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En el análisis de tensiones internas en materiales, es crucial comprender no solo el proceso de carga de estrés, sino también cómo este se libera durante el proceso de descarga. Tras aplicar una carga de estrés sobre un material, el siguiente paso es estudiar cómo las tensiones se disipan durante el proceso de liberación. En este contexto, Merwin propuso un modelo de transformación de condiciones de frontera para estudiar la liberación de estrés en un componente único, en particular en la dirección de deformación (ɛr−ij, σr−ij), estableciendo una relación entre los parámetros involucrados.
La liberación de estrés se caracteriza por una serie de etapas en las cuales cada componente de tensión se va liberando gradualmente hasta alcanzar un estado de tensión cero. Este proceso se puede modelar utilizando la ley de Hooke, en los casos en que la liberación se realiza solo mediante deformación elástica. En el proceso de liberación elástica-plástica, se incorporan ecuaciones más complejas que permiten modelar tanto el comportamiento elástico como el plástico del material. Tras completar la liberación de tensiones, el estrés residual se convierte en la condición inicial para el siguiente ciclo de carga y descarga, perpetuando un ciclo de tensiones que podría afectar a la pieza durante la fabricación.
El modelo de tensiones residuales es esencial para entender cómo las piezas mecanizadas experimentan tensiones internas durante su trabajo. Al considerar las simulaciones numéricas, podemos obtener una representación precisa de la distribución del estrés residual dentro de una pieza. Para validar estos modelos, se realizaron simulaciones comparando los resultados de trabajo con diferentes parámetros, y la verificación experimental mostró que la distribución de las tensiones residuales obtenida en las simulaciones coincidía con los resultados obtenidos en las pruebas de mecanizado real.
En el contexto específico del mecanizado ultrasónico longitudinal-torsional (LTUM), se observó que la vibración ultrasónica tiene un impacto significativo en la distribución del estrés. En comparación con el mecanizado tradicional (TM), el LTUM muestra una mayor fluctuación en el estrés σxx debido a la vibración ultrasónica, lo que implica una disipación más eficiente de las tensiones en el material. De manera similar, las tensiones térmicas también se ven influenciadas por la vibración ultrasónica, lo que sugiere que, en algunos casos, el estrés térmico podría considerarse en el análisis del estrés residual. Sin embargo, la influencia de este estrés térmico es más pronunciada en la capa superficial del material, y su efecto en las capas sub-superficiales puede ser relativamente débil, lo que permite que, en algunos casos, se simplifiquen los cálculos de estrés desestimando este factor.
Los experimentos realizados con materiales como el Ti–6Al–4V bajo condiciones de corte seco demostraron que el estrés residual en la superficie de la pieza trabajada, tanto en LTUM como en TM, presenta una distribución en forma de “√”, con un incremento inicial que luego disminuye con la profundidad de la pieza. Estos resultados validan el modelo teórico de tensiones residuales en LTUM, mostrando su capacidad para mejorar la distribución de tensiones residuales, al tiempo que extiende la profundidad de la capa de estrés máximo.
Es importante destacar que, aunque los resultados experimentales y de simulación son bastante coherentes, siempre existe una pequeña discrepancia debido a las limitaciones de los modelos numéricos, que no pueden capturar todas las variaciones de los parámetros físicos involucrados en el proceso real. Esto resalta la necesidad de una mejora constante en los modelos y simulaciones para acercarse más a la realidad del proceso de mecanizado.
Por otro lado, el desgaste de las herramientas en LTUM se ve influenciado por múltiples parámetros, como el ángulo de hélice de la herramienta, la profundidad de corte radial y la amplitud de las vibraciones ultrasónicas. Estos factores afectan directamente la eficiencia de la remoción de material, así como la disipación del calor generado durante el corte. En comparación con el mecanizado tradicional, el LTUM demostró una reducción significativa en el desgaste de la herramienta, debido a su capacidad para romper los chips y remover el calor generado, mejorando la disipación térmica y prolongando la vida útil de la herramienta.
Este fenómeno sugiere que el mecanizado ultrasónico no solo influye en las propiedades del material procesado, sino también en la durabilidad de las herramientas utilizadas, lo que lo convierte en una opción viable y eficiente para procesos de mecanizado de alta precisión y alta demanda térmica.
¿Cómo la tecnología de lubricación mínima está transformando la fabricación sostenible?
