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El corte asistido por láser es una técnica avanzada que emplea la radiación láser para mejorar los procesos de mecanizado, especialmente en materiales de alta dureza. A diferencia de los métodos tradicionales de corte y rectificado, que requieren herramientas de corte extremadamente duras, el láser permite una eficiencia superior al reducir la fuerza de corte y mejorar la capacidad de mecanizado de materiales endurecidos o frágiles. Esta técnica se basa en los efectos térmicos generados por la irradiación del láser, que suavizan el material, haciéndolo más fácil de trabajar y, a su vez, aumentando la precisión y la capacidad de control durante el proceso de corte.
Existen dos tipos principales de láser utilizados en el mecanizado asistido: los láseres de onda continua y los pulsados, cada uno con características distintas que se adaptan a diversas necesidades de producción. Los láseres de onda continua ofrecen una irradiación constante, ideal para procesos donde se necesita una distribución uniforme del calor, mientras que los láseres pulsados generan breves ráfagas de energía, lo cual es adecuado para procesos más especializados.
Uno de los aspectos más destacados de este proceso es su capacidad para tratar materiales de gran dureza, como el Inconel 718 o los compuestos metalúrgicos como Al-SiC. En estudios recientes, se ha demostrado que el corte asistido por láser reduce significativamente la fuerza de corte, mejora la tasa de eliminación de material y aumenta la tasa de producción. Por ejemplo, en el caso de Inconel 718, el uso de la tecnología láser permitió reducir las fuerzas de corte y mejorar el acabado superficial en más del 25%, al mismo tiempo que se incrementaba la tasa de remoción de material en un 800%.
En el torno asistido por láser, el enfoque principal se centra en dos métodos: el pre-calientamiento del material antes del corte y el torneado con láser in-situ, especialmente en aplicaciones de diamantes. El pre-calientamiento con láser suaviza el material, lo que reduce la fuerza de corte durante el proceso de torneado y mejora su eficiencia. Este método ha sido ampliamente investigado y se ha demostrado que facilita el mecanizado de aleaciones y materiales compuestos que normalmente serían difíciles de trabajar con técnicas convencionales.
Por otro lado, el torneado asistido por láser in-situ se refiere al uso de láseres para calentar y ablandar el material directamente en la zona de corte, lo que reduce la cantidad de calor transferido al cuerpo principal de la pieza. Este enfoque mejora la productividad al permitir una mayor velocidad de corte y al reducir la acumulación de calor en áreas no deseadas, lo que puede comprometer la calidad del trabajo.
La investigación también ha explorado el uso de técnicas de micro-laser asistido (µ-LAM) para el corte preciso de materiales frágiles como cerámicas y vidrio. Al integrar el láser en el proceso de corte, se logra una transformación de fase de alta presión, lo que permite una remoción ductil de materiales que normalmente se fracturarían de forma quebradiza.
En el fresado asistido por láser, la atención se ha centrado principalmente en el pre-calientamiento del material, lo que permite reducir la fuerza de fresado y mejorar la capacidad de mecanizado. En estudios realizados sobre cerámica de nitruro de silicio, se encontró que el aumento de la temperatura en la zona de corte mejora la resistencia al despostillado de los bordes de la pieza al suavizar y endurecer los materiales. Este fenómeno se observa cuando el material se calienta por encima de su punto de ablandamiento pero por debajo de su temperatura de transición frágil/ductil, lo que disminuye considerablemente las fuerzas de corte y mejora la calidad del acabado superficial.
Además, el modelado térmico transitorio ha permitido predecir las temperaturas inducidas por el láser cerca de los bordes de la pieza de trabajo, mejorando la precisión de los resultados sin recurrir a un uso excesivo de recursos computacionales. Estas simulaciones se han validado experimentalmente y se ha comprobado que el control adecuado de los parámetros del láser puede reducir el daño en la superficie y minimizar la extensión de los daños en el proceso de fresado.
