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El uso de la asistencia láser en procesos de fresado ha demostrado una notable capacidad para reducir las fuerzas de corte, lo que conlleva a una mejora significativa en la eficiencia energética de los procesos de fabricación. En particular, en el fresado de aleaciones de titanio e Inconel 718, se ha observado que la energía específica de corte disminuye hasta un 24,2 % y 29,6 %, respectivamente, gracias a la reducción de la fuerza de corte. Esta disminución no solo mejora la eficiencia energética, sino que también permite la manipulación más eficiente de materiales difíciles de cortar, como las aleaciones de alta resistencia.
Una de las contribuciones más destacadas del láser en el fresado asistido es la reducción de las fuerzas de corte al incorporar una fuente de calor láser en el fresado trocoidal. Se ha documentado que la reducción de la fuerza de corte puede oscilar entre un 33 % y un 41 %, lo que se traduce en una disminución directa de la energía específica de corte, con una reducción que varía entre el 28 % y el 41 %. Este efecto es crucial en procesos de microfresado, donde la baja carga de corte disminuye el riesgo de rotura de la herramienta, un factor determinante en la calidad y la vida útil de la herramienta de corte.
En estudios de fresado micro-asistido por láser de Inconel 718, los resultados muestran que las magnitudes de las fuerzas de corte generadas en el fresado asistido por láser (LOMM) son considerablemente más bajas que en el fresado convencional (CONM), incluso cuando se aplican los mismos parámetros de corte. Esta reducción se debe en gran parte al efecto del láser, que suaviza la superficie del material al reducir su dureza y facilitar la eliminación del material a través de una capa de óxido que se forma en el proceso. A través de esta capa, el material puede ser procesado con menor esfuerzo mecánico, reduciendo las vibraciones de alta frecuencia y mejorando la precisión del proceso.
En términos de control térmico, la intervención del láser genera un efecto térmico localizado que aumenta la temperatura en la zona de corte, disminuyendo la dureza y otros parámetros mecánicos como el módulo de elasticidad. Esto facilita la formación de virutas de mayor calidad, que cambian de forma de acuerdo con la intensidad del láser. A medida que se incrementa la potencia del láser, la forma de las virutas varía, pasando de fracturarse en trozos pequeños a adoptar una forma más espiralada, para luego transformarse en virutas en forma de banda con mayor curvatura. Este control de la forma de la viruta no solo mejora la calidad del mecanizado, sino que también optimiza la evacuación de material y reduce el riesgo de obstrucción de la herramienta.
Sin embargo, es importante entender que el tamaño del punto láser en relación con el tamaño de la pieza de trabajo limita la eficiencia del calentamiento. Dado que la zona de calentamiento del láser es pequeña en comparación con la pieza, el calor puede disiparse rápidamente cuando la herramienta alcanza esta zona. Para mejorar este proceso, se ha propuesto un método de pre-calentamiento hacia atrás y adelante (B&F), donde el láser no realiza el fresado, sino que prepara la pieza antes de que el corte sea realizado, resultando en una mayor reducción de la fuerza de corte.
Uno de los desafíos del fresado asistido por láser en la industria es la dinámica de movimiento de la herramienta, especialmente cuando se procesan productos con formas complicadas. En este contexto, la integración de un eje de control adicional que permita seguir el movimiento del módulo láser con la herramienta de corte se ha identificado como una solución eficaz para mantener el ángulo de incidencia del láser, mejorando la precisión y el enfoque en piezas con trayectorias de corte complejas.
Un área que requiere atención especial es la predicción de las fuerzas de corte en el fresado asistido por láser. Los modelos de predicción pueden facilitar la optimización de los parámetros del láser para minimizar las fuerzas de corte y prevenir la formación de rebabas durante el ingreso o salida de la herramienta. Los factores que afectan el grado de ablandamiento del material, como la potencia del láser, la velocidad de escaneo y la distancia entre la herramienta y el láser, deben ser cuidadosamente considerados en estos modelos.
