Tensiones residuales en el mecanizado: causas y control

Las tensiones residuales son estados de esfuerzo en equilibrio interno dentro de una pieza. En procesos como el arranque de viruta (fresado, torneado, rectificado), estas tensiones se generan principalmente por dos mecanismos:

1. Deformación mecánica: La interacción de la herramienta de corte con el material provoca deformaciones plásticas localizadas en la superficie.
2. Efectos térmicos: El calor generado en la zona de corte, debido a la fricción y la deformación, provoca expansiones y contracciones no uniformes que, al enfriarse, dejan tensiones atrapadas.

Según estudios técnicos, estas tensiones se clasifican en tensiones de tracción (perjudiciales, ya que favorecen la propagación de grietas y reducen la resistencia a la fatiga) y tensiones de compresión (generalmente beneficiosas, pues ayudan a cerrar microfisuras y mejorar el comportamiento ante cargas cíclicas).

Factores que influyen en su magnitud

La magnitud y distribución de estas tensiones dependen de múltiples variables del proceso:

• Parámetros de corte: Velocidad de corte, avance y profundidad de pasada.
• Estado de la herramienta: El desgaste del filo aumenta la fricción y, por ende, las tensiones térmicas.
• Refrigeración: Un uso inadecuado del fluido de corte impide evacuar el calor, agravando el gradiente térmico.
• Material: La conductividad térmica y la capacidad de endurecimiento por deformación del material base.

La presencia de tensiones residuales no controladas es una causa principal de inestabilidad dimensional en la fabricación de alta precisión. Una pieza que parece correcta al salir de la máquina-herramienta puede deformarse horas o días después debido a la relajación de estas tensiones internas.

Efectos principales en la industria

• Distorsión geométrica: Alabeos, pérdida de planitud o desviaciones en la posición de orificios.
• Fallo prematuro: Reducción drástica de la resistencia a la fatiga en componentes sometidos a cargas cíclicas (ejes, engranajes, álabes de turbina).
• Corrosión bajo tensión: Las zonas con tensiones de tracción son más susceptibles a la corrosión acelerada.

Para mitigar estos efectos, empresas especializadas como Izadi Mecanizados aplican estrategias de control de procesos que garantizan la integridad superficial, fundamental en sectores exigentes como el aeronáutico o el energético.

Dado que las tensiones residuales no son observables a simple vista, la industria emplea técnicas específicas para su cuantificación. La medición es esencial para validar procesos de fabricación críticos.

Técnicas de medición comunes

1. Difracción de rayos X (XRD): Técnica no destructiva de alta precisión para medir esfuerzos en la superficie (hasta una profundidad de unos 0,025 mm).
2. Método de perforación (Hole drilling): Técnica semidestructiva que consiste en realizar un pequeño orificio y medir la relajación de la deformación mediante una roseta extensométrica.
3. Método del contorno: Técnica destructiva que proporciona un mapa bidimensional de las tensiones en toda la sección de una pieza.

Estrategias de alivio de tensiones

Cuando el nivel de tensiones residuales supera los límites tolerables, se aplican tratamientos de alivio de tensiones (distensionado):

• Tratamiento térmico: Calentamiento controlado de la pieza para permitir la redistribución atómica hacia un estado de menor energía.
• Tratamiento vibratorio: Uso de vibraciones mecánicas para reducir los esfuerzos internos.
• Granallado (Shot peening): Proceso mecánico que induce tensiones residuales de compresión superficiales para mejorar la resistencia a la fatiga.

En España, las empresas dedicadas al mecanizado se agrupan bajo el CNAE 2553 (Mecanizado de metales). Aunque no existen leyes ambientales específicas que regulen la "tensión residual" per se, la normativa de calidad (como la ISO 9001) y las especificaciones técnicas de cliente exigen el cumplimiento de tolerancias dimensionales estrictas, lo que obliga a las empresas a controlar este fenómeno.

Para la caracterización de materiales y sus propiedades mecánicas, la industria se rige por normas internacionales como la ISO 6892-1 (ensayos de tracción), que ayuda a entender el límite elástico y la capacidad de deformación del material antes y después del mecanizado.

• Organización Internacional de Normalización (ISO)^[1]
• Asociación Española de Normalización (UNE)^[2]
• Análisis de tensiones residuales por difracción de rayos X - Universidad de La Rioja^[3]
• Métodos de medición de tensiones residuales - Sint Technology^[4]