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Superficies rectificadas texturadas por láser. Evaluación por pin-on

disk Primeros avances

Presentation · August 2017

DOI: 10.13140/RG.2.2.13557.06883

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Superficies rectificadas texturadas

por láser. Evaluación por pin-on disk

Primeros avances

Vitaliy Martynenko

Daniel Martinez Krahmer

Seminario interno, 9 de Agosto de 2017

Texturado láser: Interés• En INTI-Mecánica tenemos un grupo de forja y otro de láser.

• Las matrices de forja representan entre el 10% al 15% del

costo para el forjado de una pieza.

• La vida útil de las mismas depende de: tipo de material a

forjar, temperatura de forja, complejidad de la pieza, tipo de

lubricante, carga de forjado, coeficiente de fricción

material-matriz.

• Si logramos por algún medio reducir la fricción, se mejora el

flujo del material dentro de la matriz, y como consecuencia el

llenado, incluso con una disminución de la carga.

• Texturas realizadas por láser pueden disminuir la fricción.

• Por estos motivos puede resultar de interés texturar una

matriz de forja.

Texturado láser• Existen algunos antecedentes que indican que, las

superficies microtexturadas con láser presentan una

reducción del coeficiente de fricción, al ser

comparadas con superficies lisas (Ukar, Fernández de

Lima, Otanocha, Dunn, Shihomatsu, Wu).

• Esta situación puede explicarse si nos valemos del

diagrama de Stribeck.

• El aceite que se utiliza para lubricar un par de superficies

que rozan entre si, se expulsa bajo una cierta presión

aplicada a las partes, en el caso que estuvieran lisas.

• Por el contrario, si una de las superficies presenta

microhuecos (texturas), los mismos hacen de reservorio

para el lubricante, pudiendo disminuir el coeficiente de

fricción.

• Algunas variables que influyen en el régimen de lubricación:

– Fuerza normal, o carga de conformado;

– Velocidad relativa entre las superficies;

– Viscosidad del lubricante;

– Geometría del contacto;

– Rugosidad de las superficies.

*El diagrama de Stribeck tiene en cuenta los 3 primeros.

Diagrama de Stribeck

Según Stribeck existen cuatro regímenes de lubricación, que

pueden ser representados en un diagrama de coeficiente de fricción en

función de la viscosidad, la velocidad relativa de deslizamiento, y la

carga. Las cuatros zonas son las siguientes (derecha a izquierda):

De lubricación hidrodinámica: el espesor de la capa de lubricante h

es mayor a 10 veces la rugosidad media aritmética Ra. Por tal motivo no

hay contacto metal-metal. Este tipo de régimen no sucede en el forjado.

De lubricación mixta: el espesor de la capa de lubricante h es entre

3 a 10 veces la rugosidad Ra. El contacto metal con metal no es

permanente. Este tipo de régimen no es usual.

De lubricación límite o de borde: el espesor de la capa de lubricante

h es menor a 3 veces la rugosidad Ra. Hay contacto metal con metal.

Este tipo de régimen es usual en los procesos de forjado.

De lubricación en seco.

Diagrama de Stribeck y relación con la forja

En los procesos de forjado en caliente, la carga es elevada, y en

consecuencia también las presiones de conformado. Por otra parte,

la temperatura reduce la viscosidad. Por ambos motivos se produce

un régimen de lubricación límite. Para peor, las exigentes

condiciones de trabajo, expulsan al lubricante de las cavidades,

motivo por el cual la duración de las matrices es limitada.

¿Cómo se podría hacer para convertir un régimen de

lubricación límite en uno mixto?

Un método con el que se viene experimentando desde hace

algunos años es realizar una textura utilizando un rayo láser guiado

por fibra óptica. De este modo se podría generar un patrón de

“dimples” que harían las veces de reservorios de lubricante.

Diagrama de Stribeck

Lo que resulta muy llamativo es que nos encontramos frente a

una paradoja: para obtener un mejor régimen de lubricación

hay que “aumentar la rugosidad”. Esta idea se usa en el

bruñido de los cilindros de un motor de combustión.

Sin embargo, se sabe que existe un límite para la densidad

del área texturada (¿40%?), porque a partir de esa “densidad”

el proceso comienza a revertirse. Es decir que, el coeficiente de

fricción disminuye con el aumento de la densidad, hasta cierto

punto en que la situación se invierte, y la fricción comienza a

aumentar.

¿Cómo se puede determinar / evaluar?: 1) Por el método “Pin-

on disk”; 2) Por el método de compresión del anillo.

