El granallado es un proceso de trabajo en frío que se utiliza para producir una capa de tensión residual compresiva y modificar las propiedades mecánicas de metales y materiales compuestos. Consiste en golpear una superficie con granalla (partículas redondas de metal, vidrio o cerámica) con la fuerza suficiente para crear una deformación plástica . [1] [2]
En el mecanizado, el granallado se utiliza para reforzar y aliviar la tensión en componentes como los cigüeñales y las bielas de acero de los automóviles . En la arquitectura, proporciona un acabado opaco al metal. El granallado es similar mecánicamente al arenado , aunque su finalidad no es eliminar material, sino que emplea el mecanismo de plasticidad para lograr su objetivo, en el que cada partícula funciona como un martillo de bola .
El granallado de una superficie la extiende plásticamente, provocando cambios en las propiedades mecánicas de la misma. Su principal aplicación es evitar la propagación de microfisuras en una superficie. Al someter un material a una tensión de compresión, el granallado evita que dichas fisuras se propaguen. [3]
El granallado se utiliza a menudo en las reparaciones de aeronaves para aliviar las tensiones de tracción acumuladas en el proceso de rectificado y reemplazarlas por tensiones de compresión beneficiosas. Según la geometría de la pieza, el material de la pieza, el material de granallado, la calidad del granallado, la intensidad del granallado y la cobertura del granallado, el granallado puede aumentar la resistencia 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 superficiales confieren resistencia a la fatiga del metal y a algunas formas de corrosión bajo tensión . [1] Las tensiones de tracción en la profundidad de la pieza no son tan problemáticas como las tensiones de tracción en la superficie porque es menos probable que se formen grietas en el interior.
La intensidad es un parámetro clave del proceso de granallado. Después de cierto desarrollo del proceso, se necesitaba un análogo para medir los efectos del granallado. John Almen se dio cuenta de que el granallado hacía que el lado de la chapa metálica que estaba expuesta comenzara a doblarse y estirarse. Creó la tira de Almen para medir las tensiones de compresión en la tira creadas por la operación de granallado. Se puede obtener lo que se conoce como la "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%, se golpea la tira de Almen con la misma intensidad durante el doble de tiempo. Si la tira se deforma otro 10%, se obtiene la intensidad del chorro de granallado.
Otra operación para medir la intensidad de un proceso de granallado es la utilización de un proyectil Almen , desarrollado por R. Bosshard.
La cobertura , el porcentaje de la superficie que se sangra una o más veces, está sujeta a variación debido al ángulo del chorro de granallado con respecto a la superficie de la pieza de trabajo. El chorro tiene forma de cono, por lo que la granalla llega en ángulos variables. El procesamiento de la superficie con una serie de pasadas superpuestas mejora la cobertura, aunque seguirá habiendo variación en las "franjas". La alineación del eje del chorro de granallado con el eje de la tira de Almen es importante. Se ha demostrado que se produce una superficie de la pieza de trabajo sometida a tensión de compresión continua con una cobertura inferior al 50 %, pero disminuye a medida que se acerca al 100 %. Optimizar el nivel de cobertura para el proceso que se está realizando es importante para producir el efecto superficial deseado. [5]
SAE International [ 6] incluye varias normas para granallado en la industria aeroespacial y otras industrias.
Los métodos populares para propulsar medios de granallado incluyen sistemas de chorro de aire y ruedas de granallado centrífugas. En los sistemas de chorro de aire, los medios se introducen por diversos métodos en el camino del aire a alta presión y se aceleran a través de una boquilla dirigida a la pieza que se va a granallar. La rueda de granallado centrífuga consta de una rueda de paletas de alta velocidad. Los medios de granallado se introducen en el centro de la rueda giratoria y son propulsados por la fuerza centrífuga de las paletas giratorias hacia la pieza ajustando la ubicación de entrada del medio, cronometrando eficazmente 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 granalla de acero fundido esférica, 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. La granalla de alambre cortado puede durar cinco veces más que la granalla fundida. Debido a que el granallado exige granalla bien graduada de dureza, diámetro y forma consistentes, es deseable un mecanismo para eliminar fragmentos de granalla durante todo el proceso. Hay equipos disponibles que incluyen separadores para limpiar y reacondicionar granalla y alimentadores para agregar granalla nueva automáticamente para reemplazar el material dañado. [8]
Los sistemas de granallado por ruedas incluyen modelos de rotación por satélite, componentes de alimentación rotativa y varios diseños de manipuladores. Existen sistemas de monorraíl suspendidos, así como modelos con correas invertidas. El equipo de sujeción de piezas de trabajo incluye mesas de indexación giratorias, robots de carga y descarga y plantillas que sostienen múltiples piezas de trabajo. Para piezas de trabajo más grandes, se encuentran disponibles manipuladores para reposicionarlas y exponer las características al flujo de granallado. [8]
La granalla de alambre cortado es una granalla de metal que se utiliza para el granallado, [2] en el que 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 barata. 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 recién 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 que se producen durante el proceso de corte. Según la aplicación, hay disponibles varios rangos de dureza; cuanto mayor sea la dureza del material, menor será su durabilidad. [ Aclaración necesaria ]
Otras aplicaciones de granallado con alambre cortado incluyen el pulido y el acabado vibratorio .
