Defensa de la tesis de Mikel Saez de Buruaga

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Defensa de la tesis de Mikel Saez de Buruaga

Tesis

Defensa de la tesis de Mikel Saez de Buruaga

Título de la tesis: A novel procedure based on 2D finite element modeling and orthogonal cutting tests to predict machinability and tool wear evolution considering the microstructure effect of lamellar ferrite-pearlite steels. Obtuvo la calificación SOBRESALIENTE CUM LAUDE.

14·03·2018

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Resumen

La principal contribución de la tesis es el desarrollo de un procedimiento basado en elementos finitos enfocado a la predicción de maquinabilidad y evolución del desgaste, considerando el efecto de la microestructura de los aceros formados por ferrita y perlita laminar. Adicionalmente, los resultados experimentales obtenidos contribuyen al estudio de la maquinabilidad de dichos aceros. Con el objetivo de desarrollo y validación del modelo numérico en un amplio rango de microestructuras ferrita-perlita, cuatro aceros con diferente contenido en carbono fueron seleccionados: 16MnCr5, 27MnCr5, C45 y C60.

Basado en la formulación Arbitraria Euleriana Lagrangiana, se ha desarrollado un modelo de elementos finitos en conjunto con una estrategia de simulación del desgaste para la predicción de variables científicas (fuerzas de corte, temperaturas, formación de viruta, etc.) y variables de relevancia industrial (maquinabilidad y desgaste de herramientas). Los parámetros de entrada necesarios que describen la tensión a fluencia del material, la fricción en la intercara piezaherramienta, y el modelo de desgaste han sido definidos en función de la composición del material y propiedades microestructurales. En base a ensayos experimentales de reología, se ha propuesto un novedoso modelo constitutivo de material para representar el comportamiento de los aceros ferrita-perlita (modelo MSB). La principal contribución es la modelización del endurecimiento por deformación del material en base a la composición, el porcentaje de perlita, el espaciado interlaminar de la perlita y el tamaño de grano medio de la ferrita. El modelo de fricción ha sido definido en función del porcentaje de ferrita del material y la velocidad de deslizamiento entre la pieza y herramienta. Por último, se ha propuesto una única ley de degaste capaz de representar tanto el desgaste de flanco como el desgaste de cráter en la herramienta. Dicha ley describe el desgaste como fenómenos mecánicos y de activación térmica desacoplados, en la cual la parte mecánica es modelizada en base al contenido en carbono del acero y la longitud de deslizamiento. La parte correspondiente al fenómeno térmico se modeliza con una ecuación tipo Arrhenius, en la cual se ha identificado como la energía de activación es la misma para todo el rango de aceros estudiados.

Los resultados tanto empíricos como provenientes de las simulaciones obtienen tendencias muy similares en cuanto a variables científicas e industriales se refiere. La predicción de profundidad de cráter (KT), longitud de desgaste de flanco (VB), fuerza de corte (Fc) y espesor de viruta (t2) obtuvieron un error del 5-20% en comparación con los resultados experimentales de corte ortogonal. La mayor limitación reside en la predicción de la longitud de contacto ( lc) y la fuerza de avance (Ff ), las cuales son estimadas un 25-60% inferiores.

Además del procedimiento numérico, se han desarrollado dos novedosas estrategias empíricas en el transcurso de la investigación. La primera consiste en el desarrollo de un setup para la obtención de una relación directa entre la radiación emitida por la superficie de la herramienta y la temperatura real de dicha superficie, sin necesidad de caracterizar la emisividad. El segundo procedimiento se enfoca en obtener de forma sincronizada la evolución de las variables fundamentales y el desgaste en la herramienta en el proceso de corte ortogonal. Mediante las dos estrategias empíricas se han podido caracterizar los mecanismos de desgaste para los diferentes aceros ferrita-perlita, y con ello establecer una única ley capaz de representar el desgaste de flanco y cráter.