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El análisis económico de las operaciones con abrasivos puede basarse en la relación : Vida del abrasivo / Tasa de remoción
conseguida. Desgraciadamente este criterio de búsqueda de mejora en la
rentabilidad de operación no siempre es entendida ni atendida por el
usuario que, en muchos casos, sólo aplica el de “compra de menor precio
” , cosa bastante distinta. Pese a que debido a la complejidad del
proceso de corte con abrasivos rígidos, es muy difícil considerar y
resumir a la vez todos los factores que influyen en una operación de
amolado , es posible hacer una aproximación a los aspectos económicos
de la operación usando el ratio arriba mencionado, que en definitiva,
no es más que una forma de Lote Económico, definido, ya hace muchos
años por la fórmula de Taylor.
El enfoque del presente artículo, está orientado hacia las operaciones
de desbaste y corte, con discos Tipo 27, 41 y 42, principalmente,
aunque los comentarios pueden ser extrapolados a diversos tipos de
operación con abrasivos. Por ello daremos una breve descripción técnica
de las variables que intervienen en este tipo de mecanizado.
Características de la operación
Desde un punto de vista operativo, el objeto principal de las
operaciones de Desbaste / Corte se podrían definir con estas dos
expresiones :
- Remover la mayor cantidad de material posible en el mínimo tiempo y
- Acabado superficial sin exigencias.
y los cuatro factores que afectan al rendimiento dependen del comportamiento de las muelas y discos, frente a:
- Calor
- Reavivado
- Presión
- Impacto
Calor
El calor generado, es eliminado en gran parte por las virutas y en
cantidades mucho menores, absorbido por la pieza y los propios granos
abrasivos.
Las formas de las virutas arrancadas tienen, en general, formas
definidas entre las que podemos encontrar facilmente la viruta de
perfil fino y alargado con una pequeña esfera en un extremo, que
atestigua la alta temperatura generada durante el arranque de aquella. La generación excesiva de calor hará que la muela se desgaste con mayor
rapidez de la deseada o, dicho de otra forma, el aumento de temperatura
degradará, a mayor velocidad, la capacidad del aglomerante para
mantener unidos a los granos abrasivos.
Conociendo y controlando las condiciones de trabajo, es posible dentro de ciertos límites, evitar este inconveniente .
Se producirá calor en exceso cuando se presente alguna de las situaciones o casos siguientes:
- La muela sea muy dura.
- Presión de trabajo débil.
- Una muela de espesor mucho mayor que el tamaño de la rebarba
- Velocidad excesivamente baja.
- Tiempo de contacto excesivo.
- Potencia de motor muy baja.
Reavivado
La distintos tipos de pieza determinan una gran variedad de áreas de
contacto, y los tipos de rebarbas determinan, en parte, las
características de autoafilado durante el proceso: las rebarbas
puntiagudas y finas mantendrán la superficie de la muela abierta; si la
rebarba es más plana o compacta no actuará como “reavivador” con lo que
la muela se comportará como “dura” ( bajo poder de corte ) y será
necesario reavivar con mayor frecuencia .... .o utilizar muelas más
blandas.
En desbaste con portátil, se “reaviva” dando algunos golpes con la
máquina en marcha, sobre la pieza... esta práctica muy corriente no es
aconsejable en absoluto. Puede modificarse el ángulo de incidencia, lo
que ayudará al desgaste uniforme de las telas de refuerzo, pero no debe
golpearse el disco!
Para una operación de la que se posea suficiente información, será más
fácil especificar unas características del disco o muela y,
consecuentemente, el número de reavivados será bajo pudiendo, incluso,
llegar a suprimirlos.
Presión
La presión ejercida sobre la muela por la pieza, aparece como el elemento más facilmente asociable al desgaste de la muela.
Es importante analizar y definir niveles de variaciones de presión debido a:
- Selección del tipo de abrasivo (Presiones altas requieren abrasivos muy resistentes, más que duros, tenaces).
- Tamaño del grano abrasivo (Presiones altas precisan granulometrías bastas).