Los factores que afectan la densidad de cobertura incluyen: número de impactos (flujo de la granalla), tiempo de exposición, propiedades de la granalla (tamaño, química) y propiedades de la pieza de trabajo. La cobertura se monitorea mediante un examen visual para determinar el porcentaje de cobertura (0-100%). No se puede determinar una cobertura superior al 100%. La cantidad de impactos individuales es linealmente proporcional al flujo de la granalla, 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%, las ubicaciones en la superficie han sido impactadas varias veces. Con una cobertura del 150%, ocurren 5 o más impactos en el 52% de las ubicaciones. Con una cobertura del 200%, ocurren 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 de la pieza de trabajo. El tamaño de la granalla controla la cantidad de impactos por libra, donde la granalla más pequeña produce más impactos por libra, por lo que requiere menos tiempo de exposición. La granalla blanda que impacta sobre un material duro necesitará más tiempo de exposición para alcanzar una cobertura aceptable en comparación con la granalla dura que impacta sobre un material blando (ya que la granalla más dura puede penetrar más profundamente, creando así una impresión más grande).
La cobertura y la intensidad (medidas con tiras de Almen) pueden tener un efecto profundo en la vida útil por fatiga. Esto puede afectar a una variedad de materiales que normalmente se granallan. Una cobertura e intensidad incompletas o excesivas pueden reducir la vida útil por fatiga. El granallado excesivo 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 para la cobertura y la intensidad, especialmente cuando se utilizan materiales que tienen diferentes propiedades (es decir, metal más blando a metal más duro). Probar la vida útil por fatiga en un rango de parámetros daría como resultado un "punto óptimo" donde hay un crecimiento casi exponencial hasta una vida útil por fatiga máxima (x = intensidad del granallado o energía de la corriente del medio, y = tiempo hasta la fisuración o resistencia a la fatiga) y la vida útil por fatiga disminuye 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 granallado 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, resortes de ballesta y de suspensión , perforadoras de roca y álabes de turbinas . [2] También se utiliza en fundiciones para la eliminación de arena, el descascarillado, el descascarillado y el acabado de superficies de piezas fundidas como bloques de motor y culatas . Su acción descascarilladora se puede utilizar en la fabricación de productos de acero como tiras, placas, láminas, alambres y barras. [1] [8]
El granallado es un proceso crucial en la fabricación de resortes. Los tipos de resortes incluyen ballestas, resortes de extensión y resortes de compresión. La aplicación más utilizada es para resortes de válvulas de motor (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 asegura la longevidad. Los fabricantes de automóviles están cambiando a diseños de resortes de válvulas de mayor 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 granallado controlado y de múltiples pasos es un requisito para soportar tensiones superficiales extremas que a veces exceden las especificaciones del material. La vida útil por fatiga de un resorte de rendimiento extremo (NHRA, IHRA) puede ser tan corta como dos pasadas en una pista de carreras de aceleración de 1/4 de milla antes de que se produzca relajación o falla.
El granallado se puede utilizar para lograr un efecto cosmético. La rugosidad de la superficie resultante de la superposición de hoyuelos hace que la luz se disperse al reflejarse . Debido a que el granallado generalmente produce características superficiales más grandes que el chorro de arena, el efecto resultante es más pronunciado.
El granallado y el chorro abrasivo permiten 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 superficial deseado, el impacto recubre o forma placas sobre la superficie de la pieza de trabajo. El proceso se ha utilizado para incrustar revestimientos cerámicos, aunque la cobertura es aleatoria en lugar de coherente. 3M desarrolló un proceso en el que se granalla una superficie metálica con partículas con un núcleo de alúmina y una capa exterior de sílice. El resultado fue la fusión de la sílice con la superficie. El proceso conocido como granallado fue desarrollado por la NASA. Se recubren superficies metálicas con polvos finos de metales o no metales utilizando granalla de vidrio como medio de granallado. El proceso ha evolucionado hasta llegar a la aplicación de lubricantes sólidos como el disulfuro de molibdeno a las superficies. Las cerámicas biocompatibles se han aplicado de esta manera a los implantes biomédicos. El granallado somete el material de revestimiento a altas temperaturas en las colisiones con la granalla y el revestimiento también debe estar disponible en forma de polvo, lo que limita la variedad de materiales que se pueden utilizar. Para superar el problema del calor, un proceso llamado recubrimiento mediado por colisión moderada por temperatura (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 todavía se encuentra en la fase de desarrollo de I+D. [9]
El perfil de tensión residual compresiva subsuperficial se mide 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, incluidos: geometría de la pieza, material de la pieza, material de granallado, calidad del granallado, intensidad del granallado y cobertura del granallado. Por ejemplo, granallar una pieza de acero endurecido con un proceso y luego utilizar el mismo proceso para otra pieza no endurecida podría dar como resultado un granallado excesivo, lo que causaría una disminución pronunciada de las tensiones residuales superficiales, pero no afectaría las tensiones subsuperficiales. Esto es fundamental porque las tensiones máximas se encuentran normalmente 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 granallado variados y otros tratamientos de superficie que eliminen la capa de baja tensión residual.
La tensión residual de compresión en una aleación de metal se produce por la transferencia de energía cinética (EC) desde una masa en movimiento (partícula de granalla o granalla de bola) a la superficie de un material con la 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 de la granalla; así como las propiedades de la pieza de trabajo. Los factores para el desarrollo del proceso y el control de la transferencia de EC para el granallado son: velocidad de la granalla (velocidad de la rueda o presión de aire/diseño de la boquilla), masa de la granalla, química de la granalla, ángulo de impacto y propiedades de la pieza de trabajo. Ejemplo: si necesita tensiones residuales muy altas, probablemente querrá utilizar granalla de alambre cortado de diámetro grande, un proceso de alta intensidad, chorro directo sobre la pieza de trabajo y un material de pieza de trabajo muy duro.