La pretensión de este trabajo es mostrar un tipo de tratamiento superficial de piezas mediante la deformación plástica superficial (DPS), el proceso llamado bruñido por rodillo simple o monorodillo, conocido también como rodillado o rodilado, empleado para el acabado final de piezas mediante la aplicación de elementos deformantes (rodillos) que actúan sobre la superficie tratada.

Esta operación secundaria de acabado superficial permite sustituir esquemas tecnológicos tradicionales a fin de aumentar la eficiencia del proceso tecnológico de fabricación, aumentar la eficiencia energética y disminuir la contaminación del medio ambiente. Se muestran las particularidades de este tratamiento, que aún no está lo debidamente difundido que debiera, y sus ventajas tecnológicas.

Bruñido por rodillo simple, rodilado, deformación plástica superficial, acabado de piezas, tratamiento superficial.

La deformación plástica superficial (DPS) y en particular el proceso de bruñido por rodillo simple constituye un método de tratamiento superficial de las piezas para incrementar sus cualidades físico-mecánicas y de acabado aprovechando las características de plasticidad de los metales, lo cual puede evitar en muchos casos el empleo de esquemas tecnológicos tradicionales como el rectificado y el tratamiento térmico, que son altamente consumidores de energía y potencialmente contaminantes del medio ambiente.

Se ha podido establecer que el Bruñido por rodillo comenzó a emplearse en Alemania en la década del ’20 del pasado siglo y en los años 30 de ese siglo fue introducido en los Estados Unidos fundamentalmente para mejorar la resistencia al desgaste en los ejes de las ruedas de ferrocarril y en árboles y ejes de diferentes tipos de máquinas, ya en la década del 60 este proceso tenía gran aceptación fundamentalmente en la industria automotriz, actualmente se ha convertido en un proceso de acabado por deformación plástica superficial muy popular.

En Cuba existen algunas experiencias en su aplicación industrial en talleres, fundamentalmente en piezas simétricas-rotativas, con resultados favorables solo que a partir de métodos fundamentalmente empíricos y empleando herramientas que en la casi totalidad usan como elemento deformante la pista exterior de un cojinetes de rodamiento, sin existir un procedimiento de trabajo y una disciplina tecnológica que permita una mejor explotación del proceso y del herramental, donde se ajusten los diferentes parámetros de esta operación (fuerza, avance, número de pasadas, velocidad) para obtener diferentes grados de acabado y dureza superficial, no obstante en sentido general está forma de elaboración está poco difundida en el país por desconocimiento de esta técnica propia de los países altamente desarrollados.

De la consulta de la literatura especializada sobre esta temática resulta evidente que dicho método de elaboración le comunica a las piezas un incremento de la resistencia al desgaste, a la fatiga y a la corrosión, además de que mejora sustancialmente el acabado superficial y la precisión de las piezas. Así mismo se reporta que dicha técnica requiere del uso del herramental específico para su aplicación y del conocimiento del régimen apropiado de trabajo de dicho herramental ha partir del tipo de material tratado y del resultado deseado (buen acabado, resistencia al desgaste, a la fatiga, etc.).

Se reporta que existen diversos procedimientos para el empleo por DPS como alternativa para el acabado de las piezas, siendo el bruñido por rodillo simple muy sencillo y de fácil aplicación.

El bruñido por rodillo simple puede resultar ventajoso en el mejoramiento de las cualidades superficiales de las piezas tratadas siempre y cuando el proceso se realice para determinadas condiciones dadas (material de la pieza y propiedades físico-mecánicas, acabado superficial previo y tipo de herramienta, entre otras) y que el conjunto de parámetros, que determinan el régimen de rodilado, se selecciones correctamente según los resultados que se requieran obtener.

