Nuevos horizontes en la simulación numérica del rectificado

El rectificado es un proceso de mecanizado que consiste en crear una superficie lisa en una pieza mediante una muela giratoria que arranca pequeñas virutas. Se trata de uno de los procesos de fabricación más antiguos de entre los que se siguen utilizando actualmente, a pesar de lo cual sigue teniendo una gran relevancia en la fabricación de elementos mecánicos, ya que resulta imprescindible para producir piezas que requieren una gran precisión y un buen acabado. Son varios los sectores que emplean este proceso: la industria aeronáutica, la automoción y procesos punteros de microproducción, entre otros. Sin embargo, es una operación que conlleva cierto riesgo, “si las condiciones de trabajo no son las adecuadas, cabe la posibilidad de que la pieza se caliente y se queme. Si la pieza se quema en el último paso, pierde su validez, y se trata de piezas de coste muy elevado”, explica Juan Luis Osa, autor del estudio. Dado el gran interés industrial que tiene la optimización del proceso de rectificado, varios grupos de investigación tratan de desarrollar modelos numéricos para su simulación.

En ello reside la importancia de lo conseguido en esta investigación de la UPV/EHU. Se ha aplicado un método diseñado con otro fin, el método de los elementos discretos (DEM), a la simulación numérica del rectificado. “El rectificado es una operación de gran valor añadido, y esta es una herramienta potente en lo que respecta a la optimización del proceso. Hasta el momento, no se disponía de herramientas que analizaran el comportamiento de la muela en el rectificado. Ahora se abren nuevos horizontes en la simulación del rectificado”, añade Osa. “El método de los elementos discretos se desarrolló originalmente para analizar el comportamiento de las rocas. Sin embargo, hemos constatado que se trata de una herramienta adecuada para la modelización de la muela, ya que reproduce su morfología granular aleatoria y su rigidez. Por otro lado, además de reflejar el comportamiento de la muela, muestra la evolución del contacto”. En la investigación, se ha simulado el rectificado del acero mediante muelas vitrificadas; pero se prevé poder adaptarla a diferentes tipos de muelas o procesos de rectificado. “Sin embargo, el éxito de este modelo radica en el comportamiento viscoplástico del material, lo cual fue rechazado por los modelos de contacto precedentes. Gracias a todo ello, se abren nuevas vías en la simulación numérica del rectificado”, explica Osa.

La base de toda investigación en este campo es la definición de la zona de contacto, es decir, la longitud y la anchura de contacto. El valor de la anchura se mantiene constante, mientras que la longitud va cambiando, puesto que la fuerza de rectificado y las condiciones de contacto a nivel de grano deforman tanto la muela como la pieza. De ese modo, la longitud del contacto entre la muela y la pieza resulta mayor de lo establecido geométricamente. “La piedra se va deformando, y la zona de contacto va cambiando. En cuanto a la intensidad, no es lo mismo aplicar una cantidad de calor en una zona ancha que en una zona estrecha. Los modelos térmicos, que utilizan elementos finitos, están muy extendidos en el rectificado. Pero si la zona de contacto no está correctamente definida, la simulación de la temperatura no es real”. Por ello, para simular el proceso es preciso que la evolución de la zona de contacto se refleje de la manera más exacta posible, lo cual es posible mediante el DEM: “predice la deformación de la muela, algo que no se había conseguido hasta ahora. Este método simula la deflexión y el desplazamiento que experimentará la piedra, mediante datos como la composición, el tamaño, la rigidez, las condiciones de trabajo, etc.”.

Este estudio forma parte de la tesis doctoral de Juan Luis Osa Amilibia (Zarautz, 1976), titulada ‘Kontaktuaren zenbakizko simulazioa artezketan' (Simulación numérica del contacto en el rectificado) y dirigida por el catedrático del Departamento de Ingeniería Mecánica de la UPV/EHU José Antonio Sánchez Galíndez y la profesora titular del Departamento de Ingeniería Mecánica de la UPV/EHU Naiara Ortega Rodríguez. El investigador realizó en 2011 una estancia de tres meses en el ENSAM de Burdeos, y otra estancia de tres meses en la Universidad RWTH Aachen, Alemania, en 2013.