Publication: Estudio numérico de los fenómenos de contacto en el mecanizado
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Publication date
2009-12
Defense date
2009-12-09
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La formación de viruta es un proceso tecnológico muy presente en la industria actual. El origen de esta forma de fabricar objetos remonta a los tiempos remotos, pero, la Revolución Industrial del siglo XVIII en Europa subrayó la gran importancia de este proceso de fabricación, y dio un giro irreversible hacia la necesidad estratégica de desarrollar, cada vez más, la tecnología de las máquinas-herramientas propias a este proceso. A pesar de haber sido estudiado durante varios siglos, el proceso de mecanizado sigue siendo hoy en día un desafío para toda la comunidad científica. Varios estudios exhaustivos del proceso de formación de viruta han sido llevados a cabo durante estos últimos años. La inter-actuación entre las observaciones experimentales y los estudios analíticos hicieron posible el desarrollo de varios modelos predictivos cada vez más cercanos a la realidad del proceso. Sin embargo, el análisis de la bibliografía publicada en esta temática subraya el poco conocimiento de la evolución, con respecto a las condiciones de contorno, de algunos fenómenos físicos importantes – como es el caso del contacto entre la herramienta y la viruta –. Está claro que estas dificultades provienen principalmente de la complejidad de determinación de una metodología global capaz de desacoplar las variables locales relevantes durante los ensayos experimentales. Este punto dificulta el desarrollo de nuevos modelos analíticos más potentes aún. La herramienta numérica puede presentar una excelente alternativa, para dar un paso más allá en la comprensión de la evolución de las variables locales durante el proceso de arranque de material. Y, entonces, para completar los modelos analíticos. El presente trabajo consistió en desarrollar un modelo numérico del contacto termomecánico entre la herramienta y la viruta, y se focalizó en el análisis de sus contribuciones en los resultados numéricos tanto al nivel local como macroscópico. Sistemáticos estudios paramétricos han sido llevados a cabo para identificar y cuantificar los efectos de los parámetros más relevantes en el comportamiento de la interfase. La contribución original de este trabajo de tesis doctoral se encuentra en el análisis la influencia del modelo de fricción de Coulomb en los resultados numéricos del corte ortogonal. Concretamente, en una primera parte, se variaron tanto el valor del coeficiente de fricción constante implementado (entre 0 y 1) como él de la velocidad de corte aplicada (entre 1m/s y 50m/s). En la segunda parte del trabajo, se implementaron dos coeficientes de fricción variables con la velocidad de deslizamiento relativo del material en la interfase. El trabajo presentado en esta tesis se centró particularmente en el análisis de las distribuciones de las tensiones –normales y de fricción– y de las temperaturas en la interfase. Las conclusiones expuestas en este trabajo están resumidas por orden cronológico en los siguientes puntos: 1. El Método de los Elementos Finitos es eficiente para modelar numéricamente el fenómeno de la formación de viruta. Más bien, la formulación ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) permite obtener resultados consistentes con las tendencias observadas experimentalmente, tanto al nivel local –en la interfase– como macroscópico –fuerzas de corte–. 2. El modelo numérico de contacto entre la herramienta y la viruta resulta ser un punto clave para obtener resultados numéricos coherentes con los conocimientos actuales en el campo científico de la tribología de los metales. Para el contacto mecánico, se demostró que la condición de la formación del contacto adherido está directamente relacionado con la formulación del modelo de fricción implementado. La aparición de dicho tipo de contacto ha sido relacionada con el ablandamiento térmico del material en la interfase. Por otra parte, se demostró también que la partición del calor entre la viruta y la herramienta está gobernada por el valor de conductancia térmica implementada en la interfase. 3. En cuanto a los aspectos geométricos del proceso de formación de la viruta, se ha puesto de manifiesto en este trabajo que, aunque se obtiene un gradiente de velocidad en el espesor de la viruta en el referencial cartesiano, el flujo de la viruta describe un movimiento de sólido rígido. El gradiente de velocidad observado es la consecuencia del movimiento angular de salida de la viruta, que caracteriza su curvatura. Se mostró que este radio de curvatura de la viruta depende tanto de la velocidad de corte como del valor del coeficiente de fricción implementado. 148 4. Por último, se estudió la influencia del modelo de contacto sobre las fuerzas de corte numéricas. Se demostró que la disminución de las fuerzas de corte, a un coeficiente de fricción dado, era directamente relacionada al ablandamiento térmico del material, junto con el tipo de modelo de fricción implementado. Se ha demostrado también que el aumento del radio de filo tiende a incrementar las fuerzas de corte, particularmente la fuerza de avance, con lo que, el aumento del radio de filo aumenta notablemente el nivel de la fricción aparente. Al final, se compararon datos experimentales con los resultados numéricos obtenidos con el modelo de fricción con coeficiente constante. Una buena reproducción de las fuerzas de corte ha sido observado, pero, al nivel de la interfase, el aumento del contacto adherido con respecto a la velocidad de corte ha sido obtenido. Este resultado siendo opuesto a las observaciones experimentales, se modificó el modelo numérico con la implementación de una relación de fricción variable (dependiente de la velocidad) que respecta las tendencias experimentales.
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Keywords
Proceso de mecanizado, Máquinas herramienta, Tecnología de fabricación, Análisis numérico