Estudio numérico del tratamiento termoquímico de carburizado y temple de una flecha de transmisión empleando diseño de experimentos

Numerical study of carburizing and quenching thermochemical treatment of a drive shaft employing experiment design

E. Rodríguez-Morales¹*, J.J. Montes-Rodríguez², A.G. Luna-Bustamante³, D. Balderas-Puga¹ y C. Luna-González⁴

¹ Instituto Tecnológico de Querétaro. Av. Tecnológico s/n esq. Mariano Escobedo, Col. Centro, C.P. 76000, Querétaro, Qro., México. *Autora para la correspondencia. E-mail: e.rodriguez.morales79@gmail.com, Tel. 44-22-27-44-21.

³ AMD Maquinaria, S.A. de C.V. Av. Peñuelas No. 21 Nave C4, Col. San Pedrito Peñuelas, C.P. 76148, Querétaro, Qro., México.

⁴ Transmisiones y Equipos Mecánicos, S.A. de C.V. Av. 5 de Febrero No. 2115, Fracc. Industrial Benito Juárez, C.P. 76120, Querétaro, Qro., México.

Recibido 30 de Junio de 2014
Aceptado 16 de Junio de 2015

Resumen

El tratamiento termoquímico de carburizado y temple se aplica extensivamente en la industria de fabricación de autopartes. Cuando el tratamiento se aplica en más de una etapa, su estudio por medio de experimentos se hace demasiado extenso por la gran cantidad de combinaciones de las variables de tratamiento que pueden obtenerse. Una alternativa de estudio viable es simular numéricamente el proceso y realizar experimentos virtuales, lo cual, en conjunto con la aplicación de técnicas estadísticas de diseño de experimentos, permite profundizar en el conocimiento del mismo a costos relativamente bajos, para encontrar así condiciones de tratamiento mas favorables que repercuten en la disminución de costos de producción. En el presente estudio se simularon, con el paquete computacional comercial COMSOL Multiphysics®, las dos etapas de carburizado, de un proceso en cuatro etapas que incluye temple, de una flecha de transmisión, obteniendose resultados que fueron validados por comparación con mediciones de dureza realizadas en piezas de producción tratadas, aplicando posteriormente un diseño de experimentos en base a un arreglo de Taguchi. Se obtuvieron así resultados de simulación para una variedad de combinaciones de parámetros de tratamiento, resaltando aquellas que implican una disminución de los costos de tratamiento.

Palabras clave: carburizado, simulación, COMSOL, dureza, Taguchi.

Abstract

Carburizing and quenching thermochemical treatment is extensively applied in the automotive parts manufacturing industry. When the treatment consists of more than one stage, the study by means of experiments becomes too vast due to the large number of combinations of treatment variables that can be obtained. A viable alternative of study is to numerically simulate the process and to perform virtual experiments, which, together with the application of design of experiments statistical techniques, allows a deeper understanding of the process at relatively low costs, in order to find more favorable treatment conditions that impact on production costs reduction. In the present study the two carburizing stages, in a four stages process that includes quenching, of a drive shaft, were simulated with COMSOL Multiphysics® commercial software package, giving results which were validated by comparison with hardness measurements performed on treated production parts, later applying a design of experiments based on a Taguchi array. Thus simulation results for a variety of combinations of treatment parameters were obtained, emphasizing those that result in a reduction of the treatment costs.

Keywords: carburizing, simulation, COMSOL, hardness, Taguchi.

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Agradecimientos

E. Rodríguez-Morales agradece al Instituto Tecnológico de Querétaro (ITQ) por el apoyo otorgado para la realización del presente proyecto, registrado ante la Dirección General de Educación Superior Tecnológica (DGEST) con el número PIII-ITQ-003-2011. A.G. Luna-Bustamante agradece la beca concedida mediante el proyecto PIII-ITQ-003-2011 para la realización de tesis de licenciatura, como parte de los trabajos del presente proyecto, durante su permanencia como estudiante de la carrera de Ingeniería Mecánica en el Instituto Tecnológico de Querétaro (ITQ). Los autores agradecen a la empresa Transmisiones y Equipos Mecánicos, S.A. de C.V. las facilidades otorgadas para la realización de la parte experimental del presente trabajo.

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