Existen varios factores que impiden su implementación con éxito en los países en desarrollo, entre los que se destacan los siguientes:

1. Déficit de productos y ausencia de competidores

2. Tecnologías y equipamiento obsoleto

3. Infraestructuras inadecuadas

4. Conocimientos insuficientes

Desarrollo

El Bruñido es una operación tecnológica secundaria de acabado, se emplea para el superacabado superficial en superficies cilíndricas, superficies frontales planas, superficies de forma o perfiladas, superficies cónicas, biseles, respaldos, cambios de sección y radios, entre otros, ( las piezas a bruñir fueron previamente maquinadas)

Las operaciones secundarias de maquinado para el acabado final son las que logran obtener un acabado superior pero son menos empleadas y según entre ellas están:

1. Lapeado (Lapping). Acabado superficial: 0,05 - 0,4 m m
2. Superacabado (Superfinish). Acabado superficial: 0,025 - 0,2 m m
3. Pulido o Alisado (Polishing). Acabado superficial: 0,1 - 0,4 m m
4. Bruñido (Burnishing)

Esta última operación tecnológica puede realizarse por:

• Remoción de metal o arranque de virutas con herramientas abrasivas, la operación es conocida también como Joneado (Honing), con valores de acabado superficial de 0,1 - 0,8 m m.
• Deformación plástica superficial (DPS) con valores de acabado superficial de 0,05 - 0,8 m m.

Los procesos de tratamiento por deformación plástica superficial (DPS) se clasifican según el elemento deformante empleado y entre los más conocidos están:

1. Bruñido por rodillo (múltiples y simple) (Roller burnishing)
2. Bruñido por bola (Ball burnishing)
3. Pulido con herramienta de diamante (Diamond polishing)
4. Bruñido de baja plasticidad (Low plasticity burnishing)
5. Bruñido vibratorio o vibrorodilado (Vibratory burnishing)
6. Lanzamiento de granallas o chorreado de municiones (Shot peening)
7. Impacto de vibración ultrasónica (Ultrasonic vibration impact)
8. Impacto por láser (Laser shock)
9. Combinados

A continuación se ofrece una breve información sobre dichos procesos:

• De corte del metal y de bruñido por bola
• De maquinado por descarga eléctrica (electroerosivo) y bruñido por bola
• De lanzamiento de granallas y bruñido por bola

Estos procesos se eligen en dependencia de las dimensiones, la configuración geométrica, el material de la pieza a tratar, condiciones de producción, entre otros factores y para la aplicación efectiva de los mismos en la producción es necesario realizar investigaciones, ensayos y experimentos previos que permitan alcanzar el efecto óptimo, teniendo en consideración las condiciones concretas de explotación de las piezas a elaborar.

El Bruñido vibratorio o vibrorodilado y el lanzamiento de granallas son métodos dinámicos pues se ejerce una acción dinámica durante la cual la fuerza actuante sobre la superficie cambia con periodicidad. El resto de los métodos se pueden considerar estáticos pues la herramienta actúa sobre la superficie de la pieza ejerciendo una fuerza constante.

El Bruñido, que emplea el rodillo como elemento deformante, es un proceso de elaboración en frío en la superficie de una pieza previamente maquinada. La pequeña deformación plástica superficial originada por esta operación consiste en el desplazamiento del material de los "picos, protuberancias o crestas" a los "valles o depresiones" de las microirregularidades superficiales, este flujo ocurre bajo una fuerza controlada del rodillo que excede el punto de fluencia del material de la superficie de la pieza no endurecida creándose una capa de metal consolidada que provoca el aumento de las propiedades funcionales en la superficie, este procedimiento debe aplicarse preferentemente después del torneado de acabado.

Puede ser bruñido por rodillo cualquier material cuya dureza no exceda aproximadamente los 40 HRC y además los mismos deben estar previamente desmagnetizados. Se emplea para lograr un buen acabado superficial en superficies cilíndricas, superficies planas, superficies de forma o perfiladas, superficies cónicas, biseles, respaldos, cambios de sección y radios, entre otros. Este proceso evita tener que emplear las otras operaciones secundarias de acabado que son económicamente costosas, obteniéndose con este una superficie pulida y consolidada.

El interés del presente estudio está centrado específicamente en las herramientas que tienen como elemento deformante un solo rodillo, cuyo contacto entre las dos superficies se produce en una línea por rodadura o rodamiento. Se plantea que este proceso es más productivo que el Bruñido por bola y por diamante deslizante y en muchas ocasiones no se tiene en cuenta o no se cuenta con la máquina herramienta apropiada o no se dispone de la herramienta adecuada.

