El comportamiento de la fricción en el mecanizado, especialmente cuando se utilizan diferentes fluidos de corte, es fundamental para comprender cómo afectan estos en el rendimiento general del proceso. Según los estudios recientes, se observa que el coeficiente de fricción varía significativamente bajo diferentes condiciones de trabajo. De acuerdo con los datos presentados en la Figura 5.18, el mayor coeficiente de fricción se obtiene con el uso de MQL (Minimum Quantity Lubrication), alcanzando un valor de 0.79, mientras que los nanofluidos, como el Al₂O₃ NMQL, presentan una notable disminución en la fricción (0.413), lo que implica una reducción del 47.7% en comparación con MQL. En particular, el SiO₂ NMQL sigue con un coeficiente de fricción de 0.426, lo que representa una reducción del 46.1% en comparación con el MQL. Otros nanofluidos como los basados en grafito y SiC también muestran mejoras, pero en menor medida.

Es importante notar que, cuando el coeficiente de fricción supera el valor de 0.5, la fricción adhesiva y el flujo de material se producen exclusivamente en la pieza de trabajo, no en la interfaz herramienta-pieza. Este fenómeno lleva a una espesorización de los residuos deformados, lo que reduce el ratio de corte y el ángulo de cizallamiento, incrementando la longitud de cizallamiento. Como resultado, tanto la fuerza como la potencia necesaria para eliminar los residuos aumentan significativamente. Este comportamiento resalta la importancia de un coeficiente de fricción bajo para mejorar la eficiencia energética en el proceso de mecanizado.

El análisis de la energía específica, que mide la cantidad de energía convertida durante el proceso de fresado, revela que los nanofluidos, como el Al₂O₃ NMQL, presentan una energía específica mínima. Esto no solo mejora la eficiencia del proceso, sino que también lo convierte en una opción respetuosa con el medio ambiente y energéticamente eficiente. Un menor valor de energía específica indica un proceso de mecanizado más eficiente y menos costoso en términos de consumo energético.

En cuanto a la calidad superficial, el análisis de la rugosidad de la superficie en la Figura 5.20a muestra que la rugosidad de la superficie (Ra) bajo MQL fue la más alta (1.596 μm), lo que implica una superficie más áspera. En cambio, el procesamiento con NMQL con Al₂O₃ y SiO₂ resultó en superficies significativamente más lisas. Por ejemplo, el procesado con SiO₂ NMQL obtuvo la rugosidad más baja (Ra = 0.594 μm), lo que representó una mejora del 62.78% respecto al MQL. Esta reducción en la rugosidad está vinculada directamente a las propiedades lubricantes de los nanofluidos, que reducen el contacto entre la herramienta y la pieza de trabajo, lo que a su vez mejora la calidad de la superficie.

Además de la rugosidad Ra, el parámetro RSm, que mide el diámetro promedio de los arañazos en la superficie, también mostró diferencias significativas. MQL produjo el mayor valor de RSm (0.399 mm), indicando una mayor amplitud de los rasguños superficiales, lo que refleja una menor calidad superficial. Los nanofluidos como Al₂O₃ NMQL mostraron los valores más bajos de RSm (0.095 mm), lo que indica una mejor calidad de la superficie debido a la menor vibración de la herramienta y la menor fuerza de corte.

El análisis de la curva Rmr, que representa las características de las irregularidades microscópicas de la superficie, también proporcionó información importante sobre la calidad superficial. En general, la superficie procesada con SiO₂ NMQL mostró la mejor calidad, con un perfil de superficie que indicaba mayor capacidad de almacenamiento de aceite, lo que contribuyó a una mejor lubricación y, en última instancia, a una mayor resistencia al desgaste. En contraste, el procesamiento con Al₂O₃ NMQL, aunque mejor que MQL, mostró una capacidad de almacenamiento de aceite inferior, lo que puede traducirse en una menor resistencia al desgaste.

Además de estos aspectos técnicos, es relevante destacar que la morfología de los residuos generados durante el mecanizado también juega un papel crucial en la eficiencia del proceso y la vida útil de las herramientas. La observación de los residuos mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) revela que la forma y la textura de los residuos de corte varían según el tipo de fluido de corte utilizado. Por ejemplo, bajo condiciones de MQL, los residuos presentaron una morfología más áspera, mientras que los nanofluidos tendieron a producir residuos más uniformes y con superficies más lisas, lo que facilita la eliminación de los mismos y contribuye a un proceso de mecanizado más eficiente.

