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#Novedades de la industria
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Cómo el bruñido de metales puede mejorar significativamente la vida útil del producto
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El proceso de bruñido de baja plasticidad de Lambda Technologies fortalece las piezas metálicas mecanizadas para prolongar la vida útil del producto sin comprometer la geometría de la pieza.
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A primera vista, el taller de maquinaria en la parte posterior de Lambda Technologies, una compañía manufacturera con sede en Cincinnati, parece bastante promedio. Cuenta con una serie de centros de mecanizado vertical (VMC) que zumban mientras los trabajadores saltan de estación en estación. Sin embargo, en comparación con la mayoría de las tiendas, es relativamente tranquilo. Esto se debe a que la mayoría de los VMC no están cortando material.
Para ellos, el zumbido de las herramientas de corte que se cortan en metal es reemplazado por el zumbido relativamente suave de la hidráulica. Un ojo perspicaz también podría notar que los controles de esas máquinas no llevan ninguno de los logotipos de los principales fabricantes de CNC. Al igual que las bombas hidráulicas acopladas a las máquinas de cinco ejes modificados, son diseños personalizados que la empresa ha desarrollado a lo largo de los años para el proceso de acabado metálico característico que ofrece a sus clientes: el bruñido de baja plasticidad (LPB).
El LPB es un proceso de bruñido en el que la presión aplicada a la pieza de trabajo mediante una herramienta hidrostática de rodamiento de rodillos del propio diseño de Lambda supera ligeramente el límite de elasticidad del material. El proceso requiere un amplio conocimiento metalúrgico, además de un control preciso del posicionamiento y la presión de la herramienta de bruñido. El mantenimiento de esta experiencia ha permitido a Lambda alargar significativamente la vida útil de las piezas sin alterar significativamente la forma o tolerancia de la pieza. Aunque no es un proceso nuevo, el LPB ha demostrado su eficacia en los últimos años, e incluso ha logrado la aceptación de la Administración Federal de Aviación (FAA) para la reparación y alteración de componentes de aeronaves comunes.
Y todo esto vino de un viaje a Disney World.
Una historia de origen
Según el director de operaciones de Lambda, Michael Prevéy, la idea detrás del sistema de tratamiento de superficies de la compañía nació durante un viaje familiar a Disney World en los años 90. Mirando al otro lado del lago, en el centro de Epcot, su padre, el director general de la empresa y director de ingeniería Paul Prevéy, vio la cúpula geodésica de la nave espacial Tierra clavada sobre el agua. A partir de esa imagen, concibió y desarrolló la idea de su herramienta de bruñido hidrostático.
El mayor, el Sr. Prevéy, cofundó la empresa como Lambda Research Group en 1977 con el profesor B. D. Cullity, experto en el uso industrial de la tecnología de rayos X. Inicialmente se especializó en ensayos de materiales mediante difracción de rayos X y otras tecnologías, centrándose principalmente en la medición de tensiones residuales en metales y cerámicas. A finales de los años 90, el Sr. Prevéy comenzó a desarrollar soluciones de tratamiento de superficies basadas en el conocimiento institucional de la empresa sobre las tensiones de los materiales.
Este diagrama muestra la herramienta hidrostática de pulido de rodillos, que permite un alto grado de control sobre el proceso. Este control permite a la empresa aplicar la presión suficiente para superar el límite de elasticidad a partir del cual el material se deforma plásticamente.
La herramienta de bruñido prevista ese día en Disney es un diseño de bruñidor de rodillos hidrostático. El refrigerante se bombea a través del husillo de la máquina herramienta y se introduce en la herramienta para mantener el rodamiento de rodillos en su lugar utilizando un sistema hidráulico interno y un portapicas personalizado. La compañía dice que la presión constante que mantiene la posición del rodamiento permite que el proceso logre una alta precisión de bruñido. Después de desarrollar el proceso LPB, el Sr. Pevéy formó una segunda división, Surface Enhancement Technologies, para implementarlo. A través de esta división, Lambda contrata con otras empresas para realizar operaciones de LPB sobre piezas, además de vender y arrendar herramientas de bruñido a aquellos clientes que tienen volúmenes de piezas lo suficientemente altos como para hacer que dedicar una máquina herramienta al bruñido sea económico.
