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Mejora superficial de los pines en trenes de rodadura



    1. Resumen
    2. Palabras
      clave
    3. Materiales y
      métodos
    4. Análisis y valoración
      de los resultados
    5. Conclusiones
    6. Referencias
      bibliográficas
    7. Datos de los
      autores

    RESUMEN

    En el trabajo se
    establecen los parámetros que caracterizan el
    endurecimiento por deformación plástica por
    rodadura en pines de mecanismos de rodadura en las máquinas
    de laboreo minero elaboradas de acero AISI 1045,
    se describen los procedimientos
    del proceso de
    experimentación, se fundamentan las propiedades a
    investigar. Se describe el análisis de regresión para
    determinar la influencia de la deformación. Finalmente, se
    desarrollan los procedimientos tecnológicos para el
    endurecimiento superficial de piezas circulares empleadas en esos
    equipos. Se muestra la
    relación directa entre el número de revoluciones
    del husillo, la presión
    ejercida sobre la probeta y la dureza superficial.

    PALABRAS CLAVE

    Dureza superficial, Parámetros
    Tecnológicos, Tratamiento Superficial,
    Rodadura,

    INTRODUCCIÓN.

    Aún hoy en día la industria
    está expuesta a un cambiante y cada vez más
    competitivo escenario económico, nos encontramos con la
    realidad de que valiosos recursos
    productivos no son utilizados eficientemente, debido a que el
    enemigo número uno de la industria de fabricación
    de piezas y equipos, el desgaste, se ha encargado de retirarlos
    prematuramente de servicio.

    Se presentan dos alternativas:

    a) Aceptar las desastrosas consecuencias
    económicas del desgaste, declarándonos derrotados
    ante dicho enemigo para luego proceder a alimentar el patio de
    desechos y solicitar un componente nuevo dado que el original
    ya cumplió su vida útil.

    b) Declarar un estado de
    guerra
    permanente contra el desgaste y efectuar un análisis
    técnico económico respecto a la posibilidad de
    recuperar partes y piezas para retornarlas nuevamente a
    servicio.

    Ante esta última variante se puede proceder de
    dos maneras:

    1. Proveer la superficie de trabajo de
      un recubrimiento protector antidesgaste el cual puede aplicarse
      preventivamente en el componente nuevo o como parte de un
      proceso de recuperación de la pieza.
    2. La restauración de material en partes y
      piezas que han sufrido roturas y/o
      desprendimiento.

    La industria minera constituye, en muchos países,
    uno de los principales renglones de la economía, el
    incremento de la eficiencia y la
    diversificación de su producción en la búsqueda de
    productos
    más competitivos, demanda de
    tecnologías y con ello equipos y aparatos para su desarrollo. Un
    componente importante del equipamiento utilizado se encuentra en
    fase de deterioro progresivo, exigiendo grandes esfuerzos para
    sustituir y recuperar los dispositivos, partes y piezas que
    conforman el equipamiento un ejemplo de ello lo constituyen los
    pasadores de las esteras de los equipos de laboreo minero (figura
    1).

    Figura 1. Pasador deteriorado de las
    esteras en los equipos de laboreo minero

    A pesar de la gran variedad de factores que influyen en
    la situación planteada, tales como tipo de material,
    acabado superficial, régimen de explotación, entre
    otros aspectos se distingue por su significación en el
    alargamiento del período efectivo de trabajo de estos
    elementos: las propiedades mecánicas y tecnológicas
    que puedan desarrollar según Alvarez (1993).

