Estudio para la mejora del acabado superficial de superficies complejas aplicando un proceso de deformación plástica (Bruñido con Bola)

Mejorar el acabado superficial de una pieza plana o cilíndrica, se puede hacer de manera relativamente sencilla, utilizando para ello un proceso de rectificado. Sin embargo lograr un buen acabado superficial en una superficie de configuración geométrica compleja, es un problema difícil de tratar y es uno de los retos que tiene la industria de la manufactura de piezas a día de hoy.Muchos elementos mecánicos como los moldes y matrices se caracterizan por tener en su geometría varias superficies complejas. De manera general casi cada producto comercial contiene, al menos, un componente crítico hecho en un molde o una matriz. Es por esto que este problema está siendo ampliamente estudiado por los investigadores de la rama de la fabricación de piezas. En esta tesis se estudia como mejorar el acabado superficial de geometrías complejas a través de un proceso de deformación plástica: el bruñido con bola. Este proceso puede sustituir al habitualmente utilizado en este tipo de superficies, específicamente el pulido manual. Como característica fundamental del mismo, se puede decir que es un proceso automatizado que se desarrolla en la propia máquina donde está siendo elaborada la pieza en cuestión. Para llevar a cabo este estudio se definen tres etapas. En la primera se desarrolla, en pasos sucesivos, un modelo físico para el proceso; a través del cual se podrá describir el fenómeno que ocurre durante el bruñido con bola. El objetivo final, es saber que parámetros son necesarios definir y ajustar durante la aplicación de dicho proceso. Se parte de hacer un análisis de fuerzas sobre un elemento diferencial de área y se van incorporando al modelo, las variables que están presentes en el sistema. El resultado final es un modelo en que los valores teóricos de presión se ven afectados por la influencia de los fenómenos que están presente en el sistema analizado, como son la velocidad con la que se deforma el material y el efecto del endurecimiento que va sufriendo el mismo a medida que va desarrollándose el proceso.Una vez obtenido el modelo se realiza la caracterización a través de ensayos del material de las piezas de trabajo para poder introducir sus propiedades en el mismo y a continuación se diseñan y realizan los experimentos necesarios para validar los resultados obtenidos.En una segunda etapa, se adicionan al modelo físico algunas variables no consideradas explícitamente hasta el momento, como el ancho de pasada lateral de la herramienta, la estrategia de mecanizado a seguir en el proceso y la influencia sobre la fuerza de bruñido, de la presión hidráulica del sistema y la profundidad de penetración del cabezal de la herramienta. Además se ajusta el modelo para el bruñido de superficies complejas. Todo esto se lleva a cabo a través del diseño de experimentos. Los resultados obtenidos se llevan a una hoja resumen donde se puede observar lo que se esperan obtener con el proceso bajo determinadas condiciones de trabajo. Como indicadores de la bondad del modelo se miden la rugosidad superficial media Ra y la rugosidad máxima total en la longitud de evaluación Rt.En la tercera y última etapa, se realiza un estudio sobre la dureza superficial y las tensiones residuales en el material de las piezas ensayadas, para determinar los valores añadidos que aporta el proceso. Al finalizar se llegan a conclusiones importantes sobre el proceso de bruñido con bola estudiado y sobre el cumplimiento de los objetivos planteados en la tesis. Por otra parte se recomienda toda una serie de trabajos pendientes a los cuales se les podría dar solución en un futuro inmediato.RÉSUMÉL'amélioration de la qualité de surface d'une pièce plane ou cylindrique, peut se faire d'une manière relativement simple, utilisant pour cela un processus de rectification. Cependant obtenir un bon état superficiel sur une surface de géométrie complexe (comme les surfaces gauches), est un problème difficile à traiter et correspond à l'un des objectifs que l'industrie mécanique recherche aujourd'hui.Beaucoup d'éléments mécaniques comme les moules et les matrices comportent dans leur géométrie plusieurs surfaces gauches. De manière générale et quelque soit le domaine concerné (automobile, aéronautique, ferroviaire, etc..) quasiment chaque produit commercial contient, au moins, un composant réalisé à partir d'un moule ou d'une matrice. C'est la raison pour laquelle ce problème est amplement étudié par les chercheurs du domaine de la fabrication mécanique.Dans cette thèse on propose une technique d'amélioration de l'état de surface de géométries complexes à travers d'un processus de déformation plastique: le rodage par déformation plastique à l'aide d'une bille. Ce processus peut remplacer le polissage manuel, long et couteux, habituellement utilisé pour ce type de surfaces. Le rodage par bille a comme avantage principal d'être un procédé automatisé qui peut s'effectuer dans la même machine où la pièce a été élaborée (centre d'usinage à Commande Numérique CN).Pour mener à bien cette étude, on définit trois étapes. Dans la première, on développe, par phases