El granallado es un proceso de trabajo en frío que se utiliza para producir una capa de tensión residual de compresión y modificar las propiedades mecánicas de metales y compuestos. Implica golpear una superficie con perdigones (partículas redondas metálicas, de vidrio o cerámica) con fuerza suficiente para crear una deformación plástica . [1] [2]
En el mecanizado, el granallado se utiliza para fortalecer y aliviar la tensión en componentes como cigüeñales y bielas de acero para automóviles . En arquitectura proporciona un acabado apagado al metal. El shot peening es similar mecánicamente al sandblasting , aunque su propósito no es eliminar material, sino que emplea el mecanismo de la plasticidad para lograr su objetivo, funcionando cada partícula como un martillo de bola .
El granallado de una superficie la extiende plásticamente, provocando cambios en las propiedades mecánicas de la superficie. Su principal aplicación es evitar la propagación de microfisuras en una superficie. Al someter un material a tensión de compresión, el granallado evita que se propaguen tales grietas. [3]
El granallado se utiliza a menudo en la reparación de aeronaves para aliviar las tensiones de tracción acumuladas en el proceso de rectificado y reemplazarlas con tensiones de compresión beneficiosas. Dependiendo de la geometría de la pieza, el material de la pieza, el material del granallado, la calidad del granallado, la intensidad del granallado y la cobertura del granallado, el granallado puede aumentar la vida útil a la fatiga hasta en un 1000%. [4] [2]
La deformación plástica induce una tensión de compresión residual en una superficie granallada, junto con una tensión de tracción en el interior. Las tensiones de compresión superficial confieren resistencia a la fatiga del metal y a algunas formas de corrosión bajo tensión . [1] Las tensiones de tracción profundas en la pieza no son tan problemáticas como las tensiones de tracción en la superficie porque es menos probable que las grietas comiencen en el interior.
La intensidad es un parámetro clave del proceso de shot peening. Después de cierto desarrollo del proceso, se necesitaba un análogo para medir los efectos del granallado. John Almen notó que el granallado hacía que el lado de la lámina de metal que estaba expuesta comenzara a doblarse y estirarse. Creó la tira Almen para medir las tensiones de compresión en la tira creadas por la operación de granallado. Se puede obtener lo que se denomina "intensidad del chorro de granallado" midiendo la deformación en la tira de Almen que se encuentra en la operación de granallado. [1] Cuando la tira alcanza una deformación del 10%, la tira Almen se golpea con la misma intensidad durante el doble de tiempo. Si la banda se deforma otro 10%, entonces se obtiene la intensidad del chorro de explosión.
Otra operación para medir la intensidad de un proceso de granallado es el uso de una bala Almen , desarrollada por R. Bosshard.
La cobertura , el porcentaje de la superficie indentada una o más veces, está sujeta a variaciones debido al ángulo de la corriente de granallado con respecto a la superficie de la pieza de trabajo. El chorro tiene forma de cono, por lo que los disparos llegan desde distintos ángulos. Procesar la superficie con una serie de pasadas superpuestas mejora la cobertura, aunque seguirá habiendo variaciones en las "rayas". Es importante la alineación del eje del chorro de perdigones con el eje de la franja de Almen. Se ha demostrado que una superficie continua sometida a tensión de compresión de la pieza de trabajo se produce con una cobertura inferior al 50%, pero disminuye cuando se acerca al 100%. Optimizar el nivel de cobertura para el proceso que se está realizando es importante para producir el efecto de superficie deseado. [5]
SAE International [ 6] incluye varios estándares para el granallado en la industria aeroespacial y otras industrias.
Los métodos populares para impulsar medios de granalla incluyen sistemas de chorro de aire y ruedas de chorro centrífugas. En los sistemas de chorro de aire, los medios se introducen mediante diversos métodos en la trayectoria del aire a alta presión y se aceleran a través de una boquilla dirigida a la pieza que se va a granallar. La turbina centrífuga consta de una rueda de paletas de alta velocidad. Los medios de inyección se introducen en el centro de la rueda giratoria y son impulsados por la fuerza centrífuga de las paletas giratorias hacia la pieza ajustando la ubicación de entrada del medio, cronometrando efectivamente la liberación del medio. Otros métodos incluyen el granallado ultrasónico, el granallado húmedo y el granallado láser (que no utiliza medios).
