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versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.17 n.5 La Serena  2006

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642006000500007 

 

Información Tecnológica-Vol. 17 N°5-2006, pág.: 43-50

INGENIERIA MECANICA

Variables Significativas del Torneado de Probetas para Ensayo de Torsión

Significant Variables in the Turning of Torsion Test Specimens

 

Rubén D. Chacón (1), Roberto J. Suárez (2), Luis J. Anduela (1) y Oscar A. López (1)
Universidad de Los Andes, (1) Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Mecánica,
(2) Laboratorio de Ensayos Mecánicos, La Hechicera, Mérida 5101A-Venezuela. (e-mail: rdchacon@ula.ve; jsuarez@ula.ve)


Resumen

Probetas de un acero AISI 1045 previamente torneadas a bajas velocidades fueron sometidas a torsión, modificando las variables básicas de velocidad de avance, velocidad de giro y profundidad de corte. Habiendo tomado el ángulo máximo de giro y la rugosidad como variables de salida del diseño experimental factorial 23 aplicado, se ha conseguido que en el aumento del ángulo máximo de giro y en la disminución de la rugosidad, el efecto significativo es ejercido por una misma interacción de factores. Los factores de esa interacción son la velocidad de giro y la profundidad de corte, ambos en nivel bajo. El estudio muestra que la plasticidad de un material metálico dúctil, expresada como ángulo máximo de giro,  aumenta si mejora el acabado superficial de la probeta.

Palabras claves: ensayo de torsión, torneado, rugosidad superficial, ángulo máximo de giro


Abstract

Test specimens of AISI 1045 steel previously turned at low speeds were torsion-tested while modifying the basic variables of feed rate, spindle speed, and depth of cut. Having taken the maximum angle of twist and the surface roughness as output variables from the experimental 23   factorial design applied,

it was determined that on both the increase in the maximum angle of twist and on the decrease in surface roughness, significant effects are exerted by the interaction of factors common to both variables. The factors in this interaction are spindle speed and the depth of cut, both at low levels. The study showed that  the plasticity of a ductile metallic material, expressed as the maximum angle of twist, increases with improvement of the surface finish of the specimen.

Keywords: torsion test, turning, surface roughness, maximum twist angle

INTRODUCCIÓN

La idónea determinación de propiedades de materiales mediante ensayos mecánicos, requiere que sea básicamente la naturaleza del material lo que reaccione ante la carga aplicada durante el ensayo y no factores extraños a dicha naturaleza. Entre estos factores, y como capaz de influir en el resultado del ensayo de torsión pura estática, puede hallarse el acabado superficial de las probetas, pues los surcos de rugosidad producidos por el torneado actúan como concentradores superficiales de esfuerzos (principio de Saint-Venant) creando esfuerzos diferentes al cortante, el cual es el que propicia la deformación plástica. Puesto que a menor profundidad de los surcos (menor rugosidad) menores son sus efectos en la concentración de esfuerzos, en esa misma medida menos aparecerán esfuerzos diferentes al cortante y mayor podría ser la deformación plástica.

Existen numerosos artículos relacionados con el estudio del efecto del mecanizado sobre la rugosidad superficial. Thomas et al. (1997) y Feng (2001) presentaron estudios acerca del impacto de una serie de factores del torneado sobre dicha variable superficial, Correa et al. (2004) han estudiado factores que afectan el acabado en procesos de torneado y fresado, Sahin y Motorcu (2004) y más recientemente Onwubolu (2005), han propuesto modelos con los cuales la rugosidad es relacionada con algunos de esos factores; sin embargo, ninguno de esos trabajos trata o, hasta donde los autores del presente trabajo han investigado, ha sido aprovechado para tratar la dependencia del ángulo máximo de giro, como característica de la plasticidad de un material sometido a ensayo de torsión, respecto a la rugosidad superficial de la probeta.

Por lo tanto, el objetivo de este trabajo es examinar la hipótesis de que una menor rugosidad superficial contribuye al aumento de la capacidad de la probeta de torsión para deformarse plásticamente y, en consecuencia, contribuye al logro de un mayor ángulo máximo de giro.