Diagrama de Stribeck

En ambos casos las superficies de las probetas son muy simples de

texturar (son planas), como de medir su rugosidad, a la vez que

ambos métodos, presentan una buena sensibilidad para destacar los

cambios de la fricción (en el ring test mejor a medida que aumenta el

grado de recalcado de la probeta).

El tipo de “dimple” realizado por el texturado láser, tiene una marcada

influencia sobre la mejora posible de ser alcanzada. Tanto es así que

su forma, ancho / diámetro, profundidad, entrecentro y densidad

superficial, son las variables a considerar.

A modo de resumen podemos decir que, el texturado láser podría

ayudar a disminuir el coeficiente de fricción, llevando el régimen de

lubricación de uno límite a otro mixto, previniendo la rotura de la

película lubricante.

Ideas varias

• En las figuras se presenta un tipo de textura(hemiesférica) y una sección de la misma.

• Existen en el mercado mundial unos pocosfabricantes de máquinas-herramienta, quesobre la base de un centro de mecanizado de3 o 5 ejes, les incorporan un cabezal láser defibra óptica (a este tipo de máquinas se lasdenomina en forma genérica como híbridas),de modo que, en una misma máquina sepueda fresar la matriz en duro, y hacerle comooperación final el texturado láser, en las zonasque lo requieran (ver criterios en la próximafilmina).

Algo más

¿Dónde es conveniente efectuar la textura?

- En las regiones sometidas a mayorespresiones de contacto (se puedenestablecer por simulación numérica).

- Luego de usar la matriz en forma reiterada,en aquellos sectores que se van poniendomás brillantes (criterio práctico).

¿Dónde es conveniente efectuar la textura?

Algunas geometrías publicadas

• Un análisis de la bibliografía muestra que, tamaños de

“dimples” cuyas dimensiones sean: diámetro (20 – 200)µm,

y profundidades (10 – 100) µm, texturados sobre una

superficie rectificada, podrían reducir el coeficiente de

fricción.

Geometría del dimple

Equipo utilizado:

Han´s Laser Machine YLP-H20

Módulo láser IPG 20W fiber

laser YLP-1-100-20-20

Máquina cedida en comodato

por la empresa Sierra

Technology Group.

Equipo utilizado,

características

técnicas

Parámetros del láserPara poder realizar el microtexturado buscado seprocedió a ajustar los diferentes parámetros de micromecanizado del laser:

• Cantidad de pasadas;• Velocidad de desplazamiento del haz;• Velocidad del salto;• Frecuencia;• Tiempo de apertura;• Potencia;• Retardo al encendido del laser;• Retardo al apagado del laser;• Retardo al movimiento en una línea;• Retado al salto;• Detención en las esquinas.

Primeras microtexturas logradas

• Haciendo numerosas pruebas, y variando los seis

parámetros principales, con la colaboración de Sierra

Technology, se lograron microtexturados hemiesféricos

de 70 µm de diámetro y 40 µm de profundidad, valores

comprendidos en el rango indicado por la bibliografía.

Parámetros utilizados

Los parámetros empelados para obtener la textura citada fue:

• Cantidad de pasadas: 1

• Velocidad de desplazamiento del haz: 20 mm/s

• Velocidad del salto: 20 mm/s

• Frecuencia: 20 kHz

• Tiempo de apertura: 0.1 µs

• Potencia: 75% (15 W)

• Retardo al encendido del laser: 0 µs

• Retardo al apagado del laser: 1000 µs

• Retardo al movimiento en una línea: 0 µs

• Retado al salto: 0 µs

• Detención en las esquinas: 0 µs

Cantidad de pasadas

• En el caso de realizar

más de una pasada por

el mismo lugar, el

material no llegaba a

sublimarse por

completo y se adhería a

la superficie en forma

de óxidos de color

oscuro, tal como se ve

en el centro de la

imagen SEM adjunta.

• A más pasadas, el

material “crece” en

altura.

Potencia del laser

• Se estableció que el mejor valor para este

parámetro fue del 75%, ya que permitió obtener

una geometría con la calidad deseada.

• A mayores potencias (del 80% al 100%), el

material removido quedaba adherido a las

superficies internas, en un porcentaje alto de los

dimples, reduciendo el volumen de los reservorios.

• Por el contrario, con potencias menores al 75%, los

dimples resultaron de menor diámetro y

profundidad a lo esperado.

Frecuencia del láser

• En el caso de utilizarfrecuencias superiores a20 kHz resultaron dañossuperficiales (ver imagenSEM que corresponde a100 kHz. No haypenetración).

Velocidad del laser

• Se encontró que la velocidad óptima, que

equilibra la calidad geométrica, con la

productividad, fue de 20 mm/s.

• Empleando velocidades superiores, la

geometría de los dimples no resultaba

prolija.

