granallado

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 materiales compuestos. Consiste en golpear una superficie con granalla (partículas redondas metálicas, de vidrio o cerámica) con la fuerza suficiente para crear una deformación plástica . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

En el mecanizado, el granallado se utiliza para fortalecer y aliviar tensiones en componentes como cigüeñales y bielas de acero para automóviles . En arquitectura, proporciona un acabado mate al metal. El granallado es mecánicamente similar al arenado , aunque su propósito no es eliminar material, sino que emplea el mecanismo de la plasticidad para lograr su objetivo, donde cada partícula actúa como un martillo de bola .

El granallado de una superficie la deforma plásticamente, provocando cambios en sus propiedades mecánicas. Su principal aplicación es evitar la propagación de microfisuras en una superficie. Al someter un material a una tensión de compresión, el granallado impide la propagación de dichas fisuras. ^{[ 3 ]}

El granallado se utiliza con frecuencia en la reparación de aeronaves para aliviar las tensiones de tracción acumuladas durante el proceso de rectificado y sustituirlas por 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 por 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 el interior de la pieza no son tan problemáticas como las tensiones de tracción en la superficie, ya que es menos probable que se inicien grietas en el interior.

La intensidad es un parámetro clave del proceso de granallado. Tras cierto desarrollo del proceso, se necesitó un análogo para medir los efectos del granallado. John Almen observó que el granallado provocaba que el lado expuesto de la chapa metálica comenzara a doblarse y estirarse. Creó la tira de Almen para medir las tensiones de compresión en la tira generadas por la operación de granallado. Se puede obtener lo que se denomina la "intensidad del chorro" midiendo la deformación de la tira de Almen durante la operación de granallado. ^{[ 1 ]} Cuando la tira alcanza una deformación del 10%, la tira de Almen se golpea con la misma intensidad durante el doble de tiempo. Si la tira se deforma otro 10%, se obtiene la intensidad del chorro.

Otra forma de medir la intensidad de un proceso de granallado es mediante el uso de un proyectil Almen , desarrollado por R. Bosshard.

La cobertura , es decir, el porcentaje de la superficie indentada una o más veces, varía según el ángulo del chorro de granallado con respecto a la superficie de la pieza. El chorro tiene forma cónica, por lo que las partículas llegan en ángulos variables. Procesar la superficie con una serie de pasadas superpuestas mejora la cobertura, aunque seguirá habiendo variaciones en las "franjas". Es importante alinear el eje del chorro de granallado con el eje de la franja de Almen. Se ha demostrado que se obtiene una superficie continua con tensión de compresión en la pieza con una cobertura inferior al 50%, pero esta disminuye a medida que se aproxima al 100%. Optimizar el nivel de cobertura para el proceso que se está realizando es fundamental para obtener el efecto superficial deseado. ^{[ 5 ]}

SAE International [ ^{6 ] incluye} varios estándares para el granallado en la industria aeroespacial y otras industrias.

Entre los métodos más comunes para propulsar granalla se encuentran los sistemas de chorro de aire y las ruedas de granallado centrífugas. En los sistemas de chorro de aire, la granalla se introduce mediante diversos métodos en el flujo de aire a alta presión y se acelera a través de una boquilla dirigida hacia la pieza a granallar. La rueda de granallado centrífuga consta de una rueda de paletas de alta velocidad. La granalla se introduce en el centro de la rueda giratoria y se propulsa mediante la fuerza centrífuga de las paletas hacia la pieza, ajustando la ubicación de entrada de la granalla y controlando así su liberación. Otros métodos incluyen el granallado ultrasónico, el granallado por chorro de agua con cavitación y el granallado láser (que no utiliza granalla). Los procesos industriales de granallado se aplican comúnmente en entornos controlados para mejorar la resistencia a la fatiga y el rendimiento superficial de los componentes metálicos. ^{[ 7 ]}

Las opciones de medios incluyen granalla esférica de acero fundido, perlas de cerámica, perlas de vidrio o alambre cortado acondicionado (redondeado) . ^{[ 8 ]} 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 trozos 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 requiere granalla bien graduada de dureza, diámetro y forma uniformes, es deseable un mecanismo para eliminar los fragmentos de granalla durante todo el proceso. Hay equipos disponibles que incluyen separadores para limpiar y reacondicionar la granalla y alimentadores para agregar nueva granalla automáticamente para reemplazar el material dañado. ^{[ 9 ]}