Un factor importante a tener en cuenta es la influencia de la temperatura en los materiales durante el proceso de corte asistido por láser. La investigación sobre los efectos térmicos ha demostrado que una temperatura controlada y localizada en el área de corte puede ser determinante para la calidad del acabado superficial y la reducción de tensiones residuales en las piezas procesadas. Esto es especialmente crucial cuando se trabaja con aleaciones difíciles de cortar, como el Ti-6Al-4V o el Inconel 718, donde el control preciso de la temperatura contribuye a una mejora significativa en las propiedades físicas de los materiales, como su dureza y la profundidad de la deformación plástica.
Por tanto, los avances en la tecnología de corte asistido por láser no solo han transformado los procesos de mecanizado convencionales, sino que han permitido el tratamiento de materiales que antes eran imposibles de procesar con técnicas tradicionales. Las mejoras en la eficiencia, la reducción de las fuerzas de corte, y la mejora del acabado superficial son solo algunos de los beneficios que se derivan de la implementación de esta tecnología avanzada.
¿Cómo mejorar la maquinabilidad de materiales difíciles de mecanizar?
El proceso híbrido de mecanizado asistido por láser, conocido como oxidación inducida por láser (LOAM, por sus siglas en inglés), ha demostrado ser una herramienta prometedora para mejorar la maquinabilidad de materiales de difícil mecanizado. Este proceso utiliza un láser pulsado para inducir una reacción de oxidación entre la pieza de trabajo y el oxígeno del ambiente. Como resultado, se producen óxidos porosos y de fácil remoción, los cuales se eliminan simultáneamente con una herramienta de fresado. Este método no solo incrementa la tasa de remoción del material, sino que también prolonga la vida útil de las herramientas de corte.
Las investigaciones experimentales sobre materiales como Inconel 718, Ti–6Al–4V, carburo cementado WC–Co, compuestos SiCp/Al, y compuestos TiB2-TiC y Cf/SiC han mostrado que, comparado con el fresado convencional, el proceso LOAM puede reducir significativamente la fuerza de corte. Esto contribuye a una mayor durabilidad de la herramienta, a la vez que limita los daños superficiales, resultando en una mayor calidad de la superficie mecanizada.
El estudio realizado por Chen et al. sobre la ablación inducida por láser en los compuestos SiCf/SiC reveló que la velocidad de escaneo y el espaciamiento del escaneo tienen un impacto significativo en la profundidad de ablación. En particular, la ablación fue más profunda en el modo de onda continua (CW), debido al suministro continuo de energía, lo que hace que este modo sea más adecuado para generar profundidades de ablación más grandes y diversas, ajustándose así a diferentes requerimientos de corte.
El corte asistido por láser (LEAC) también se ha establecido como una técnica importante, integrando la tecnología láser en el proceso de mecanizado para aprovechar el efecto de ablandamiento térmico que ofrece el láser. Este proceso mejora la maquinabilidad de materiales difíciles de cortar, aumentando la eficiencia del mecanizado. La calidad del corte asistido por láser está directamente relacionada con el material de la pieza de trabajo, el material de la herramienta, la potencia del láser, la velocidad de movimiento del láser y los parámetros de corte. La optimización de estos parámetros puede reducir significativamente la fuerza de corte y el desgaste de la herramienta, mejorando tanto la integridad de la superficie como la eficiencia del proceso.
Numerosos estudios recientes han investigado el rendimiento de corte de materiales difíciles de mecanizar bajo condiciones LEAC. Wang et al. propusieron una ecuación simplificada para controlar la transferencia de calor, transformando una ecuación de transferencia de calor no estacionaria en una ecuación equivalente de transferencia de calor en estado estacionario. La investigación de Zaeh et al. sobre el uso del calentamiento por láser demostró que esta técnica mejora el rendimiento del corte al concentrar el calor en regiones localizadas. Asimismo, Warap et al. analizaron la calidad de la superficie y el desgaste de la herramienta en el torneado y fresado asistidos por láser de aleaciones de titanio, demostrando que calentar el titanio a una temperatura inferior a su punto de fusión reduce eficazmente la fuerza de corte, mejora la vida útil de la herramienta y optimiza el rendimiento del procesamiento.
