Tras unos inicios difíciles, se prevé que se convierta en uno de los procesos más exitosos en los próximos años

Grind Hardening, el proceso que permite rectificar y templar simultáneamente

Raúl Alberdi, Asier Rodríguez y Asier Arizaga del Departamento de Ingeniería Mecánica de Ideko15/03/2004
Una de los problemas más frecuentes que pueden darse en el rectificado es el denominado “quemado” de las piezas. Consiste en un cambio de las propiedades del material debido a las altas temperaturas del punto de contacto entre muela y pieza. Muchas veces el problema es simplemente estético, un ennegrecimiento del material, pero otras veces es mas grave. A la vista de estos fenómenos es fácil pensar ¿por qué no utilizarel calor que quema la piezas para templarlas?
La razón por la que no se ha intentado hasta hace poco es que es muy difícil de controlar, las condiciones de rectificado deben ser adecuadas para generar calor y que se produzca un enfriamiento a suficiente velocidad, además de dejar un acabado superficial suficiente. Al proceso consistente en rectificar y templar simultáneamente se le ha denominado grind-hardening. Los avances realizados desde hace seis años en diversos proyectos financiados por la comunidad europea nos hacen pensar que este va a ser uno de los procesos de mayor éxito en los próximos años. Los resulltados obtenidos en el centro tecnológico Ideko trabajando en estrecha colaboración con Saint Gobain, la universidades de Bremen, de Hannover y Patras y Tyrolit apuntan en estos momentos a la posibilidad de ciertas aplicaciones industriales sobre todo en la fabricación de reglas de precisión.

Los inicios del grind hardening han sido difíciles debido a la cantidad de problemas que inicialmente se presentaban , y que hacían dudar de la viabilidad práctica de el proceso. Entre estos problemas están: la suciedad producida en la máquina, el control de las chispas, la repetitividad el proceso, la duración de la muela , la calidad de la estructura del material , el conocimiento de las condiciones de mecanizado, la influencia de la geometría de la pieza….

En la figura 1 se puede ver una fotografía de un proceso de grind hardening. Como se ve el proceso da lugar a un volumen importante de chispas con los problemas asociados que ello implica: necesidad de evacuación de las mismas, formación de costras en el interior de la máquina…

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Figura 1. Grind hardening con refrigeración en pieza
Uno de los principales problemas sin el cual no es posible continuar es el de la duración de la muela. Durante el proceso pueden alcanzarse temperaturas del orden de los 1400º C . Estas temperaturas son suficientes para deteriorar las muelas bruscamente. En el caso de las muelas de CBN segmentadas, los adhesivos que unen los segmentos se deterioran rápidamente haciendo que los segmentos salgan disparados. La solución a este problema debe abordarse a través de dos caminos : desarrollo de nuevas muelas capaces de resistir estas altas temperaturas y sistemas adecuados para refrigerar la muela.

En un principio la única manera de generar suficiente calor es teniendo la muela seca en el punto de contacto con la pieza. Para conseguir este efecto y simultáneamente enfriar la muela se han desarrollado dispositivos como el de la figura dos. Estos dispositivos sirven para enfriar la muela con un chorro de líquido refrigerante en un punto y a continuación secar la muela durante su recorrido entre el punto en que se refrigera y el punto en que trabaja. Si la muela está totalmente seca se obtiene un mayor calor (y por tanta se alcanzan mayores profundidades de capa templada ), sin embargo el esfuerzo térmico crece notablemente. Cuando se realiza grind hardening con la muela totalmente seca las chispas que salen son de un material fundido que se pega a la superficie de la máquina. Una vez pegado es muy difícil de eliminar. Actualmente existen muelas capaces de generar el suficiente calor aún refrigerando en la propia pieza. Con este nueva forma de trabajo el problema de la adherencia a la máquina de las chispas queda resuelto.

Otra forma de trabajo es con la muela no totalmente seca, de manera que existe algo de lubricación en el proceso de arranque de material . De esta forma tampoco se da el problema de las virutas, aunque las capas obtenidas son de menor profundidad.

En la figura 2 se expone un sistema de refrigeración y secado de muelas para grind-hardening.

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Figura 2 Prototipo de sistema de refrigeración y secado para grind hardening.
Uno de los fenómenos específicos del grind hardening es el denominado overlapping. Este problema se da de diferente forma en el rectificado plano y en el cilíndrico.

El grind hardening siempre se hace de una sola pasada. En rectificado cilíndrico e,n la entrada de la muela sobre la pieza transcurre un tiempo hasta que se genera el suficiente calor para que endurecer el material. La muela va avanzando produciendo una capa de profundidad constante. Cuando llega al final de la vuelta no hay suficiente material para arrancar y entonces no se produce el suficiente calor y no hay endurecimiento. La pieza queda con una zona donde el material está en las mismas condiciones. Este problema hace que en rectificado cilíndrico la solución sea muy difícil. En este momento se están llevando algunas líneas de investigación en el centro tecnológico Ideko para intentar solucionar este problema.

