En el mecanizado convencional, las fuerzas de corte se distribuyen principalmente en tres direcciones: tangencial, radial y axial. Estas fuerzas determinan la eficiencia y la calidad del proceso de corte, influyendo directamente en el desgaste de la herramienta y en la precisión del trabajo. En este contexto, se puede modelar el comportamiento de las fuerzas de corte en función de la geometría del corte y las propiedades del material utilizando ecuaciones específicas. Una de estas ecuaciones es la siguiente, que describe las fuerzas en la dirección tangencial, radial y axial en el proceso de corte:

dFt,dFr,dFa=Ktc⋅ha⋅fz⋅sin⁡(ϕn(t,z))(4.11)dF_t, dF_r, dF_a = K_{tc} \cdot h_a \cdot f_z \cdot \sin(\phi_n(t, z)) \quad \text{(4.11)}

Donde ha(t,z)h_a(t, z) representa el grosor no cortado instantáneo del elemento de corte, que depende del avance fzf_z y el ángulo de entrada radial del elemento de corte ϕn(t,z)\phi_n(t, z), entre otros parámetros. Además, KtcK_{tc}, KrcK_{rc} y KacK_{ac} son los coeficientes de fuerza tangencial, radial y axial de corte, respectivamente.

En este tipo de modelado, la temperatura de corte y el esfuerzo de flujo de corte son factores clave para determinar el comportamiento del material bajo condiciones de corte extremas. Utilizando el modelo constitutivo de Johnson-Cook (J-C), es posible calcular la temperatura de corte TslT_{sl} y el esfuerzo de flujo τs\tau_s, los cuales son fundamentales para evaluar la capacidad de la herramienta para soportar las condiciones térmicas y mecánicas del proceso de corte.

El modelo J-C se expresa como:

τs=A+B⋅ϵn(1+C⋅ln⁡(ϵ˙))⋅(T−TrTm−Tr)m(4.12)\tau_s = A + B \cdot \epsilon^n \left( 1 + C \cdot \ln(\dot{\epsilon}) \right) \cdot \left( \frac{T - T_r}{T_m - T_r} \right)^m \quad \text{(4.12)}

Donde los parámetros AA, BB, CC, nn y mm dependen del material de la pieza de trabajo, y las propiedades térmicas, como la temperatura de fusión TmT_m y la temperatura ambiente TrT_r, son esenciales para evaluar cómo la temperatura afecta el esfuerzo de corte.

En el caso del mecanizado asistido por descarga eléctrica (EDAM), la situación cambia de manera significativa. Este proceso combina el mecanizado mecánico tradicional con el mecanizado por descarga eléctrica (EDM), donde se utiliza una descarga eléctrica para acelerar el proceso de remoción de material. En EDAM, las fuerzas de corte no se distribuyen solo por la interacción física de la herramienta y el material, sino también por la influencia de las descargas eléctricas. Este mecanismo permite reducir las fuerzas de corte en general, lo que disminuye el desgaste de la herramienta y mejora la precisión del proceso.

En la práctica, la herramienta EDAM se construye con electrodos flexibles y está diseñada de tal manera que la distancia de descarga entre el electrodo y la pieza de trabajo se ajusta para optimizar el tiempo de descarga y la eficiencia del proceso. En una configuración típica de EDAM, los electrodos no tocan la pieza de trabajo, ya que se requiere una pequeña brecha para generar las chispas de descarga. Esto crea una capa de material libre de corte, que se ablanda debido a la acción de la descarga eléctrica, facilitando su remoción.

Además, en EDAM, la temperatura en la zona de corte es considerablemente mayor que en el mecanizado convencional. Como muestra la figura del estudio, al aumentar la energía de descarga, la temperatura de la zona principal de corte se incrementa notablemente. A medida que se aumenta la capacitancia de descarga, la temperatura de corte en EDAM supera los 500°C, lo que resulta en un aumento significativo en comparación con el mecanizado convencional.

La temperatura elevada en EDAM tiene efectos directos en el esfuerzo de corte. A medida que la temperatura en la zona de corte aumenta, el esfuerzo de corte disminuye, lo que facilita el proceso de mecanizado. En particular, cuando la capacitancia alcanza los 100,000 pF, el esfuerzo de corte en EDAM es un 29% menor en comparación con el mecanizado convencional.

El diseño innovador de la herramienta EDAM permite ajustar con precisión la energía de descarga y el tiempo de descarga, lo que optimiza la eficiencia del proceso y prolonga la vida útil de la herramienta. La eliminación de los problemas relacionados con la eliminación de virutas y el daño por la descarga eléctrica contribuye a mejorar el rendimiento global del proceso.

Es importante resaltar que, en EDAM, el proceso de descarga eléctrica y el proceso de fresado no interfieren entre sí debido al diseño de la herramienta. Esto hace posible realizar ajustes finos en el tiempo de descarga y la energía aplicada, lo que permite obtener resultados de alta precisión y alta eficiencia. La capacidad de modificar la superficie del electrodo flexible también tiene un impacto significativo en la duración de la descarga, lo que a su vez optimiza la producción y la calidad del producto final.