En cuanto a la calidad superficial, el fresado asistido por láser también ha mostrado mejoras notables. En comparación con el fresado convencional, el fresado de palas de turbina mediante LAMill puede reducir la rugosidad superficial hasta un 47 %, alcanzando valores que oscilan entre 0,1 y 0,2 μm, comparables con los niveles obtenidos mediante pulido. Sin embargo, este beneficio viene acompañado de la generación de una zona afectada por el calor (HAZ), cuyo control es crucial para evitar daños térmicos en la pieza de trabajo. Ajustar correctamente los parámetros del láser, como la potencia, es esencial para prevenir un sobrecalentamiento que pueda comprometer la resistencia mecánica de la pieza y aumentar su susceptibilidad a fisuras.
Al desarrollar estos procesos y modelos predictivos, se debe tener en cuenta que el mecanizado asistido por láser no solo se trata de reducir las fuerzas de corte, sino también de optimizar la calidad del producto final, equilibrando la eficiencia térmica, la integridad del material y la capacidad de producción.
¿Cómo mejora la tecnología EDAT la calidad y eficiencia del proceso de torneado?
La tecnología EDAT (Electric Discharge Assisted Turning), que combina el torneado convencional con un proceso de descarga eléctrica, ha demostrado ser una opción revolucionaria en la optimización de operaciones de torneado, especialmente en materiales difíciles de mecanizar, como el titanio. La aplicación de EDAT en el proceso de torneado permite una disminución significativa de las fuerzas de corte, lo cual tiene un impacto positivo tanto en la calidad superficial de la pieza como en la duración de la herramienta.
La figura 4.26 muestra que la reducción de las fuerzas de corte es más pronunciada cuando la profundidad de corte se establece en 50 μm, alcanzando una tasa de disminución de hasta un 50%. Esto indica que la tecnología EDAT no solo reduce la fuerza de corte de manera significativa, sino que también mejora la estabilidad y la eficiencia del proceso de mecanizado. Una reducción en las fuerzas de corte no solo tiene implicaciones para la longevidad de la herramienta, sino que también mejora la precisión del mecanizado, ya que las herramientas se desgastan menos y la máquina trabaja de manera más eficiente.
El impacto de la reducción de las fuerzas de corte se refleja principalmente en la mejora de la calidad superficial. En el proceso de torneado convencional (CT), es común encontrar defectos como la adhesión de virutas en la superficie de la pieza, lo que deteriora la estética y funcionalidad del producto final. En contraste, tras el mecanizado con EDAT, las piezas exhiben una calidad superficial notablemente superior, con una adhesión de virutas significativamente reducida. Este resultado es de especial importancia en la industria donde la calidad de la superficie es un factor crucial para la funcionalidad del componente.
Un aspecto relevante es que la velocidad de corte juega un papel fundamental en la obtención de una calidad superficial óptima. A medida que la velocidad de corte aumenta, el riesgo de desgaste de la herramienta y la posibilidad de quemaduras en la superficie también crecen. Sin embargo, con EDAT, el control preciso de las condiciones de descarga eléctrica permite reducir estos riesgos. Las imágenes que muestran la topografía superficial después de un torneado convencional y uno asistido por descarga eléctrica a una velocidad de avance de 0.1 mm/r y 200 rpm evidencian una clara mejora en la calidad de la superficie al emplear la tecnología EDAT.
Además, el uso de EDAT contribuye a la reducción de la rugosidad superficial, especialmente a bajas velocidades de avance. La figura 4.28 destaca cómo EDAT reduce la rugosidad en comparación con el torneado convencional, especialmente cuando las tasas de avance son bajas. Esto se debe a que la descarga eléctrica actúa suavemente sobre el material, mejorando su acabado sin generar las imperfecciones típicas del corte mecánico tradicional. Este aspecto es crucial para aplicaciones en las que se requiere una superficie pulida o de alta precisión.
Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad de avance, las diferencias en la rugosidad superficial entre EDAT y CT se hacen menos notorias. Este hallazgo destaca la importancia de ajustar los parámetros del proceso según las necesidades específicas del trabajo, ya que la elección de las velocidades de avance y de corte influye directamente en los resultados de calidad superficial.