Debido a la diversidad de factores involucrados, el objetivo implica la necesidad de aplicar un diseño experimental factorial. Si el análisis factorial demostrase que las variables del torneado que en determinados niveles ejercen efecto significativo en la disminución de la rugosidad, son las mismas que en esos mismos niveles ejercen efecto significativo en el aumento del ángulo máximo de giro, la hipótesis sería considerada no rechazable y también quedarían determinadas las variables significativas del torneado de probetas para ensayo de torsión.

PROCEDIMIENTO

Etapa pre-experimental

Con miras a conseguir el objetivo con un número de ensayos relativamente bajo, se eligió el diseño experimental factorial 23 y tomando como variables dependientes (variables de salida) la rugosidad superficial y el ángulo máximo de giro. Las tres variables independientes debían ser aquéllas que pudiesen ser consideradas como los tres factores del torneado más influyentes en la rugosidad superficial. Con la finalidad de averiguar preliminarmente cuáles son esos factores, entre personas expertas en la teoría y/o práctica del torneado se realizó una encuesta acerca del asunto. Se obtuvo claramente mayoritaria información de que dichas variables son las siguientes entre las regulables haciendo uso directo de los controles del torno: la velocidad de avance de la herramienta, la velocidad de giro de la pieza y la profundidad de corte. La información recabada coincidió con conclusio nes de Correa et al. (2004) y con proposición matemática de Sahin y Motorcu (2004) corregida por Onwubolu (2005) y expresada con la ecuación (1). Según Onwubolu, esta ecuación, verificada en un acero AISI 1040, permite calcular con buena aproximación la rugosidad promedio Ra (mm) dentro de amplios intervalos de valores de la velocidad de corte v (m/min), la velocidad de avance A (mm/rev) y la profundidad de corte P (mm).

             (1)

Como se sabe, la velocidad de giro (V) se expresa en función de la velocidad de corte v mediante la ecuación V = 1000v/pd, donde d es el diámetro de la pieza. Así pues, la velocidad de giro se incrementa si mayor es la velocidad de corte. Tomando esto en cuenta, la ecuación (1) indica que la rugosidad decrece si menor es la velocidad de avance y mayores son la velocidad de giro y la profundidad de corte.

A pesar de la existencia de la ecuación (1), ésta, debido a las siguientes razones no podía ser empleada como medio para la consecución del objetivo: 1) Onwubolu no indica cuáles son los intervalos de valores de v, A y P donde se cumple su validez, 2) la ecuación es resultado de datos experimentales del torneado a alta velocidad, en tanto que en este trabajo sería empleado un torno de 1120 rpm como máxima velocidad de giro.

No teniendo un conocimiento pleno de las similitudes o diferencias entre las influencias de las variables del torneado sobre la rugosidad a bajas y altas velocidades, por prevención la ecuación (1) no podía ser utilizada. Sin embargo, con base en  la  información  recabada en la encuesta, la aportada por Correa et al. y por la ecuación (1), se decidió tomar las tres variables mencionadas como los factores del experimento factorial 23.

Como material para la ejecución del estudio fue elegido un acero AISI 1045 debido a su mediana plasticidad en el estado de entrega por el fabricante. Acorde con el proveedor (Ferrum, Venezuela) su composición química era C: 0.44%, Si: 0.3%, Mn: 0.6%; dureza: 207 Brinell; esfuerzo de fluencia: 310 Mpa y resistencia última: 570 Mpa. Este material fue adquirido en forma de barras cilíndricas con diámetro de ½ pulgada.

Para seleccionar los niveles de los tres factores (tabla 1) fueron consideradas recomendaciones del fabricante de la herramienta (Sandvik Coromant, 2001) y la capacidad del torno disponible. Los niveles bajo y alto de la profundidad de corte P fueron definidos por las últimas pasadas (0,2 mm y 0,8 mm) hasta alcanzar una total remoción de 3,2 mm  en  diámetro.

Tabla 1: Factores y sus niveles en el experimento realizado.

Factor

Unidades

Niveles

Bajo( - )

Alto (+)

Velocidad de Avance (A)

mm/rev

0,15

0,30

Velocidad de giro (V)

rpm

800

1120

Profundidad  de corte (P)

mm

0,8

0,8 

0,8

0,6

0,2

0,6 

0,6 

0,6

0,6

0,8

 

Para cada uno de los ocho tratamientos del diseño factorial 23 fueron establecidas cinco réplicas, motivo por el cual el experimento consta de 40 ensayos. La tabla 2 resume el diseño factorial aplicado.

