La atomización electrostática de mínima cantidad de lubricante (EMQL) es una técnica avanzada que implica la atomización electrostática de pequeñas cantidades de lubricante en gotas cargadas, que son transportadas a la zona de corte para enfriar y lubricar la herramienta de corte. Esta tecnología no solo mejora la calidad del mecanizado, sino que también minimiza los riesgos para la salud ocupacional al reducir la cantidad de niebla generada, una preocupación frecuente en los sistemas tradicionales de atomización neumática. La ventaja del EMQL radica en su capacidad para atomizar el lubricante en gotas cargadas eléctricamente, lo que mejora la penetración de las gotas en la zona de corte y aumenta la efectividad de la lubricación.

El sistema de EMQL se caracteriza por una integración de equipos de alta tecnología, que incluyen un generador electrostático de alta tensión, un control de micropulsos y un sistema de control de presión de aire. Este sistema permite un control preciso sobre la presión, el flujo y el voltaje, lo cual es crucial para obtener un rendimiento óptimo. El generador electrostático crea una zona de corona alrededor del electrodo, donde los iones negativos y electrones cargan las gotas del lubricante. Este proceso, que se basa en el principio de polarización de las gotas no polares, reduce la tensión superficial de las gotas debido a la repulsión de cargas similares, lo que aumenta la probabilidad de una atomización secundaria y múltiple.

Al emplear gotas cargadas, la atomización electrostática mejora las propiedades de adsorción del lubricante, lo que no solo favorece una mejor penetración en la zona de corte, sino que también disminuye el retroceso de las gotas, mejorando su estabilidad. En comparación con los sistemas tradicionales de atomización neumática, los sistemas EMQL presentan una mayor operabilidad y seguridad, aunque aún requieren mejoras en cuanto a su integración y digitalización. Por ejemplo, se han propuesto dispositivos con sistemas de control digital que permiten una mayor personalización en la aplicación del lubricante, lo que puede facilitar un control más preciso durante el proceso de mecanizado.

Por otro lado, la atomización electrostática se clasifica en tres tipos principales: atomización electrostática de lubricante (EAL), atomización coaxial electrostática (CES) y atomización de mínima cantidad de lubricante electrostática (EMQL). En el proceso EAL, se utiliza una bomba de jeringa junto con una boquilla electrostática y electrodos de alta tensión, siendo común en aplicaciones de pulverización electrostática. El sistema CES, en cambio, implica el uso de dos líquidos incompatibles que se atomizan en gotas cargadas bajo la acción de la fuerza electrostática. Recientemente, se ha propuesto un enfoque de atomización acoplada de múltiples campos de energía para mejorar la eficiencia de la atomización electrostática, lo cual permite obtener un mejor rendimiento y control sobre el proceso.

En cuanto a la vibración ultrasónica asistida en la lubricación mínima (UVMQL), este enfoque utiliza vibraciones ultrasónicas de más de 16 kHz aplicadas a la herramienta de corte. Las vibraciones ultrasónicas crean un movimiento regular en el filo de corte, lo que permite una reducción significativa en la fricción y en la fuerza de corte. El UVMQL se clasifica en dos tipos según la velocidad de corte: corte ultrasónico separado, cuando la velocidad es menor que la velocidad crítica, y corte ultrasónico no separado, cuando la velocidad supera la crítica. En el caso del corte ultrasónico separado, se crea un efecto de corte pulsante, lo que reduce la fricción y mejora la lubricación al permitir un flujo efectivo del lubricante hacia la zona de corte.

La efectividad del UVMQL depende de la amplitud de la vibración ultrasónica y de la frecuencia utilizada. Cuando la herramienta de corte se mueve en dirección opuesta a la dirección del corte, se genera un efecto de bombeo que facilita la penetración del lubricante en la zona de corte. Esto, a su vez, mejora la eficiencia de la lubricación y contribuye a una menor acumulación de calor en la herramienta y la pieza de trabajo. Esta tecnología también permite un control más fino de los parámetros de corte, lo que mejora la vida útil de las herramientas y reduce el desgaste.

A pesar de sus claras ventajas, tanto la atomización electrostática como la vibración ultrasónica asistida aún presentan desafíos técnicos. La integración de estos sistemas en equipos existentes requiere mejoras continuas en términos de diseño y control. El desarrollo de dispositivos que permitan una mayor flexibilidad y precisión en la atomización, junto con sistemas de control inteligentes, será crucial para maximizar su efectividad. La combinación de estas tecnologías promete avanzar significativamente en la mejora de los procesos de mecanizado, proporcionando soluciones más eficientes, económicas y sostenibles.

¿Cómo influye el campo térmico y la transferencia de calor por convección en el fresado con lubricación mínima electrostática (EMQL)?

El fresado es uno de los procesos de mecanizado más fundamentales, ampliamente utilizado en sectores como la fabricación de moldes y la industria aeroespacial. La generación de calor durante el fresado es un parámetro crítico en el proceso de remoción de material, ya que afecta directamente tanto la vida útil de las herramientas de corte como la microestructura de la superficie de la pieza trabajada. Por ello, la adaptación del suministro de lubricante para satisfacer los requisitos térmicos específicos de las condiciones de mecanizado es de suma importancia.