Hasta ahora, Disney no ha exigido regalías.
Hasta ahora.
Presión, empujando hacia abajo sobre el acero
La "plasticidad" en el "bruñido de baja plasticidad" se refiere a la deformación del plástico. Tengamos una lección rápida de física: La deformación se refiere a los cambios en la forma de un objeto bajo presión. Los objetos sólidos son capaces de deformarse tanto elástica como plásticamente, volviendo el objeto a su forma original bajo deformación elástica y perdiendo su forma original bajo deformación plástica. Los materiales volverán a tomar forma a menos que la presión aplicada sea lo suficientemente grande como para cruzar el umbral de deformación plástica o límite de elasticidad.
Al igual que otros procesos de bruñido, el LPB refuerza una pieza comprimiendo una capa de metal para que resista la fatiga, evitando que se formen grietas más profundas en la pieza. Gracias a la precisión que proporciona la herramienta hidrostática de pulido de rodillos de la empresa, es capaz de aplicar la presión suficiente para superar ligeramente el límite de elasticidad en una cantidad adecuada.
Al ejercer este grado de control, la herramienta evita romper las celosías cristalinas del material. Esto es importante porque las celosías de cristal roto, que pueden ser causadas por otras operaciones de tratamiento de superficie como el granallado, pueden volver a la normalidad cuando se exponen a altas temperaturas, perdiendo los beneficios del tratamiento de superficie. Además, la herramienta de bruñido está diseñada para trabajar con cualquier máquina controlada por CNC, incluyendo robots, centros de mecanizado, tornos e incluso máquinas herramienta de cinco ejes. Esto permite a la empresa reforzar piezas con geometría compleja y contorneada en sus puntos más débiles
Pruebe su metal por su valor
El desarrollo de un proceso LPB para una aplicación determinada requiere un profundo conocimiento del material. El Dr. N. Jayaraman, licenciado en ingeniería metalúrgica y física, contrata a Lambda como su experto en materiales. "El objetivo del LPB es esculpir las tensiones residuales en la pieza para evitar que se formen grietas", dice. "Para hacer esto efectivamente, uno debe conocer el punto de producción de cualquier material con el que uno trabaja." Debido a que la compañía dedica recursos a entender las propiedades de los materiales de muchas aleaciones, puede pulir una variedad de metales, incluyendo metales difíciles de mecanizar como el titanio y el Inconel.
Según Michael Prevéy, la comprensión del estrés es vital a la hora de abordar una aplicación de bruñido. "La compresión que producimos crea una tensión equilibrante en el resto de la pieza", dice. "Esto significa que el estrés que introducimos se distribuye uniformemente a través del volumen de las áreas no comprimidas." Con la distribución de la tensión, cuanto mayor sea el volumen de la pieza, menor será la concentración de la tensión presente en la capa inferior. Por el contrario, las piezas de menor volumen no propagan tanto la tensión.
Para entender las tensiones de la pieza, Lambda realiza análisis de elementos finitos (FEA). "Hacemos un escaneo completo y un análisis de elementos finitos de la pieza", dice el Sr. Prevéy. "Usando eso, podemos ver la magnitud y la ubicación de las tensiones de la pieza para entender dónde el bruñido hará más bien." Yendo aún más lejos, el Sr. Prevéy dice que la compañía puede esculpir los patrones de tensión en la pieza, asistida por las capacidades multieje del proceso de bruñido. Al mapear las tensiones en tres dimensiones, la compañía dice que puede alargar la vida de muchas piezas por un factor de 1.000.
