Estudio teórico y experimental de las propiedades dimensionales de la pieza final y vida de la herramienta en procesos de mecanizado por electroerosión. Análisis de su aplicación en la construcción naval

Abstract

[SPA] El mecanizado por electroerosión (EDM) es una de las tecnologías de mecanizado no convencional más extendidas gracias a su capacidad para fabricar piezas de alta complejidad geométrica y constituidas por materiales de alta dureza. Su aplicabilidad está en continuo crecimiento en diversos sectores tales como la industria aeroespacial, automotriz, fabricación de maquinaria, etc. No obstante, aún está empezando a introducirse en otros sectores donde la utilización de tecnologías productivas más innovadoras suele resultar más lenta, como es el caso de la industria naval, tanto en el campo de nuevas construcciones como en la reparación de buques y componentes de embarcaciones. Los procesos de mecanizado por electroerosión comenzaron a utilizarse en la década de 1940 con las primeras investigaciones científicas sobre estas tecnologías, y desde entonces la comunidad científica ha llevado a cabo numerosos estudios para tratar de determinar los fenómenos que se producen en estos procesos y los parámetros que permiten la optimización de estos procesos de mecanizado para diferentes geometrías, materiales de partida y campos de aplicación. Los trabajos más recientes se han centrado en el análisis de nuevas configuraciones para estos procesos, el efecto de los parámetros del proceso y material de partida, y la modelización teórica del proceso. La presente tesis doctoral tiene el objetivo de conocer en mayor detalle la influencia de algunos de los principales parámetros del proceso sobre el acabado superficial alcanzable en las piezas mecanizadas y el desgaste que se origina en la herramienta durante el proceso de corte, y asimismo tratar de identificar la aplicabilidad de estas tecnologías en el sector naval, para lo cual se ha efectuado el estudio teórico y experimental de estos procesos considerando diferentes condiciones de corte. Dentro del primer capítulo de la presente tesis doctoral, se llevará a cabo un análisis sobre la aplicabilidad del mecanizado por electroerosión en la industria naval. Se comprueba que estas tecnologías tienen interés para los campos de nuevas construcciones y reparaciones navales, y pueden servir para mejorar la competitividad de los astilleros en el mercado actual altamente globalizado y con una enorme competencia a nivel mundial. El estudio experimental incluirá el análisis de las imperfecciones que se originan en la superficie de la pieza, considerando distintos indicadores para la identificación del acabado superficial de la pieza mecanizada. Se evaluará el efecto de distintos parámetros del proceso tales como la intensidad de corriente y la profundidad de penetración, y se deducirá las ecuaciones que permitan seleccionar los valores adecuados para los parámetros de corte de acuerdo con la calidad superficial que se debe respetar. También se recurrirá al análisis experimental para estudiar la pérdida de material que tiene lugar en la superficie del electrodo y caracterizar la forma desgastada de la superficie de la herramienta. Se evaluará las condiciones de corte que permiten optimizar la vida de la herramienta, y se obtendrá las ecuaciones que relacionan las irregularidades de la superficie del electrodo con el valor de los parámetros del proceso que han sido considerados. Por otra parte, se procederá al estudio teórico del proceso de electroerosión, utilizando para ello un modelo numérico simplificado que permita centrarse en los parámetros a estudiar en esta tesis doctoral. El modelo teórico servirá para determinar la eliminación de material que se produce durante el proceso y la textura que presenta la superficie de la pieza mecanizada, y los resultados teóricos obtenidos se compararán con las observaciones experimentales. Finalmente, entre las conclusiones más importantes de esta tesis doctoral se puede destacar la posibilidad de definir un indicador adecuado para describir la calidad superficial de las piezas obtenidas mediante electroerosión por penetración, y la identificación de las diferentes regiones que caracterizan la forma desgastada de la herramienta, así como las ecuaciones que permiten estimar la influencia de los parámetros del proceso sobre el acabado superficial de la pieza final y desgaste que tiene lugar en la superficie del electrodo.

[ENG] Electro Discharge Machining (EDM) is one of the most widespread unconventional machining technologies thanks to its ability to manufacture parts of high geometric complexity and made of high hardness materials. Its applicability is continuously growing in various industrial sectors such as aerospace, automotive, machinery manufacturing, etc. However, it is still beginning to be introduced in other sectors where the use of more innovative production technologies is often slower, such as the shipbuilding industry, both in the field of new construction and in ship and boat component repair. The EDM processes began to be used in the 1940s with the first scientific research on these technologies, and since then the scientific community has carried out numerous studies for trying to determine the phenomena that occur in these processes and the parameters that allow the optimization of these machining processes for different geometries, raw materials and application fields. The most recent works were focused on the analysis of new configurations for these processes, the effect of process parameters and raw material, and the theoretical modeling of the process. The objective of this doctoral thesis is knowing in greater detail the influence of some of the main process parameters on the surface finish of machined parts and the tool wear originated during the cutting process, and also trying to identify the applicability of these technologies in the naval sector, for which the theoretical and experimental study of these processes has been carried out considering different cutting conditions. Within the first chapter of this doctoral thesis, an analysis on the applicability of EDM in the naval industry will be carried out. It is proven that these technologies are of interest for the fields of new construction and ship repair, and can serve to improve the competitiveness of shipyards in the current highly globalized market with enormous competition worldwide The experimental study will include the analysis of imperfections originated on the part surface, considering different indicators for identifying the surface finish of machined part. The effect of different process parameters such as current intensity and penetration depth will be evaluated, and the equations that serve to select the appropriate values of cutting parameters according to the desired surface quality will be deduced. Experimental analysis will also be used to study the loss of material on the electrode surface and to characterize the worn shape of the tool surface. The cutting conditions that allow optimizing the tool life will be evaluated, and the equations that describe the relationship among the irregularities of electrode surface and the process parameters that have been considered will be obtained. On the other hand, the theoretical study of the EDM process will be carried out, using a simplified numerical model that allows focusing on the parameters to be studied in this doctoral thesis. The theoretical model will serve to determine the material removal produced during the process and the texture showed by the surface of the machined part, and the theoretical results obtained will be compared with the experimental observations. Finally, among the most important conclusions of this doctoral thesis, it is possible to highlight the possibility of defining an appropriate indicator to describe the surface quality of the parts obtained by die sinking EDM, and the identification of the different regions that characterize the worn shape of the tool, as well as the equations that allow estimating the influence of the process parameters on the surface finish of final part and wear that takes place on the electrode surface.