CAPÍTULO II.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS. 2.1. ANTECEDENTES. En la universidad de Firat se llevaron a cabo estudios para los tipos de aluminio A1050, A6061, A5083, y A7075-T651, utilizando diferentes avances y velocidades de husillo. En sus resultados se muestra la altura del agujero se incrementa a medida que la velocidad del husillo disminuye y se eleva los avances. Así mismo se estudió la rugosidad encontrándose que se obtenía una superficie optima a 2400 rpm para todos los avances (Cebeli, Demir, 2013). En el estudio “Drilling of 7075 aluminum alloys” se realizaron experimentos reduciendo la velocidad de corte e incrementado el avance. Como herramienta de corte se utilizo carburo. En la variable dependiente Rugosidad de la superficie se observó una disminución de la rugosidad si se incrementa el avance y se reduce la velocidad, además esto trae como consecuencia una reducción del desgaste. (Aishah, 2022). Esta demostrado que el taladrado térmico es la técnica más efectiva en relación a costo y es muy productiva, especialmente para unir chapa metálica. Una comparación entre los métodos tradicionales como utilizar remaches o tuercas de fijación se han comparado con el taladrado térmico, para los métodos tradicionales surgen muchos problemas como por ejemplo que las uniones con el tiempo tienen a aflojarse por el pobre agarre y en el caso de soldadura debido a la misma naturaleza de la chapa metálica se produce mucha distorsión. Todas estas desventajas o problemas técnicos no se presentan cuando se usa el taladrado térmico. (R. Kumar. 2019) Además, hay estudios con respecto al Aluminio AA7075 de el efecto de la velocidad de rotación, así como el ángulo de la punta de la herramienta sobre el diámetro del 1 agujero producido, así como la altura de los rebordes producidos cuando el proceso se realiza con el Taladrado Térmico. Las velocidades utilizadas fueron de 3100 rpm. 3400 rpm, y 3700 rpm. Para el respectivo análisis se utilizo Regresión Lineal y Redes Neuronales Artificiales. Los resultados mostraron que la velocidad de rotación, así como el ángulo de la punta de la herramienta afectaban el diámetro del agujero, así como la altura y espesor de los rebordes producidos (Ahmad,2021). Así mismo hay estudios de la influencia de la velocidad de rotación, avance de la herramienta y del ángulo de la punta de la herramienta sobre el taladrado térmico del Aluminio AA6082. Para poder relacionar las variables de entrada con las de salida se utilizó la técnica ANOVA, de tal manera que se determino una fuerte influencia de las variables de entrada sobre la altura del reborde y el espesor del reborde, así como el diámetro final de agujero producido (H. Alajmi, 2022). En el año 2000 se realizaron investigaciones sobre el comportamiento de las aleaciones de Magnesio (AlMgSi) cuando son taladradas térmicamente. Se evaluó la calidad de las juntas y se determino que las mejores formas y las que tenían mayor resistencia fueron aquellas que se obtuvieron a 3400 rpm, estos resultados fueron acompañados de microscopia de barrido para ver el desgaste de la herramienta (L. Sobotova, 2020). El taladrado térmico también se ha utilizado sobre aleaciones Ti-6Al-4V. Al respecto hay estudios que muestran lo difícil que es taladrar estas aleaciones debido a que poseen propiedades metalúrgicas únicas por lo cual se tiene que utilizar nuevos procesos de mecanizado para estos materiales difíciles de mecanizar. Se ha determinado que la velocidad de rotación y el avance influyen notablemente sobre la forma y la altura de reborde, así como también sobre el desgaste de la herramienta. Resultados experimentales muestran que a bajas velocidades de rotación y bajos avances se produce un mejor reborde y una altura optima prolongándose además ala vida de la herramienta. 