Etapa experimental

No existen normas que estipulen dimensiones de probetas para el ensayo de torsión, sin embargo, comúnmente se toma en cuenta la recomendación de Studemann (1968) de que la longitud libre entre las mordazas de  la  máquina sea entre cinco y diez veces mayor que el diámetro. Tomando como orientación esta recomendación, fueron elaboradas probetas cilíndricas (Fig. 1) de sección transversal uniforme (sin cabezas) con diámetro de 9,5 mm y 100 mm de longitud libre entre las mordazas. De la longitud total de cada probeta (150 mm), en cada extremo se dejaron 25 mm para el agarre de las mordazas.

Para elaborar las probetas se utilizó un torno paralelo marca Nardini 650-DT con velocidad de giro máxima igual a 1120 rpm. La herramienta de corte fue una plaquita triangular para acabado medio en torneado exterior, denotada TNMG 16 04 08-PM GC4025 y cuyo radio de punta es de 0,8 mm (Sandvik Coromant, 2001). No se aplicó fluido de corte debido a las dos siguientes razones:  1)  Las  resistencias  mecánica  y  térmica  de  la  herramienta son tales que en barras de acero de 9,5 mm de diámetro, puede trabajar haciendo cortes hasta de 5 mm de profundidad girando la barra a velocidad hasta de 13570 rpm. Aquí fue empleada para cortes apenas de 0,8 mm como máxima profundidad y apenas 1120 rpm como máxima velocidad de giro. 2) Para una eventual comparación con otros trabajos, fue tomado en cuenta que la mayoría de las referencias recientes es resultado de torneados realizados sin uso de fluido de corte.   

Tabla 2: Tratamientos, factores, interacciones y sus niveles

Tratamiento

Factores

y sus

 niveles

Interacciones

de factores,

y sus niveles

A

V

P

AV

AP

VP

AVP

T1

+

+

+

+

+

+

+

T2

+

+

-

+

-

-

-

T3

+

-

+

-

+

-

-

T4

+

-

-

-

-

+

+

T5

-

+

+

-

-

+

-

T6

-

+

-

-

+

-

+

T7

-

-

+

+

-

-

+

T8

-

-

-

+

+

+

-


Fig. 1: Dimensiones de las probetas utilizadas y zonas establecidas para medir la rugosidad

Antes del torneado de las barras, todas de ½ pulgada de diámetro y de longitud igual a  200 mm, fueron distinguidas con números sucesivos desde el 1 hasta el 40; luego fueron repartidas en modo aleatorio entre los ocho tratamientos y finalmente fueron sucesivamente torneadas en el orden numérico antes indicado. Esto produjo la tarea de tener que cambiar muy frecuentemente las condiciones del mecanizado según el tratamiento al que correspondía la próxima barra a tornear. Se perseguía así distribuir el eventual desgaste de la herramienta lo más uniformemente posible en cada uno y todos los tratamientos. Esto permitió asumir como constante la herramienta de corte única utilizada.

En todas las barras la longitud torneada fue la misma, igual a 160 mm. Aparte de las tres variables tomadas como factores del diseño experimental, ninguna otra fue modificada deliberadamente para ninguno de los torneados. Después del torneado, en cada probeta la rugosidad fue medida con un rugosímetro de palpador marca Tylor-Hobson. Debido a la limitación de su recorrido, para medir la rugosidad se distinguieron las tres zonas que se indican en la figura 1, excluyendo 25 mm en cada extremo por ser espacios para la sujeción con las mordazas. En cada probeta y en cada una de las tres zonas se hicieron cuatro mediciones en diferentes recorridos longitudinales, para luego obtener un promedio correspondiente a cada zona y finalmente un promedio correspondiente a las tres (tabla 3).

Los valores del ángulo máximo de giro (tabla 4) fueron obtenidos de ensayos de torsión ejecutados con una máquina marca Tinius Olsen modelo Lo-Torq. Las mediciones se hicieron en la escala de 5000 kgf-cm usando la máxima velocidad de rotación del cabezal, igual a 360º/min.