Se deben cumplir un grupo de condiciones o premisas para la realización efectiva de este tratamiento que a continuación se resumen.

1. Que exista una superficie pre-maquinada con un buen acabado superficial. Es importante el buen grado de rugosidad (torneado fino) previo de 3,2 a 6,3 µm Ra, dado por un adecuado régimen de corte y herramientas de corte en buen estado y debe ser un acabado uniforme, no tener desgarraduras, ni estrías, ni presencia de virutas.
2. Que exista una superficie pre-maquinada debidamente dimensionada y exacta. En este proceso el diámetro exterior disminuirá. Con el objetivo de obtener la pieza dentro de la tolerancia dimensional requerida es importante que previamente se dimensione la pieza exacta y adecuadamente, teniendo en cuenta dicha variación en el diámetro que dependerá de :
• Material de la pieza en bruto
• Dureza inicial
• Fuerza compresiva controlada
• Número de pasadas
3. Suficiente espesor en la pieza a bruñir. Para resistir la fuerza compresiva de bruñido la pieza debe tener un suficiente espesor o diámetro, en casos de piezas cilíndricas huecas el espesor debe ser superior al 20% del diámetro interior. Un insuficiente espesor de la pared provocará en la superficie ondulaciones o falta de circularidad.
4. Lubricación y líquido refrigerante: Se debe emplear un abundante flujo de fluido de trabajo limpio y que posea una adecuada viscosidad. Dicho fluido actuará como lubricante para disminuir la fricción, como refrigerante para permitir la transferencia del calor generado y limpiará la superficie a bruñir de partículas finas y virutas. Esto le ofrece una vida más larga a la herramienta, los líquidos de trabajo pueden emplearse virtualmente en cualquier material. Además deben ser estables al agua, resistentes a la espuma y a las bacterias.
5. En diferentes trabajos experimentales se reporta el uso de keroseno, aceite hidráulico, aceite de motores de gasolina, aceite de motores diesel, aceite industrial y aceite de engranajes. Para reciclar dichos fluidos se requiere de un filtro.

Se emplea una herramienta monorodillo o de rodillo simple (Single-roller burnishing tool) que consta de un rodillo montado en un cojinete de rodamiento, se puede mover en los dos ejes (transversal y longitudinal), dicha herramienta va montada en el portaherramientas de la máquina herramienta. Con esta herramienta se emplea líquido refrigerante. Su diseño, fabricación y explotación es sencillo porque su sistema de carga fundamentalmente es mecánico, es universal pues se le pueden colocar rodillos de diferentes diámetros y formas, su proceso es rápido y es fácil de montar y desmontar en la máquina herramienta, además de su comodidad para medir la fuerza. Se emplean en producciones unitarias y en pequeñas series.

El elemento deformante (rodillo) es fabricado de acero rápido (HSS), aceros aleados con cromo, de aleaciones duras o de carburo cementado (metal duro) y muy pulido, deben poseer una alta dureza, entre 58 y 65 HRC y una alta resistencia al desgaste.

La forma del perfil de trabajo del rodillo influye marcadamente en los resultados obtenidos en el proceso de elaboración de la superficie. Entre los más utilizados se pueden encontrar; rodillos con la banda cilíndrica y el radio abierto para la elaboración de superficies con la salida libre de la herramienta, rodillos con el radio cerrado para los empalmes redondeados y ranuras, rodillos con superficies combinadas para zonas cilíndricas con radio de transición, para las superficies con tope, para superficies cónicas, entre otros tipos.

Como se ha planteado el acabado en la superficie de trabajo del rodillo tiene que ser buena para cumplir correctamente su función, ya que esta es la encargada de realizar el contacto con la superficie de la pieza a elaborar y si la rugosidad es mala transmitirá a la superficie de la pieza un mal acabado, se recomienda limpiar dicha superficie antes de comenzar el tratamiento para evitar que alguna suciedad se implique en el proceso y se obtenga una superficie defectuosa.

