¿Cómo influye el proceso de láser asistido en el desgaste de herramientas y la oxidación de aleaciones?

El uso del proceso de mecanizado con láser asistido (LAMill) en la industria del mecanizado ha demostrado ser una solución eficaz para mejorar la durabilidad de las herramientas y optimizar la eficiencia en el tratamiento de materiales de alta dureza, como las aleaciones de titanio e Inconel 718. Este proceso se combina con técnicas convencionales de fresado para obtener resultados más consistentes y eficaces en términos de desgaste de las herramientas y calidad superficial de las piezas mecanizadas.

El aumento en la temperatura debido al láser asistido provoca una disminución en la resistencia y la capacidad de endurecimiento del trabajo con materiales basados en níquel, lo que contribuye a que el desgaste primario en la cara de la herramienta sea menor. En comparación con los métodos tradicionales, el proceso LAMill ofrece una mejora significativa en la durabilidad de la herramienta, lo que se traduce en una mayor eficiencia de corte, permitiendo aumentar las velocidades de corte hasta el doble de lo que se logra con fresado convencional sin reducir la vida útil de la herramienta.

Por ejemplo, en los métodos tradicionales de fresado convencional, las velocidades de corte se limitan generalmente a 50 m/min. Sin embargo, al aplicar el LAMill, estas velocidades pueden incrementarse hasta 100 m/min, lo que permite una reducción de los costos de producción en aproximadamente un 33%. Además, el proceso LAMill elimina el desgaste por desconchado que se presenta a altas velocidades de corte en el fresado convencional, lo que resulta en una herramienta más eficiente y menos susceptible a fallos prematuros.

El comportamiento del desgaste de la herramienta en el mecanizado asistido por láser también depende de factores específicos del proceso, como la distancia de pre-calentamiento (dp) y la distancia entre el foco del haz láser y el centro de la herramienta (dL). La distancia de pre-calentamiento influye principalmente en la fuerza de corte, mientras que la distancia láser-herramienta afecta directamente al desgaste de la herramienta. Si esta distancia es demasiado pequeña, la herramienta se vuelve vulnerable a la fatiga térmica, mientras que si es demasiado grande, la falta de pre-calefacción puede provocar daños a la herramienta.

Un fenómeno relacionado es la oxidación inducida por láser de las aleaciones de titanio y de los materiales a base de níquel. Cuando se aplica un láser pulsado sobre la superficie de una aleación, el efecto fototérmico genera una interacción que aumenta la temperatura del material, lo que facilita la formación de capas de óxido. En el caso del titanio (por ejemplo, la aleación Ti-6Al-4V), la exposición al láser provoca la oxidación de los elementos del material como el titanio, el aluminio y el vanadio, formando diversos tipos de óxidos en la superficie. Los óxidos de titanio, como TiO2, son estables a altas temperaturas, pero la formación de óxidos de baja valencia como TiO y Ti2O3 puede resultar inestable en condiciones de alta temperatura, lo que lleva a la formación de una capa de óxido que puede tener características variables, dependiendo de la intensidad del láser.

El comportamiento de la oxidación varía dependiendo de la densidad de energía del láser. A bajas energías, la formación de óxidos es insignificante, mientras que a altas energías, la superficie se cubre completamente con una capa de óxidos que, a su vez, genera una superficie rugosa con microcráteres debido a la interacción con la cavitación y el derretimiento local del material. Este fenómeno de oxidación también es común en aleaciones TiAl, donde el láser provoca la formación de óxidos que son más porosos en condiciones atmosféricas ricas en oxígeno.

El LAMill también resulta útil en la mejora de la vida útil de las herramientas en el micro-mecanizado, especialmente en la fabricación de piezas de alta precisión en materiales como Inconel 718. En comparación con el fresado micro convencional (COMM), el proceso LAMill reduce significativamente el desgaste de las herramientas y mejora la eficiencia del micro-mecanizado, validando su alta efectividad para el mecanizado de aleaciones difíciles.

