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Capıtulo 5

Taladrado de Apilados Metalicos

“Que el futuro diga cual es la verdad y evalue a

cada uno... El presente es de ellos, el futuro, que

es por lo que de verdad trabajo, es mıo...”

Nikola Tesla

RESUMEN: El mecanismo de formacion de apertura interlaminar y la influencia de la

presencia de este espaciamiento es estudiado en este capıtulo. La formacion de la aper-

tura interlaminar se debe a factores como la flexion que experimenta el material debido

a la fuerza de empuje, pero principalmente debido a la fuerza que tira del material en

sentido contrario al taladrado debido a la geometrıa de la herramienta y la rotacion de

la misma. Este efecto push-up es mas evidente para laminas de pequenos espesores y

para bajas velocidades de avance. La minimizacion del espaciamiento interlaminar en

el taladrado de materiales multicapa pasa por reducir las fuerzas de levantamiento y

aumentar la rigidez de las capas a taladrar mediante la sujecion de las mismas.

75

76 CAPITULO 5. Taladrado de Apilados Metalicos

5.1. Introduccion.

En la industria aeroespacial, paneles multicapas son comunmente utilizados para obte-

ner estructuras con buenas relaciones costo-eficiencia, reduciendo de esta forma el peso y

por ende el consumo de combustible. Se atenua ası el impacto ambiental de operacion de

las estructuras que sean fabricadas con estos materiales.

Los materiales compuestos, aleaciones de titanio y aleaciones de aluminio son mate-

riales tıpicos utilizados en el fabricacion de apilados multicapa. Para mejorar el proceso de

manufactura y ensamblado de estos materiales el taladrado en una sola pasada es utilizado

con el objetivo de taladrar la mayor cantidad de capas de materiales y combinaciones en

vez de taladrar cada uno por separado. Este proceso se complica debido a la diferencia de

propiedades producto de la combinacion de materiales a taladrar. Convirtendose en un reto

el control de la formacion de rebaba en las superficies interlaminares ası como el evitar

la incursion de viruta en estas zonas. De suceder esto, las partıculas podrıan generar abra-

sion en la superficie de los materiales expuestos produciendo fallas prematuras por fatiga.

Adicionalmente las partıculas atrapadas pueden formar imperfecciones en el ensamblado.

Ademas la formacion de rebaba involucra tener que desensamblar el montaje para realizar

operaciones de rectificado las cuales involucran tiempo y por ende un costo adicional que

no anade valor agregado al producto.

Las aleaciones de aluminio y de titanio son ampliamente utilizadas en la industria

aeronautica, algunas veces chapas de estos materiales necesitan ser taladrados conjunta-

mente para poder formar uniones hıbridas. Ası pues tiene lugar el taladrado de apilados

bimetalicos.

En la actualidad, el estudio de la formacion de un espaciamiento interlaminar no ha

sido ampliamente estudiado. En los trabajos realizados por Jie [1, 2] se presenta un modelo

analıtico muy simplificado sobre el mecanismo de formacion del espaciamiento o apertura

interlaminar. En este modelo es posible ver como los parametros geometricos y el hecho

de que las propiedades mecanicas del material son distintas para cada lamina afectan la

formacion del espaciamiento interlaminar.

Otros resultados son presentados por Melkote [3] en los cuales realizo un estudio ex-

J. De La Cruz Universidad de Sevilla

5.2. Metodologıa 77

perimental sobre la variacion de la morfologıa de la viruta y el espaciamiento interlaminar

en funcion de las configuraciones de sujecion de las chapas a taladrar.

A dıa de hoy existe un estudio numerico realizado sobre el proceso de formacion de

apertura interlaminar y el mismo fue llevado a cabo por Choi [4]. En este modelo el meca-

nismo implementado para eliminar material durante el taladrado es a traves de una criterio

de dano. A partir del cual una vez alcanzado un valor crıtico los elementos sencillamente

son eliminados de la simulacion. Este procedimiento no toma en cuenta el mecanismo de

formacion de viruta, ası como tampoco el efecto producido por la geometrıa de la herra-

mienta en la fuerza que tira de la chapa durante el mecanizado.

Es por esto que en este capıtulo, un modelo numerico ası como el estudio de la influen-

cia de la configuracion de sujecion en la formacion de la apertura interlaminar es llevado

a cabo.

5.2. Metodologıa

El taladrado de dos chapas de 1.5mm de espesor fue llevado a cabo. La primera chapa

es de una Aleacion de aluminio 7075-T6 mientras que la segunda es de titanio Ti-6Al-4V.

El taladrado es realizado con una broca de 3.97mm de diametro, angulo de punta de 118o

y un angulo de helice de 30o.

Las simulaciones buscan predecir las fuerzas de corte ası como la apertura formada

entre las dos chapas. Para medir la apertura entre las dos chapas son tomados dos puntos

de referencia en cada una de las caras de las interfases. Estos puntos son llamados Punto

1, Punto 2, Punto 3 y Punto 4.