El estudio de Sun et al. sobre el corte asistido por láser en aleaciones de titanio reveló que la temperatura de calentamiento, al estar por debajo de la temperatura de transformación martensítica del material, permite la aparición de una transformación de fase en la capa fundida, lo que aumenta la dureza del material y, en consecuencia, eleva las fuerzas de corte. Esto subraya la importancia de optimizar los parámetros del láser para evitar un aumento excesivo de la fuerza de corte que podría afectar la calidad del mecanizado.
Además de la optimización de los parámetros de láser, estudios como el de Kim et al. sobre el uso de láser para precalentar Inconel 718 en un centro de mecanizado de cinco ejes demuestran que la optimización de la potencia del láser y la velocidad de movimiento es esencial para generar un campo de temperatura adecuado que minimice las fuerzas de corte y el desgaste de la herramienta, mejorando al mismo tiempo la calidad de la superficie mecanizada.
El enfriamiento criogénico asistido también juega un papel crucial en la reducción de la temperatura generada durante el proceso de corte, especialmente en materiales difíciles de mecanizar. La aplicación de gases de baja temperatura, como nitrógeno líquido (LN2) o dióxido de carbono (CO2), en técnicas de enfriamiento criogénico ayuda a reducir la temperatura en la región de corte, lo que mejora la calidad del proceso y prolonga la vida útil de las herramientas. Esta tecnología ha sido aplicada con éxito en procesos de torneado, fresado y taladrado de materiales como aleaciones de titanio y níquel, cerámicas Si3N4 y aleaciones de Inconel 718. Se ha demostrado que el enfriamiento criogénico mejora significativamente la rugosidad superficial, con una disminución notable de la misma en comparación con los métodos de corte convencionales, además de generar una zona de compresión más gruesa debajo de la superficie del material.
El uso de tecnologías avanzadas como el láser y el enfriamiento criogénico no solo optimiza la eficiencia del mecanizado de materiales de alta resistencia, sino que también mejora la integridad de la superficie, reduce el desgaste de las herramientas y aumenta la vida útil de los equipos. Estas técnicas se complementan mutuamente, permitiendo una mayor precisión y calidad en los procesos de mecanizado de materiales difíciles de cortar, lo que abre nuevas posibilidades para la fabricación de piezas de alto rendimiento en diversas industrias.
¿Cómo la Tecnología UVMQL Mejora el Rendimiento y la Durabilidad de las Herramientas en el Procesamiento de Titanio?
El inicio del corte, junto con la distribución del estrés sobre la herramienta, se concentra principalmente en la cara de corte y la cara de flanco, con un mínimo de estrés en la zona del vértice de la herramienta. Al colocar la boquilla de MQL (Lubricación con Cantidad Mínima) en un ángulo de 0°, se reduce el estrés de la herramienta en un 4,3% en comparación con un ángulo de 5,5° y un 7,6% en comparación con un ángulo de 11°. La elección de un ángulo de boquilla más pequeño puede disminuir el estrés en la herramienta y aumentar su vida útil. En el torneado de titanio, la vida útil de la herramienta en condiciones de UVMQL (Lubricación con Vibración Ultrasónica y Mínima Cantidad) es aproximadamente 2,6 veces mayor que en el mecanizado en seco. Durante el procesamiento con UVMQL, la zona de deslizamiento en la cara de corte de la herramienta es difusa, y la zona de adherencia y deslizamiento muestra una menor extensión. En el proceso compuesto, la longitud de contacto de la herramienta con la viruta se ve reducida.
Otro estudio confirmó estos resultados, observando que al utilizar UVMQL, se forma una película lubricante delgada sobre la superficie de la herramienta, lo que previene el contacto directo de la viruta con la cara de corte y disminuye la adherencia de la viruta a la pieza de trabajo. Esta lubricación reduce la longitud de contacto herramienta-viruta de 1,01 mm a 0,51 mm. En condiciones de corte en seco, la supresión de la longitud de contacto de la vibración ultrasónica tiene un impacto mínimo. El mecanizado en seco genera fricción continua en la interfaz herramienta-pieza, lo que, sumado a la baja conductividad térmica del titanio, provoca una concentración de calor en dicha interfaz. Además, la alta reactividad química del titanio con el material de la herramienta puede ocasionar desgaste químico en la zona de contacto, lo que podría llevar al fallo de la herramienta. En el caso del Ti–6Al–4V en un proceso tangencial UVAT, la combinación de UVAT y MQL restringe significativamente la adherencia del material y el desgaste, gracias al enfriamiento y lubricación mejorados del MQL durante el corte intermitente.