2 2.2 MARCO TEORICO 2.2.1 Taladrado Térmico La manufactura tiene un desarrollo vertiginoso cada día se producen nuevos materiales para diferentes aplicaciones y a su vez estos necesitan ser procesados, estos materiales con características únicas necesitan de nuevos procesos. En ese sentido el Taladrado térmico es un proceso de Taladrado, pero muy diferente al convencional. En primer lugar, durante el proceso no hay generación de desperdicio o viruta por lo cual lo podemos clasificar como un proceso de conformado, además el proceso se realiza utilizando una herramienta que generalmente es un material muy duro, el cual no tiene labios o filos de corte a diferencia de una broca convencional. La herramienta gira a elevada velocidad y fricciona sobre el material base produciendo calor el cual permite que la herramienta penetre en el material y se produzca el agujero. Al no existir viruta el material se acumula alrededor del agujero formando una rebaba que tiene una cierta altura y un espesor. Esto último es lo que precisamente caracteriza a este proceso y lo hace muy especial y con aplicaciones sobre todo al momento de realizar agujero sobre chapas metálicas. . Fig. 2.1 En la figura se aprecia como la herramienta fricciona sobre el material base y penetra en el material formando el agujero 3 2.2.3. Herramienta para el taladrado térmico Al igual que toda herramienta de corte, la utilizada en el taladrado térmico debe cumplir con ciertos requisitos, como son dureza, dureza en caliente, y resistencia. Las temperaturas desarrolladas en los procesos de taladrado térmico oscilan entre 600 ºC a 750 ºC (Kumar, 2019). La herramienta de corte esta constituida de carburo de tungsteno la cual ha sido sinterizada para darle mayor resistencia y tenacidad ya que si fuera de una sola pieza por su elevada dureza se rompería al contacto con el material metálico. En su proceso de sinterización se utiliza como ligante al cobalto. El tungsteno es el metal con el mas alto punto de fusión (3400 ºC) característica que es heredada en menor proporción por el carburo de tungsteno que en la industria es conocido como “metal duro”. A continuación, se muestra un diagrama con las partes de un broca utilizada para taladrado térmico. Fig 2.2 Partes principales de una broca de carburo para taladrado térmico 4 En la figura anterior podemos apreciar una pequeña punta “parte a” la cual es la primera que fricciona con el material base y tiene un ángulo alfa característico, posteriormente en la “parte b” podemos ver que el ángulo de la sección se reduce debido a que el cuerpo de la broca es más resistente y ya no es necesario ese efecto de cuña de la primera parte, en seguida en la “parte c” tenemos que la sección es circular y la parte se asemeja a un cilindro y ya no es cónica, este diámetro esta relacionado con el diámetro del agujero a obtener, posteriormente apreciamos la “parte d” que sobre todo esta relacionada con el acabado de la entrada del agujero si va a ser plana o con una pequeña protuberancia o asiento, finalmente tenemos la “parte e” cuya función es servir como mando de sujeción para que pueda ser acoplado con la boquilla de sujeción o collect respectivo. Generalmente las brocas térmicas según su terminación del agujero se clasifican en dos tipos. El primer tipo llamado de terminación plana deja la entrada del agujero completamente libre y limpia quedando al ras de la superficie a taladrar, mientras que el segundo tipo llamado de terminación redondeada se encarga de acumular material a la entrada del agujero formando un abultamiento en forma de collarín característico sobre todo para el asiento de algún niple o conector. A continuación se muestra los dos tipos de brocas antes mencionadas. Fig 2.3 Se aprecia los dos tipos de brocas térmicas utilizadas mayormente en la industria. A la derecha tenemos la de terminación plana que deja un agujero plano. A la izquierda tenemos la de terminación en collarín redondeada. 5 2.2.4. Centro de Mecanizado Un centro de mecanizado es una máquina de control numérico (CNC) altamente versátil y automatizada que se utiliza para fabricar piezas de precisión y realizar una variedad de operaciones de mecanizado en una sola máquina. Estas máquinas son esenciales en la industria de la fabricación, especialmente en la producción de piezas y componentes complejos utilizados en la industria aeroespacial, automotriz, médica y muchas otras. Las características clave de un centro de mecanizado incluyen: Control Numérico: Un centro de mecanizado es controlado por un sistema CNC, que permite programar y automatizar las operaciones de mecanizado mediante el uso de código G (un lenguaje de programación específico para máquinas CNC). Esto garantiza una alta precisión y repetibilidad en la producción. Múltiples Ejes de Movimiento: Los centros de mecanizado pueden tener varios ejes de movimiento, incluyendo al menos tres ejes lineales (X, Y y Z) para el movimiento en tres dimensiones. Algunas máquinas más avanzadas tienen ejes adicionales, como ejes rotativos (A, B, C) que