En resumen, el uso de nanofluidos en el mecanizado ofrece ventajas significativas en términos de reducción de la fricción, mejora de la calidad superficial y mayor eficiencia energética. Aunque los nanofluidos como el Al₂O₃ y el SiO₂ NMQL han demostrado ser altamente efectivos, su impacto en la morfología de los residuos y en la durabilidad de las herramientas requiere un análisis más profundo. De igual forma, los parámetros como la rugosidad Ra y RSm, junto con la evaluación de la curva Rmr, son esenciales para comprender de manera integral la calidad superficial alcanzada en el proceso de mecanizado.

¿Cómo influye la asistencia de descargas eléctricas y vibraciones ultrasónicas en la eficiencia del proceso de mecanizado?

El análisis de difracción se llevó a cabo utilizando una máquina de Difracción de Rayos X (XRD), para estudiar las señales de voltaje durante el proceso de Mecanizado Asistido por Descarga Eléctrica (EDAM, por sus siglas en inglés). En la figura 6.19, se muestran las señales de voltaje de carga y descarga durante el proceso de EDAM. El tiempo total requerido para generar una chispa de plasma (Tp) durante cada ciclo, que incluye el tiempo de carga (tch), el tiempo de inactividad (tid) y el tiempo de descarga (tdh), se expresa mediante la ecuación (6.5). Cada proceso de descarga en EDAM incluye múltiples cargas y descargas, y el tiempo total de descarga (Ttotal) se describe en la ecuación (6.6), donde N es el número de pulsos de chispas de plasma. Varios factores influyen en la frecuencia de descarga, incluyendo parámetros como el tiempo Ton, el tiempo Toff y el tamaño de la capacitancia.

En el circuito combinado RC y transistor basado en EDAM, la relación entre el voltaje (Vch) durante la carga de la capacitancia y el tiempo de carga (tch) se puede describir de la siguiente manera: (6.7), donde Vch representa el voltaje máximo durante la carga, tch es el tiempo y T es la constante de tiempo (T = RC; R es la resistencia, C es la capacitancia). Al alcanzar el voltaje máximo, ocurre el tiempo de inactividad (tid). El cambio entre los tiempos de descarga es tdh, y el cambio en el voltaje de descarga (Vdh) se expresa en la ecuación (6.8).

La figura 6.20 ilustra las señales de voltaje de descarga registradas durante los procesos de EDM, EDAM y Mecanizado Asistido por Descarga Eléctrica y Vibración Ultrasónica (US-EDAM). En el estado de circuito abierto, la brecha entre la pieza de trabajo y el electrodo supera la brecha de descarga habitual. En este estado, el generador de pulsos combinado RC y transistor no carga ni descarga, pero el mecanizado puede seguir realizándose. En la figura 6.20 se observa que la forma de onda de voltaje de descarga de US-EDAM muestra una mayor estabilidad que la de EDAM. Un cortocircuito, causado principalmente por la inestabilidad de la brecha de descarga, se observa en la forma de onda de descarga de EDAM. En cambio, US-EDAM evita eficazmente los cortocircuitos durante el proceso de descarga, como se muestra en la figura 6.20. Además, US-EDAM modifica con destreza la brecha de descarga, mejorando la eficiencia y constancia del proceso EDM mediante la asistencia de vibración.

Es fundamental comprender los resultados de las fuerzas de corte en los diversos métodos de mecanizado para entender los mecanismos subyacentes del proceso. En la figura 6.21 se muestran los resultados de las fuerzas de corte obtenidas de diferentes métodos de mecanizado con diferentes velocidades de avance. Durante este proceso, se seleccionó una velocidad de husillo de 3000 rpm y un valor intermedio de capacitancia de 100,000 pF. Para minimizar el error experimental, el proceso de corte comenzó solo cuando la señal de medición se estabilizó. Dado el ruido causado por la vibración de la máquina, se aplicó un método de filtrado al valor final de la fuerza de corte para mitigar la interferencia del ruido. Para mejorar la precisión de la medición, se registraron tres veces las fuerzas de corte bajo cada parámetro, y el valor promedio se consideró como el valor definitivo de la fuerza de corte.