- Dureza del disco o muela.
La Potencia requerida para la operación es función de:
Presión y Velocidad Periférica, relación que expresamos por:
en la que W es potencia , P es presión y Vp es velocidad periférica.
Nótese que si aumentamos la P manteniendo constante Vp, será necesaria una mayor potencia W.
Impacto
Los impactos pueden ser causados por el equipamiento ( máquina y sus
accesorios ) por las propias piezas y por la forma de trabajo del
operario. Máquinas viejas o de poco peso, o con una incorrecta fijación
pueden presentar diversos niveles de vibración. Cuanto mayor fuese la
amplitud y frecuencia de la vibración más rápido será el desgaste de la
muela. En estos casos, es frecuente que el operario, utilizando una
técnica incorrecta ( ya comentada antes ) intente obtener un mejor
arranque de material, por un "reavivado" de la muela mediante el
impacto de la pieza contra la misma.
Es necesario recordar nuevamente que una muela especificada
correctamente y usada correctamente, debe presentar un comportamiento
uniforme y regular en el corte, sin necesidad de excesivos reavivados.
Otra cosa muy distinta, es utilizar distintas zonas de la periferia de
la muela, para conseguir un desgaste uniforme, evitando los surcos o
perfiles biselados.
Sobre el desgaste del Disco o muela
Se acostumbra a asimilar el proceso de mecanizado con muela, al que se
produce en una operación de fresado o de torneado con una herramienta
metálica. Sin embargo, esto es cierto únicamente hasta cierto punto.
Hay una diferencia primera y es que el tamaño de las partículas
arrancadas es mucho más pequeño que el conseguido con los otros
procesos mencionados y las diferencias entre procesos se hacen mucho
mayores cuando se consideran las velocidades que afectan a las
distintas formas de mecanizado.
En operaciones de desbaste los elementos cortantes es decir, los granos
abrasivos, se desplazan a unas velocidades que normalmente son de 10 a
20 veces superiores a las velocidades usadas con las herramientas de
punta única o herramientas metálicas utilizadas en los procesos
mencionados. A estas velocidades, las temperaturas generadas alcanzan
las de fusión del metal que se está mecanizando.
A estas altas temperaturas, se producen reacciones químicas por
interacción entre el abrasivo / material de la pieza / atmósfera o
medio circundante, de una forma muy rápida, lo que provoca un
embotamiento del grano abrasivo. Dicho de otra forma, hace que el grano
abrasivo pierda su poder de corte, como consecuencia de este fenómeno.
Esta es la explicación del por qué algunos tipos de abrasivo no son
capaces, a pesar de su dureza, de realizar el trabajo correctamente.
Hay casos conocidos, como por ejemplo el Oxido de Aluminio para el
trabajo sobre vidrio o el Carburo de Silicio con el acero. En el primer
caso, el Oxido de Aluminio sufre un ataque químico, por el vidrio,
desgastándose rapidamente. En el segundo caso el Silicio y el Carbono
del abrasivo reaccionan con el hierro para formar Carburos y Siliciuros
( muy duros ) que degradan el poder del corte del Carburo de Silicio.
Otro proceso destructivo está relacionado con la fractura del grano
abrasivo en sí mismo y del material aglomerante. Esto se produce por
los efectos mecánicos de golpeo de los fragmentos de abrasivo presentes
en el área de contacto entre la muela y la pieza. En grandes áreas de
contacto ( tronzado de grandes perfiles ) este efecto es muy activo.
Por lo tanto, debemos considerar que durante el amolado, la operación
queda sujeta a dos tipos generales de desgaste, uno de los cuáles es
mecánico y el otro es químico en su naturaleza y están los dos
relacionados , de forma tal , que el primero es necesario, porque el
segundo existe.
Al segundo se le denomina usualmente, desgaste de dilución.
Estos dos procesos de desgaste tienen lugar simultáneamente en
cualquier tipo de proceso de amolado: desbaste, corte o rectificado.