En cada probeta la rotura ocurrió dentro de la zona central de su lado comprendido entre su sección media y el borde de la mordaza giratoria (fotografía en la Fig. 2). Esta ubicación de la rotura puede ser considerada un suceso normal si se toma en cuenta que esa zona era la que más rápidamente sufría deformación plástica y endurecimiento, exceptuando las inmediatas adyacencias de la mordaza giratoria, pues allí la deformación plástica era inhibida por la ausencia de deformación en la masa de la probeta contenida dentro de la citada mordaza

Tabla 3: Valores experimentales de la rugosidad

Tratamiento

Réplicas (rugosidades) en cada tratamiento (mm)

Promedio (mm)

1

2

3

4

5

T1

6,3

7,0

7,0

6,4

6,0

6,5

T2

6,8

7,1

7,6

7,6

7,1

7,3

T3

7,8

7,6

8,4

7,2

6,7

7,5

T4

7,5

6,0

8,1

5,9

6,6

6,3

T5

6,2

7,2

5,7

5,7

5,5

6,1

T6

5,4

4,9

4,8

5,6

5,7

5,3

T7

5,9

5,7

5,6

4,8

6,7

5,7

T8

4,4

3,9

4,8

4,5

4,4

4,4


 

Fig. 2: Zona de rotura de las probetas

Tabla 4: Valores experimentales del ángulo máximo de giro

Tratamiento

Réplicas (ángulos máximos de giro) en cada tratamiento (radianes)

Promedios

(radianes)

1

2

3

4

5

T1

18,33

17,35

11,94

17,47

16,07

16,23

T2

15,99

15,15

11,48

16,48

15,76

14,97

T3

10,38

17,26

10,47

12,15

13,67

12,79

T4

16,48

15,15

16,06

16,32

16,32

16,06

T5

18,92

13,89

17,28

19,04

20,59

17,95

T6

12,53

18,99

17,45

18,55

16,37

16,78

T7

12,04

13,63

15,50

19,50

11,07

14,35

T8

19,39

20,75

19,20

22,62

17,30

19,85

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Para determinar si en los torneados realizados, el efecto de un factor o de una interacción de factores es significativo, fue seguido el procedimiento presentado, entre otros, por Montgomery (1991), el cual consiste en comparar los valores de los efectos con el del error estándar. Un intervalo de confianza de 95% se obtiene con mayor seguridad si el valor del efecto, en términos absolutos, rebasa en mayor magnitud el doble del valor del error estándar.

En relación con el ángulo máximo de giro, esos valores se hallan en la tabla 5. En ésta Efp significa efecto principal (individual) y Efi significa efecto de interacción. El mayor valor 1,83 de la relación efecto/2E, indica que el efecto significativo sobre el ángulo máximo de giro corresponde a la interacción de la velocidad de giro V y la profundidad de corte P, y el valor positivo de este efecto (2,802) indica que la interacción VP hace crecer dicho ángulo. Dado que el efecto significativo es ejercido por una interacción, es necesario el correspondiente diagrama de dos vías para averiguar los niveles en que los factores V y P ejercen su efecto combinado. Ese diagrama, dado en la figura 3, señala que mayor  ángulo

Fig. 3: Diagrama de dos vías de la interacción de los factores V y P en el ángulo máximo de giro máximo de giro se obtiene cuando los factores V y P interactúan en sus niveles bajos.

Tabla 5: Valores de los efectos y del error estándar en relación con el ángulo máximo de giro

Efecto

Valor del efecto

Error estándar, E

Efecto/2E

Efp A

-2,217

0,766

1,45

Efp V

0,720

0,47

Efp P

-1,589

1,04

Efi AV

0,456

0,30

Efi AP

0,580

0,38

Efi VP

2,802

1,83

 Efi AVP

-0,533

0,35

 

Puesto que, acorde con la hipótesis, un mayor ángulo máximo de giro se logra si menor es la rugosidad superficial de la probeta, la verificación de la hipótesis requeriría de que los mismos factores que tienen el efecto significativo en el crecimiento del ángulo máximo de giro (velocidad de giro V y profundidad de corte P) fuesen los que, en iguales niveles (bajos), tuviesen el efecto significativo en el decrecimiento de la rugosidad. Esto quedó evidenciado al analizar la información contenida en la tabla 6 en relación con la rugosidad, y el correspondiente diagrama de dos vías mostrado en la figura 4.