La fuerza sobre el rodillo se logra mecánicamente (con muelles), neumáticamente, hidráulicamente o de forma combinada.

Para lograr un adecuado tratamiento de bruñido se recomienda que el valor del diámetro de la pieza (Dp) y el diámetro del rodillo (Drod) obedezcan al cumplimiento de la siguiente relación:

÷ 2,5

Los factores que mayor influencia tienen en las cualidades y propiedades físico-mecánicas de las superficies tratadas son los siguientes:

1. Fuerza compresiva constante

El valor de esta fuerza controlada depende de varios factores, entre otros:

• Tipo de material a elaborar
• Forma geométrica del rodillo
• Forma de la pieza
• Rigidez de la pieza
• Dureza y acabado superficial que se quiere obtener

Está directamente asociado a la profundidad de penetración.

Para seleccionar correctamente los valores de avance se debe tener en cuenta la geometría del elemento deformante y las cualidades superficiales que se desean lograr.

3- Número de pasadas

Dependen de varios factores tales como:

1. Acabado superficial inicial

En el maquinado previo al bruñido por rodillo se necesita obtener bajos valores de rugosidad como premisa para lograr posteriormente un buen acabado superficial.

Dependiendo de varios factores, entre otros:

1. Tipo de material y sus cualidades
2. Parámetros de régimen de elaboración
3. Características de la herramienta de corte

Estos parámetros deben ser controlados para obtener los beneficios y valores esperados de cada uno en los parámetros-respuestas (dureza superficial, acabado superficial, diámetro de la pieza, profundidad de capa endurecida, tensiones residuales compresivas, entre otros), de lo contrario una alta deformación plástica, por ejemplo por la aplicación de altas fuerzas y altos números de pasadas, excedería la capacidad del metal de aceptar tal deformación y ocurriría un sobreendurecimiento o sobreconsolidación de la capa tratada que no es más que la fatiga de la misma provocando un descascaramiento o desprendimiento en forma de capas y la aparición de peligrosas microgrietas deteriorándose la superficie metálica de la pieza y provocándose cambios indeseables en la estructura y las propiedades físico-mecánicas de la misma.

Algunos de los factores que afectan con más frecuencia los resultados en este tipo de tratamiento:

Para estudiar el comportamiento de los parámetros de las cualidades superficiales de las piezas tratadas por el bruñido por rodillo son muy útiles las técnicas de diseño de experimentos, de enorme reconocimiento mundial por permitir la solución y explicación científica efectiva y económica a los problemas objeto de análisis.

Según la utilización del diseño de un modelo experimental se fundamenta, entre otros aspectos, en cuatro reglas básicas:

El método estadístico puede ser utilizado extensivamente y ofrecer resultados valiosos. El número de pruebas llevado a cabo con respecto a cualquier parámetro está en parte determinado por la exactitud de la prueba y en parte por la importancia de esta en relación con las características del producto. Ningún parámetro deberá restringirse más de lo requerido por las condiciones de servicio, pero cuando dichas condiciones han determinado los límites, el control debe asegurar un desempeño prolongado y libre de problemas dentro de dichos límites.

Para el estudio del efecto de este tratamiento en las cualidades superficiales de las piezas han sido empleados diseños experimentales del tipo factorial completo, también se ha usado el diseño factorial parcial, Box y Hunter y en otro caso se ha utilizado el Método de Taguchi, empleando indistintamente como variables de entrada la fuerza (o la profundidad de penetración), el avance, el número de pasadas (o el tiempo), la velocidad, la dureza inicial del material y la rugosidad superficial previa, analizando como respuestas la dureza, la microdureza y la rugosidad superficial final, la falta de circularidad, las tensiones residuales y la reducción del diámetro.

