Análisis numérico y experimental del desgaste de herramienta e integridad superficial en los procesos de torneado de Inconel 718

En el sector de fabricación mecánica, un elevado volumen de trabajo está asociado a los procesos de arranque de viruta. El mecanizado es un proceso termomecánico complejo en el que influyen muchos factores, principalmente el material de la pieza, el material y geometría de la herramienta, los parámetros de mecanizado y el uso o no de fluido de corte. Esta tesis se enmarca en los procesos de mecanizado de aleaciones termorresistentes. La tesis está centrada en un solo material, en este caso la superaleación base níquel representativa de este tipo de materiales (Inconel 718); y en un solo proceso de mecanizado (torneado). Las superaleaciones base níquel se utilizan de forma muy extendida en la industria aeroespacial, en concreto en componentes de aeromotores debido a su elevada resistencia a alta temperatura y su alta resistencia a la corrosión. Estos materiales presentan importantes dificultades para su mecanizado siendo considerados entre los metales de más baja maquinabilidad. Dentro de esta familia de aleaciones, una de las más utilizadas es el Inconel 718. En esta tesis se analiza la evolución de los diferentes tipos de desgaste en operaciones de torneado de acabado con herramientas comerciales considerando distintos metales duros recubiertos y distintas geometrías de filo. Se realizaron ensayos en seco y utilizando taladrina con diferentes valores de los parámetros de corte. También se analiza la evolución de la rugosidad superficial con el estado de desgaste de la herramienta y las componentes de la fuerza de mecanizado y tensiones residuales en la superficie mecanizada. Con el objetivo de analizar variables termomecánicas de difícil determinación experimental se desarrolló un modelo numérico tridimensional basado en el Método de los Elementos Finitos, que fue validado experimentalmente. A continuación se indican las principales conclusiones obtenidas en base a los resultados de los ensayos realizados y a los resultados numéricos: - El mecanizado sin taladrina produce una significativa reducción de la vida de herramienta e incrementa ligeramente la rugosidad superficial. - Los tipos de desgaste dominantes en el mecanizado de Inconel 718 con herramientas con ángulo de posición del filo principal 0º son el desgaste de entalla y el astillado del filo. Su evolución es muy rápida debido en gran medida al alto grado de endurecimiento por deformación plástica y a la gran resistencia a alta temperatura del material mecanizado. - Al incrementar el ángulo de posición del filo principal a 45º el tipo de desgaste dominante es el desgaste de flanco y la vida de herramienta se incrementa de forma muy significativa. - Para la herramienta que presentó mayor duración (afilado F1 y ángulo 45º), el desgaste de la herramienta se relaciona con importantes incrementos de las tensiones residuales superficiales correspondientes a la dirección del movimiento de corte. Este incremento de tensiones con el desgaste es mayor en los ensayos en seco. En los mecanizados de componentes de elevada responsabilidad con estas herramientas debería controlarse la integridad superficial resultante. - El modelo numérico demostró la influencia del ángulo de posición en la durabilidad de la herramienta. Para el caso del ángulo de posición 0º se producían las condiciones de mecanizado más agresivas, con aumentos de temperatura y endurecimientos por deformación especialmente en las zonas correspondientes a la localización de las entallas en la herramienta. También se han estudiado las tendencias en un rango de velocidades de entre 50 – 400m/min, observándose una relación directa entre la velocidad y los incrementos de temperaturas y endurecimientos por deformación del material (que en la práctica llevan a un decremento de la vida de la herramienta). Los trabajos desarrollados en el marco de esta Tesis han permitido obtener resultados novedosos, especialmente en relación con el análisis experimental y numérico combinado para la determinación de la influencia de distintas condiciones en la evolución del desgaste de herramienta. Estos resultados se han plasmado en 2 artículos enviados a revistas incluidas en el JCR, 1 de ellos publicado y el otro en proceso de revisión [53], [69]. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------In the mechanical engineering industry, a high workload is associated with chip removal processes. Machining is a complex thermomechanical process affected by many factors, mainly the workpiece material, the material and geometry of the tool, machining parameters and the use or not of cutting fluid. This thesis deals with the processes of machining thermoresistant alloys. In this case, the thesis is focused on a single material. In this case and in a single machining process (turning).The nickel base superalloy (Inconel 718) will be used as the sole experimental material, since it is the most representative of his family. Nickel based superalloys are widely used in aerospace applications due to their excellent mechanical properties maintained at high temperature and their corrosion resistance. These materials are hard to be machined being considered among the lowest machinability materials. Within this superalloy family, the Inconel 718 is the most demanded. This thesis analyzes the evolution of different types of wear in finishing turning operations with commercial tools considering different coated hard metals and different edge geometries. Assays were performed in dry and using coolant with different values of the cutting parameters. The evolution of the surface roughness with the wear of the tool and the components of the machining force and residual stresses in the machined surface are also discussed. A tridimensional numerical model based on the Finite Element Method will be developed, aiming at analyzing thermomechanical variables of difficult experimental determination. This model will be experimentally validated. Here present the main conclusions based on the results of the assays performed and some important numerical results supporting them. - Machining without coolant produces a significant decrease in tool life and a slightly increase on surface roughness. - The prevailing types of wear in the machining of Inconel 718 with tools with cutting edge angle of 0° are the notch wear and edge chipping. Its development is very fast due to the high level of strain hardening and the high-temperature strength of the material machined. - By increasing the cutting edge angle to 45º the dominant type of wear became flank wear and tool life is significantly increased. - For the tool with the highest life (sharped F1 and cutting angle 45º), the worn of the tool is related to an important increase of the surface residual stress along the cutting direction. This increase of residual stress is higher in dry machining. Thus, surface integrity should be checked when using this tool in the machining of a critical component. - Numerical modeling demonstrated the influence of side cutting angle on tool performance. Enhanced temperature and work hardening lead to aggressive conditions for the case of cutting angle 0º, especially at the zone experiencing notch wear. Also, trends with cutting speed are studied in the range 50- 400m/min. Increasing temperature and work hardening, lead to decreased wear performance as the cutting speed increases. The assays carried out in the context of this thesis have provided new findings, especially in relation to the combined experimental and numerical analysis to determine the influence of different conditions on the evolution of tool wear. These results have been gathered in two articles submitted to journals included in the JCR, one of them published and one under review [53], [69].El trabajo realizado en esta tesis se inscribe entre las actividades de investigación desarrolladas en el marco del proyecto CICYT (DPI2008-06746)