La creciente preocupación por las emisiones de carbono generadas por los fluidos de corte metálicos (MWFs, por sus siglas en inglés) y su impacto ambiental ha impulsado el desarrollo de tecnologías más sostenibles en los procesos de mecanizado. Los MWFs, fabricados a partir de minerales no renovables y recursos hídricos escasos, han sido fundamentales en la industria manufacturera durante siglos, pero su uso está asociado con altos niveles de consumo energético y contaminación. Como resultado, se han propuesto alternativas como la lubricación mínima en cantidad (MQL), que ha demostrado ser eficaz en materiales generales. Sin embargo, en el mecanizado de materiales difíciles de cortar, el calor generado en la zona de corte y el aumento de la temperatura pueden provocar un desgaste significativo de la herramienta y una deterioración de la calidad de la superficie de la pieza. En este contexto, el avance en la mejora de la atomización, infiltración, transferencia de calor y reducción de la fricción en la tecnología de mecanizado sostenible se ha convertido en un área clave de investigación.
Entre las tecnologías más innovadoras, destacan las variantes de lubricación mínima en cantidad: lubricación mínima con nano-lubrificantes (NMQL), atomización electrostática de lubricantes mínima (EMQL) y lubricación mínima asistida por vibración ultrasónica (UVMQL). Estas tecnologías están diseñadas para reducir la cantidad de fluido utilizado sin comprometer la eficiencia del proceso de mecanizado, al mismo tiempo que mejoran la eficiencia térmica y el rendimiento de las herramientas.
La lubricación mínima con nano-lubrificantes (NMQL) ha ganado atención debido a la capacidad de las nanopartículas para mejorar la transferencia de calor y la lubricación a nivel micro, lo que reduce el desgaste de la herramienta y la generación de calor. Las nanopartículas no solo actúan como lubricantes, sino que también proporcionan un enfriamiento adicional, lo que permite un mecanizado más eficiente de materiales duros. Este enfoque es especialmente relevante en industrias como la aeroespacial y la automotriz, donde se requiere precisión y eficiencia en el uso de materiales avanzados.
Por otro lado, la atomización electrostática mínima (EMQL) es una tecnología que mejora la distribución del lubricante en la zona de corte, permitiendo una lubricación más uniforme y reduciendo las pérdidas de fluido. La electrostática permite que las partículas de lubricante se adhieran mejor a las superficies de corte, lo que mejora la penetración y la efectividad en la reducción de la fricción. Este tipo de atomización es particularmente eficaz en procesos que implican materiales de alta dureza, como los aceros de herramientas o materiales compuestos, donde el control preciso de la temperatura es crucial para mantener la calidad de la pieza y prolongar la vida útil de la herramienta.
La lubricación mínima asistida por vibración ultrasónica (UVMQL) utiliza ondas ultrasónicas para crear una vibración en la zona de corte, lo que mejora la penetración del lubricante en el área de contacto entre la herramienta y la pieza. Este enfoque permite no solo una mejor distribución del lubricante, sino también una reducción de las fuerzas de corte, lo que resulta en una menor generación de calor y, por lo tanto, un menor desgaste de la herramienta. Además, las vibraciones ultrasónicas pueden mejorar la calidad superficial de las piezas, reduciendo la rugosidad y mejorando el acabado final.
Estas tecnologías avanzadas no solo se centran en reducir el impacto ambiental, sino que también buscan mejorar la eficiencia de los procesos de fabricación mediante la optimización de las condiciones de corte. A medida que los sistemas de lubricación en el mecanizado continúan evolucionando, el foco está en la mejora de la transferencia de calor, la reducción de la fricción y el alargamiento de la vida útil de las herramientas, todo ello manteniendo al mismo tiempo la sostenibilidad en el proceso de producción.
Es importante comprender que la adopción de estas tecnologías no es una solución única para todos los escenarios. El rendimiento de cada tecnología depende en gran medida del material de la pieza de trabajo, las condiciones de corte y la herramienta utilizada. Los avances en estos métodos de lubricación deben ser evaluados cuidadosamente según las necesidades específicas de cada proceso de fabricación. Además, se está llevando a cabo una investigación continua para perfeccionar estos métodos y adaptarlos a una mayor variedad de materiales y procesos, lo que sugiere que el futuro del mecanizado sostenible está en constante desarrollo.