• Endurecimiento superficial. Se crea por la formación extensiva de dislocaciones y en ocasiones debido a la formación de otras fases generadas durante la deformación, además este bruñido condensa y afina la estructura del grano de la superficie del metal provocando una compactación de la superficie y por tanto un aumento de la dureza superficial entre 5-10% o más, ese incremento depende de:

1. Tipo de material y sus características
2. Características de la herramienta
3. Parámetros de régimen de elaboración
• Precisión. Se pueden obtener tolerancias estrechas con medidas exactas.
• Provoca mejorías en las propiedades físico-mecánicas de la superficie, logrando aumentar la vida útil de la pieza; aumentar la resistencia al desgaste porque al bruñirse la superficie casi se igualan el tamaño de las crestas y los valles provocando que el desgaste de dicha superficie, al entrar en contacto con otra, sea mínimo; la resistencia a la fatiga aumenta entre un 26 a 35% por la acritud y la aparición de altas tensiones residuales compresivas en la capa superficial, cualquier esfuerzo en la pieza debe sobrepasar a esos valores de tensiones residuales, que eliminan los focos que pudieran provocarla como son los poros, las hendiduras y las marcas o huellas dejadas por la herramienta después del maquinado; y también aumenta la resistencia a la corrosión porque al reducirse la porosidad y las marcas de herramientas las sustancias reactivas o contaminantes tienen menos posibilidad de atacar y corroer la superficie bruñida.
• Elimina o reemplaza costosas operaciones secundarias de acabado en máquinas herramienta que consumen mucha potencia. Bajos costos de operación y no se requiere para efectuar esta operación de operarios especializados. Es un método muy económico para obtener un gran acabado superficial, además de no requerir una inversión capital para lograr esto.
• Puede corregir los defectos que hayan haber aparecido en operaciones previas de maquinado tales como conicidad, falta de circularidad y otros.
• Las diferentes piezas de estas herramientas son intercambiables, por lo que resulta sencillo, fácil y rápido el mantenimiento y el cambio de piezas gastadas o deterioradas tales como rodillos, rodamientos, ejes, etc., lo que ayuda a prolongar la vida útil de la herramienta.
• Elaboración rápida, ahorra tiempo y aumenta la productividad, pues el proceso es breve, comparado con otros similares de acabado antes mencionados que demoran más.
• Por el empleo de fluido de trabajo se lubrica y disminuye la fricción y se refrigera el proceso y por ende el calor generado no provoca sus negativos efectos (defectos térmicos).
• Es un proceso ecológicamente más limpio, pues no se generan desperdicios sólidos al no haber arranque de virutas y se ahorra materia prima, existe la posibilidad de evitar los tratamientos térmicos y termo-químicos disminuyendo la contaminación del medio ambiente por la no emisión de gases, ahorrándose además energía eléctrica y otros recursos (por lo expresado anteriormente y por la corta duración y rapidez de este proceso), disminuyendo también el nivel de ruido.
• Eliminación de marcas de la herramienta sobre las superficies tratadas y de otras imperfecciones superficiales menores.
• Puede realizarse en máquinas herramienta convencionales, fundamentalmente en Tornos y Fresadoras, así como en máquinas herramienta con control numérico tales como Centros de Torneado y de Mecanizado. La precisión del método es una función del diseño de la herramienta, no de la precisión de la máquina herramienta.
• Por el buen acabado que ofrece se emplea en ocasiones como paso previo en los procesos de recubrimientos metálicos superficiales (cromados, niquelados, entre otros).

Pueden ser bruñidas todas las piezas que se ensamblan y que requieren un gran nivel de acabado en las superficies de contacto y un fácil desmontaje, entre algunas de ellas están:

• Zonas donde van montados los cojinetes de rodamiento
• Cojinetes de deslizamiento
• Láminas de rotores y estatores de motores eléctricos
• Partes de bombas, turbinas y compresores
• Piezas de equipamiento hidráulico y neumático (con superficies de sellaje preciso)
• Árboles y ejes
• Asiento de válvulas
• Utensilios del hogar
• Piezas para las industrias militar (anima de las piezas de artillería convencional y reactiva), aeronáutica y aeroespacial (piezas de motores y turbinas), automotriz (pistones, camisas, cigüeñales, árboles de leva), química, electrónica y textil, entre otras.