    Una de estas propiedades es la dureza, la cual
    alcanza valores
    considerables, lo que debía garantizar la longevidad
    apropiada durante la explotación de los mismos. El acero
    AISI-1045 es considerado en la práctica industrial como un
    material de buena calidad que
    combina elevada tenacidad-ductilidad con una gran capacidad de
    endurecimiento por deformación y una elevada resistencia al
    desgaste a pesar de su relativa baja dureza, Bayoume
    (1995)

    El acero AISI 1045 puede lograr unificar las propiedades
    de resistencia al desgaste, en consecuencia constituye el
    material idóneo para garantizar la asignación de
    servicio de estas piezas, es un material con una apropiada
    facilidad de conformar, su costo de
    producción es relativamente bajo y ofrece buenas
    condiciones de trabajo al desgaste, este es capaz de endurecer
    por deformación plástica, no obstante en las
    condiciones en que se oferta en el
    mercado, no se
    garantiza la dureza requerida antes de su puesta en
    explotación.

    El método de
    endurecimiento por rodadura se emplea por las siguientes
    razones:

    1. El costo del
      proceso es muy bajo.
    2. El consumo de
      energía es mínimo.
    3. Es aplicable a piezas que tengan configuración
      cilíndrica.
    1. Se puede realizar sin necesidad de equipamiento
      especial.
    2. El tiempo de
      operación es muy corto.

    Este trabajo tiene el objetivo de
    establecer los parámetros tecnológicos del proceso
    de endurecimiento por rodadura en elementos circulares fabricados
    de acero al carbono AISI
    1045, sometidos a deformación plástica.

    MATERIALES Y
    METODOS.

    Para la planificación de experimentos se
    utilizó el método factorial completo de
    Mitrofánov, que permite estimar los efectos lineales y los
    efectos de interacción con un gran número de
    variables
    independientes. Los experimentos factoriales permiten combinar al
    mismo tiempo todas las variables.

    En este caso, se analizará la influencia de
    cuatros factores, de aquí que k = 2 luego, el
    número de experimento sería: N = 9. Con tres
    replicas, para un total de 27 experimentos.

    La ecuación de regresión resultante tiene
    la forma siguiente.

    Y1=b0 +
    b1X1 + b2
    X2 +
    b12X12 . . . . . .
    [1]

    Donde:

    X1.- velocidad del
    husillo; en rev/min.

    X2.- presión del rodillo del
    dispositivo sobre la probeta; en MPa.

    Y1.- dureza obtenida del ensayo; en
    HB.

    b0; b1;
    b2; b12 .- coeficientes de
    regresión que se determinan de la siguiente
    manera:

    Se determina la varianza de reproducibilidad (error) del
    experimento:

    . . . . . . . . . . [6]

    La varianza de los coeficientes de regresión se
    determina de la manera que sigue:

    . . . . . . . . . . [7]

    La significación de los coeficientes de
    regresión se comprueba por el criterio de "t student" para
    una probabilidad de
    un 95% o un intervalo de confianza de 0.05 y 15 grado de libertad
    (N-1)

    Posteriormente se calcula la varianza con
    adecuación al modelo:

    . . . . . . . . . [8]

    Siendo:

    K.- número de coeficientes
    significativos.

    Para la determinación de la presión con
    que pasará el rodillo del dispositivo por la superficie de
    la probeta (KOPOTKИXE.Π, 1989)
    se utilizará la expresión:

    . . . . . . . [9]

    Donde

    P.- presión ejercida por el rodillo sobre el
    material; en MPa

    .-
    coeficiente de resistencia a la tracción. [MPa]

    .-
    diámetro del eje (probeta). [mm]

    I2.5. – coeficiente que tiene en cuenta el módulo
    de elasticidad.

    La matriz de
    planificación de experimentos se expone en la tabla
    1.

    Tabla. 1

    Niveles

    Respuesta

    Salida

     

    X1(rev/min)

    X2(MPa)

    YI(HB)

    Nivel superior(+1)

    27

    250

       

    Nivel medio(∆)

    54

    150

       

    Nivel inferior(-1)

    110

    50

       

    Número de ensayo

      

    HB1

    HB2

    HB3

    En cada una de probetas se realizarán 3
    mediciones de dureza, la primera a una distancia de 5 mm de la
    cara lateral donde fue colocado el dispositivo (figura 1), la
    segunda a 30 mm de la primera, y la tercera a 30 mm de la
    segunda.