El Punto 1 se encuentra situado sobre el eje axial de la herramienta en la cara posterior

de la Chapa 1, el Punto 2 se encuentra situado en el borde del agujero formado por la broca

a una distancia de 2.1mm del centro del agujero y sobre la cara posterior de la Chapa 1

(ver figura 5.1). Los puntos 3 y 4 son analogos a los puntos 1 y 2 pero ubicados en la parte

superior (interfase) de la Chapa 2 (chapa de Ti6Al4V). De estos puntos en estudio los de

mayor importancia son los puntos 2 y 4 ya que son los que permitiran medir la apertura

existente durante todo momento entre las dos chapas. Esta apertura resulta crıtica para



poder evaluar la posibilidad de introduccion de viruta en la interfase durante el taladrado.

La apertura es calculada como la resta del desplazamiento del punto 2 menos el punto 4.

Figura 5.1: Puntos de referencia para medir la apertura.

Ademas de los puntos de referencia mencionados anteriormente tambien se utilizan

dos puntos de referencia (instantes de tiempo) durante el taladrado. Estos puntos son de-

signados con las letras A y B. El punto A representa el instante en que se empieza a

generar el espaciamiento interlaminar, mientras que el punto B representa el instante en

que la herramienta atravieza la primera chapa.

5.3. Propiedades mecanicas de los materiales.

En el analisis de la formacion de apertura interlaminar en el taladrado de materiales

bi-metalicos se implemento una aleacion de aluminio 7075-T6 y una de titanio Ti-6Al-

4V. Las curvas de comportamiento del Titanio a diferentes temperaturas se muestran en la

figura 5.2.

La ecuacion constitutiva de Johnson-Cook (5.1) es utilizada para describir el compor-

tamiento termo-viscoplastico de los materiales en estudio sometidos al proceso de meca-

nizado. Los parametros para el Ti6Al4V y el Al7075-T6 se muestran en la tabla 5.1.


5.4. Casos de estudio 79

0 1 2 3 4 50

200

400

600

800

1000

1200

Strain Rate

Σ®

MPa

Σ vs Ε

Temp. 1055ºCTemp. 710ºCTemp. 365ºCTemp. 20ºC

Ti6Al4V

0 1 2 3 4 50

200

400

600

800

1000

1200

Strain Rate

Σ®

MPa

Σ vs Ε

Temp. 500ºCTemp. 365ºCTemp. 200ºCTemp. 20ºC

Al7075-T6

Figura 5.2: Ley Constitutiva de Johnson-Cook para el Titanio y Aluminio.

Tabla 5.1: Parametros para la ley constitutiva de Johnson-Cook

Material A B n C mTi6Al4V 980MPa 700MPa 0.48 0.028 1

Al7075-T6 546MPa 678MPa 0.71 0.024 1.56

σ = (A+Bεn)

[1 + Cln

(ε

ε0

)][1−

(T − TaTm − Ta

)m](5.1)

.

5.4. Casos de estudio

Para analizar la formacion de la apertura interlaminar tres configuraciones son estudia-

das. En la primera se utilizan cuatro pinzas como puntos de anclaje dispuestas en forma

circular, mientras que en una segunda y tercera configuracion se utilizan solo dos pin-

zas de anclaje. Una descripcion mas detallada de ambas configuraciones es expuesta mas

adelante.



Figura 5.3: Nomenclatura

5.4.1. Nomenclatura de los Casos de Estudio

Para poder distinguir las distintas configuraciones en estudio la nomenclatura presen-

tada en la tabla 5.2 es adoptada en este trabajo.

La columna Puntos de anclaje especifica el numero de puntos de sujecion (con pinzas)

utilizados en la simulacion. La excentricidad se refiere a la distancia de la herramienta

medida desde una distancia de referencia L/2. Mientras que la columna distancia entre

puntos de anclaje se refiere a la medida L existente entre pinzas.

En la figura 5.3 se puede observar un ilustracion de la nomenclatura utilizada

Tabla 5.2: Nomenclatura de los casos de estudio.

Siglas Puntos de anclaje Excentricidad Distancia entre puntos de anclaje4-2D 4 - 4 ·D4-3D 4 - 6 ·D4-4D 4 - 8 ·D

2-10D 2 0 20 ·D2-8D 2 2 ·D 20 ·D2-4D 2 6 ·D 20 ·D

2-5DH 2 0 10 ·D2-4DH 2 1 ·D 10 ·D2-3DH 2 2 ·D 10 ·D


5.5. Taladrado con 4 puntos de sujecion 81

5.5. Taladrado con 4 puntos de sujecion

Para analizar el efecto de la configuracion del montaje de las chapas a la hora del

taladrado ası como la distancia de los puntos de sujecion al punto a taladrar se realizo el

estudio de la configuracion mostrada en la figura 5.4.

