Inspección del acabado superficial para procesos de rectificado y fresado mediante un esparcimiento de luz láser

Abstract

RESUMEN: Los procesos de manufactura por maquinado tradicional involucran en su mayoría desprendimiento del material sobrante por medio de una herramienta de corte, siendo los procesos más comunes: torneado, fresado y rectificado. Cualquier maquinado deja una huella o topografía sobre la superficie que modifica y define el acabado superficial o rugosidad de esta. La topografía se mide normalmente por el método por contacto mediante un rugosímetro, el cual utiliza una punta de diamante que hace contacto sobre la superficie. Algunos de los parámetros que afectan el tipo de huella o rugosidad son el tipo de material a maquinar, su geometría, material de la herramienta de corte, velocidad de avance de la herramienta de corte, velocidad de giro de la pieza, profundidad de corte para dar el acabado de la pieza, refrigerante utilizado y parámetros relacionados con la teoría de corte de los materiales. Esta tesis trata sobre la evaluación de la rugosidad en superficies de maquinado utilizando la medición de la intensidad de la luz láser esparcida mediante un arreglo de detectores, relacionándola con la medición de diferentes parámetros de rugosidad Ra obtenidos mediante un rugosímetro convencional. La experimentación fue realizada sobre un patrón que contiene especímenes con diferente rugosidad y agrupadas en función de diferentes tipos de proceso de maquinado, y con muestras elaboradas con placa de acero inoxidable 304, en un taller típico y elaboradas bajo condiciones estándar. Se evaluó la factibilidad de utilizar la luz láser esparcida para la caracterización del acabado superficial durante procesos de maquinado. Se realizó un análisis de correlación estadística entre los parámetros habituales asociados con la rugosidad mediante un rugosímetro y parámetros estadísticos asociados al patrón de esparcimiento de luz láser, con la finalidad de proponer correlaciones óptimas en términos del tipo de maquinado y del ángulo de incidencia de la luz láser. Se concluye en general, que para el caso de rectificado, puede correlacionarse la intensidad de la luz esparcida con la rugosidad, para valores de rugosidad entre 0.05 μm y 1.6 μm con ángulos de incidencia entre 30 a 60 grados. Los valores de índice de correlación en estos rangos fueron mayores de 0.99. La mejor correlación fue obtenida entre la desviación estándar del patrón de esparcimiento y el parámetro de rugosidad Ry. Para lograr una mejor correlación para el proceso de fresado, se propone considerar otros efectos como las reflexiones múltiples, orientación del plano de incidencia respecto a las líneas de maquinado, fenómenos de interferencia, estado de polarización de la luz y tipo de material.

ABSTRACT: Traditional machining processes are in their majority, material release by means of a cutting tool, being the most common processes: turning, milling and grinding. The process leaves a track or topography on the machined surface that modifies and defines the surface finish or roughness. Topography normally is measured by traditional contact method with a surf tester which uses a mechanical tip who makes contact with surface topography. Some of the parameters that affect surface finish are type of machined material, material and geometry of the cutting tool, cutting tool speed , piece turning speed, cut depth, used coolant and other aspects related to the theory of material cutting. This thesis consider the measurement of the surface finish using intensity measurement of scattered laser light with a photodetector array, relating it to different roughness parameters obtained with a surface roughness tester. Experiments were made with a roughness specimen which contain regions with different roughness and grouped on different machining types, and with samples elaborated with stainless steel plate 304, in a machine shop and elaborated under representative conditions. Feasibility was evaluated to use an optical technique which measures scattered laser light to characterize surface finish during a typical machining process. A statistical correlation analysis was performed between common parameters acquired with a surf tester and statistical parameters calculated with scattered pattern, with the initiative to propose an optimum correlation in terms of machining process type and laser beam incidence angle. A general conclusion, for grinding process a close correlation was obtained between intensity of scattered light with incidence angles between 30 to 60 degrees and roughness with values between 0.05 μm and 1.6μm,. Correlation indexes were higher than 0.99 in this range. The best correlation was obtained between standard deviation of scatter light pattern and Ry parameter measured with a surf tester. To improve correlation for grinding process, effects like multiple reflections, incidence plane orientation respect to anisotropic surface pattern, interference phenomena, polarization state of light and material type have to be considered.