En resumen, el uso de la tecnología láser en el mecanizado de materiales duros permite no solo mejorar la durabilidad de las herramientas, sino también optimizar las condiciones de corte, lo que lleva a una mayor eficiencia y menores costos operativos. La combinación del láser con técnicas tradicionales de fresado es una solución innovadora que promete transformar el futuro de la industria de mecanizado de materiales avanzados.

¿Cómo influye la vibración ultrasónica en las trayectorias de corte y la eficiencia de la maquinaria?

Cuando las trayectorias de los puntos de contacto de las herramientas se intersectan, se logra la separación de la herramienta y la pieza de trabajo. Este comportamiento se manifiesta cuando el número de dientes de la herramienta es N=4, la amplitud A es mayor que fz/2, y la relación 60 f/n no es un múltiplo entero de cuatro. Este fenómeno resulta en una separación de las virutas, lo que es crucial para la mejora de la eficiencia en el proceso de mecanizado.

En el corte vibratorio ortogonal bidimensional a ultrasonido, la separación de la herramienta y la pieza de trabajo solo se logra cuando la velocidad de corte es inferior a la velocidad crítica vc. Esto se conoce como el coeficiente de velocidad K, y cuando K es menor que 1, se consigue una mayor efectividad de la vibración ultrasónica en el corte. En este contexto, la amplitud de las vibraciones ultrasónicas juega un papel determinante, pues al aumentar la amplitud, se intensifican las características de separación de las virutas, lo que puede mejorar el acabado de la superficie de la pieza y prolongar la vida útil de la herramienta.

Por ejemplo, si la amplitud de las vibraciones ultrasónicas se mantiene constante (10 μm), y la velocidad de rotación aumenta, se observa una disminución en el número de ciclos de rotación por unidad de tiempo, lo que reduce la intensidad de la separación de las virutas. Este fenómeno desaparece cuando la velocidad de rotación supera los 6010 r/min y el coeficiente de velocidad K se vuelve mayor que 1, lo que indica que la velocidad de corte es mayor que la velocidad crítica del ultrasonido, y por lo tanto, la vibración ultrasónica deja de ser efectiva para este tipo de corte.

Por otro lado, en un escenario con una velocidad de herramienta fija (2000 r/min) y una amplitud ultrasónica de 3 μm, no se observa el fenómeno de la intersección de trayectorias. Aquí, el coeficiente de velocidad K es mayor que 1, lo que implica que el corte no se beneficia de la vibración ultrasónica. Sin embargo, al aumentar la amplitud ultrasónica, la velocidad crítica aumenta, hasta que supera la velocidad de corte, lo que provoca una disminución en K (menos de 1). En este punto, la vibración ultrasónica se vuelve mucho más efectiva y las características de separación de las virutas se intensifican.

En los cortes vibratorios ultrasónicos tridimensionales, donde la herramienta experimenta una vibración longitudinal combinada con una vibración ortogonal bidimensional de la pieza de trabajo, el fenómeno de la vibración ultrasónica adquiere una nueva complejidad. La herramienta se excita en la dirección del eje z, creando trayectorias helicoidales que afectan las interacciones de corte en los planos x–y, y–z, y x–z. En este tipo de corte, los puntos de inflexión de la trayectoria de la herramienta en las direcciones x y z permiten una manipulación más precisa de la presión de fricción entre la herramienta, la pieza de trabajo y las virutas. Este control preciso de las interacciones de fricción es vital para conseguir una mayor eficiencia en el corte y un mejor acabado superficial.

Un componente clave de la tecnología de vibración ultrasónica en el corte es el portaherramientas de vibración ultrasónica, un dispositivo innovador que integra la vibración ultrasónica con el proceso tradicional de corte. En industrias como la aeroespacial, automotriz, 3C (computadoras, comunicación y electrónica) y la fabricación de materiales compuestos, el portaherramientas de vibración ultrasónica juega un papel fundamental en la mejora de la eficiencia del corte de materiales difíciles, como los compuestos de panal, materiales blandos o los materiales usados en la energía solar.

Los portaherramientas de vibración ultrasónica ofrecen múltiples ventajas, entre las que se incluyen la mejora en la eficiencia del mecanizado, la calidad de la superficie, la ampliación del rango de materiales procesados, la extensión de la vida útil de las herramientas, y la reducción del impacto ambiental gracias a un uso más eficiente de la energía. Además, la capacidad para realizar cortes más precisos en piezas de formas complejas y materiales de alto rendimiento es una característica sobresaliente de esta tecnología.