(a) Vista de planta de la configuracion de anclaje(b) Vista de elevacion de la configuracion de anclaje ychapas a taladrar

Figura 5.4: Configuracion con 4 puntos de anclaje.

La distancia de los puntos de anclaje es variada una cierta cantidad multiplo del diame-

tro de la herramienta, estas distancias son: 2D, 3D y 4D. El proceso de taladrado es lle-

vado a cabo hasta que la herramienta haya entrado en contacto con la chapa inferior. Para

todas las simulaciones las velocidades de corte ası como la geometrıa de la herramienta

son mantenidas constantes, estudiando de esta forma solamente el efecto de la distancia de

anclaje.

Los puntos de anclaje son realizados tomando en cuenta una fuerza de 3100N entre-

gada por cada pinza. Dicho valor es coherente con los valores de fuerza entregado por las

pinzas utilizadas para este tipo de operacion, pinzas las cuales son utilizadas en los ensa-

yos experimentales hechos por Liang [1]. Las especificaciones tecnicas de las pinzas por

el fabricante son presentadas en el anexo A.

Para modelar las pinzas se desarrollo un modelo de dos marcos con 4 puntos como se

puede ver en la figura 5.4a, estos elementos fueron modelados como elementos rıgidos y



mallados para el calculo termico. El marco inferior es fijo mientras que el superior aplica

una fuerza total de 12400N sobre la chapa superior, 3100N por cada pinza.

5.5.1. Desplazamientos y apertura para el caso 4-2D

Los desplazamientos para el caso 4-2D en funcion del tiempo son mostrados en la

figura 5.5a mientras que la apertura es mostrada en la figura 5.5b.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0-50

0

50

100

Tiempo ® s

Des

plaz

amie

nto

®Μm

Desplazamiento vs Tiempo

Punto 2

Punto 1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0-50

0

50

100

Tiempo ® s

Des

plaz

amie

nto

®Μm


Punto 4

Punto 3

Punto 2

Punto 1

BA

(a) Desplazamiento de los puntos 1, 2, 3 y 4, caso 4-2D.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0-50

0

50

100

150

Tiempo ® s

Ape

rtur

a®

Μm

Apertura vs Tiempo

Punto 2

Punto 1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0-50

0

50

100

150

Tiempo ® s

Ape

rtur

a®

Μm

Apertura vs Tiempo

Apertura 2

Apertura 1

BA

(b) Apertura entre los puntos 1-3 y 2-4, caso 4-2D.

Figura 5.5: Desplazamiento y apertura para 4-2D.



Los resultados del analisis por medio de E.F arrojan que el desplazamiento maximo

del Punto 2 es de 125µm mientras que el desplazamiento del Punto 1 es de 75µm. Para

los puntos 3 y 4 se puede observar que el desplazamiento maximo es de 46µm y 36µm

respectivamente. Como se puede apreciar, el desplazamiento de los puntos 3 y 4 se mantie-

ne constante a medida que el taladrado continua, esto se debe al modelo plastico utilizado

para modelar el comportamiento de las chapas. Esto se manifiesta en una apertura mayor

debido a la ausencia de recuperacion elastica del material.

Para este caso de estudio la apertura generada entre las chapas evoluciono hasta un

valor de 160µm como se puede observar en la figura 5.5b, si se toma en cuenta la recu-

peracion elastica de la Chapa 2 que es de 36µm entonces la apertura maxima serıa de

124µm.

Para el caso 4-2D no existe la posibilidad de que la viruta generada por el taladrado de

la Chapa 2 se incruste en la interfase. Esto debido a que la apertura es mas pequena que

la rebaba que se generarıa al taladrar con este tipo de broca y a las velocidades de corte

en estudio. Para este caso la morfologıa de la rebaba es reducida a la vez que es evitada la

penetracion de viruta en la interfase.

5.5.2. Prediccion de las fuerzas de corte 4-2D.

La prediccion de la fuerza de corte para taladrar las chapas es mostrada en la figura

5.6, es posible ver como la fuerza de corte alcanza un maximo y luego disminuye hasta

atravesar por completo la chapa de Al-7075-T6 a los 2.15s luego la fuerza de empuje se

incrementa nuevamente al entrar en contacto con la chapa de Ti-6Al-4V. La prediccion es

mostrada en color rojo, en color azul es mostrado el ajuste realizado utilizando mınimos

cuadros. El ajuste arroja un polinomio de la forma que se muestra en la ecuacion (5.2).

Finalmente en color cyan se muestra el valor maximo de la fuerza de empuje cuyo valor

fue de 102N .

Fz(t) = −91.1599t8 + 1036.62t7 − 4742.16t6 + 11371.5t5

−15503.2t4 + 12122.6t3 − 5173.39t2 + 1007.48t+ 32.08955 (5.2)



Los resultados obtenidos para la fuerza de empuje guardan correlacion con los resul-

tados experimentales.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00

50

100

150

Tiempo ® s

Em

puje

®N

Empuje vs Tiempo

Máximo ® 102 N

Valor Medio ® 55 N

Empuje - AjustePredicción M.E.F.

