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    Tesis

    Estudio de las señales de emisión acústica generadas en el corte de metales. Aplicación a procesos de taladrado

    2012



    Nombre Martín Pedro GÓMEZ
    Licenciado en Física - Universidad de Buenos Aires - Argentina
    Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
    Doctor en Ciencia y Tecnología, Mención Materiales UNSAM/CNEA - Argentina
    Director Dr. José RUZZANTE.  CNEA, UNSAM - Argentina 
    CodirectorDr. Carlos E. D´ATELLIS.  UTN FR Buenos Aires, UNSAM - Argentina
    Lugar de realizaciónGerencia Desarrollo Tecnológico y Proyectos Especiales - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina
    Fecha Defensa 09/03/2012
    Jurado Dr. Nicolás BONADEO.  Tenaris Siderca - Argentina 
    Ing. Lucio IURMAN.  UNS, UNSAM - Argentina 
    Dr. Gustavo VIGNA.  CNEA, UNSAM - Argentina
    Código IS/TD 61/12

    Título completo

    Estudio de las señales de emisión acústica generadas en el corte de metales. Aplicación a procesos de taladrado

    Resumen

    Este trabajo de tesis consiste en la búsqueda de parámetros predictivos que puedan ser aplicados para determinar el estado de las herramientas de corte en el maquinado de piezas metálicas. En este caso, el método indirecto de medición elegido está basado en la emisión acústica (EA) generada durante ese proceso. El objetivo de esta investigación es acortar el camino hacia sistemas de control de posible aplicación en máquinas industriales. El trabajo consistió en tres etapas. En un principio, se estudió de manera preliminar la EA proveniente de ensayos de torneado, lo que permitió un acercamiento al tema. Luego, en las etapas segunda y tercera, se efectuaron sendos experimentos de taladrado, siendo el último el de mayor relevancia. En la segunda etapa, también considerada como preliminar, se taladraron probetas planas de acero con mechas que representaban dos casos extremos del desgaste de sus filos: sanos y craterizados. Entonces, se compararon para ambos casos los distintos parámetros de la EA obtenida en el corte. A partir de este experimento se obtuvieron resultados alentadores respecto al uso de un parámetro definido en este trabajo, que fue denominado “Potencia MARSE media” de la EA o “Potencia Media” (PM) (adonde MARSE es “Measured Area under the Rectified Signal Envelope”). Dadas las limitaciones de los estudios de las etapas preliminares, se procedió a la realización de una tercera etapa experimental más robusta. En esta parte del trabajo se construyó un número grande de probetas con forma de cilindro hexagonal de acero con buena homogeneidad, las cuales fueron consecutivamente taladradas en su centro con mechas con ocho condiciones distintas que contemplaban los casos de filos en buen estado y dañados así como deterioro en las esquinas externas. El desgaste artificial se efectuó mecánicamente y por electroerosión, y el avance del daño fue monitoreado por microscopía electrónica de barrido (MEB). Durante el corte se registraron los parámetros característicos y las formas de onda de la EA, así como el torque. Para las distintas condiciones de las mechas se estudió la relación entre la PM de la EA y el torque. De esta forma, se encontró que ambos parámetros están relacionados linealmente entre sí. Además, se analizó la evolución de la variancia móvil de la PM de la EA en función de su media móvil, dando interesantes resultados para la determinación del estado de la herramienta. Se observó que en un plano formado por las dos variables mencionadas, cada caso de desgaste se distribuye en una región (o clúster) definida, lo cual permitiría, en las condiciones de corte estudiadas, determinar en qué estado de desgaste se encuentra la herramienta de corte. Por otro lado, en el análisis de las formas de onda de EA, se instaló un criterio de selección de señales que permitió conservar solo las procedentes de fuentes de EA (en el corte) relacionadas con la fricción y la deformación plástica. A estas señales se les calculó la potencia espectral, y separando la potencia en bandas de frecuencia se comprobó que podrían discriminarse los casos de las mechas con distinto grado de desgaste, a partir de la evolución de la potencia de cada banda. También se observó la posibilidad de clasificar la condición de la mecha a partir del conteo del número de formas de onda de EA cuasi-estacionarias. Finalmente, comparando los resultados de la PM obtenidos por medio de los parámetros, con aquellos obtenidos con las formas de onda de las señales cuasi-estacionarias, se pudo estimar la PM de la EA generada por la rotura de la viruta durante el corte. En el transcurso del trabajo también se investigan otras posibles aplicaciones de la EA a la caracterización del proceso de corte tales como el seguimiento de la evolución del mismo, el tipo de viruta generada y la velocidad de rotación de la mecha, entre otros.

    Complete Title

    Study of AE signals generated in metal cutting. Application to drilling processes

    Abstract

    This thesis involves the search of predictive parameters to be applied to assess the condition of cutting tools in metal work-pieces machining. In this case, the indirect method chosen is based on sensing the acoustic emission (AE) generated during the cutting process. The objective of this research is to shorten the way for utilization of control systems for possible application in industrial machinery.This work consisted of three parts. At the beginning of the work, AE data measured from turning machining was studied in a preliminary way as a test and as an approach to the subject. In the second and third parts, two separate drilling experiments were carried out, the second experiment being the most important. In the second part, also considered as preliminary, flat steel specimens were drilled using drill bits representing two extreme cases of wear on their edges; this wear is defined as healthy and cratered, respectively. Following this, different parameters of the AE, obtained in the cutting process for both cases, were compared. This experiment provided encouraging results about the use of a parameter defined in this work, and coined "Mean MARSE Power” of the EA or "Mean Power" (MP) (where MARSE is "Measured Area under the Rectified Signal Envelope"). Given the limitations of previous experiments, a more robust third experimental part was carried out. In this part, a large number of hexagonal cylindrical steel samples with good homogeneity were prepared and consecutively drilled at their centers with drill bits having different levels of damage at the edges and at the outer corners. The wear of these tools was obtained artificially by spark erosion, but also mechanically, and the progression of the damage was monitored by scanning electron microscopy (SEM). During the machining process, the features and the waveforms of AE and torque were recorded. For different conditions of the drill bits, the relationship between the AE "Mean Power" (MP) and torque was studied, and it was found that both parameters are linearly related. The study of the evolution of the AE MP moving variance as a function of its moving average was analyzed, obtaining interesting results for the determination of the condition of the tool wear. For each case of wear, dots representing each measured signal were clustered in defined regions in a plane formed by the two above mentioned variables. On the other hand, a selection criterion of the AE waveforms was developed, selecting only the sources related to friction and plastic deformation. After it, the spectral power of these “quasi-stationary” signals was calculated and separated in frequency bands. The evolution of the power of each band and the degree of wear of the drill bit were related. Also, a classification of wear by means of counting the number of quasi-stationary EA signals was recognized. Finally, the results of the PM, obtained through the studied parameters, and those obtained using the waveforms of the quasi-stationary signals were matched to estimate the AE MP generated by the chip breaking during cutting.

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