En cuanto al desgaste de la herramienta, este varía desde bajo hasta alto de la siguiente manera: LCO2, MQL y corte por inundación, respectivamente. El ancho promedio del desgaste del flanco se redujo aproximadamente un 70%, 54% y 35% en comparación con las condiciones de corte en seco. Además, el desgaste de la cara de corte muestra una clara zona de adherencia y deslizamiento bajo condiciones de corte en seco. Esto significa que el área de contacto consiste tanto en contacto metálico completo como en una zona de abrasión. Sin embargo, en el mecanizado con UVMQL, las zonas de adherencia y deslizamiento son mucho más pequeñas y menos pronunciadas.
La calidad de la superficie mejora significativamente en comparación con el mecanizado en seco, gracias a la disminución del coeficiente de fricción en la zona de corte y el desgaste reducido de la herramienta que se logra con la tecnología UVMQL. En un estudio del Ti–6Al–4V en proceso tangencial UVAT, se compararon los valores de rugosidad superficial bajo diferentes condiciones de lubricación. En comparación con el corte en seco, por inundación y MQL, los valores de rugosidad superficial en el torneado convencional bajo LCO2 fueron reducidos en promedio en un 30%, 25% y 12%, respectivamente. Para UVAT bajo LCO2, estas reducciones fueron del 43%, 24% y 22% en comparación con el corte en seco, por inundación y MQL. Esto indica que el MQL supera el corte convencional por inundación, pero no llega al nivel de LCO2. En otro estudio realizado bajo condiciones de corte en seco, con frecuencias de vibración de 20 y 30 kHz, los valores de rugosidad superficial disminuyeron entre un 5,84% y un 25,80% y entre un 20,46% y un 44,35%, respectivamente, en comparación con el corte convencional. Bajo condiciones de lubricación mínima, estos valores aumentaron entre un 27,11% y un 39,86% y entre un 47,70% y un 49%, respectivamente. Las frecuencias de vibración más altas conducen a una mejor calidad de la superficie.
La aplicación de vibración ultrasónica resultó en una mejora en el acabado de la superficie independientemente de la condición de lubricación. La tecnología UVMQL mejora la integridad de la superficie y reduce los valores de rugosidad a través de una mayor lubricación y una disminución del desgaste de la herramienta. Además, UVAT promueve la generación de tensiones residuales compresivas, lo que aumenta la vida útil a fatiga de la pieza de trabajo. Según los resultados de la investigación sobre la topografía superficial de la pieza de trabajo bajo diferentes condiciones de lubricación a una velocidad de corte de 35,2 m/min, el desgaste severo de la cara del flanco de la herramienta resultó en rayones notorios en la superficie de la pieza de trabajo en el corte en seco. En contraste, la superficie de la pieza de trabajo obtenida mediante el procesamiento con UVAT fue más suave y el patrón de alimentación más consistente. El menor desgaste de la herramienta y la influencia de las altas frecuencias de vibración fueron los factores primarios responsables de este efecto.
El movimiento relativo de alta frecuencia de la superficie de la herramienta genera microestructuras en la superficie de la pieza de trabajo. Este fenómeno ha sido modelado y confirmado experimentalmente utilizando materiales plásticos. A futuro, la investigación sobre el uso de microestructuras superficiales y el impacto de los métodos de lubricación sobre las características superficiales, incluyendo el comportamiento elasto-plástico, los daños microscópicos y la adherencia, podría ofrecer nuevas perspectivas en el análisis de la calidad superficial de las piezas.
La aplicación de análisis de ondas puede mejorar la eficiencia de la evaluación cuantitativa de la calidad de la superficie de la pieza de trabajo al extraer señales de alta frecuencia de la superficie para analizar defectos microscópicos y adherencia. A través de este análisis, será posible optimizar los procesos de mecanizado con lubricación mínima, maximizando los beneficios en términos de calidad superficial, reducción de desgaste y mejora en la vida útil de las herramientas.