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

Resumen

La principal contribución de la presente tesis es el desarrollo de un modelo de elementos finitos enfocado a la predicción de maquinabilidad y evolucion del desgaste, considerando el efecto de la microestructura de los aceros formados por ferrita y perlita laminar. Adicionalmente, los resultados experimentales obtenidos contribuyen a la comprensión de la maquinabilidad de dichos aceros. Con el objetivo de desarrollo y validación del mdoelo numérico en un amplio rango de microestructuras ferrita- pearlita, cuatro aceros con diferente contenido en carbono fueron seleccionados: 16MnCr5, 27MnCr5, C45 y C60. Basado en la formulacion Arbitraria Euleriana Lagrangiana, se ha desarrollado un modelo de elementos finitos en conjunto con una estrategia de simulacion 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 pieza-herramienta, y el modelo de desgaste han sido definidos en función de la composición del material y propiedades microestructurales. En base a ensayos experimentales de rheología, se ha propuesto un novedoso modelo constitutivo de material para representar el comportamiento de los aceros ferrita-pearlita (modelo MSB). La principal contribución es la modelización del endurecimiento por deformación del material en base a la composición, la fraccion de perlita, el espaciado interlaminar de la perlita y el tamaño de grano medio de la ferrita. La fricción ha sido definida en función del porcentaje de ferrita del material y la velocidad de deslizamiento entre la pieza y herramienta. Por ultimo, 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 activaición es la misma para todo el rango de aceros estudiados. Los resultados tanto empíricos como provenientes de las simulaciones obtienen tendencias idénticas en cuanto a variables científicas e industriales se refiere. La predicción de profundidad de cráter, longitud de desgaste de flanco, fuerza de corte y espesor de viruta 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 y la fuerza de avance, 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 la obtención 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 de la herramienta. 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 ha podido caracterizar el comportamiento del desgaste en la zona de contacto de la herramienta, y con ello establecer un único modelo capaz de representar el desgaste de flanco y de cráter.