño de las estructuras propuestas son la frecuencia rotacional y la velocidad de avance. Se fabricaron cuatro tipos de estructuras para las cuales se programó desfase vertical y horizontal en el inicio de cada trayectoria de maquinado, obteniendo dos texturas con aristas en la superficie debidas a la distancia programada de desfase vertical. En todas las estructuras fabricadas se presentó retemblado (chatter) debido esencialmente al voladizo de la herramienta en el montaje. La topografía de las estructuras de superficie se examinó mediante microscopia electrónica de barrido y mediante microscopia óptica; se logró establecer que el método de fabricación produce resultados muy próximos a los obtenidos en la fase de modelado CAD, con diferencias debidas al montaje y precisión de la máquina herramienta utilizada. Adicionalmente se concibió un ensayo reciprocante de desgaste no estándar para evaluar la capacidad de las estructuras de superficie producidas como reservorios de lubricante en aplicaciones con piezas deslizantes utilizando como criterio de evaluación del ensayo la pérdida de masa en las probetas. Se observó que las estructuras con aristas en la superficie muestran un mayor grado de desgaste. El trabajo desarrollado permitió establecer que es factible usar variantes de bajo costo del proceso de maquinado convencional para obtener superficies con textura basadas en microcavidades. También que es relativamente sencillo realizar el modelado del proceso para diseñar las estructuras antes de su fabricación.

Abstract: The surfaces of various components are modified to give them particular characteristics of operation, for which various methods are used, among them laser ablation and variants of the machining process called fly cutting. The necessary resources for the production of surfaces with microcavities patterns using fly cutting entail the use of non-conventional equipment of high cost, with characteristics such as induction of precision vibrations with a high degree of process resolution, to obtain micro or nanometric features. The present work, focused on generating surface structures implementing the fly cutting method in conventional machines, seeking to achieve this type of surfaces with the usual technology in the machining industry. On SAE 40 bronze specimens, preliminary experiments were carried out to select the cutting tools and the fabrication methods of the surface structures based on microcavities obtained by machining. The work was thus proposed with three different types of cutting tools: tool for turning of threads, tool dovetail and front milling of straight inserts. As a result of the preliminary experiments, the use of the dovetail tool was ruled out due to the risk it presented to the machine in the machining process, the front milling process was also ruled out due to the type of anisotropic structure that it produces, finally , it was decided to further explore the manufacture of surface textures using a thread turning tool since with this method it is possible to obtain homogeneous textures on even large area surfaces. For the selected manufacturing strategy, a CAD modeling method was developed using a combination of MatLab and SolidWorks, the process modeling allows to design and visualize the surface structures before manufacturing. The design factors of the proposed structures are the rotational frequency and the forward speed. Four types of structures were manufactured for which vertical and horizontal offset was programmed at the start of each machining path, obtaining two textures with edges on the surface due to the programmed distance of vertical offset. In all the fabricated structures, it was presented as a chatter due essentially to the overhang of the tool in the assembly. The topography of the surface structures was examined by scanning electron microscopy and by light microscopy; it was established that the manufacturing method produces results very close to those obtained in the CAD modeling phase, with differences due to the assembly and precision of the machine tool used. Additionally, a non-standard wear reciprocating test was designed to evaluate the capacity of the surface structures produced as lubricant reservoirs in sliding part applications, using the loss of mass in the specimens as the evaluation criterion of the test. It was observed that structures with edges on the surface show a greater degree of wear. The work developed allowed to establish that it is feasible to use low cost variants of the conventional machining process to obtain textured surfaces based on microcavities. It is also relatively easy to perform the modeling of the process to design the structures before they are manufactured.