Los sistemas de granallado incluyen modelos de rotación satélite, componentes de alimentación rotativa y diversos diseños de manipuladores. Existen sistemas monorraíl aéreos, así como modelos de cinta transportadora inversa. El equipo de sujeción de piezas incluye mesas indexadoras giratorias, robots de carga y descarga, y plantillas que sujetan varias piezas. Para piezas de mayor tamaño, se dispone de manipuladores para reposicionarlas y exponer las características al chorro de granallado. ^{[ 9 ]}

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 monitorea mediante 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 directamente proporcional al flujo de disparo, el área de exposición y el tiempo de exposición. La cobertura no es directamente proporcional debido a la naturaleza aleatoria del proceso ( teoría del caos ). Cuando se alcanza el 100% de cobertura, las ubicaciones en la superficie han sido impactadas 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 del impacto y la composición química del material y la pieza. El tamaño del impacto determina la cantidad de impactos por libra; un impacto menor produce más impactos por libra, lo que requiere menos tiempo de exposición. Un impacto de impacto suave sobre un material duro requiere más tiempo de exposición para lograr una cobertura aceptable en comparación con un impacto de impacto duro sobre un material blando (ya que el impacto más duro penetra más profundamente, creando así una mayor huella).

La cobertura y la intensidad (medidas con tiras Almen) pueden tener un efecto profundo en la vida a fatiga. Esto puede afectar a una variedad de materiales que se someten habitualmente al granallado. Una cobertura e intensidad incompletas o excesivas pueden resultar en una vida a fatiga reducida. El sobregranallado provocará un trabajo en frío excesivo en la superficie de la pieza, lo que también puede causar grietas por fatiga. ^{[ 9 ]} Se requiere diligencia al desarrollar parámetros para la cobertura y la intensidad, especialmente cuando se utilizan materiales con propiedades diferentes (es decir, metal más blando a metal más duro). Probar la vida a fatiga en un rango 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 material, y = tiempo hasta la grieta o resistencia a la fatiga) y una vida a fatiga decreciente rápidamente a medida que aumenta la intensidad o la cobertura. El "punto óptimo" se correlacionará directamente con la energía cinética transferida y las propiedades del material del material de granallado y de la pieza.

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, correas de acero y álabes de turbina . ^{[ 2 ]} También se utiliza en fundiciones para la eliminación de arena, el descascarillado, el desincrustado y el acabado superficial de piezas fundidas como bloques de motor y culatas . Su acción desincrustante puede utilizarse en la fabricación de productos de acero como tiras, placas, láminas, alambre y barras. ^{[ 1 ] [ 9 ]} El granallado también puede utilizarse para un efecto cosmético. Un uso cosmético es que la rugosidad superficial resultante de las hendiduras superpuestas hace que la luz se disperse al reflejarse . Como el granallado suele producir características superficiales más grandes que el chorro de arena, el efecto resultante es más pronunciado.

El perfil de tensión residual de compresión subsuperficial se mide mediante técnicas como la difracción de rayos X y las pruebas de perfil de dureza. El eje X representa la profundidad en mm o pulgadas, y el eje Y la tensión residual en ksi o MPa. El perfil de tensión residual máxima puede verse afectado por factores del granallado, como la geometría de la pieza, el material de la pieza, el material de la granalla, la calidad de la granalla, la intensidad de la granalla y la cobertura de la granalla. Por ejemplo, granallar una pieza de acero endurecido con un proceso y luego usar el mismo proceso para otra pieza sin endurecer podría resultar en un sobregranallado, lo que provoca una disminución drástica de las tensiones residuales superficiales, pero sin afectar las tensiones subsuperficiales. Esto es fundamental porque las tensiones máximas se encuentran típicamente en la superficie del material. La mitigación de estas tensiones superficiales más bajas se puede lograr mediante un proceso posterior de varias etapas con diámetros de granalla variables y otros tratamientos superficiales que eliminan la capa de baja tensión residual.

La tensión residual de compresión en una aleación metálica se produce por la transferencia de energía cinética (EC) de una masa en movimiento (partícula de granalla o bola de granalla) a la superficie de un material con capacidad de deformación plástica. El perfil de tensión residual también depende de la densidad de cobertura. La mecánica de las colisiones involucra propiedades de la 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 en el granallado son: velocidad de la granalla (velocidad de la rueda o presión de aire/diseño de la boquilla), masa de la granalla, composición química de la granalla, ángulo de impacto y propiedades de la pieza de trabajo. Por ejemplo: si se necesitaran tensiones residuales muy altas, se requeriría lo siguiente: granalla 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.

• El autofrettage , que produce tensiones residuales de compresión en los recipientes a presión.
• endurecimiento superficial
• Endurecimiento diferencial
• abrasivos de acero
• Tratamiento posterior de las transiciones de soldadura mediante impacto de alta frecuencia.
• Suncorite
• Trimite