permiten el mecanizado en múltiples ángulos y direcciones. Herramientas Giratorias: Estas máquinas tienen una torreta o cambiador de herramientas que contiene una variedad de herramientas de corte, como fresas, brocas, escariadores y otros dispositivos de mecanizado. El cambio de herramientas se realiza automáticamente según el programa CNC. 6 Mesa de Trabajo Giratoria: Algunos centros de mecanizado tienen una mesa de trabajo giratoria que permite el mecanizado en varias caras de una pieza de trabajo sin necesidad de desmontarla. Sistemas de Refrigeración y Lubricación: Los centros de mecanizado están equipados con sistemas de refrigeración y lubricación para mantener las herramientas y la pieza de trabajo a temperaturas adecuadas y reducir el desgaste. Software de Programación: Se utiliza software de programación CAD/CAM para crear el programa CNC que define las operaciones de mecanizado y las trayectorias de las herramientas. Control de Calidad: Muchos centros de mecanizado están equipados con sistemas de medición y control de calidad integrados que permiten verificar la precisión de las piezas mecanizadas durante el proceso. Automatización: Algunos centros de mecanizado pueden estar integrados en líneas de producción automatizadas, lo que les permite cargar y descargar piezas automáticamente. Un centro de mecanizado es una máquina CNC altamente sofisticada y versátil que permite la producción eficiente y precisa de piezas y componentes en una variedad de industrias. Su capacidad para realizar múltiples operaciones de mecanizado en una sola máquina lo convierte en una herramienta esencial para la fabricación de productos complejos y de alta precisión. 7 Fig. 2.4 Centro de Mecanizado de la Escuela de Ingeniería Mecánica-UNT Estas maquinas necesitan una unidad de control para poder procesar todas las ordenes que se le den en su lenguaje estandarizado. En el Mercado existen muchos modelos con los controles Fanuc, Okuma, Mazak, Siemens, etc. El movimiento en el eje X, el eje Y y el eje Z se realiza en forma automática sin intervención de la mano del hombre lo cual elimina los posibles problemas ocasionados por el cansancio o destreza del operario haciendo que las operaciones sean repetibles en el tiempo con la misma precisión. 2.2.5. Ensayo de Metalografía El ensayo metalográfico es un proceso mediante el cual podemos observar y describir la microestructura presente en el material. Es un ensayo muy utilizado sobre todo en aleaciones ferrosas para podemos observar y determinar las estructuras formadas después de los tratamientos térmicos y 8 establecer una relación entre la microestructura formada y las propiedades mecánicas adquiridas por el material. Los objetivos del ensayo metalográfico son los siguientes: Caracterización de la microestructura: El objetivo principal es determinar la composición, distribución y morfología de las fases presentes en el material. Esto incluye la identificación de granos, inclusiones, precipitados, y otras características microestructurales. Evaluación de la calidad del material: El ensayo metalográfico permite evaluar la calidad del material, identificar posibles defectos como porosidades, inclusiones no metálicas, grietas, segregación, y otros defectos que puedan afectar las propiedades mecánicas y la durabilidad del material. Estudio de la transformación de fases: Se utiliza para investigar cómo cambia la microestructura del material con el tiempo y bajo diferentes condiciones de temperatura y presión. Esto es esencial para comprender los procesos de tratamiento térmico y las transformaciones de fase en los materiales. Optimización de procesos de fabricación: Los ensayos metalográficos ayudan a las industrias a mejorar sus procesos de fabricación, como la fundición, la forja, la laminación y la soldadura, al proporcionar información sobre la microestructura resultante y los posibles problemas de procesamiento. Control de calidad: Los ensayos metalográficos son esenciales en el control de calidad de materiales metálicos, ya que permiten verificar si un lote de material cumple con las especificaciones requeridas y garantiza que los productos finales tengan las propiedades deseadas. Investigación científica: metalográfico se utiliza En para la investigación comprender los científica, el fenómenos ensayo a nivel 9 microestructural en materiales metálicos, lo que contribuye al desarrollo de nuevos materiales y tecnologías. Resolución