El método de atomización electrostática para la entrega de lubricante, que opera bajo los principios de la electrostática, permite una manipulación controlada de las trayectorias de las gotas. Este método ha demostrado ser eficaz en aspectos como la protección ambiental y la reducción del uso de lubricante. Sin embargo, en el proceso de fresado, la atomización electrostática enfrenta limitaciones: los parámetros del chorro (presión de aire y voltaje) no pueden ajustarse en función del flujo de calor en el área de mecanizado, lo que revela la ausencia de un modelo adecuado de transferencia de calor por convección.

El capítulo establece una representación de la fuente de calor en el fresado, basada en el método de imágenes para fuentes de calor rectangulares. Esta representación se acumula para formular un modelo integral de calor en el fresado. También se analizan los factores que afectan el flujo de calor y la transferencia de calor por convección bajo condiciones de atomización electrostática, lo que lleva al desarrollo de un modelo de transferencia de calor por convección. Este modelo proporciona orientación teórica para el control adaptativo de los parámetros del chorro en los sistemas de suministro de lubricante mínimo (MQL).

En el proceso de fresado, la transferencia de calor generado, conocido como calor de fresado, ocurre principalmente a través de tres mecanismos: radiación térmica, convección y conducción. La radiación térmica implica la difusión del calor desde el área de fresado mediante ondas electromagnéticas, un fenómeno que se vuelve significativo solo cuando la temperatura excede un umbral determinado, generalmente alrededor de los 800°C. En contraste, la conducción térmica se refiere a la transferencia de calor del fresado a los medios circundantes, que típicamente incluyen la herramienta de corte, las virutas, la pieza de trabajo y el aire, facilitando la dispersión del calor por contacto directo. El tercer mecanismo, la convección térmica, opera principalmente transfiriendo calor a un medio con alta capacidad de intercambio térmico, que, al absorber el calor, reduce consecuentemente la temperatura. En los procesos de mecanizado de metales, la aplicación de lubricantes es un ejemplo primordial de utilización de la convección para reducir las temperaturas en el área de mecanizado, ya que estos líquidos transportan activamente el calor fuera de la zona de acción.

El proceso de fresado es intermitente, lo que genera efectos de labrado más pronunciados, especialmente cuando el grosor instantáneo de la viruta no deformada es del mismo orden de magnitud que el radio de la herramienta. Por lo tanto, las principales fuentes de calor en el fresado son tanto el calor por cizalladura como el calor por labrado. Para facilitar la construcción del campo térmico en el fresado, la fuente de calor en el fresado se discretiza espacialmente a lo largo de la dirección axial de la herramienta de fresado, en función del microelemento de corte dz, formando microelementos de calor de fresado. Además, para abordar los problemas del corte intermitente y la variabilidad del grosor instantáneo de la viruta no deformada, el proceso de fresado se discretiza en el tiempo, dividiéndolo en varios microelementos de tiempo de fresado dt. El microelemento de calor de fresado dentro de cada microelemento de tiempo de fresado se simplifica como una fuente de calor rectangular. Al sumar acumulativamente las contribuciones de todas estas fuentes de calor rectangulares al aumento de temperatura en la pieza de trabajo, se puede determinar el incremento general de temperatura causado por la fuente de calor de fresado.

Las superficies diferentes al área de mecanizado se consideran adiabáticas. Basado en el método de fuentes de calor reflejadas, se construye un modelo tridimensional de conducción de calor de la fuente de calor en el fresado, que incluye las fuentes de calor por cizalladura, por labrado y sus correspondientes fuentes de calor reflejadas. De acuerdo con este modelo, cada fuente de calor se trata como una fuente de calor rectangular, con el microelemento de la fuente de calor de la superficie de cizalladura y su fuente de calor reflejada distribuidos simétricamente alrededor de la superficie de la pieza, formando un ángulo de 2φn, donde φn es el ángulo de cizalladura. Por otro lado, el microelemento de la fuente de calor de la superficie de labrado y su fuente de calor reflejada están completamente alineados.

El modelo de la fuente de calor rectangular se conceptualiza dentro de un conductor infinitamente grande, donde una fuente de calor rectangular experimenta un calentamiento instantáneo en un momento determinado. A partir de este modelo, se puede calcular el aumento de temperatura en cualquier punto N (xi, yi, zi) dentro del conductor como resultado de la fuente de calor rectangular, basándose en la distribución de calor en función de la conductividad térmica y la geometría de la fuente.

Es importante reconocer que en los procesos reales de fresado, el coeficiente de distribución térmica en la pieza de trabajo también juega un papel crucial. Este coeficiente afecta la forma en que el calor se dispersa a lo largo de la pieza y tiene implicaciones en el diseño y la optimización de los sistemas de lubricación. A medida que se avanza en la comprensión del modelo de calor de fresado, es esencial considerar no solo los factores térmicos de la herramienta y la pieza, sino también cómo estos interactúan con los parámetros del lubricante, como la viscosidad, la capacidad de absorción de calor y la eficiencia de la transferencia de calor a través del medio lubricante.

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