Figura 5.6: Fuerza de empuje caso 4-2D

5.5.3. Desplazamiento y apertura para el caso 4-3D

Variando la distancia de los puntos de anclaje una distancia igual a 3 veces el diametro

de la herramienta, los desplazamientos y aperturas obtenidas se muestra en la figura 5.7.

Los resultados muestran que la apertura maxima es de 600µm. Si tomamos en cuenta

la recuperacion elastica que es de 60µm la apertura maxima serıa de 540µm. Para este caso

de estudio la apertura interlaminar aumenta. Esto es obvio debido a que la distancia entre

los apoyos aumenta. En principio esta apertura no representa riesgo de posible penetracion

de viruta en la interfase.

5.5.4. Prediccion de las fuerzas de corte para el caso 4-3D

Para el caso 4-3D las fuerzas de empuje predecidas son las que se muestran en la figura

5.8. Es posible ver que el perfil de la fuerza de empuje es similar al caso 4− 2D, el valor

maximo de la fuerza fue de 112N



0.0 0.5 1.0 1.5 2.0-100

0

100

200

300

400

500

600

Tiempo ® s

Des

plaz

amie

nto

®Μm


Punto 2

Punto 1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0-100

0

100

200

300

400

500

600

Tiempo ® s

Des

plaz

amie

nto

®Μm


Punto 4

Punto 3

Punto 2

Punto 1

BA


0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0

200

400

600

Tiempo ® s

Ape

rtur

a®

Μm

Apertura vs Tiempo

Punto 2

Punto 1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0

200

400

600

Tiempo ® s

Ape

rtur

a®

Μm

Apertura vs Tiempo

Apertura 2

Apertura 1

BA



5.5.5. Desplazamiento y apertura para el caso 4-4D

El ultimo caso de estudio concerniente a la configuracion de cuatro puntos de sujecion

se realizo con una distancia entre apoyos de 8D realizandose el taladrado a una distancia

equidistante de los mismos, es decir a una distancia de 4D. Los resultados obtenidos pa-

ra los desplazamientos de los puntos de referencia ası como la formacion de la apertura



0.0 0.5 1.0 1.5 2.00

50

100

150

Tiempo ® s

Em

puje

®N

Empuje vs Tiempo

Máximo ® 112 N

V.M. ® 59 N

Empuje - AjusteEmpuje - MEF

Figura 5.8: Fuerza de empuje para el caso 4-3D.

interlaminar son mostrados en las figuras 5.9a y 5.9b

La apertura maxima para este caso de estudio es de 700µm y se da a los 2.3s, momento

en el que se atraviesa la primera chapa de Aluminio.

5.6. Taladrado con 2 puntos de sujecion

Otra forma de taladrar paneles de materiales multicapa es utilizando solo dos puntos

de anclaje. En esta seccion la apertura entre dos chapas en funcion de la excentricidad de la

posicion del agujero es estudiada. La configuracion de montaje es presentada en la figura

5.10.

El diametro de las mordazas de las pinzas es de 17.5mm mientras que la separacion

entre las pinzas es de 20D de tal forma que L = 96.9mm. La distancia LD es variada

valores de 10D, 8D y 4D. El primer caso de estudio es el 2-10D.

5.6.1. Desplazamiento y apertura para 2-10D.

Para este caso de estudio la apertura es notablemente mayor que para los casos estu-

diados hasta el momento. La chapa de aluminio al tener menos puntos de restricciones



0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Tiempo ® s

Des

plaz

amie

nto

®Hm

mL


Punto 2

Punto 1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Tiempo ® s

Des

plaz

amie

nto

®Hm

mL


Punto 4

Punto 3

Punto 2

Punto 1

BA


0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Tiempo ® s

Ape

rtur

a®

mm

Apertura vs Tiempo

Punto 2

Punto 1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Tiempo ® s

Ape

rtur

a®

mm

Apertura vs Tiempo

Apertura 2

Apertura 1

BA



en su contorno como a la vez un mayor canto facilita el efecto de apertura interlaminar

inducido por la herramienta de corte. Es evidente, a partir de las figuras 5.11, que en este

caso habra penetracion de viruta en la interfase una vez se este taladrando la chapa de

Ti-6Al-4V. La apertura alcanza valores de hasta 3mm como se muestra en la figura 5.12b.

Las predicciones arrojan que la formacion de la apertura interlaminar empieza alrededor

de 1s de corte.



(a) vista en isometrico.

(b) Dimensiones del ensamble. (c) Dimensiones del ensamble.

Figura 5.10: Taladrado con 2 puntos de sujecion.