Las opciones de medios incluyen perdigones esféricos de acero fundido, perlas de cerámica, perlas de vidrio o alambre cortado acondicionado (redondeado) . [7] Se prefiere la granalla de alambre cortado porque mantiene su redondez a medida que se degrada, a diferencia de la granalla fundida que tiende a romperse en pedazos afilados que pueden dañar la pieza de trabajo. Los perdigones de alambre cortado pueden durar cinco veces más que los perdigones fundidos. Debido a que el granallado exige perdigones bien graduados de dureza, diámetro y forma consistentes, es deseable un mecanismo para eliminar fragmentos de perdigones durante todo el proceso. Hay equipos disponibles que incluyen separadores para limpiar y reacondicionar granalla y alimentadores para agregar nueva granalla automáticamente para reemplazar el material dañado. [8]
Los sistemas de granallado con ruedas incluyen modelos de rotación satelital, componentes de alimentación rotativa y varios diseños de manipuladores. Hay sistemas de monorraíl elevados y modelos con cinturón inverso. El equipo de sujeción de piezas de trabajo incluye mesas indexadoras giratorias, robots de carga y descarga y plantillas que sujetan múltiples piezas de trabajo. Para piezas de trabajo más grandes, se encuentran disponibles manipuladores para reposicionarlas y exponer las características al chorro de granallado. [8]
La granalla de alambre cortado es una granalla de metal que se utiliza para granallado, [2] donde se disparan pequeñas partículas a una pieza de trabajo mediante un chorro de aire comprimido. Es un proceso de fabricación de bajo coste, ya que la materia prima básica es económica. Las partículas recién cortadas son un abrasivo eficaz debido a los bordes afilados que se crean en el proceso de corte; sin embargo, la granalla cortada no es un medio de granallado deseable, ya que sus bordes afilados no son adecuados para el proceso.
La granalla cortada se fabrica a partir de alambre de alta calidad en el que cada partícula se corta a una longitud aproximadamente igual a su diámetro. Si es necesario, las partículas se acondicionan (redondean) para eliminar las esquinas afiladas producidas durante el proceso de corte. Dependiendo de la aplicación, hay disponibles varios rangos de dureza; cuanto mayor sea la dureza del medio, menor será su durabilidad. [ se necesita aclaración ]
Otras aplicaciones de perdigones de alambre cortado incluyen el acabado por volteo y vibración .
Los factores que afectan la densidad de cobertura incluyen: número de impactos (flujo de disparo), tiempo de exposición, propiedades del disparo (tamaño, química) y propiedades de la pieza de trabajo. La cobertura se controla mediante un examen visual para determinar el porcentaje de cobertura (0-100%). No se puede determinar una cobertura superior al 100%. El número de impactos individuales es linealmente proporcional al flujo de disparo, el área de exposición y el tiempo de exposición. La cobertura no es linealmente proporcional debido a la naturaleza aleatoria del proceso ( teoría del caos ). Cuando se logra una cobertura del 100%, los lugares de la superficie se han visto afectados varias veces. Con una cobertura del 150%, se producen 5 o más impactos en el 52% de las ubicaciones. Con una cobertura del 200%, se producen 5 o más impactos en el 84% de las ubicaciones.
La cobertura se ve afectada por la geometría de la granalla y la química de la granalla y la pieza de trabajo. El tamaño del disparo controla cuántos impactos hay por libra, mientras que un disparo más pequeño produce más impactos por libra, por lo que requiere menos tiempo de exposición. Un disparo suave que impacte un material duro requerirá más tiempo de exposición para alcanzar una cobertura aceptable en comparación con un disparo duro que impacte un material blando (ya que el disparo más duro puede penetrar más profundamente, creando así una impresión más grande).
La cobertura y la intensidad (medidas con tiras Almen) pueden tener un efecto profundo en la vida útil. Esto puede afectar a una variedad de materiales típicamente granallados. La cobertura e intensidad incompletas o excesivas pueden provocar una reducción de la vida útil. El exceso de granallado provocará un trabajo en frío excesivo en la superficie de la pieza de trabajo, lo que también puede provocar grietas por fatiga. [8] Se requiere diligencia al desarrollar parámetros de cobertura e intensidad, especialmente cuando se utilizan materiales que tienen diferentes propiedades (es decir, de metal más blando a metal más duro). Probar la vida a fatiga sobre una variedad de parámetros daría como resultado un "punto óptimo" donde hay un crecimiento casi exponencial hasta una vida a fatiga máxima (x = intensidad de granallado o energía del flujo de medios, y = tiempo hasta el agrietamiento o resistencia a la fatiga) y La vida útil de la fatiga decae rápidamente a medida que se agrega más intensidad o cobertura. El "punto óptimo" se correlacionará directamente con la energía cinética transferida y las propiedades del material del medio de inyección y la pieza de trabajo.