El proceso de desgaste mecánico, es un mecanismo de rotura, por el que
la muela se “autoreaviva” constantemente , para mantener su poder de
corte, mientras que el desgaste por dilución, tiende a “embotar “ y ,
por lo tanto, disminuir la tasa de arranque.
El proceso de dilución afecta exclusivamente al grano abrasivo mientras que el de fractura, afecta a la estructura de la muela.
La situación ideal es aquella en la que se consigue un balance entre
ambos, de forma que el desgaste mecánico, compense al químico.
Sin embargo, esto no es siempre posible. En muchas ocasiones durante el
desbaste con máquina portátil ( y mucho más en máquinas de Pedestal )
la fuerza manual ejercida, es demasiado débil, para producir suficiente
cantidad de fracturas y superar el desgaste por dilución . Entonces la
muela se embota y debe ser constantemente reavivada, para restaurar su
poder cortante.
La tasa de desgaste de dilución viene determinada por la naturaleza
química del abrasivo y la del metal que está siendo amolado y tiene un
valor definido para cada par metal-abrasivo.
Las consideraciones económicas de la operación
Para nuestra explicación vamos a denominar "a" al desgaste por
dilución. Cuando "a" es 0, no hay desgaste por dilución . Esto quiere
decir que bajo unas condiciones de velocidad constante de la muela Vp y
una fuerza constante entre la muela y la pieza , que denominaremos P
todas las muelas, independiente de la dureza, arrancaran material, a
una tasa que llamaremos "m", que será igual para todas. Sin embargo "a"
no es nunca 0 y el desgaste por dilución siempre aparece en un nivel
suficientemente significativo. Dado que las muelas duras se desgastan
por fractura a una tasa menor que las muelas blandas, cada grano
abrasivo en una muela dura se mantendrá más tiempo en la superficie de
la muela y por lo tanto quedará sujeto a un desgaste por dilución,
también, durante más tiempo.
El “ grano medio” , en la superficie de una muela dura se comportará,
por lo tanto, de una forma más "embotada" que un grano en la misma
situación pero en una muela blanda. Consecuentemente bajo condiciones
en las cuales P y Vp son constantes, la muela dura arrancará material a
menor tasa horaria que una muela blanda, que se desgasta más
rápidamente.
Esta idea se puede ver mejor con la ayuda de los gráficos Fig.2 y Fig.3
, que acompañamos. En la Fig.2, en la que la tasa de arranque m está
contrastada con el desgaste de la muela w podemos observar que en una
muela que fuese fabricada sin posibilidades de desgaste por fractura,
la tasa de arranque sería 0 y, en este caso, la cara de trabajo de la
muela quedaría pulida casi como un espejo por el desgaste de dilución.
Por el contrario, si el desgaste de fractura es tan grande que el
desgaste por dilución es despreciable se observa, que mayores
incrementos en el desgaste por fractura van a contribuir muy poco a la
mejora de la tasa de arranque , y la curva se estabilizará, tal como
indica la Fig.2.
Fig.2 Evolución del desgaste por fractura
Esto se puede representar mediante la ecuación :
m = k PV w / ( a + w ) [1]
siendo,
k: constante dependiente del material;
m: tasa de arranque en dm3 / h
P: fuerza en kg y
V: velocidad periférica en m / s ;
a y w: desgastes por dilución y por fractura
El Coste/hora de amolado
será la suma de los costes : disco o muela, Mano de Obra y gastos
generales, G en E / hora, que dividido por, m, material arrancado dm3/
hora nos dará el coste de arranque Z , siendo A el coste de abrasivo en
E / dm3.
Z = ( A w + G ) / m [2]
Ahora, si el valor de m de la ecuación [1] es sustituido en la [2] resulta :
Z = ( A w + G ) ( a + w ) / kPVw = 1 / KPV ( aA + Aw + (aG / w) + G ) [3]
y si esta fórmula de coste la representamos en un gráfico, como función
de w bajo las condiciones de P y V constantes, el resultado es una
curva como la mostrada en la Fig.3, en la que se muestra que existe un
nivel de desgaste de muela/disco, para el que el coste es mínimo.