Para este caso, la herramienta atraviesa la chapa de Al-7075-T6 a los 1.5s esto de-

bido al ascenso que experimenta la misma, luego se puede observar que la apertura se

incrementa 700µm producto del rozamiento de las paredes del agujero con la herramienta

alcanzando un valor maximo de 3.0mm.

5.6.2. Prediccion de las fuerzas de corte para 2-10D

La fuerza de empuje maxima necesaria para taladrar la chapa de Al-7075-T6 es de

162N , como es posible ver en la figura 5.13. La fuerza decae a cero transcurridos los

1.5s, es este el instante en donde la broca atraviesa por completo la chapa 1. Luego se

ve un incremento abrupto, esto se debe a un contacto posterior de la herramienta con

las paredes del agujero. Luego de 1.5s hasta los 2.4s la fuerza es cercana a cero debido

a la ausencia de material en frente de la herramienta. A partir de los 2.4s la fuerza se

incrementa nuevamente hasta valores de 400N al hacer contacto e iniciar el taladrado de

la chapa de Ti-6Al-4V.



(a) Vista frontal, apertura maxima. (b) Evacuacion de viruta.

(c) Formacion de rebaba a la salida del Al-7075-T6. (d) Formacion de rebaba a la salida del Al-7075-T6.

Figura 5.11: Formacion de viruta y apertura interlaminar para el caso 2-10D.

5.6.3. Desplazamiento y apertura para el caso 2-8D.

Variando la distancia de la posicion de taladrado una distancias de 8 veces el diametros

de la herramienta medida desde una de las pinzas de sujecion los resultados obtenidos se

muestra en la figura 5.14.

En la figura 5.14b se puede observar que la formacion de la apertura interlaminar

empieza a aparecer alrededor de los 0.95s.

La apertura evoluciona hasta alcanzar un valor de 3.25mm.


Las fuerzas de corte en la chapa de aluminio registro un valor maximo de 157N (ver

grafica 5.15). Hay que tomar en cuenta que en el taladrado de la primera chapa la herra-



0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Tiempo ® s

Des

plaz

amie

nto

®m

mDesplazamiento vs Tiempo

Punto 2

Punto 1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Tiempo ® s

Des

plaz

amie

nto

®m

mDesplazamiento vs Tiempo

Punto 4

Punto 3

Punto 2

Punto 1

BA

(a) Desplazamiento, caso 2-10D.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Tiempo ® s

Ape

rtur

a®

mm

Apertura vs Tiempo

Punto 2

Punto 1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Tiempo ® s

Ape

rtur

a®

mm

Apertura vs Tiempo

Apertura 2

Apertura 1

BA



mienta percibe la rigidez conjunta (en paralelo) de las dos chapas, la chapa de aluminio

y de titanio. Una vez atravesada la primera chapa la rigidez que percibe la herramienta

es solo la rigidez de la chapa de titanio la cual depende de las propiedades mecanicas del

titanio ası como del modulo de rigidez de su seccion transversal.

Para este caso en particular los resultados de fuerza de empuje para la seccion del

aluminio son menores que para el caso anterior, pero manteniendose relativamente cerca.



0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

100

200

300

400

Tiempo ® s

Em

puje

®N

Empuje vs Tiempo

Máximo ® 162 N

V.M. ® 102 N



5.6.5. Prediccion de desplazamiento y apertura para el caso 2-4D

Taladrando a una distancia de 4 veces el diametro se consigue reducir significativamen-

te el espaciamiento interlaminar, reduciendo de esta forma la probabilidad de penetracion

de viruta en la interfase aluminio-titanio. Al igual que en los casos anteriores la formacion

de la apertura interlaminar se empieza a desarrollar alrededor de los 0.95s. La apertura

maxima alcanzada es de 1.1mm lo cual representa cerca de 1/3 de la apertura generada

para los casos 2− 10D y 2− 8D.


La fuerza de corte necesaria para taladrar la primera chapa bajo las condiciones de

corte del problema se presenta en la figura 5.17. La fuerza maxima se encuentra alrededor

de 186N la cual guarda relacion con los dos casos anteriores que presentaron fuerzas

de 162N y 147N , mostrando no verse influida de forma significativa por la posicion de

taladrado, al menos para las distancias en estudio.

Luego de los 1.5s la fuerza decae debido a que la primera chapa ha sido atravesada,

aumentando luego a los 2.5s al entrar en contacto con la segunda chapa.