1- No ferrosos

• Aleaciones de Aluminio
• Aleaciones de Cobre
• Aleaciones de Titanio
• Aleaciones de Magnesio

Estos materiales son los más utilizados porque son más fáciles de deformar y logran buenos acabados superficiales, además como generalidad, no se les rectifica ni se les da tratamiento térmico.

2- Ferrosos

• Aceros al carbono
• Aceros aleados
• Aceros inoxidables
• Aceros de herramientas
• Aleaciones de Níquel
• Aleaciones de Tungsteno

Estos pueden venir tratados térmicamente o no.

Tipos de piezas bruñidas

• Cilíndricas (Macizas o no)
• Planas
• Perfil complejo (Superficies de forma)

Además de los estudios experimentales que se realizan para estudiar el comportamiento de este proceso, se emplea la modelación matemática y la simulación por métodos numéricos, fundamentalmente por el método de elementos finitos, herramientas muy útiles que han ido ganando espacios actualmente entre nuestros investigadores.

El empleo de estos métodos se realiza para:

1. La óptima selección de los parámetros de trabajo del bruñido por rodillo simple y de las respuestas, así como la predicción teórica del comportamiento del material durante el proceso.
2. Controlar los procesos de deformación plástica superficial

Durante los procesos por deformación plástica superficial de compresión directa, entre los que se encuentra el bruñido por rodillo simple, surgen elevadas tensiones residuales de compresión una vez finalizados los mismos con un valor máximo en las capas subsuperficiales (zona muy cercana a la superficie) y que disminuyen con rapidez al aumentar la distancia desde la superficie, estas altas tensiones permiten un aumento de la resistencia a la rotura por fatiga y también un aumento de la resistencia al agrietamiento por corrosión y dependen del material y del proceso de elaboración.

1. El proceso conocido como Bruñido por rodillo o rodilado está establecido como proceso de tratamiento por deformación plástica superficial y tiene plena actualidad, resultando una variante tecnológica apropiada de operación secundaria para el acabado final de piezas cuando se requiere no solo mejorar el acabado superficial, sino también las propiedades físico-mecánicas superficiales lo que proporciona mayor resistencia al desgaste, mayor resistencia a la corrosión, mayor resistencia a la rotura por fatiga y una mayor durabilidad.
2. Los materiales empleados, las máquinas herramienta convencionales usadas así como las aplicaciones principales son similares a las de la industria mecánica nacional cubana.
3. En particular el bruñido por rodillo simple es una variante de tratamiento por deformación plástica superficial muy sencilla y de fácil implementación por lo que es recomendable su generalización en las condiciones particulares del país por su flexibilidad y menor costo en comparación con otros métodos de tratamiento por deformación plástica superficial.
4. Los mejores resultados se obtienen cuando se conocen las características constructivas de la herramienta de bruñir y las condiciones iniciales de la pieza a tratar pues debe existir una superficie pre-maquinada con un buen acabado superficial, de 3,2 a 6,3 µm (Ra) y debidamente dimensionada con exactitud debe tener suficiente espesor o diámetro para resistir la fuerza compresiva, en casos de piezas cilíndricas huecas el espesor debe ser superior al 20% del diámetro interior, el material debe tener un grado de plasticidad suficiente como para poderse deformar en la superficie ante la mencionada fuerza y una dureza inicial que no debe exceder los 40 HRC.
5. Los factores que más influyen en el proceso son la fuerza compresiva, el avance y el número de pasadas.

Datos de los autores

Ingeniero Mecánico

Maestro en Ciencias

Departamento de Procesos Tecnológicos

Facultad de Ingeniería Mecánica

Universidad Central de Las Villas

Santa Clara, Cuba

Ingeniero Mecánico

Doctor en Ciencias Técnicas

Departamento de Procesos Tecnológicos

Facultad de Ingeniería Mecánica

Universidad Central de Las Villas

Santa Clara, Cuba

Ingeniera Química

Maestra en Ingeniería

Departamento de Ingeniería Metalúrgica

Facultad de Química

Universidad Nacional Autónoma de México

Mexico D.F.

Octubre 2005

Categoría: Ciencia y Tecnología