Por otro lado, la dureza del material de trabajo es un factor esencial en cualquier proceso de torneado, ya que influye en la resistencia a la deformación, el desgaste de la herramienta y la calidad de la superficie. Los resultados mostrados en la figura 4.29 indican que, independientemente de la tasa de avance, la dureza superficial del material tratado con EDAT y CT se mantiene comparable. Esto implica que EDAT no solo mejora la calidad de la superficie, sino que también conserva la integridad del material, lo que es esencial en procesos donde la dureza del material no debe ser alterada. La tecnología EDAT muestra una notable adaptabilidad a diferentes niveles de dureza de los materiales, asegurando un proceso de torneado eficiente y estable.
El concepto básico de torneado asistido por descarga eléctrica es el de suavizar la superficie del material mediante la descarga eléctrica, y luego eliminar la capa suavizada mediante el corte convencional. Este enfoque ha demostrado ser especialmente efectivo en materiales como el titanio, donde las técnicas tradicionales de corte a menudo son insuficientes debido a la dureza y la tendencia del material a generar calor excesivo. La disminución del 50% en la fuerza de corte y del 17% en la rugosidad superficial que ofrece EDAT, en comparación con el torneado convencional, prueba la efectividad de esta tecnología en la mejora del proceso de mecanizado.
Además, la tecnología EDAT contribuye a la reducción del tiempo de mecanizado y la mejora de la eficiencia energética. Al optimizar la interacción entre la herramienta y el material a través de descargas eléctricas controladas, se reduce la cantidad de calor generado, lo que a su vez minimiza el desgaste de la herramienta y mejora la precisión en las operaciones de torneado.
La selección de las herramientas de corte adecuadas sigue siendo un factor determinante para la calidad del proceso. Factores como el material de la herramienta, su geometría y el radio de la punta son aspectos clave que deben ser cuidadosamente ajustados para lograr los mejores resultados en términos de calidad superficial y eficiencia en el mecanizado. En este sentido, la combinación de herramientas de corte optimizadas con la tecnología EDAT puede lograr mejoras notables en la terminación de la superficie, especialmente en aplicaciones de alta precisión.
En conclusión, la tecnología EDAT no solo ofrece una ventaja significativa en la reducción de las fuerzas de corte, sino que también mejora la calidad superficial y la estabilidad del proceso. Al integrar los aspectos técnicos de EDAT, como el control preciso de la descarga eléctrica y la adaptación dinámica de la herramienta a la pieza, se logra un avance considerable en la optimización de los procesos de torneado. Sin embargo, es fundamental que los operadores de máquinas y los ingenieros de manufactura comprendan la importancia de ajustar todos los parámetros del proceso de acuerdo con las características del material y los requisitos específicos de la pieza para maximizar los beneficios de esta tecnología.
¿Cómo influyen las propiedades de los bio-lubricantes en el rendimiento de lubricación y enfriamiento?
Los ácidos grasos insaturados, debido a la influencia del enlace oleico sobre el enlace insaturado polar, provocan una reducción en la densidad de la película adsorbida, debilitando la fuerza de la película de aceite y, por ende, su rendimiento en términos de lubricación. Por lo tanto, cuando los ácidos grasos saturados e insaturados tienen el mismo número de átomos de carbono, el rendimiento de la película lubricante de los ácidos grasos insaturados resulta inferior. A la inversa, la cohesión molecular es directamente proporcional al número de átomos de carbono en la cadena. Así, los ácidos grasos insaturados con cadenas de carbono más largas generan películas de adsorción más fuertes y eficaces en términos de lubricación en comparación con aquellos con cadenas más cortas.