    Figura 2. Dispositivo para la
    deformación plástica por rodadura

    Para el desarrollo de la parte experimental de la
    investigación la probeta se somete a la
    acción
    de fricción en diferentes condiciones, a fin de evaluar la
    influencia de aquellos factores que pudieran tener un efecto
    significativo en la calidad del proceso de
    endurecimiento.

    Teniendo en cuenta que no se dispone de una
    expresión matemática
    que haya sido publicada, que permita fijar de antemano los valores de
    aquellas variables que definan la calidad óptima del
    proceso de endurecimiento del acero AISI 1045, se propone
    realizar el tratamiento matemático de las variables que se
    consideran más importantes, involucradas en el proceso
    después de un estudio preliminar de tema.

    Estas son:

    X1; X2 e
    Y1.

    Los niveles escogidos para la variable
    X1 son:

    • Nivel superior (+1): 110rev/min.

    • Nivel medio (Δ): 54rev/min.

    • Nivel inferior (-1): 27rev/min.

    Esta variable determina una de las principales
    característica por lo que se toma en cuenta.

    Los niveles escogidos para la variable
    X2 (presión del rodillo sobre la
    probeta) son:

    • Nivel superior (+1): 250 Mpa.

    • Nivel medio (Δ): 150 Mpa.

    • Nivel inferior (-1): 50 Mpa.

    Al conformarse metal bajo presión la
    correlación de desplazamiento del metal en diferentes
    direcciones (volumen
    desplazado) se determina por el principio o ley de menor
    resistencia (Emilio 1991).

    Para el análisis de varianza se utilizará
    el método de Fisher comparando los coeficientes de Fisher
    calculado con los tabulados (FTab) según
    grados de libertad.

    ANÁLISIS Y
    VALORACIÓN DE LOS RESULTADOS.

    Análisis de varianza.

    Tomando como referencia la base de datos,
    resultado de las mediciones de dureza realizada, se procede a la
    realización del análisis de varianza, según
    el método de Fisher, para evaluar el nivel de
    significación de las variaciones provocadas por los
    diferentes experimentos.

    Tabla No. 3. Resultados de la varianza
    obtenida

    Origen de las variaciones

    Suma de cuadrados

    Grados de libertad

    F

    Probabilidad

    Valor crítico para F

    Muestra

    6235,5769

    12

    3,276046718

    0,000147804

    2,147928058

    Columnas

    88,923077

    1

    0,560620757

    0,960730688

    4,225199746

    Interacción

    726,57692

    12

    0,381728904

    0,988353564

    2,147928058

    Total

    81

     

    Como se puede apreciar, la probabilidad para variaciones
    por muestras es menor de un 0.05 %, para variaciones por columnas
    es del 96 % y para variaciones por interacción es del 98
    %. Por lo que estos resultados permiten afirmar que la
    probabilidad para variaciones por muestras es menor de 0.05 %, lo
    que indica que las diferencias provocadas por las variaciones de
    los factores X1 y X2 para
    cada experimento, son significativas en tanto que la
    fluctuación de estos factores tienen gran influencia en
    los valores de dureza que se obtengan.

    Las variaciones en un 96 %, indican que las diferencias
    provocadas en cada experimento no son significativas, lo que
    muestra que las variaciones en los valores de las mediciones en
    cada probeta, son pequeñas y no son provocadas por las
    variaciones de los factores X1 y
    X2 (velocidad del husillo y presión del
    dispositivo sobre la probeta), sino por otros
    factores aleatorios.