El análisis comparativo de las fuerzas de corte entre los diferentes métodos de mecanizado revela una tendencia clara: la fuerza de corte con US-EDAM es la más baja, seguida por EDAM, USM y CM en orden ascendente. La menor fuerza de corte observada en EDAM se debe al proceso EDM, que ablanda la superficie, reduciendo tanto la fuerza de corte como el calor de corte durante el fresado. Por otro lado, USM, siendo un método de mecanizado intermitente, aprovecha la efectividad de la asistencia por vibración para reducir notablemente las fuerzas de corte. El enfoque híbrido de US-EDAM, combinando las ventajas tanto de EDM como de USM, se manifiesta en la fuerza de corte más baja entre los métodos estudiados. Los resultados medidos refuerzan este punto, mostrando que a una velocidad de avance de 5 μm/diente, en comparación con CM, la fuerza de corte Fx después de USM se reduce en un 16.91%, la fuerza de corte Fx después de EDAM se reduce en un 38.02%, y la fuerza de corte Fx después de US-EDAM se reduce en un impresionante 52.11%. Esta cuantificación solidifica el rendimiento superior del método híbrido US-EDAM en la minimización de las fuerzas de corte durante las operaciones de mecanizado.

La figura 6.21 proporciona más detalles sobre la relación entre la velocidad de avance y la fuerza de corte en el proceso de mecanizado. A medida que aumenta la velocidad de avance, se observa un incremento notable en la fuerza de corte en la dirección del avance. Este fenómeno se debe al aumento concurrente de la velocidad de cizallamiento en el plano de cizallamiento, lo que resulta en un aumento asociado en la fuerza de cizallamiento durante el mecanizado. Además, la mayor velocidad de avance contribuye a un mayor volumen de corte por diente, lo que lleva a la expansión del área de corte transitoria y un aumento gradual de la fuerza de corte. Es importante señalar que los resultados de la fuerza de corte en procesos como USM, EDAM y US-EDAM consistentemente muestran valores más pequeños en comparación con el mecanizado convencional (CM). Esta reducción puede atribuirse a los efectos beneficiosos de la asistencia por vibración y la asistencia EDM en estas técnicas avanzadas de mecanizado. Especialmente, a velocidades de avance más bajas, el impacto mitigador sobre la fuerza de corte de EDAM y USM es más pronunciado, debido a la mayor duración de la descarga de chispa y la asistencia por vibración.

En la figura 6.22, se ilustra la topografía de la superficie de corte después de diferentes métodos de mecanizado con una velocidad de avance de 10 μm/diente. Es evidente que el tamaño de las virutas resultantes del mecanizado convencional (CM) es el más grande entre los métodos considerados. Se observan características distintas en las superficies de las virutas después del mecanizado ultrasónico (USM), el mecanizado abrasivo asistido por descarga eléctrica (EDAM) y el método híbrido US-EDAM. En el caso de USM, se observan grandes agujeros en las superficies de las virutas, consecuencia de la naturaleza intermitente de la asistencia por vibración que comprime las virutas en una forma de corte única. Los agujeros generados por EDAM son resultado de la formación de cráteres en la superficie durante el proceso de descarga, lo que lleva a vacíos visibles en las virutas fresadas. Entre estos métodos, el tamaño de las virutas producido por US-EDAM es el más pequeño, mientras que el tamaño de los agujeros es el mayor. Este fenómeno se atribuye a la descarga más estable observada durante US-EDAM y la efectividad de la asistencia por vibración en la reducción del tamaño de las virutas.

Es necesario señalar que la combinación de la descarga eléctrica y la vibración ultrasónica en el proceso US-EDAM mejora de manera significativa la calidad de la superficie de la pieza trabajada. La estabilidad de la brecha de descarga durante este proceso y la asistencia por vibración permiten obtener una superficie más fina y uniforme en comparación con los métodos convencionales. Esta mejora no solo se refleja en la disminución de las fuerzas de corte, sino también en una mayor precisión en la geometría de la pieza y una mejor calidad del acabado superficial.

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