Evaluation of surface integrity in cryogenic cylindrical grinding for automotive components

Abstract

The automotive industry is a vital sector of the global economy and the well-being of people. Its production exceeds 1.9 trillion euros, generating more than 8 million jobs worldwide. Due to its large production quantities and high-quality requirements, manufacturing lines are forced to work with production capacities close to Cpk=1.67$. To maintain these production standards, some critical mechanical components with tolerances around IT5 to IT6 must overcome high surface integrity requirements, for example, surfaces without white-layer and with Ra roughness no higher than 0.32 µm.

To achieve these surface features in finishing processes, such as grinding, cooling and lubricating fluids are used to reduce the temperature and friction between the grinding wheel and the workpiece. Cutting oils and synthetic water-miscible coolants are the most common products. Although these products have been used for decades, it has been proven that they can generate health issues and environmental problems.

Reducing these polluting fluids with environmentally friendly fluids in grinding operations could contribute significantly to protecting the environment and guaranteeing healthy workplaces. For these reasons, this Ph.D. thesis aims to analyze the effects of cryogenic grinding on the surface integrity of 27MnCr5 steel, a material widely used to manufacture automotive gearbox components. To achieve this objective, experimental tests using several cooling strategies with LN2 were developed, in which the surface integrity was compared to conventional grinding, and optimal process windows were produced.

With the optimal conditions selected, fatigue and tribological specimens were manufactured and tested to validate the performance of the cryogenic ground samples versus the conventional process. Additionally, with the experimental results, data-driven models were developed to explain and predict the variation in the surface roughness distribution when cryogenic strategies are used. Finally, the results showed that the cryogenic systems with LN2 could be an alternative in the grinding process; therefore, a technical and economic analysis was developed, considering the most relevant challenges for its implementation in the automotive industry.

Automobilgintzaren industria funtsezko jarduera da bai ekonomia globalerako bai pertsonen ongizaterako. 1.9 trilioi eurotik gorako ekoizpen maila du, munduan 8 milioi enplegu baino gehiago sortuz. Bere ekoizpen kantitate eta kalitate eskakizun handiak direla eta, fabrikazio lerroek Cpk=1.67 balorearen gertuko ekoizpen ahalmenarekin lan egin behar dute. Ekoizpen-estandar horiek mantendu ahal izateko, IT5 edo IT6 perdoiak dituzten osagai mekaniko kritikoek ezaugarri handiak izan behar dituzte gainazalaren osotasunari dagokionez; lerro-zuririk gabeko gainazalak eta Ra gainazaleko zimurtasunak 0.32 µm-tik beherakoak nagusiki.

Prozesuaren tenperatura eta erreminta eta piezaren arteko marruskadura murrizteko fluido hozgarri/lubrifikatzaileak erabiltzen dira. Horrela, gainazalaren kalitatea hobetzen da, gainazaleko akatsak agertzea arinduz. Ebaketa-olioak eta ura erabiltzen dituzten hozgarri sintetikoak erabiltzen dira ebaketa-fluido gisa. Tamalez fluido horiek eragin negatiboa dutela giza osasunean eta ingurumenean egiaztatu da.

Fluido kutsatzaile horiek fluido ekologikoekin ordezkatzeak nabarmen lagundu lezake ingurumena babesten eta lantoki seguruagoak bermatzen. Tesi honen helburu nagusia artezketa kriogenikoak 27MnCr5 altzairuaren gainazalean dituen ondorioak aztertzea da. Autoetako abiadura-kaxen osagaiak fabrikatzeko asko erabiltzen den materiala da. Hainbat proba esperimentalen bitartez, materialean lortutako gainazal osotasuna aztertu da, ohizko artezketaren ondorioz lortutakoarekin alderatuz eta ebaketa baldintza optimoak definituz.

Ondoren, neke eta tribologia entseguak egin dira, arteztutako gainazal kriogenikoen jarduna balioztatzeko, prozesu konbentzionalarekin alderatuta. Horrez gain, emaitza esperimentalekin, datuetan oinarritutako ereduak garatu dira, estrategia kriogenikoen ondorioz gainazaleko zimurtasunaren banaketaren aldaketa azalduz eta aurreikusiz. Azkenik, emaitzek agerian uzten dute LN2 bidezko estrategia kriogenikoa artezketarako alternatiba bat dela. Hori dela eta, azterketa tekniko eta ekonomiko bat egin da, automobilgintzaren industrian ezartzeko erronka garrantzitsuenak kontuan hartuta.

La industria automotriz es clave para la economía global y el bienestar, su nivel de producción supera los 1.9 trillones de euros, generando más de 8 millones de empleos en el mundo. Debido a estas grandes cantidades de producción y sus requerimientos de calidad, su producción está obligada a trabajar con capacidades cercanas a Cpk=1.67. Para mantener estos estándares de producción, algunos componentes mecánicos críticos con tolerancias entre IT5 e IT6 deben cumplir características estrictas en cuanto a su integridad superficial; principalmente, superficies sin capa-blanca y rugosidades Ra no mayores a 0.32 µm.

Para lograr estas características en el rectificado, se utilizan fluidos refrigerantes y lubricantes que reducen la temperatura y la fricción entre la muela de rectificado y la pieza de trabajo, logrando así mejorar la calidad superficial y mitigando la aparición de defectos en la superficie. Los aceites de corte y los refrigerantes sintéticos a base de agua son los más utilizados, si bien estos productos han sido utilizados por décadas en la industria, se ha comprobado que estos fluidos afectan negativamente la salud humana y el medio ambiente.

El sustituir estos fluidos contaminantes por ecológicos podría contribuir significativamente en la protección del medio ambiente y garantizar lugares de trabajo seguros. Por lo cual, el objetivo de esta tesis es analizar los efectos que tiene el rectificado criogénico en la integridad superficial del acero 27MnCr5, un material utilizado en la fabricación de componentes de cajas de cambios automotrices, para cumplir con este objetivo, se desarrollaron pruebas experimentales con varias estrategias usando LN2, donde se comparó la integridad superficial frente a un proceso convencional y se estimaron los parámetros de rectificado óptimos.

Después, con las condiciones óptimas se fabricaron y experimentaron probetas de fatiga y de tribología para validar el desempeño de las superficies crio-rectificadas frente al proceso convencional. Adicionalmente, se desarrollaron modelos basados en datos para explicar y predecir la variación en la distribución de la rugosidad superficial debido a las estrategias criogénicas. Finalmente, los resultados evidencian que las estrategias con LN2 podrían ser una alternativa en el rectificado, por lo que, se desarrolló un análisis técnico y económico considerando los desafíos más relevantes para su implementación en la industria automotriz.