Soluciones personalizadas para mejorar la vida útil del producto
Mientras que Lambda vende y alquila sus herramientas LPB, normalmente realiza las operaciones de bruñido para sus clientes en sus VMC modificados. Utiliza preajustadores y sondas de contacto durante la configuración para mantener la precisión y la fiabilidad, y tuvo que desarrollar sus propios cambiadores de herramientas personalizados para satisfacer las necesidades del cliente para ciertas piezas complejas, diseñadas en torno a la necesidad de conectar la herramienta al sistema hidráulico. Como el proceso LPB sólo requiere posicionamiento y presión, la compañía no se limita a geometrías simples, y puede realizar aplicaciones tanto en húmedo como en seco dependiendo de la aplicación.
La herramienta consiste en una punta personalizada que contiene el rodamiento de rodillos y un cuerpo que se conecta directamente al portapicas y al sistema hidráulico. Los tubos hidráulicos atraviesan el cuerpo para llevar el fluido hasta la punta, que se puede personalizar enganchándola o extendiéndola para que encaje incluso en geometrías de difícil acceso. El refrigerante mantiene el rodamiento en su lugar independientemente del ángulo de la punta o de la presión necesaria para el bruñido. Durante el proceso de bruñido, los rodamientos ruedan libremente mientras que la presión hidráulica impide que cambie de posición.
Lambda mecaniza muchos de sus componentes de herramientas LPB en una serie de VMC de Haas situados cerca de las máquinas de bruñido modificadas. Muchas de las herramientas que produce se adaptan a aplicaciones específicas, como las que tratan las paletas del compresor de baja presión de la primera etapa (LPC1) para los motores Pegasus que alimentan los jets Harrier AV-8B del Cuerpo de Marines de los Estados Unidos. Para reforzar las hojas de aire LPC1 a lo largo del borde de fuga interior, la compañía desarrolló una herramienta de bruñido que se engancha hacia atrás, con el rodamiento de bolas orientado hacia atrás, hacia el portapicas. Este diseño permite que la herramienta alcance detrás de los bordes acampanados del perfil.
"Cada trabajo que hacemos requiere un trabajo personalizado", dice el Sr. Prevéy. "Analizamos el material, luego probamos sus tensiones. Después de eso, planificamos pasadas de bruñido que lo fortalecen en los puntos precisos, y eso puede significar diseñar una herramienta a medida o una sujeción de trabajo para alcanzar esos puntos" Los resultados, sin embargo, hablan en voz alta, dice el Sr. Prevéy. "La última vez que una pieza que tratamos se rompió durante una prueba de fatiga, una turbina se rompió en un área completamente diferente de la que preocupaba al cliente", dice. "Aparentemente, la parte nunca había durado lo suficiente para que se formaran grietas en ese lugar antes."
Obtención de la certificación FAA con demostraciones prácticas
El proceso LPB cuenta ahora con la certificación AMoC de la FAA. La compañía obtuvo esta certificación en 2013 después de que Delta Air Lines se puso en contacto con ella cuando los costos de mantenimiento de su tren de aterrizaje principal MD-88 comenzaron a acumularse. La tensión vibratoria con el tiempo había causado la formación de grietas en muchos de los cilindros de amortiguadores MD-88. Aunque Delta había modernizado el tren de aterrizaje con sistemas de amortiguación para evitar que se formaran grietas en el futuro, asegurar que las grietas existentes no causaran fallas operativas llevó mucho tiempo y dinero. Además, el reemplazo de los cilindros habría costado más de $80,000 cada uno. Con muchas unidades en el campo, los costos eran prohibitivos.
Lambda trabajó con un Representante de Ingeniería Designado de la FAA para proporcionar y probar el tratamiento de LPB para los cilindros MD-88. Durante las pruebas, Lambda cumplió o superó las metas establecidas por la FAA, y la compañía diseñó un sistema robótico para procesar los cilindros del tren de aterrizaje sin retirarlos de la aeronave. Este desempeño le valió al proceso la certificación AMoC, y Delta contrató a Lambda para tratar los cilindros de amortiguadores. Según Lambda, Delta ahorró más de $10 millones en costos de inspección, sin incluir los costos potenciales de retrasos de vuelos y reemplazo de partes.
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