Investigation into the material removal mechanism and surface integrity of Zr-based bulk metallic glass via rotary ultrasonic vibration grinding

Resumen Técnico: Investigación del Mecanismo de Remoción de Material e Integridad Superficial de Vidrios Metálicos Masivos basados en Zr mediante Rectificado por Vibración Ultrasónica Rotativa

Planteamiento del Problema
Los vidrios metálicos masivos basados en Zr (Zr-BMGs) poseen una resistencia mecánica, tenacidad a la fractura y biocompatibilidad superiores, lo que los hace ideales para aplicaciones aeroespaciales y biomédicas de precisión. Sin embargo, su estructura amorfa metaestable carece de mecanismos de deslizamiento de dislocaciones, lo que los hace altamente susceptibles a la inestabilidad de bandas de cizallamiento localizadas bajo el esfuerzo de corte. El rectificado convencional (CG) suele inducir defectos superficiales severos, incluyendo microgrietas, desprendimientos (spalling) y acumulación de material (pile-up) a lo largo de los bordes de la ranura. Además, la sensibilidad térmica de los Zr-BMGs significa que los campos de alta temperatura generados durante el rectificado convencional pueden romper la barrera de energía cinética de cristalización, causando una cristalización térmica localizada y la pérdida de las propiedades intrínsecas del material. Estos factores crean un cuello de botella para lograr una fabricación de alta fidelidad, ya que los métodos convencionales luchan por equilibrar la eficiencia de mecanizado con la calidad superficial y a menudo requieren un extenso post-procesado.

Metodología
Este estudio emplea el Rectificado Asistido por Vibración Ultrasónica Rotativa (RUVAG) para investigar el comportamiento de remoción de material y la integridad superficial de los Zr-BMGs. La investigación combina la caracterización experimental con la simulación mediante el método de elementos finitos (FEM).

• Configuración Experimental: Los experimentos se realizaron en un centro de mecanizado de cinco ejes DMG DMC Monoblock 60 equipado con un cabezal ultrasónico impulsado por piezoeléctricos que opera a 19,332 Hz. Se utilizó una muela de rectificado de diamante electrodepositado (10 mm de diámetro).
• Parámetros: Se adoptó un método de control de una sola variable para analizar los efectos de tres parámetros clave del proceso: velocidad del cabezal (1000–4000 rpm), profundidad de corte (5–17 μm) y velocidad de avance (10–40 mm/min).
• Caracterización: La morfología superficial se analizó mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y microscopía de ultra profundidad de campo para observar patrones de rayado, acumulación de material y microgrietas. La rugosidad superficial ($R_a$) se midió cuantitativamente. Las fuerzas de corte se adquirieron mediante un dinamómetro Kistler.
• Simulación: Se desarrolló un modelo de corte ortogonal 2D utilizando ABAQUS/Explicit. La pieza de trabajo se modeló utilizando el modelo constitutivo de Johnson-Cook y el criterio de daño acumulado para simular la formación de viruta y la distribución de esfuerzos. La herramienta fue tratada como un cuerpo rígido.

Contribuciones Clave y Resultados

1. Mejora de la Calidad Superficial:

   • Reducción de la Rugosidad: El RUVAG produjo consistentemente una rugosidad superficial más baja en comparación con el rectificado convencional en la mayoría de los rangos de parámetros. La rugosidad superficial promedio obtenida mediante RUVAG fue aproximadamente un 21% menor que la del CG.
   • Mitigación de Defectos: Bajo RUVAG, los defectos severos como la acumulación de material a lo largo de los bordes de la ranura, la rotura local y las ranuras discontinuas se aliviaron significamente. La morfología superficial exhibió una distribución de rayado más uniforme y una reducción en las fluctuaciones de pico a valle.
   • Sensibilidad de Parámetros:
     • Velocidad del Cabezal: El RUVAG mostró la mejora más significativa a velocidades bajas (por ejemplo, una reducción de ~$57.2\%$ en $R_a$ a 1000 rpm), aunque el beneficio no fue estrictamente monotónico en todas las velocidades (por ejemplo, a 3000 rpm, el CG ocasionalmente produjo una rugosidad ligeramente menor).
     • Profundidad de Corte: Incluso a profundidades de corte altas (17 μm), el RUVAG mantuvo una textura densa y uniforme, mientras que el CG exhibió una severa acumulación viscoplástica e irregularidad topográfica.
     • Velocidad de Avance: A medida que aumentaban las velocidades de avance, el CG sufrió una rápida degradación de la integridad superficial debido al acoplamiento termo-mecánico. El RUVAG mantuvo niveles bajos de rugosidad incluso a altas velocidades de avance (40 mm/min) mediante la supresión de la acumulación plástica lateral.

2. Mecanismo de Remoción de Material:

   • Corte Intermitente: A diferencia del contacto continuo en el CG, el RUVAG introduce variaciones periódicas en el estado de contacto entre el grano abrasivo y la pieza de trabajo. Esto crea una dinámica de corte intermitente.
   • Distribución de Esfuerzos: Las simulaciones FEM revelaron que el RUVAG transforma la distribución de esfuerzo equivalente de un estado localizado continuo (en CG) a un estado intermitente y fluctuante. Esto reduce la concentración de esfuerzo local y el grado de localización de la banda de cizallamiento.
   • Características de Fuerza: Las fuerzas de corte bajo RUVAG exhibieron variaciones pulsadas periódicas, particularmente en la dirección vertical, lo que indica un proceso de descarga distintivo entre los ciclos de contacto. Esto permite la liberación de estrés y la difusión de calor, reduciendo la fuerza de corte promedio y la fricción.

3. Efectos Térmicos y Mecánicos:
   El estudio sugiere que el mecanismo de descarga de alta frecuencia de la vibración ultrasónica proporciona una "ventana de relajación térmica", evitando la acumulación de calor que conduce a la cristalización térmica. Además, la discretización de la capa de corte en volúmenes más pequeños reduce la carga instantánea sobre el material, promoviendo una transición hacia la fractura frágil en lugar de la acumulación dúctil.

Significancia
El artículo afirma que este trabajo esclarece el mecanismo de remoción de material de los Zr-BMGs bajo rectificado por vibración ultrasónica rotativa, demostrando que el RUVAG es un paradigma efectivo para abordar las dificultades de mecanizado asociadas con este material. Al alterar el estado de contacto y el campo de esfuerzos, esta tecnología permite un rectificado de alta eficiencia y bajo daño sin depender fuertemente del post-procesado. Los hallazgos proporcionan una base teórica y una referencia técnica para la selección racional de parámetros de proceso para lograr la fabricación de alta fidelidad de componentes de Zr-BMG, contribuyendo al marco general del mecanizado de aleaciones amorfas difíciles de procesar.