0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0

1

2

3

4

Tiempo ® s

Des

plaz

amie

nto

®Hm

mL


Punto 2

Punto 1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0

1

2

3

4

Tiempo ® s

Des

plaz

amie

nto

®Hm

mL


Punto 4

Punto 3

Punto 2

Punto 1

BA


0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00

1

2

3

4

Tiempo ® s

Ape

rtur

a®

mm

Apertura vs Tiempo

Punto 2

Punto 1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00

1

2

3

4

Tiempo ® s

Ape

rtur

a®

mm

Apertura vs Tiempo

Apertura 2

Apertura 1

BA



5.7. Prediccion de desplazamiento y apertura para los ca-

sos 2-5DH, 2-3DH

Para poder analizar como influye la distancia de anclaje en la formacion de la apertura

interlaminar la distancia L fue variada de 20D a 10D. Tres casos fueron analizados, casos


5.7. Prediccion de desplazamiento y apertura para los casos 2-5DH, 2-3DH 93

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

50

100

150

200

250

300

Tiempo ® s

Em

puje

®N

Empuje vs Tiempo

Máximo ® 157 N

V.M. ® 87 N



en los cuales los taladrados fueron hechos a distancia de 5D y 3D. Las velocidades de

corte se mantuvieron igual que los casos anteriores al igual que las pinzas utilizadas para

la sujecion de las chapas.

Los resultados de la evolucion de la apertura interlaminar para el caso 2-5DH se mues-

tran en la figura 5.18.

Mientras que los resultados para el caso de estudio 2-3DH son mostrados en las figuras

5.19a y 5.19b. Para este caso la apertura maxima fue de 700µm.

Una disminucion en la apertura interlaminar es observada para estos casos en compa-

racion con los casos 2 − ∗D. Las fuerzas de corte para estos casos fueron de 121N para

el caso 2 − 5DH y de 136N para el caso 2 − 3DH . En las graficas 5.20a y 5.20b se

puede observar la evolucion de las fuerzas de empuje con el tiempo. Se observa una dismi-

nucion de la fuerza de corte a medida que la distancia de taladrado aumenta, este mismo

comportamiento se presenta en los demas casos de estudio.



0.0 0.5 1.0 1.50.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Tiempo ® s

Des

plaz

amie

nto

®Hm

mL


Punto 2

Punto 1

0.0 0.5 1.0 1.50.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Tiempo ® s

Des

plaz

amie

nto

®Hm

mL


Punto 4

Punto 3

Punto 2

Punto 1

BA


0.0 0.5 1.0 1.50.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Tiempo ® s

Ape

rtur

a®

mm

Apertura vs Tiempo

Punto 2

Punto 1

0.0 0.5 1.0 1.50.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Tiempo ® s

Ape

rtur

a®

mm

Apertura vs Tiempo

Apertura 2

Apertura 1

BA



5.8. Apertura interlaminar y fuerza de empuje para los

casos de estudio

En este capıtulo la formacion de apertura interlaminar ha sido simulada. Es posible

representar dicha apertura obtenida para los distintos casos de estudio con el objetivo de


5.8. Apertura interlaminar y fuerza de empuje para los casos de estudio 95

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00

100

200

300

400

Tiempo ® s

Em

puje

®N

Empuje vs Tiempo

Máximo ® 186 N

V.M. ® 98 N



tener una vision general de como vario esta apertura en funcion de la distancia de taladrado

desde las mordazas.

En la figura 5.21 se puede observar que las mayores aperturas se formaron para los

casos de estudio 2− ∗D especıficamente para 2− 10D y 2− 8D, y las menores para los

casos 4 − ∗D. Mientras que los casos 2 − ∗DH arrojaron valores intermedios entre los

casos mencionados anteriormente.

Se puede observar que para distancias de 4D las aperturas varıan de los 700µm a

los 1.1mm. Los valores de apertura comprendidos en este rango satisfacen los valores

crıticos a partir de los cuales se asegurarıa la no penetracion de viruta en la interfase. La

configuracion 4−∗D presenta la menor apertura pero tambien tiene la desventaja de tener

que utilizar 4 pinzas.

En el caso que la operacion solo involucre taladrados a lo largo de una lınea la confi-

guracion 2 − ∗DH es recomendada, mientras que si la operacion requiere taladrados en

direcciones perpendiculares se recomienda la configuracion 4− ∗D.

Para las configuraciones estudiadas se podrıa definir una zona segura alrededor de la

cual la operacion de taladrado no provocarıa penetracion de viruta en la interfase, estas

configuraciones y la representacion de la zona con apertura mınima se muestra en la figura

5.22.



0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Tiempo ® s

Des

plaz

amie

nto

®Hm

mL


Punto 2

Punto 1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Tiempo ® s

Des

plaz

amie

nto

®Hm

mL


Punto 4

Punto 3

Punto 2

Punto 1

BA

(a) Desplazamiento, caso 2-5DH.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Tiempo ® s

Ape

rtur

a®

mm

Apertura vs Tiempo

Punto 2

Punto 1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Tiempo ® s

Ape

rtur

a®

mm

Apertura vs Tiempo

Apertura 2

Apertura 1

BA

(b) Apertura entre los puntos 1-3 y 2-4, caso 2-5DH.

Figura 5.18: Desplazamiento y apertura para 2-5DH.