En la figura 3 se representa esquemáticamente el overlaping en rectificado cilíndrico.

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Figura 3 . Overlaping en rectificado cilíndrico.
En la figura 3 en color rojo se representa la capa templada, en azul la zona sin templar y en verde el material a eliminar. Las flecha azules el movimiento relativo muela pieza. En el dibujo de la izquierda se ve una entrada inicial en plongée en la cual se genera una capa templada de cierto espesor, en la central se ve que la pieza gira, se va arrancando material y formándose la capa, y en la de la derecha se ve como queda la pieza al final debido a que en el último tramo no hay material suficiente para arrancar y a que la distribución del calor es diferente debido a la geometría.

En rectificado plano hay tres tipos de solapamiento.

  • El efecto de borde producido antes de que la muela empiece a comer con una pasada suficiente. Caso 1.
  • El efecto producido por mecanizar una pieza de mayor anchura de la muela en varias pasadas. Caso 2.
  • El efecto producido por retirar la muela y continuar el mecanizado. Caso 3.

Una forma de evitar el overlapping en rectificado plano es :

  • El caso 1 , utilizando una pieza algo mas larga y cortando la zona inicial.
  • El caso 2, utilizando una muela mas ancha que la pieza
  • El caso 3 solo se da si la pieza es lo suficientemente larga.

La solución de estos problemas en rectificado plano permitiría incrementar el campo de aplicación de la técnica, se abriría un abanico de posibilidades en piezas y anchas.

Actualmente se están desarrollando nuevas muelas de CBN con el objeto de rectificar piezas muy largas.

¿Que se pretende obtener cuando se realiza grind hardening ? En primer lugar repetitividad en el proceso, en segundo lugar profundidad de capa suficiente y en tercer lugar que la estructura del material obtenido sea correcta.

En la figura 5 se expone el diagrama de microdurezas de una probeta de acero F1252 en la que se ha realizado un ensayo de grind hardening. Puede verse que hay dos zonas , una zona templada ,en la que la dureza es mas o menos constante , y una segunda zona en la que la dureza decae.

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Figura 5. Diagrama de durezas de una probeta de acero F1252 sometida a Grind hardening
En la zona templada el endurecimiento se ha producido de forma diferente a diferentes profundidades lo que puede dar lugar a diferentes estructuras del material. Sin embargo se ha comprobado que esto no es así y lo que se produce es una zona con martensita de alta calidad. En la zona de transición la estructura es de bainita superior. En diversos análisis y en varios tipos de acero diferentes se ha encontrado el mismo comportamiento, con la única excepción de cuando las condiciones son tan fuertes que el material llega a fundirse en la superficie. Situación fácilmente detectable a simple vista.

Las diferencias entre el grind hardening y el rectificado convencional son muy importantes, y aún necesitándose una rectificadora de mayor rigidez que las convencionales y con algunos dispositivos especiales las ventajas obtenidas son tan grandes que es verdaderamente difícil encontrar un caso en el que siendo aplicable , no suponga una mejora en todos los sentidos frente a los procesos tradicionales. No solamente se elimina el templado de las piezas sino que las severas condiciones de mecanizado necesarias eliminan la necesidad del fresado. En la figura 6 se presenta un diagrama comparativo de las operaciones y máquinas necesarias en un proceso tradicional y en uno de grind hardening.

En la figura 6 se expone como para una operación en la que es necesario dos transportes y tres máquinas , cuando se utiliza grind hardening pasa a necesitarse una sola máquina. Las mejoras de coste, fiabilidad del proceso y tiempos de fabricación son inmediatas.

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Figura 6 . Comparativa de los procesos grind hardening y tradicional
Una de las ventajas mas importantes del grind hardening es la ecológica. Se necesita mucha menos energía para fabricar las piezas , ya que el propio calor generado en el rectificado se utiliza para dar el tratamiento térmico. Además del ahorro de movimientos de piezas. Este es el criterio tenido en cuenta por la Comisión Europea a la hora de financiar las investigaciones sobre este proceso. Concretamente es lo que busca el proyecto ENGY dentro del cual se están llevando a cabo las principales investigaciones sobre Grind Hardening, el ahorro de energía y la disminución de la contaminación en el rectificado. El lider de este proyecto es Danobat y en el participan las Universidades de Bremen, Hannover y Patras ( Grecia), Tyrolit , Saint Gobain, SKF, FiAT, HAI y Samputensili.

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