Fig.3 Coste mínimo
Este coste mínimo, demuestra la necesidad del ajuste de la dureza del cuerpo abrasivo.
Al propio tiempo, de la ecuación [3] se puede concluir que esta tasa de desgaste debe ser
( a : desgaste por dilución )
de forma a obtener el
mínimo coste, independientemente de la Velocidad de trabajo o de fuera
usada en la operación. Discos / muelas más duras, desgastándose más
len-tamente que ese valor, producen menor remoción de material y elevan
el Coste G, mientras que si aquellos son más blandos, el Coste que se
eleva es el del propio disco / muela.
Dado que los valores de los Costes ( G y A ) son conocidos para la
operación, sólo queda conocer a para el cálculo del Mínimo Coste.
Esto se puede representar mediante la ecuación :
m = k PV w / ( a + w ) [1]
siendo,
k: constante dependiente del material;
m: tasa de arranque en dm3 / h
P: fuerza en kg y
V: velocidad periférica en m / s ;
a y w: desgastes por dilución y por fractura
El Coste/hora de amolado
será la suma de los costes : disco o muela, Mano de Obra y gastos
generales, G en E / hora, que dividido por, m, material arrancado dm3/
hora nos dará el coste de arranque Z , siendo A el coste de abrasivo en
E / dm3.
Z = ( A w + G ) / m [2]
Ahora, si el valor de m de la ecuación [1] es sustituido en la [2] resulta :
Z = ( A w + G ) ( a + w ) / kPVw = 1 / KPV ( aA + Aw + (aG / w) + G ) [3]
y si esta fórmula de coste la representamos en un gráfico, como función
de w bajo las condiciones de P y V constantes, el resultado es una
curva como la mostrada en la Fig.3, en la que se muestra que existe un
nivel de desgaste de muela/disco, para el que el coste es mínimo.
Fig.3 Coste mínimo
Este coste mínimo, demuestra la necesidad del ajuste de la dureza del cuerpo abrasivo.
Al propio tiempo, de la ecuación [3] se puede concluir que esta tasa de desgaste debe ser
( a : desgaste por dilución )
de forma a obtener el
mínimo coste, independientemente de la Velocidad de trabajo o de fuera
usada en la operación. Discos / muelas más duras, desgastándose más
len-tamente que ese valor, producen menor remoción de material y elevan
el Coste G, mientras que si aquellos son más blandos, el Coste que se
eleva es el del propio disco / muela.
Dado que los valores de los Costes ( G y A ) son conocidos para la
operación, sólo queda conocer a para el cálculo del Mínimo Coste.
Calcular el Area cortada de material (AM)
Dividir AM por (AI–AF ) y tendremos el Area cortada por unidad de superficie del disco.
Para el cálculo del coste, dividir el coste del disco por el número de cortes realizados.
En la Tabla I sugerimos unas casillas que puede servir para efectuar estudios comparativos:
Operación de Desbaste
La eficiencia de corte corresponde a la tasa de remoción por unidad de tiempo, es decir, a la velocidad de corte.
El ratio G (Grinding ratio)
corresponde al rendimiento total de remoción del disco, es decir, peso
de material removido dividido por peso de disco usado, aunque debe
señalarse que, técnicamente, el ratio debería ser entre los volúmenes y
no entre pesos para poder efectuar comparaciones más fiables entre
distintos tipos de discos, pero desde un punto de vista práctico, es
más fácil y suficientemente fiable, emplear los pesos.
Para el cálculo del ratio G,
en peso, se procede a pesar un disco nuevo y la pieza de de material
trabajar. Se desbasta durante un período de tiempo determinado .
A continuación se vuelven a pesar disco y pieza, calculando las
pérdidas de peso de ambos. Se divide el peso de material perdido o
arrancado de la pieza por el propio del disco. El valor hallado
corresponde al ratio G. A mayor valor de G mejor rendimiento del Disco.
Para medir la eficiencia se divide el peso perdido o arrancado de la
pieza por el tiempo de trabajo ( puede ser un período entre 10 y 30
minutos ).
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