successives, un modèle physique pour le processus; à travers duquel on pourra décrire le phénomène qui se développe durant la déformation plastique. L'objectif final, est de savoir quels sont les paramètres prépondérants et de déterminer leur réglage durant l'opération de finition. L'étude commence avec une analyse des efforts sur un élément différentiel d'une aire élémentaire de contact et on continue en incorporant dans le modèle, les variables présentes dans le système. Le résultat final est un modèle qui montre que les valeurs théoriques de pression sont affectées par des phénomènes présents dans le système analysé, comme : la vitesse de déformation du matériau et l'effet de durcissement superficiel et progressif pendant le processus de rodage.Une fois le modèle obtenu, on effectue la validation à travers d'essais sur différents matériaux et pièces. Pour tenir compte des propriétés de ces matériaux, on a conçu et on a réalisé, les expériences nécessaires pour valider le modèle.Dans une seconde étape, on rajoute au modèle physique, plusieurs variables non considérés explicitement sur le modèle initial, tels que le pas de balayage, la stratégie d'usinage à suivre durant le processus et l'influence sur l'effort de rodage de la pression hydraulique du système et de la profondeur de pénétration de l'outil. Tout ceci se réalise par la mise en place d'un plan d'expériences. Les résultats obtenus sont présentés sur une feuille résumée où l'on peut observer les performances du système, sous certaines conditions de travail. Comme indicateurs de la qualité du modèle on mesure la rugosité moyenne de la surface Ra et la rugosité maximale totale Rt. Dans la troisième et dernière étape, on réalise une étude sur la dureté superficielle et sur les contraintes résiduelles du matériau à partir des différents échantillons pour mesurer les améliorations qu'apporte le procédé de parachèvement étudié.La thèse se termine en proposant un certain nombre de conclusions et perspectives sur le processus de « rodage par bille » étudié et en faisant un bilan par rapport aux objectifs initiaux de la thèse. En guise de perspective, on recommande un certain nombre de pistes d'amélioration qui seront développées dans un avenir proche.It is quite easy to improve the surface finish of a flat surface or a cylindrical one by using a grinding process. But achieving a good finish on a surface of complex geometry is a difficult task. And this is one of the challenges the manufacturing industry faces today. The geometry of many mechanical parts such as moulds and dies is characterised by several complex surfaces. In general almost each trade product has at least one critical component made in a mould or die. That is why this issue has been widely studied by researchers in the manufacturing industry. This thesis aims to research on how to improve the surface finish of complex geometry through a process of plastic deformation; the ball burnishing. This process can replace the one commonly used for this kind of surface, specially the manual polishing. The main feature is an automated process that takes place in the machine itself where the part is actually being produced. To carry out this research three stages need to be defined. At the first one, a physical model is gradually developed for the process. This model allows to describe the phenomenon happening before the ball burnishing. It purpose is to define and to set the parameters required for implementing the process. First an analysis of forces is made on an area differential element and the system variables are then added to the model. The final outcome is a model with theoretical pressure values which are determined by the phenomena happening in the analysed system; such as the speed at which the material is deformed and the hardening effect while the process develops. Once the model has been made, the workpiece characterisation is tested to introduce the properties into the model and after that the required tests are made to validate the results. At a second stage following variables not openly considered up to the previous stage are added to the physical model: the side cut width of the tool, the machining strategy to be applied to the process, the influence on the burnishing strength by the hydraulic pressure system, as well as the penetration depth of the tool head. The model for burnishing of complex surfaces is also fitted. And all this is done by means of the Design of Experiments techniques (DOE). The outcome is offered on a summary sheet that shows what the process can deliver under certain conditions. As goodness indicators for the model the average surface roughness Ra and the total maximum roughness are measured in the evaluation length Rt.At the third and final stage the surface hardness and the residual stress of the tested workpiece material are verified in order to determine the added values that the process is capable of providing. Finally interesting conclusions are drawn about the ball burnishing process and about how to reach the goals outlined in this thesis. Furthermore a range of pending research studies still need to be done to find solutions in the near future.Postprint (published version