de problemas: Cuando se producen fallos o problemas en componentes metálicos, los ensayos metalográficos pueden ayudar a determinar la causa raíz del problema al examinar la microestructura y los posibles defectos. La realización de un ensayo metalográfico implica varias etapas que deben seguirse con precisión para obtener resultados confiables. A continuación, se describen las principales etapas para llevar a cabo un ensayo metalográfico: Preparación de la muestra: a. Selección de la muestra representativa: Se elige una muestra que sea representativa del material que se desea analizar. Debe ser lo suficientemente grande para ser manipulada y preparada adecuadamente. b. Corte de la muestra: Se corta la muestra en una forma adecuada (generalmente un disco o una pieza rectangular) utilizando herramientas como sierras o cortadoras específicas para metalografía. c. Montaje en resina: La muestra se monta en una resina que la estabiliza y permite su manipulación durante las etapas posteriores. Desbaste: a. Desbaste inicial: La muestra montada en resina se desbasta utilizando una serie de abrasivos de granulometría gruesa para eliminar material y dejar una superficie plana. b. Desbaste fino: Se utiliza abrasivos de granulometría más fina para obtener una superficie cada vez más lisa y libre de imperfecciones. c. Lijado: Se realiza un lijado con abrasivos de granulometría aún más fina para lograr una superficie completamente lisa. Pulido: 10 a. Pulido áspero: Se utiliza una pasta de pulido con partículas abrasivas muy finas para obtener una superficie brillante y libre de rayas. b. Pulido fino: Se continúa el proceso de pulido utilizando pastas de pulido cada vez más finas hasta obtener una superficie muy pulida y brillante. Ataque químico (ataque metalográfico): a. Preparación de la solución de ataque: Se prepara una solución química adecuada que reaccione selectivamente con la microestructura del material a analizar. b. Inmersión en la solución de ataque: La muestra pulida se sumerge en la solución de ataque durante un tiempo controlado para revelar la microestructura. c. Limpieza y lavado: La muestra se lava cuidadosamente para detener la reacción química y eliminar los residuos del ataque. Observación y análisis: a. Examinar la muestra: Se observa la muestra bajo un microscopio metalográfico para analizar la microestructura revelada, identificar las fases, los granos y otras características. b. Tomar fotografías: Se pueden tomar fotografías de la microestructura para documentar los resultados. Interpretación de resultados: a. Se interpretan los hallazgos y se extraen conclusiones sobre la microestructura y las propiedades del material. Informe: a. Se documentan los procedimientos utilizados, los resultados obtenidos y las conclusiones en un informe metalográfico. Es importante seguir cuidadosamente cada etapa del proceso de ensayo metalográfico para garantizar la precisión y confiabilidad de los resultados, 11 ya que estos datos son fundamentales para comprender y caracterizar la microestructura y las propiedades de los materiales metálicos. 2.2.6 El Microscopio Metalúrgico Un microscopio metalúrgico es un instrumento óptico especializado utilizado para observar y analizar la microestructura de materiales metálicos y aleaciones. Está diseñado para estudiar detalles microscópicos de los materiales, como los granos, inclusiones, fases y defectos internos. Los microscopios metalúrgicos son esenciales en la metalurgia y la ciencia de materiales para comprender mejor las propiedades y el comportamiento de los materiales metálicos. Aquí se proporciona una descripción general de los microscopios metalúrgicos: Características de un microscopio metalúrgico: Óptica especializada: Los microscopios metalúrgicos cuentan con óptica diseñada específicamente para observar materiales opacos, como los metales. Suelen tener una iluminación de campo oscuro o episcópica que permite resaltar los detalles de la superficie. Iluminación: Pueden utilizar diversas técnicas de iluminación, como luz transmitida (para observar secciones delgadas), luz reflejada (para observar superficies) o ambas. Aumento: Los microscopios metalúrgicos pueden tener diferentes aumentos, que van desde unos pocos hasta varios cientos de veces, lo que permite una amplia gama de magnificaciones para el análisis. Platina: Tienen una platina en la que se coloca la muestra, que puede ser movida en tres