• Por el contrario, con valores inferiores a

20 mm/s, si bien la geometría alcanzada

era muy buena, las velocidades se

tornaban improductivas.

Retardo al encendido

• Si el retardo al encendido eraun valor superior a 0, seobtenía un daño superficial (noen profundidad). Resultabangotas de material fundido(spatter), por encima de lasuperficie rectificada (efectono deseado). Ver imagenSEM.

• Mientras más alto fue el valornumérico de esta variable,mayor el daño superficial.

Retardo al apagado

• El retardo al apagado influyó sobre la

profundidad de los dimples.

• A mayor valor numérico, mayor

profundidad se obtenía.

• Este valor se fijó en 1000 µs por cuanto

era el máximo posible del equipo.

Microtexturado buscado

• Se presentan imágenes de los microtexturados obtenidos, bajo

diferentes aumentos.

• La medición del diámetro de los huecos se realizó mediante un

microscopio óptico.

• La medición de la profundidad, en el mismo microscopio a 200X,

enfocando en la superficie y en el fondo de los huecos, registrando la

cantidad de divisiones del micrómetro vertical, entre ambos enfoques.

Perfil del texturado

• En las imágenes que siguen se observa el perfil del

texturado.

• El mismo se realizó sobre el borde de la pieza, dejando

que algunos disparos del láser salgan por completo de la

superficie de pieza, mientras que otros fueron efectuados

aproximadamente en su parte media (por esta razón es

que parecieran no tener las medidas indicadas).

Disco para ensayo pin-on disk

En la imagen se ve el

disco con un sector

texturado, sobre el cual

se realizó el ensayo pin

on disk.

Procedimiento de ensayo pin on disk

Para poder realizar los ensayos de la determinación del coeficiente de

fricción se procedió de la siguiente manera:

• Pulido sucesivo de la punta de los pines con papeles abrasivos tamaños

de grano 100; 600 y 1000 respectivamente.

• Rectificado de los discos en rectificadora tangencial con muela código

A46H10V.

• Preparación de las muestras de lubricantes todos al 10% (dos tipos:

aceite sintético, y grafito).

• Montaje y centrado del disco en la máquina pin on disk.

• Montaje del pin.

• Agregado del lubricante sobre el disco.

• Aplicación de la carga sobre el pin (6,5N -12N).

• Velocidad de deslizamiento = 0,2 m/s.

• Ensayo durante 10 - 20 min. Obtención de la curva rozamiento – tiempo.

• Secuencia: aceite sintético, y grafito.

Maquina Pin on Disk utilizada

Coeficiente de fricción

• A modo de ejemplo se presentan los gráficos correspondientes

a la carga de 12N con aceite sintético, y 12% de densidad.

• Del diagrama se desprende que, pareciera ser igual tener

superficie lisa o texturada. El coeficiente de fricción no cambia.

Aumento de densidad• Seguidamente se realizaron pruebas al 20% y 37% de densidad.

• Estos ensayos se hicieron con una carga de 6,5N.

• No se notaron diferencias entre las superficies texturadas con diferente

nivel de densidad de puntos y las superficies lisas.

Lubricante base grafito

• Finalmente se probó con un lubricante base grafito con una

densidad del 12%.

• En este caso se evidenció una pequeña reducción del coeficiente

de fricción (como máximo un 8%).

Grafito. Densidad 37%• Para aumentar el efecto del texturado se decidió trabajar con mayor

densidad (37%), y carga de 6,5 N.

• En este caso se observó una reducción significativa del coeficiente de

fricción (21% en promedio), sobre la superficie texturada en comparación

con la superficie lisa.

Conclusiones

• Se verificó mediante la realización de ensayos pin

on disk, que el microtexturado con láser de

superficies rectificadas, permite reducir el

coeficiente de fricción en comparación con las

superficies lisas.

• Que esta mejora solo se alcanzó al utilizar como

lubricante una suspensión de grafito.

• Que con el aumento de la densidad de puntos de

texturado, hay una disminución del coeficiente

de fricción.

Tareas futuras y preguntas por responder

• Obtener una curva que muestre la variación del

coeficiente de fricción, en función de la densidad del

texturado.

• Idem anterior, a distintas cargas (6,5 N – 12 N).

• ¿Porqué la mejora sólo se produce cuando usamos

grafito?

• ¿Qué sucede si en las muestras “lisas”, empleo una

muela con grano más grueso y/o con mayor porosidad

(mayor distancia entre los granos abrasivos)?

• Campana sugiere probar con texturas circulares

concéntricas con el disco. ¿Y no concéntricas?

INTI-Mecánica, edificio 43

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(1650) Miguelete

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vmart@inti.gob.ar

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¡Muchas Gracias!

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