Además de estos aspectos técnicos, es crucial entender que el éxito del proceso EDAM depende de un equilibrio preciso entre la energía de descarga, la geometría de la herramienta, las propiedades del material de trabajo y las condiciones del proceso, como la velocidad de avance y la profundidad de corte. Estos factores no solo afectan la eficiencia del proceso, sino también la calidad del producto final y la vida útil de la herramienta.

¿Cómo influyen las nanopartículas en el rendimiento del lubricante durante el mecanizado?

El contenido de azufre (S) en la superficie de la pieza de trabajo fue relativamente bajo bajo el régimen de MoS2 NMQL. En cuanto al contenido de silicio (Si) en la superficie, este fue de 0.31% para SiO2 NMQL y 0.09% para SiC NMQL. Estos resultados indican que las nanopartículas no pudieron depositarse de manera estable en las superficies de las piezas de trabajo bajo estas tres condiciones. El fresado con SiO2 NMQL logró la mejor calidad en la superficie de la pieza, lo que sugiere un desempeño superior del lubricante. Sin embargo, la película lubricante formada no se adhería de manera estable a la superficie de la pieza. El contenido de carbono (C) en la superficie de la pieza bajo CNTs y grafito NMQL alcanzó 4.72% y 5.31%, respectivamente, pero la calidad de la superficie de la pieza fue pobre.

La influencia de las nanopartículas sobre el rendimiento del lubricante está fuertemente condicionada por sus propiedades físico-químicas, que representan factores críticos para la formación de una película lubricante eficaz. Las propiedades estructurales de diferentes nanopartículas tienen un impacto directo sobre el comportamiento lubricante y las capacidades de adherencia, influenciando, a su vez, la calidad del acabado superficial de las piezas de trabajo. La estructura molecular de las nanopartículas es, por tanto, fundamental para determinar cómo se comportan en el proceso de mecanizado.

Por ejemplo, las nanopartículas de Al2O3 tienen una estructura molecular en la que los átomos de oxígeno (O) se disponen de manera hexagonal, mientras que los átomos de aluminio (Al) se encuentran distribuidos en centros octaédricos, rodeados de átomos de oxígeno. Esta estructura confiere a las nanopartículas de Al2O3 una alta resistencia química y térmica, además de una alta dureza, lo que mejora la calidad de la superficie de la pieza de trabajo al reducir la fricción. La alta capacidad de adsorción de estas nanopartículas también facilita la adherencia del aceite lubricante a la superficie, promoviendo la formación de una película lubricante estable. Esto reduce la fricción entre las superficies de contacto y mejora la morfología de la pieza de trabajo.

Las nanopartículas de MoS2, que presentan una estructura molecular en capas, son conocidas por su buen rendimiento lubricante. Las capas de átomos de azufre (S) y molibdeno (Mo) en estas nanopartículas están unidas por fuerzas de enlace fuertes entre los átomos de S y Mo dentro de cada capa, mientras que las fuerzas entre las capas son débiles. Esta disposición permite que las capas se deslicen fácilmente entre sí bajo fuerzas mínimas de corte, lo que facilita la formación de una película lubricante que se repone de forma continua durante el proceso de fricción. Esto contribuye a un rendimiento de lubricación duradero y eficaz, lo que mejora la calidad de la superficie de la pieza.

Por otro lado, las nanopartículas de SiO2 tienen una estructura tetraédrica en la que cada átomo de silicio (Si) está rodeado por cuatro átomos de oxígeno. Esta estructura les confiere alta resistencia y capacidad de pulido de la superficie de la pieza. Además, las nanopartículas de SiO2 presentan una alta energía superficial y actividad superficial, lo que facilita su adsorción en la superficie de la pieza y la formación de una película lubricante. Esta película no solo reduce la fricción, sino que también puede formar una solución sólida en la superficie, lo que mejora las propiedades antifricción y aumenta la resistencia al desgaste.

Las nanotubos de carbono (CNTs), aunque tienen una alta dureza y resistencia, no son tan eficaces como las otras nanopartículas debido a su forma geométrica. Su tendencia a entrelazarse en la superficie de fricción forma una película lubricante incompleta, lo que disminuye el rendimiento lubricante en comparación con las nanopartículas esféricas. A pesar de esto, las CNTs siguen siendo útiles en ciertos contextos, donde su elevada dureza ayuda a reducir la fricción en menor medida.

El SiC, conocido como carborundum, tiene una alta estabilidad térmica y mecánica. Aunque sus nanopartículas pueden mejorar la conductividad térmica del fluido lubricante, su estructura física angular y su alta dureza no permiten una mejora significativa en el rendimiento lubricante. A pesar de su capacidad de autorreparación limitada, el SiC no genera una película lubricante eficaz como las otras nanopartículas.

Las nanopartículas de grafito, con su estructura estratificada, tienen propiedades antifricción y anti-desgaste, pero no son tan eficaces como las nanopartículas de MoS2, debido a que su capacidad para formar una capa deslizante, que es esencial para el buen rendimiento lubricante, es limitada. Esto provoca un rendimiento inferior en comparación con las nanopartículas más eficientes.