dimensiones para explorar diferentes áreas de la muestra. Oculares y objetivos: Utilizan oculares y objetivos intercambiables para ajustar el nivel de aumento y la calidad de la imagen. Cámara y sistema de captura de imágenes: Algunos microscopios metalúrgicos modernos pueden estar equipados con cámaras digitales para 12 capturar imágenes de la microestructura de los materiales, lo que facilita el análisis y la documentación. Existen varios tipos de microscopios metalúrgicos ópticos que se utilizan en la metalurgia y la ciencia de materiales para estudiar la microestructura de materiales metálicos y aleaciones. A continuación, se describen algunos de los tipos más comunes: Microscopio metalúrgico de campo claro: Este es el tipo más básico de microscopio metalúrgico óptico. Utiliza iluminación de campo claro para iluminar la muestra desde abajo y observar la microestructura de la superficie. Es adecuado para la observación de granos, inclusiones y defectos superficiales en muestras metalúrgicas. Microscopio metalúrgico de campo oscuro: En este tipo de microscopio, se utiliza una iluminación de campo oscuro para resaltar las características de la muestra al hacer que las áreas opacas se destaquen sobre un fondo oscuro. Es especialmente útil para observar inclusiones y partículas pequeñas en materiales metálicos. Microscopio metalúrgico de polarización: Utiliza polarizadores para controlar la dirección de la luz que llega a la muestra y permite observar la anisotropía de la microestructura, como la birefringencia en materiales metálicos. Es útil para el estudio de materiales cristalinos y la identificación de fases. Microscopio metalúrgico invertido: En lugar de observar la muestra desde arriba como en los microscopios tradicionales, los microscopios metalúrgicos invertidos observan la muestra desde abajo. Son adecuados para el examen de muestras que son demasiado grandes o pesadas para ser montadas en una platina convencional. 13 Fig. 2.5 Microscopio Metalúrgico convencional (izquierda) y Microscopio Metalúrgico Invertido (derecha) Microscopio metalúrgico confocal: Este tipo de microscopio utiliza una técnica con focal para obtener imágenes tridimensionales de la microestructura de la muestra. Permite una mayor profundidad de campo y la obtención de imágenes en 3D de la microestructura. Microscopio metalúrgico de contraste de fases: Emplea una técnica de contraste de fases para resaltar las diferencias en la densidad óptica de las distintas fases presentes en la muestra. Esto facilita la identificación y el análisis de las fases y las estructuras. Microscopio metalúrgico de fluorescencia: Este tipo de microscopio utiliza fluoróforos y luz ultravioleta para revelar características específicas de la muestra, como inclusiones y defectos. Es útil en la identificación de materiales y en la detección de ciertas características microestructurales. La elección del tipo de microscopio metalúrgico dependerá de las necesidades específicas de la investigación o el análisis que se esté realizando, así como de la disponibilidad de equipos en el laboratorio. Cada tipo de microscopio tiene sus ventajas y limitaciones, y la elección se basará 14 en la información que se busca obtener sobre la microestructura de los materiales metálicos. 2.2.7 Técnica de Inmersión Microscópica La técnica microscópica de inmersión es una técnica utilizada en microscopía óptica para mejorar la resolución y la calidad de las imágenes obtenidas a través de un microscopio. Consiste en el uso de un medio de inmersión, generalmente un aceite de inmersión, entre el objetivo del microscopio y la muestra que se está observando. A continuación, se explica en qué consiste esta técnica y por qué es útil: Cómo funciona la técnica de inmersión: Objetivo del microscopio: El objetivo del microscopio es la lente que está en contacto directo con la muestra y recoge la luz que proviene de la muestra para formar la imagen. Los objetivos de alta calidad suelen tener una apertura numérica (NA) alta, lo que indica su capacidad para recoger luz y resolver detalles finos en la muestra. Medio de inmersión: En lugar de observar la muestra en seco, se coloca una gota de un medio de inmersión, generalmente un aceite especial, en la parte superior de la muestra. Este aceite tiene una densidad similar a la del vidrio y el vidrio del objetivo, lo que evita la refracción de la luz que normalmente ocurre cuando la luz pasa de un medio a otro con diferentes índices de refracción. La refracción puede distorsionar la imagen y reducir la calidad de la misma. Mejora de la resolución: La eliminación de la refracción de la luz gracias al medio de inmersión permite obtener una imagen más nítida y con una mayor resolución. Esto significa que se pueden observar detalles más pequeños en la muestra, lo que es especialmente útil en aplicaciones de microscopía de alta resolución. 