En el proceso de transmisión de energía ultrasónica, se utiliza un sistema de transmisión inalámbrica que, mediante inducción electromagnética, transmite la energía eléctrica desde un lado primario hacia un lado secundario sin necesidad de conexión física directa. Este sistema permite una mayor flexibilidad en la implementación del ultrasonido en las herramientas de corte, aumentando la precisión y la eficacia del proceso sin comprometer la libertad de movimiento de las herramientas en operación. Los discos de transmisión inalámbrica pueden tener diversas formas estructurales, como tipos con distribución radial o axial, cada uno con sus ventajas y aplicaciones particulares.

El desarrollo y la implementación de estas tecnologías ultrasónicas continúan evolucionando, con nuevas investigaciones en curso para optimizar los métodos de corte y adaptarlos a las necesidades de la industria moderna.

¿Cómo mejorar la maquinabilidad con lubricantes nano-emulsionados?

Las propiedades físico-químicas de las nanopartículas juegan un papel crucial en la interacción entre la herramienta de corte y el material de trabajo. Cada nanopartícula tiene características únicas que afectan la lubricación de la interfaz herramienta/material y herramienta/viruta. En este contexto, el estudio de las propiedades anti-fricción y anti-desgaste de diversas nanopartículas es fundamental para comprender cómo optimizar el rendimiento del proceso de mecanizado. Para ello, se emplearon seis nanopartículas típicas: Al2O3, MoS2, SiO2, CNTs (nanotubos de carbono), SiC y grafito, cada una con características distintas en términos de forma, dureza y tamaño, lo que influye en sus capacidades lubricantes.

En el experimento realizado, se utilizó aceite de semilla de algodón, conocido por sus excelentes propiedades lubricantes, al que se añadieron las mencionadas nanopartículas en una concentración del 1.5% en peso. Este fluido nano-lubricante fue sometido a un tratamiento de ultrasonido para garantizar una dispersión homogénea de las partículas. Los ensayos se llevaron a cabo sobre aleaciones de titanio Ti–6Al–4V, un material que destaca por su alta resistencia, estabilidad térmica y resistencia a la corrosión, pero cuya maquinabilidad es compleja debido a la generación de altas temperaturas y fuerzas de corte.

Otro parámetro importante que se estudió fue el coeficiente de fricción, que se calcula como la relación entre la fuerza de fricción tangencial y la normal. Este coeficiente se reduce considerablemente con el uso de los nano-lubricantes, lo que implica una menor cantidad de energía perdida en forma de calor y una mejor eficiencia del proceso. En particular, los nanofluidos como el Al2O3 y el SiO2 resultaron en una disminución significativa del coeficiente de fricción en comparación con la lubricación tradicional MQL.

Además de las fuerzas de corte y el coeficiente de fricción, el estudio incluyó análisis de la morfología de las virutas y las superficies de las piezas mecanizadas mediante microscopia electrónica de barrido (SEM). Los resultados mostraron que las virutas generadas bajo lubricación con nano-lubricantes tenían una estructura más uniforme, lo que también contribuye a un mejor acabado superficial. Asimismo, se analizó la composición elemental de las virutas y superficies, confirmando que el uso de ciertos tipos de nanopartículas, como el Al2O3, mejora no solo las propiedades mecánicas del corte, sino también la integridad del material procesado.

Es importante destacar que la optimización de los procesos de maquinado con nano-lubricantes no solo contribuye a una mejora en la eficiencia de las herramientas y la calidad superficial de las piezas, sino que también tiene implicaciones para la producción más limpia y sostenible. El uso de aceites vegetales como el aceite de semilla de algodón, combinado con las propiedades de los nanomateriales, permite reducir el impacto ambiental asociado con los lubricantes tradicionales basados en petróleo, lo cual es una ventaja clave en el contexto de las políticas de reducción de carbono y de producción más ecológica.

¿Cómo las tecnologías asistidas por campos de energía mejoran la calidad del corte en materiales difíciles?