La viscosidad de los bio-lubricantes es otro factor clave que influye significativamente en el rendimiento del enfriamiento y lubricación. La viscosidad, resultado del movimiento intermolecular regular que lleva a un intercambio variable y adherencia, afecta tanto la lubricación como la transferencia de calor durante el corte. Cuando un lubricante con alta viscosidad ingresa a la zona de corte, su fluidez disminuye debido a las fuerzas viscosas, lo que impide que penetre completamente en la interfaz rueda/pieza de trabajo y dificulta la eliminación de escombros. Además, la viscosidad del lubricante también determina su rendimiento térmico. A medida que el lubricante fluye a través de la zona de corte a una cierta velocidad, se forma una película lubricante en la interfaz rueda/pieza de trabajo que exhibe movimiento relativo. De acuerdo con la teoría de transferencia de calor, el coeficiente de transferencia de calor se ve influenciado por la viscosidad del lubricante. Cuando el número de Reynolds del lubricante supera 2300, la película de aceite en la zona de corte experimenta transferencia de calor por convección a través de la turbulencia. Esta capa límite térmica en la subcapa viscosa tiene un gradiente de temperatura más pronunciado, lo que afecta la capacidad del lubricante para transferir calor. Por tanto, una mayor viscosidad resulta en una subcapa viscosa más gruesa, lo que reduce la transferencia de calor.
La tensión superficial de los bio-lubricantes también juega un papel fundamental. Cuando las microgotas de lubricante entran en la zona de corte, una tensión superficial más baja provoca la formación de gotas más pequeñas y una distribución más uniforme de las mismas. Esto se traduce en una mayor área de infiltración en relación con el volumen de las partículas y mejora tanto la humectabilidad como el rendimiento de la lubricación del bio-lubricante. Además, la tensión superficial influye en el rendimiento de enfriamiento a través del ángulo de contacto de las microgotas, lo que impacta en dos áreas clave: una menor tensión superficial resulta en un ángulo de contacto más pequeño, aumentando el área de humectación y mejorando así el enfriamiento del lubricante.
El pH de los bio-lubricantes es otro factor crucial. Los lubricantes ácidos pueden promover la corrosión a través de reacciones de desplazamiento simple en los metales, mientras que los lubricantes alcalinos tienden a pasivar las superficies metálicas o formar películas insolubles de óxidos e hidróxidos. Los bio-lubricantes suelen ser ácidos, especialmente los bio-lubricantes de ésteres sintéticos, que contienen diversos grupos funcionales polares como –OH, COOH, R–O–R', lo que mejora su rendimiento anti-desgaste. Cuando el grupo carboxilo se ioniza, el lubricante se vuelve ácido. Por esta razón, la preparación de ésteres sintéticos implica frecuentemente la adición de aminas para neutralizar el pH.
El punto de congelación de los bio-lubricantes es una propiedad crítica. Un punto de congelación adecuado asegura que los bio-lubricantes mantengan su fluidez a bajas temperaturas. El aceite vegetal, por ejemplo, presenta un punto de congelación entre −15 y −19 ℃, lo que es superior al de los aceites minerales debido a la presencia de enlaces C=C en su estructura. Los aceites vegetales no son adecuados para usarse a temperaturas inferiores a −20 ℃, lo que limita su aplicabilidad en regiones con climas extremadamente fríos. Por lo tanto, reducir el punto de congelación es uno de los focos de investigación en el desarrollo de bio-lubricantes.
La estabilidad térmica de los bio-lubricantes a altas temperaturas también es fundamental. Un bio-lubricante debe mantener su capacidad de enfriamiento y lubricación a temperaturas elevadas en la zona de corte. El punto de inflamación de los aceites vegetales típicamente ronda los 280 ℃. Si el punto de inflamación del aceite cae por debajo de la temperatura de corte, el lubricante pierde su efectividad. Además, los aceites vegetales son susceptibles a la descomposición térmica debido a los enlaces C=C en su estructura. Para mejorar la estabilidad térmica, se emplean técnicas como la epoxidación seguida de reacciones de apertura de anillos, hidrogenación selectiva y cracking de hidrogenación.
Por último, la introducción de nanopartículas en aceites vegetales para crear nano-lubricantes ha mostrado mejoras notables en las propiedades anti-fricción y de transferencia de calor. Estos lubricantes mejorados por nano partículas pueden atomizarse de manera más eficiente y penetrar mejor en las interfaces de corte gracias a su mejor capacidad de infiltración, lo que representa una ventaja considerable sobre los fluidos de trabajo convencionales.