15 Ventajas de la técnica de inmersión: Mejora de la resolución: La principal ventaja de la técnica de inmersión es su capacidad para mejorar la resolución, permitiendo la observación de detalles más pequeños en la muestra. Mayor calidad de imagen: Al eliminar la refracción y aumentar la calidad de la imagen, se obtienen imágenes más claras y precisas, lo que es fundamental en áreas como la biología celular, la metalurgia y otras disciplinas científicas. Mayor apertura numérica: La técnica de inmersión permite que los objetivos con aperturas numéricas más altas se utilicen para obtener imágenes de mayor calidad. Limitaciones y consideraciones: Requiere un medio de inmersión adecuado: Para utilizar esta técnica, es necesario contar con un medio de inmersión, generalmente aceite de inmersión, que sea compatible con el objetivo y la muestra. Requiere una técnica adecuada: La aplicación del medio de inmersión y la observación deben realizarse con cuidado y precisión para evitar la contaminación y daños en la muestra y el objetivo. A continuación, se muestra un diagrama explicativo de la técnica de inmersión para microscopia, básicamente el aceite de inmersión logra enfocar la luz hacia el objetivo. Fig 2.6 Técnica de inmersión en Aceite para microscopia 16 2.2.8 Ensayo de Micro dureza El microensayo de dureza Vickers es una técnica utilizada para medir la dureza de un material, especialmente en microestructuras y pequeñas áreas de muestras metálicas. Este método se basa en la capacidad de un diamante piramidal con una forma específica para penetrar en la superficie de un material y dejar una huella, cuyas dimensiones se utilizan para calcular la dureza. A continuación, describo en qué consiste el microensayo de dureza Vickers, su procedimiento, así como sus ventajas y desventajas: Principio de funcionamiento: El ensayo de dureza Vickers se basa en la relación entre la carga aplicada y el área de la huella dejada por un penetrador con forma de pirámide cuadrangular con un ángulo de vértice de 136 grados. La dureza Vickers (HV) se calcula mediante la siguiente fórmula: HV=2P/d2 Donde: HV es la dureza Vickers. P es la carga aplicada en kilopondios (kp) o Newtons (N). d es la longitud de la diagonal promedio de la huella en micrómetros (μm). Procedimiento del microensayo de dureza Vickers: Preparación de la muestra: La muestra se prepara de manera que su superficie sea plana y pulida. Carga aplicada: Se aplica una carga conocida al penetrador Vickers sobre la superficie de la muestra. La carga puede variar según el material y las especificaciones del ensayo. 17 Penetración: El penetrador Vickers penetra en la muestra durante un período de tiempo específico (generalmente unos 10-15 segundos). Medición de las diagonales: Se mide la longitud de las dos diagonales de la huella dejada por el penetrador. Estas mediciones se realizan con un microscopio y se promedian. Cálculo de la dureza: Se utiliza la fórmula mencionada anteriormente para calcular la dureza Vickers en función de la carga aplicada y las dimensiones de la huella. Ventajas del microensayo de dureza Vickers: Versatilidad: Es adecuado para una amplia gama de materiales, desde metales duros hasta cerámicas y materiales compuestos. Pequeña huella: Es especialmente útil para medir la dureza en áreas pequeñas o microestructuras, lo que lo hace ideal para investigaciones metalográficas y análisis de materiales. Precisión: Proporciona resultados precisos y reproducibles, lo que lo convierte en un método confiable para medir la dureza. Desventajas del microensayo de dureza Vickers: Carga aplicada: La aplicación de la carga puede dañar o deformar muestras frágiles o delgadas. Preparación de la muestra: Requiere que la muestra sea plana y pulida, lo que puede ser un proceso laborioso. 18 Requiere equipo especializado: Se necesita un microscopio y un penetrador Vickers, lo que puede hacer que el equipo sea costoso y menos accesible que otros métodos de ensayo de dureza. 19