Esta zona se define como la distancia, medida desde el punto de sujecion, a la cual la

apertura maxima entre las chapas es de 1.2mm. Este valor de apertura maxima se tomo en

cuenta basandose en la suma de la altura de las rebabas a la salida del aluminio y a la

entrada del titanio las cuales presentan valores de 610µm a 990µm y 10µm a 30µm

respectivamente. Estos valores fueron obtenidos experimentalmente por Liang [1] y Min

[5].



0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Tiempo ® s

Des

plaz

amie

nto

®Hm

mL


Punto 2

Punto 1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Tiempo ® s

Des

plaz

amie

nto

®Hm

mL


Punto 4

Punto 3

Punto 2

Punto 1

BA

(a) Desplazamiento, caso 2-3DH.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Tiempo ® s

Ape

rtur

a®

mm

Apertura vs Tiempo

Punto 2

Punto 1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Tiempo ® s

Ape

rtur

a®

mm

Apertura vs Tiempo

Apertura 2

Apertura 1

BA

(b) Apertura entre los puntos 1-3 y 2-4, caso 2-3DH.

Figura 5.19: Desplazamiento y apertura para 2-3DH.

Para la configuracion (4 − ∗D) las zonas de influencia de las pinzas definirıan zonas

seguras, libres de penetracion de viruta como las que se muestran en la figura 5.22b

Para este caso es posible ver que existe un solapamiento entre las zonas de influencia

de las pinzas. Esto se puede traducir en una menor apertura interlaminar en la zona de

solapamiento.

En cuanto a las fuerzas de empuje, para cada grupo de casos de estudio la fuerza de



0.0 0.5 1.0 1.5 2.00

50

100

150

200

250

300

Tiempo ® s

Em

puje

®N

Empuje vs Tiempo

Máximo ® 121 N

V.M. ® 80 N


(a) Fuerza de empuje, caso 2-5DH.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

50

100

150

200

250

300

Tiempo ® s

Em

puje

®N

Empuje vs Tiempo

Máximo ® 136 N

V.M. ® 75 N


(b) Fuerza de empuje, caso 2-3DH.

Figura 5.20: Fuerzas de empuje para los casos 2-3DH y 2-5DH.

empuje disminuyo a medida que se aumentaba la distancia desde los puntos de anclaje

como se observa en la figura 5.23. Estas fuerzas son las requeridas para taladrar la primera

chapa. Estos valores contrastan con los experimentales presentados por Chang y Bone [6],

los cuales se encuentran entre los 120N y 135N para aleaciones de Al-6061-T6. Estos

valores son utilizados solamente de referencia ya que el material empleado en este trabajo

es un Al-7075-T6 ademas de que las condiciones de contorno difieren de las utilizadas en



0 2 4 6 8 100.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Distancia, *D

Ape

rtur

a®

Hmm

L

Apertura vs Distancia, *D

Línea de tendenciaLínea de tendenciaLínea de tendencia

ó

óó

ç

ç

ç

á

á

0 2 4 6 8 100.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Distancia, *D

Ape

rtur

a®

Hmm

L

Apertura vs Distancia, *D

á 2-*DHç 2-*Dó 4-*D

Figura 5.21: Apertura interlaminar para los casos de estudio.

(a) Zonas de influencia para 2− ∗D y 2− ∗DH . (b) Zona de Influencia para 4− ∗D.

Figura 5.22: Zonas de influencia de las pinzas de sujecion.

los experimentos presentados en el artıculo citado.

.



0 2 4 6 8 100

50

100

150

200

Distancia, *D

Fuer

zade

empu

je®

HNL

Fuerza de empuje vs Distancia, *D

Línea de tendenciaLínea de tendenciaLínea de tendencia

óó

ó

áá

á

ç

ç

0 2 4 6 8 100

50

100

150

200

Distancia, *D

Fuer

zade

empu

je®

HNL

Fuerza de empuje vs Distancia, *D

ç 2-*DHá 2-*Dó 4-*D

Figura 5.23: Fuerza de empuje para los casos de estudio.


5.9. Conclusiones 101

5.9. Conclusiones

Los resultados que arrojan los distintos casos de estudio demuestran la influencia de la

distancia de sujecion en el tamano de la apertura interlaminar formada durante el proceso

de taladrado. Diez casos de estudios fueron analizados, en estos casos las configuraciones

de sujecion de las chapas fueron variadas ası como el numero de pinzas utilizadas.

Los resultados demuestran que para los casos 2−∗D las aperturas obtenidas fueron las

mayores, seguidas de los casos 2−∗DH en los cuales se observaron aperturas interlamina-

res de menor tamano. Mientras que los casos 4−∗D resultaron ser las configuraciones las

cuales presentaron las menores aperturas interlaminares. Como muestran los resultados,

para distancia de 3D y 4D, los resultados obtenidos son menores para los casos 4 − ∗D.