    La probabilidad para variaciones por interacción
    del 98 %, indica que las variaciones provocadas por los
    diferentes experimentos (X1 y X2), no son
    significativas es decir, tienen una marcada tendencia a ser
    iguales. Lo confirma el criterio de que lo determinante en las
    variaciones de la dureza del acero AISI-1045, son los factores
    (X1 y X2 ).
    Los cuales son significativos expresado en el análisis de
    regresión con un grado de confianza de 98%. Por otra parte
    se puede asegurar que la dureza promedio para cada probeta
    caracteriza fielmente esta magnitud con independencia
    de la posición que haya sido realizada la medición.

    Análisis
    de Regresión para las Variables
    Involucradas

    Los resultados de la figura 3, muestran que existe una
    la relación lineal entre las variables involucradas, que
    hay alto grado de variación de la variable independiente
    sobre la variable dependiente y que el error típico que se
    comete al plotear la curva es bajo, con una alta
    aproximación a la tendencia real que debe tener la curva,
    así mismo en la figura 4 se evidencia que a medida que se
    incrementa la presión ejercida sobre la probeta aumenta la
    dureza superficial de la misma

    Figura 3. Dependencia entre la dureza y
    la velocidad del husillo

    Figura 4.
    Relación entre la presión ejercida y dureza de la
    probeta

    CONCLUSIONES

    Existe tendencia al incremento de la dureza en la misma
    medida en que se incrementan los valores de la presión
    ejercida y se disminuye la velocidad de rotación del
    husillo. Para el nivel medio (∆) existe un incremento de la
    dureza aunque no es elevado, alcanzándose valores
    máximos de HRC 285. El empleo del
    acero AISI 1045 endurecido por el método de rodadura es
    recomendable para piezas que trabajan bajo la acción
    simultánea de cargas de fatiga y
    adhesión.

    REFERENCIAS
    BIBLIOGRÁFICAS

    Alvarez, L y J. González. Máquina para el
    estudio del desgaste abrasivo en pares tribológicos.
    Revista
    construcción de maquinaria. Santa Clara,
    No2: 69-76,1993.

    Bayoume, M. R. Effect of surface finishes on fatigue
    strength. Engineering fracture mechanics. Vol 51. No 5: 861- 870.
    1995.

    Dikshit, V. Investigation of rolling contact fatigue in
    a head hardened rail. Wear. Vol 144: 89-109. 1991

    Gudenau, H. W. Thermomechanical and thermochemical wear
    mechanisms in the plastic furnace heart. Journal of university of
    science and technology Beijing. China: 37-42.
    1998

    Jarquin, G. Análisis
    matemático del endurecimiento superficial con sales de
    boro. Mmemoria del III Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica. La Habana. 1997

    KOPOTKИXE.Π.
    ΠРOГРΈССИΒΉΑЯ
    TEΧΉΟЛОГИЯ
    ООТАΗΟВЛΈΉИЛЯ.
    1989.

     

    Datos de los autores

    Tomás Fernández
    Columbié

    Licenciado en Construcción de
    maquinarias

    Profesor asistente

    Departamento de Ingeniería
    Mecánica

    Facultad de Metalurgia
    Electromecánica

    Instituto Superior Minero metalúrgico de
    Moa

    Holguín, Cuba

    Miguel Ángel Caraballo
    Núñez

    Ingeniero Electromecánico

    Doctor en Ciencias
    Técnicas

    Profesor Titular

    Departamento de Ingeniería
    Mecánica

    Facultad de Metalurgia Electromecánica

    Instituto Superior Minero metalúrgico de
    Moa

    Holguín, Cuba

    Isnel Rodríguez González

    Ingeniero Mecánico.

    Profesor asistente

    Master en Electromecánica.

    Departamento de Ingeniería Mecánica.

    Facultad de Metalurgia Electromecánica

    Instituto Superior Minero Metalúrgico de
    Moa.

    Holguín. Cuba.

    Ing. Henry Hernández
    González

    Ingeniero Mecánico.

    Trabajador

    Planta de fundición de plásticos
    Mayarí.

    Holguín. Cuba.

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