Tabla 6: Valores de los efectos y del error estándar en relación con la rugosidad superficial

Efecto

Valor del efecto

Error estándar, E

Efecto/2E

Efp A

1,545

0,219

3,52

Efp V

0,285

0,65

Efp P

0,655

1,49

Efi AV

-0,315

0,72

Efi AP

-0,405

0,92

Efi VP

-0,625

1,42

Efi AVP

-0,345

0,79


Fig. 4: Diagrama de dos vías de la interacción de los factores V y P en la rugosidad superficial

Ya aportado por el análisis factorial un claro indicio de verificación de la hipótesis, se procedió también a correlacionar los valores promedios de la rugosidad superficial y del ángulo máximo de giro contenidos en las tablas 3 y 4, respectivamente. Así, con el programa microsoft excel se obtuvo la curva mostrada en la figura 5 y la función correspondiente expresada con la ecuación exponencial (2). Entre las funciones disponibles en el citado programa, como criterio para elegir la exponencial simplemente se consideró que la función debía producir valores definidos del ángulo máximo de giro para cualquier valor asignado a la rugosidad.

Fig. 5: Variación del ángulo máximo de giro β en función de la rugosidad superficial

            (2)

El coeficiente de correlación (R = -0.7854) resultó con valor absoluto superior al valor crítico (0,7067), el cual fue determinado en la correspondiente tabla estadística (Szydlowski, 1978) para un nivel de confianza a = 0,05 y número de grados de libertad n = 8 - 2 = 6, donde 8 es el tamaño de la muestra, y 2 es el número de parámetros de la ecuación (2). El hecho de que úRêsea mayor que el valor crítico, revela que existe significativa dependencia del ángulo máximo de giro respecto a la rugosidad superficial. Expresando esa dependencia con la ecuación (2), en lo inmediato se halla coincidencia con un razonamiento de carácter sólo teórico al observar sus resultados  para  los dos extremos hipotéticos: rugosidad nula y rugosidad infinita. En el primer caso el ángulo máximo de giro adquiriría un valor igual al numerador (aquí son 30,3 radianes), y en el segundo caso sería nulo.

Debe ser tenido en cuenta que los valores 30,3 y 0,104 de los parámetros de la ecuación (2) resultaron de un intervalo de rugosidades bastante restringido. Los acabados superficiales han sido clasificados por Field et al. (1989) como semirugoso (12,5 mm), medio, (6,3 mm), semifino (3,20 mm) y fino (1,60 mm). Si estos valores se comparan con los de las rugosidades promedios aquí obtenidas (tabla 3), se observa que casi todas éstas se circunscriben alrededor del acabado medio.

Con base en el resultado del análisis factorial aplicado y en la correlación develada, se hace posible afirmar que la hipótesis planteada puede ser considerada no rechazable. Si este resultado es acompañado con el criterio de que la confianza en resultados del ensayo de torsión pura estática de material metálico dúctil, es mayor si el ensayo revela más extensamente la plasticidad del material, expresada ésta como ángulo máximo de giro, se infiere que las variables significativas del torneado en la elaboración de probetas para ensayo de torsión, son las mismas que producen la menor rugosidad superficial.

Dado que no fue conseguido informe anterior en el cual el ángulo máximo de giro fuese relacionado con la rugosidad superficial de las probetas de ensayo de torsión, el resultado conseguido con el análisis factorial aplicado, con la figura 5 y la ecuación (2), no es discutido en confrontación con trabajo antes realizado.

Sí, en cambio, existe extensa literatura con la cual los resultados de este trabajo respecto a las variables del torneado que influyen en la rugosidad, pueden ser comparados al menos en términos cualitativos. Se trata de la influencia cualitativa de la velocidad de avance, de la velocidad de giro y de la profundidad de corte sobre la rugosidad superficial.