Si se toma en cuenta que la rebaba formada a la salida del Al-7075 se encuentra en el orden

de los 610µm a 990µm [5], mientras que a la entrada del titanio en torno a los 10− 30µm

[1] y teniendo en cuenta la morfologıa de la viruta del titanio, la distancia crıtica a partir de

la cual existirıa la posibilidad de penetracion de viruta en la zona interlaminar se encuentra

entorno a una distancia de 4D. De esta forma se concluye que es mas favorable realizar ta-

ladrados en un radio de 4D alrededor de los puntos de anclaje. De ser ası la configuracion

de anclaje no influirıa en la apertura interlaminar.

La configuracion mostrada en la figura 5.22a la cual corresponde a las configuraciones

2-*D y 2-*DH muestran una mayor superficie sobre las cuales no se aconsejarıa realizar

agujeros en el apilado, mientras que en la configuracion mostrada en la figura 5.22b se

puede observar que esta configuracion presenta una mayor zona en la cual el taladrado es

recomendado. Tambien es posible ver que existen areas en las que las zonas de influencia

de las pinzas se solapan (pinzas en direccion diagonal) teniendo como resultado la posible

disminucion de la apertura interlaminar en dicha zona al ser la misma taladrada.

Por otra parte se observo que la formacion de apertura interlaminar se empezo a ge-

nerar a partir de los 1 − 1.2 segundos los cuales correspondıan a una profundidad de

0.6239− 0.7487mm, este instante se representa con la letra A en las graficas de apertura,

extendiendose hasta alcanzar una apertura maxima en el momento en que se atraviesa por

completo la primera chapa.



En cuanto a las predicciones de fuerza de corte, los resultados obtenidos y mostrados en

la grafica 5.23 muestran que para cada uno de los tres grupos de casos de estudio (4−∗D,

2 − ∗D y 2 − ∗DH) la fuerza presenta el mismo comportamiento, disminuye a medida

que la distancia de taladrado aumenta respecto a un punto de sujecion de referencia. Este

comportamiento se debe a la disminucion de la rigidez de la seccion a taladrar a medida

que se aumenta la distancia desde uno de los apoyos de referencia.

Tambien se observa una pendiente mayor para los casos 2 − ∗D, siendo la menor las

de los casos 4−∗D, por lo cual la pendiente de cada uno de los casos se puede asociar a la

rigidez de cada una de las configuraciones de anclaje, teniendo los casos 4−∗D la mayor

rigidez (menor pendiente) y los casos 2 − ∗D la menor rigidez (mayor pendiente). Estos

valores de fuerza contrastan con los resultados experimentales presentados por Chang y

Bone [6], los cuales se encuentran entre valores de 120N y 135N para aleaciones de Al-

6061-T6. Estos valores son utilizados solamente de referencia ya que el material empleado

en este trabajo fue un Al-7075-T6 ademas de que las condiciones de contorno difieren de

las utilizadas en los experimentos presentados en el artıculo citado.


REFERENCIAS 103

Referencias

[1] J. Liang and S. S. Bi, “Experimental Studies for Burrs in Dry Drilling of Stacked Metal

Materials,” Advanced Materials Research, vol. 129-131, pp. 959–963, Aug. 2010. [Online]. Available:

http://www.scientific.net/AMR.129-131.959

[2] L. Jie, “The formation and effect of interlayer gap in dry drilling of stacked metal materials,” The

International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 69, no. 5-8, pp. 1263–1272, Jun. 2013.

[Online]. Available: http://link.springer.com/10.1007/s00170-013-5112-9

[3] S. N. Melkote, T. R. Newton, C. Hellstern, J. B. Morehouse, and S. Turner, “Interfacial Burr Formation in

Drilling of Stacked Aerospace Materials,” in Proceedings of the CIRP International Conference on Burrs.,

J. C. Aurich and D. Dornfeld, Eds. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2010, pp. 89–98.

[Online]. Available: http://link.springer.com/10.1007/978-3-642-00568-8

[4] J. Choi, S. Min, D. Dornfeld, and M. Alam, “MODELING OF INTER-LAYER GAP FORMATION IN DRI-

LLING OF A MULTI-LAYERED MATERIAL,” Consortium on Deburring and Edge Finishing, Laboratory

for Manufacturing and Sustainability, UC Berkeley, p. 7, 2003.

[5] S. Min, D. A. Dornfeld, J. Kim, and B. Shyu, “FINITE ELEMENT MODELING OF BURR FORMATION

IN METAL CUTTING,” Machining Science and Technology, vol. 5, no. 3, pp. 307–322, Nov. 2001.

[Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1081/MST-100108617

[6] S. S. Chang and G. M. Bone, “Thrust force model for vibration-assisted drilling of aluminum 6061-T6,”

International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 49, no. 14, pp. 1070–1076, Nov. 2009.

[Online]. Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0890695509001473


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http://dx.doi.org/10.1081/MST-100108617

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0890695509001473

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