El corte asistido por energía se ha consolidado como una alternativa avanzada y eficaz en la fabricación de componentes de alta precisión y materiales difíciles de mecanizar, especialmente en sectores como la aeroespacial, donde las exigencias de precisión y calidad son extremas. Este enfoque híbrido combina métodos convencionales de mecanizado con la influencia de diferentes fuentes de energía, como campos magnéticos, eléctricos, o reacciones químicas, para mejorar la eficiencia del proceso y la calidad del producto final.

El corte asistido por chispas eléctricas (EDM) es un ejemplo destacado de este tipo de tecnologías. En el caso del perforado de microagujeros, los estudios han demostrado que el uso de chispas eléctricas puede mejorar la calidad de la superficie de los agujeros microscopicos mientras reduce los daños en las capas subsuperficiales del material. Este proceso se apoya en un modelo de dinámica de fluidos que simula el espacio de mecanizado, lo que permite comprender mejor los efectos de los parámetros del proceso y la geometría de las herramientas sobre la morfología de la superficie y la rugosidad.

Una de las tecnologías más innovadoras es el corte mecánico asistido por energía magnética (MEAMC), que combina el uso de campos magnéticos con los métodos convencionales de torneado y fresado. En el torneado asistido por energía magnética (MEAT), se utiliza un campo magnético estacionario para generar corrientes de vórtice en el material, lo que reduce las vibraciones del proceso y mejora la precisión del mecanizado. Este enfoque ha demostrado ser particularmente efectivo en la fabricación de componentes de aleaciones de titanio, donde la intervención del campo magnético reduce significativamente la deformación del material y mejora la precisión geométrica de las superficies mecanizadas. La reducción de la amplitud de las vibraciones mediante el campo magnético, combinada con la mejora de la vida útil de la herramienta y la reducción de la rugosidad superficial, permite obtener piezas de alta calidad con menos desgaste de la herramienta.

Por otro lado, el corte asistido por energía química (CAMC) ha surgido como una forma efectiva de reducir la dureza y la resistencia de los materiales durante el mecanizado. Este método introduce reacciones químicas controladas en el proceso de fresado para facilitar la remoción del material. La investigación sobre CAMC ha mostrado que el proceso de eliminación de material incluye una combinación de mecanismos electroquímicos y químicos, lo que permite una mayor eficiencia en la remoción del material sin comprometer la integridad estructural del componente. La aplicación de CAMC ha demostrado ser particularmente útil en el mecanizado de materiales difíciles, como los aleaciones de alta resistencia, al reducir las fuerzas de corte y mejorar la precisión del proceso.

El principal beneficio de los procesos de corte asistido por energía no tradicional radica en la capacidad de mejorar significativamente la calidad del mecanizado. Al reducir las cargas mecánicas, térmicas, tribológicas y químicas que afectan al material de la pieza de trabajo, estos procesos disminuyen los efectos negativos como la deformación por trabajo en frío, las tensiones residuales, la fractura frágil y la formación de capas de acumulación en la herramienta. Además, la reducción del desgaste de la herramienta y la mejora de la retención de la nitidez del filo contribuyen a una mayor precisión en las superficies mecanizadas.

Otro aspecto fundamental que mejora el uso de estas tecnologías es la reducción de los costos de procesamiento. El alargamiento de la vida útil de las herramientas, combinado con la disminución de las cargas térmicas y mecánicas sobre las máquinas, también contribuye a la prolongación de la vida útil de las máquinas herramienta. La mejora en la estabilidad del proceso reduce la tasa de piezas defectuosas y, por ende, los costos asociados a rechazos, lo que hace más rentable la operación.

Finalmente, es importante comprender que el avance de estas tecnologías de corte asistido por energía no solo responde a las necesidades de mecanizado de materiales y componentes difíciles, sino también a la creciente demanda de precisión dimensional y geométrica en la industria. La capacidad de estos procesos para abordar los desafíos que presentan los nuevos materiales y estructuras altamente exigentes en términos de propiedades mecánicas, térmicas o ópticas ha convertido al corte asistido por energía en una herramienta indispensable en la manufactura avanzada.