El granallado se utiliza en piezas de engranajes , levas y árboles de levas , resortes de embrague , resortes helicoidales , bielas , cigüeñales , ruedas dentadas, ballestas y resortes de suspensión , perforadoras de roca y álabes de turbinas . [2] También se utiliza en fundiciones para eliminar arena, descorazonar, desincrustar y acabar superficies de piezas fundidas como bloques de motor y culatas . Su acción desincrustante se puede utilizar en la fabricación de productos de acero como tiras, placas, láminas, alambres y barras. [1] [8]
El shot peening es un proceso crucial en la fabricación de resortes. Los tipos de resortes incluyen resortes de láminas, resortes de extensión y resortes de compresión. La aplicación más utilizada son los resortes de válvulas de motores (resortes de compresión) debido a la alta fatiga cíclica. En una aplicación de resorte de válvula OEM, el diseño mecánico combinado con algo de granallado garantiza la longevidad. Los fabricantes de automóviles están cambiando a diseños de resortes de válvulas de alto rendimiento y mayor tensión a medida que evolucionan los motores. En aplicaciones de resortes de válvulas de alto rendimiento del mercado de accesorios, la necesidad de un granallado controlado y en varios pasos es un requisito para soportar tensiones superficiales extremas que a veces exceden las especificaciones del material. La vida de fatiga de un resorte de rendimiento extremo (NHRA, IHRA) puede ser tan corta como dos pasadas en una pista de carreras de resistencia de 1/4 de milla antes de que se produzca la relajación o la falla.
Se puede utilizar granallado para obtener un efecto cosmético. La rugosidad de la superficie resultante de los hoyuelos superpuestos hace que la luz se disperse al reflejarse . Debido a que el granallado normalmente produce características superficiales más grandes que el granallado, el efecto resultante es más pronunciado.
El granallado y el granallado abrasivo pueden aplicar materiales sobre superficies metálicas. Cuando las partículas de granalla o arena se lanzan a través de un polvo o líquido que contiene el revestimiento de superficie deseado, el impacto cubre o recubre la superficie de la pieza de trabajo. El proceso se ha utilizado para incrustar revestimientos cerámicos, aunque la cobertura es más aleatoria que coherente. 3M desarrolló un proceso en el que se chorreaba una superficie metálica con partículas con un núcleo de alúmina y una capa exterior de sílice. El resultado fue la fusión de la sílice a la superficie. El proceso conocido como revestimiento de peen fue desarrollado por la NASA. Se aplican polvos finos de metales o no metales sobre superficies metálicas utilizando perdigones de vidrio como medio de granallado. El proceso ha evolucionado hasta la aplicación de lubricantes sólidos como el disulfuro de molibdeno a las superficies. De esta forma se han aplicado cerámicas biocompatibles a implantes biomédicos. El revestimiento por penetración somete el material de revestimiento a altas temperaturas en las colisiones con el disparo y el revestimiento también debe estar disponible en forma de polvo, lo que limita la gama de materiales que se pueden utilizar. Para superar el problema del calor, un proceso llamado recubrimiento mediado por colisión y temperatura moderada (TM-CMC) ha permitido el uso de polímeros y materiales antibióticos como recubrimientos granallados. El recubrimiento se presenta como un aerosol dirigido a la superficie al mismo tiempo que una corriente de partículas granuladas. El proceso TM-CMC aún se encuentra en la fase de desarrollo de I+D. [9]
Se mide un perfil de tensión residual de compresión subsuperficial utilizando técnicas como difracción de rayos X y pruebas de perfil de dureza. El eje X es la profundidad en mm o pulgadas y el eje Y es la tensión residual en ksi o MPa. El perfil de tensión residual máxima puede verse afectado por los factores del granallado, que incluyen: geometría de la pieza, material de la pieza, material del granallado, calidad del granallado, intensidad del granallado y cobertura del granallado. Por ejemplo, granallar una pieza de acero endurecido con un proceso y luego usar el mismo proceso para otra pieza no endurecida podría resultar en un granallado excesivo; causando una fuerte disminución en las tensiones residuales superficiales, pero sin afectar las tensiones subsuperficiales. Esto es fundamental porque las tensiones máximas suelen producirse en la superficie del material. La mitigación de estas tensiones superficiales inferiores se puede lograr mediante un proceso posterior de varias etapas con diámetros de disparo variados y otros tratamientos superficiales que eliminan la capa de tensión residual baja.
La tensión residual de compresión en una aleación metálica se produce por la transferencia de energía cinética (KE) desde una masa en movimiento (partícula de granalla o bola) hacia la superficie de un material con capacidad de deformarse plásticamente. El perfil de tensión residual también depende de la densidad de cobertura. La mecánica de las colisiones involucra propiedades de dureza, forma y estructura del proyectil; así como las propiedades de la pieza de trabajo. Los factores para el desarrollo del proceso y el control de la transferencia de KE para el granallado son: velocidad del granallado (velocidad de la rueda o presión de aire/diseño de la boquilla), masa del granallado, química del granallado, ángulo de impacto y propiedades de la pieza de trabajo. Ejemplo: si necesita tensiones residuales muy altas, probablemente desee utilizar perdigones de alambre cortado de gran diámetro, un proceso de alta intensidad, chorro directo sobre la pieza de trabajo y un material de pieza de trabajo muy duro.