La comparación con otros trabajos fue estimada como dificultosa debido a que la mayoría de los informes recientes se refieren al torneado a alta velocidad, en tanto que en este estudio fue de baja velocidad. En cualquier caso, lo que sí puede ser esperado con fundamento en el presente estudio es que, independientemente de las diferencias que en diferentes trabajos pudieran resultar en cuanto a la influencia cualitativa de las tres variables citadas sobre la rugosidad superficial, siempre ha de cumplirse que menor rugosidad propicia mayor ángulo máximo de giro.

La ecuación (1) (Onwubolu, 2005) resume las más frecuentes informaciones halladas en la literatura acerca de las influencias cualitativas de las tres variables mencionadas: la rugosidad decrece si menor es la velocidad de avance y mayores son la velocidad de giro y la profundidad de corte.

En este estudio ha resultado que la rugosidad decrece si menor es la velocidad de avance y menores son la velocidad de giro y la profundidad de corte. Puesto que no hay discrepancia respecto a la influencia cualitativa de la velocidad de avance, este aspecto no es discutido.

Referente a la influencia cualitativa de la velocidad de giro, el resultado aquí obtenido parece hallar respaldo en uno de los conseguidos por Thomas et al. (1997): una baja velocidad de corte (o velocidad de giro) hace disminuir la rugosidad si se tornea a baja profundidad de corte y a la vez a alta velocidad de avance. En el trabajo de Thomas et al. (1997) se sugiere que bajas velocidades de corte son las inferiores a 90 m/min, es decir, inferiores a 3015 rpm para piezas de 9,5 mm de diámetro como las torneadas en este estudio. Aquí la mayor velocidad de giro fue de 1120 rpm, o sea, baja velocidad de corte. Asimismo, es evidente que en el presente estudio la profundidad de corte ha sido baja, pues la mayor fue apenas de 0,8 mm. Por otra parte, si para calificar la velocidad de avance como baja o alta se tomase como criterio el acabado superficial que produce, resultaría que en este estudio esas velocidades fueron una mediana (0,15 mm/rev) y otra alta (0,30 mm/rev), pues según el fabricante (Sandvik Coromant, 1994), para lograr acabados extremos (finos) se deben emplear velocidades de avance entre 0,05 y 0,15 mm/rev.

Referente a la influencia cualitativa de la profundidad de corte, el resultado aquí obtenido, en el sentido de que la rugosidad decrece si la profundidad de corte es baja, también halla respaldo en el mismo resultado de Thomas et al. (1997) antes citado. Similar información puede ser encontrada también en trabajo de Taraman, (1974) y de Hasegawa et al. (1976).

Al parecer, la influencia de la profundidad de corte sobre la rugosidad, en general, depende bastante acentuadamente de las condiciones establecidas para otras variables, pues existen incluso informes (Albrecht, 1956; Olsen, 1968) que indican que dentro de los comunes intervalos de las variables del torneado, la profundidad de corte no influye en la rugosidad. A esta conclusión llega también Feng (2001) trabajando con velocidades de avance de 0,051 y 0,127 mm/rev, velocidades de giro de 1000 y 1500 rpm y profundidades de corte de 0,51 y 1,02 mm.

CONCLUSIONES

El criterio de que en el ensayo de torsión, el comportamiento mecánico de la naturaleza de un material metálico dúctil es mejor revelado si mayor es el ángulo máximo de giro, es complementado por el presente estudio al éste permitir las siguientes conclusiones: 1) el ángulo máximo de giro aumenta si menor es la rugosidad superficial de las probetas; 2) lo anterior es acompañado con el hecho de que las variables del torneado que tienen efecto significativo en la disminución de la rugosidad, son las mismas -y en los mismos niveles- que tienen ese efecto en el aumento del ángulo máximo de giro y, en consecuencia, bajo el criterio mencionado son ellas las variables significativas del torneado de probetas para ensayo de torsión; 3) en las condiciones de experimentación establecidas en este estudio, las variables significativas resultaron ser la velocidad de giro y la profundidad de corte interactuando en sus niveles bajos; 4) la consideración de diversas informaciones contenidas en la literatura especializada conduce a admitir que, según las condiciones de experimentación que sean establecidas, las variables significativas del torneado para el logro de menor rugosidad pueden ser diferentes a las conseguidas en este trabajo; no obstante, éste hace posible estimar que, sean cuales fuesen esas variables, causarán aumento del ángulo máximo de giro al producir menor rugosidad.   

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