En cuanto a la viscosidad de los nanolubricantes, esta es un factor crucial que influye directamente en sus propiedades lubricantes. En este estudio, se midió y analizó la viscosidad de los nanolíquidos a diversas temperaturas. Este análisis es esencial para comprender cómo la temperatura influye en la capacidad de los nanolubricantes para formar películas estables en la zona de corte, afectando así su rendimiento durante el mecanizado.

¿Cómo influye la viscosidad de los nanolubricantes en el rendimiento del mecanizado?

Las investigaciones sobre nanolubricantes han demostrado una clara relación negativa entre la viscosidad de los fluidos y la temperatura. Este fenómeno puede ser explicado por la naturaleza de las interacciones moleculares en los líquidos: a temperaturas más bajas, las moléculas del fluido interactúan más estrechamente, lo que incrementa la viscosidad. Sin embargo, a medida que la temperatura aumenta, las moléculas se separan, lo que reduce la fuerza de estas interacciones y, por ende, disminuye la viscosidad. Este comportamiento es crucial en aplicaciones de lubricación, donde el control de la temperatura puede influir significativamente en el rendimiento del fluido lubricante.

En el caso del nanolubricante SiO2, se observa que su viscosidad alcanza los 69.06 a temperatura ambiente, lo que lo convierte en uno de los más viscosos entre los diferentes nanofluidos estudiados. Se reconoce ampliamente que una mayor viscosidad de los aceites lubricantes mejora su rendimiento, especialmente en términos de la formación de una película de aceite más gruesa, lo que puede contribuir a una mejor lubricación entre la herramienta y la pieza de trabajo. Sin embargo, esta mejora no es lineal; después de un cierto umbral, el aumento de la viscosidad ya no aporta beneficios adicionales. Además, una viscosidad demasiado alta puede generar una mayor resistencia al flujo, lo que impide el movimiento adecuado del lubricante.

A pesar de que los lubricantes con alta viscosidad como el SiO2 mejoran la calidad de la superficie de la pieza mecanizada, no siempre es cierto que una mayor viscosidad garantice el mejor desempeño. Nanolubricantes como el grafito y el SiC tienen viscosidades similares a las del SiO2, pero no alcanzan los mismos niveles de calidad superficial en el mecanizado de la pieza. Esto se debe a las propiedades físico-químicas de las nanopartículas presentes en estos nanofluidos. Por ejemplo, un aumento en la viscosidad del nanofluido puede, en algunos casos, empeorar el rendimiento del lubricante debido a los efectos adversos del aumento de las fuerzas coloidales y el movimiento browniano entre las moléculas.

En contraposición, otros lubricantes con menor viscosidad, como los basados en aceite de semilla de algodón y nanotubos de carbono (CNTs), presentan una viscosidad más baja, lo que puede llevar a la formación de una película de aceite demasiado delgada. Cuando esta película se adelgaza demasiado durante el proceso de mecanizado, existe un riesgo mayor de que se rompa, lo que genera fricción seca localizada y un aumento en el desgaste de la herramienta. Esto subraya la importancia de mantener un equilibrio entre la viscosidad y la efectividad del lubricante.

Un aspecto importante en la mejora de las propiedades de lubricación no es solo la viscosidad, sino también la morfología de las nanopartículas en el fluido. Por ejemplo, las nanopartículas de SiO2 y Al2O3, que presentan una estructura esférica, ofrecen mejores resultados en cuanto a calidad superficial en comparación con nanopartículas de MoS2, aunque sus viscosidades sean similares. Esta diferencia en el rendimiento indica que no solo el tamaño o la viscosidad, sino también la forma y estructura de las nanopartículas, desempeñan un papel esencial en la eficiencia del lubricante.

En cuanto al modelado de fuerzas de corte, se debe tener en cuenta que la precisión del mecanizado y la calidad de la superficie dependen de una variedad de factores, entre los que se incluyen los parámetros de corte, las propiedades mecánicas del material y las características de la máquina herramienta. Las fuerzas de corte en particular tienen una gran influencia sobre la remoción del material y la integridad de la superficie de la pieza. A pesar de que es difícil predecir las fuerzas de corte de manera precisa debido a la interacción de múltiples factores, los avances en la modelización de estas fuerzas han permitido aproximarse a una descripción más exacta de los procesos involucrados.

La fuerza de corte instantánea es uno de los parámetros más importantes en el modelado de la fuerza de mecanizado. Según estudios teóricos y experimentales, la fuerza de corte se puede calcular teniendo en cuenta varios factores, como la velocidad de avance y la posición angular del diente de la herramienta en el corte. Este enfoque teórico ha sido complementado por modelos experimentales que permiten una validación más precisa del comportamiento de las fuerzas de corte bajo condiciones de lubricación mínima (MQL).

Es crucial también considerar que la calidad superficial de la pieza no depende exclusivamente de las propiedades del lubricante, sino que está influenciada por el diseño de la herramienta, la geometría del corte y la precisión en el control de las condiciones del proceso. La correcta aplicación de estos modelos de fuerza, junto con la selección adecuada del nanolubricante, permite optimizar tanto la vida útil de la herramienta como la calidad de la pieza mecanizada.

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