El mecanizado convencional de superaleaciones basadas en níquel enfrenta una serie de desafíos debido a la alta temperatura de corte y las fuerzas de fricción que actúan sobre las herramientas. Un fenómeno común en estos procesos es el desgaste adhesivo, generado por la acumulación de material adherido en el filo de la herramienta, formando lo que se conoce como "BUE" (Built-Up Edge). Este material adherido cambia la geometría de la herramienta y no es estable: su volumen fluctúa durante el corte, desprendiéndose periódicamente. Cuando el BUE se desprende, la superficie de la herramienta se desgasta, lo que provoca la formación de hoyos y pitting en el filo, lo que resulta en un desgaste significativo de la herramienta. Este fenómeno se observa principalmente durante el mecanizado convencional de superaleaciones basadas en níquel.

En contraste, el mecanizado asistido por láser (LAT, por sus siglas en inglés) ha demostrado tener un impacto positivo en la reducción de la fuerza de corte, lo que disminuye la fricción y, por consiguiente, la temperatura generada en el proceso. Esto reduce el desgaste en la cara de deslizamiento (flank wear) y aumenta la vida útil de la herramienta. A diferencia del mecanizado convencional, el desgaste en las herramientas durante el LAT se presenta de forma menos severa y más uniforme, gracias a las condiciones térmicas más favorables que genera el láser. La ubicación de la temperatura máxima se desplaza lejos de la punta de la herramienta, lo que da lugar a una distribución de temperatura más homogénea en las caras de ataque y deslizamiento de la herramienta.

En el caso del mecanizado asistido por láser de superaleaciones basadas en níquel, un aumento de la temperatura hasta unos 540°C reduce considerablemente el desgaste de la herramienta. Sin embargo, temperaturas superiores, como los 557°C, inducen una mayor formación de desgaste tipo cráter en la cara de ataque de la herramienta. Además, en comparación con el mecanizado convencional, el desgaste de la cara de deslizamiento se reduce en un 29% durante el LAT. Este tipo de mejora en las condiciones de mecanizado, con la consiguiente reducción de las fuerzas de corte, también se observa en aleaciones como Ti–6Al–4V, donde el desgaste de la herramienta disminuye a medida que aumentan la velocidad de corte y la tasa de avance, siempre que se mantenga una temperatura constante de eliminación de material.

Sin embargo, aunque el LAT mejora el desgaste de la cara de deslizamiento, el desgaste por muescas sigue siendo el principal modo de fallo de la herramienta durante el mecanizado asistido por láser de superaleaciones basadas en níquel. Este tipo de desgaste se debe principalmente a la difusión del cobalto, que provoca la extracción de partículas de WC (carburo de tungsteno) y afecta gravemente la dureza y resistencia al desgaste de la herramienta, promoviendo la formación de cráteres en la cara de ataque.

Otro aspecto importante en el mecanizado de materiales aeroespaciales difíciles de cortar, como las superaleaciones basadas en níquel, es la integridad superficial. El fracaso de estos materiales generalmente comienza en la superficie y depende en gran medida de la calidad de la misma. Factores como la rugosidad superficial, las tensiones residuales y la textura superficial son esenciales para determinar la longevidad y la fiabilidad de las piezas mecanizadas. Las tensiones residuales, particularmente las tensiones residuales de compresión, son generalmente favorables para prolongar la vida útil del componente, ya que ayudan a prevenir fallos por fatiga y corrosión. En el mecanizado convencional, las tensiones residuales suelen ser de tracción, lo que reduce la durabilidad de las piezas. Sin embargo, el proceso de LAT tiene el potencial de reducir las tensiones residuales de tracción y promover un estado de tensiones residuales de compresión, lo que mejora la integridad de la superficie.

El aumento de la potencia del láser en el LAT genera efectos térmicos que favorecen la formación de tensiones residuales compresivas en la superficie del material trabajado, lo que se traduce en una mayor resistencia a la fatiga y una vida útil más prolongada de las piezas. En investigaciones previas, se ha comprobado que el aumento de la potencia láser reduce las tensiones residuales de tracción en materiales como el acero AISI 4340, mientras que aumenta las tensiones residuales compresivas, favoreciendo la longevidad del componente.

Es crucial tener en cuenta que la temperatura de eliminación de material juega un papel fundamental en la vida útil de la herramienta durante el LAT. Para aleaciones de titanio como Ti–6Al–4V, se ha identificado que la temperatura óptima de eliminación de material se encuentra cerca de los 250°C, ya que se logra un equilibrio entre la deformación plástica y la energía térmica del láser, lo que minimiza el desgaste tipo cráter en la cara de ataque de la herramienta. A temperaturas más altas, la difusión del cobalto se acelera, lo que acorta la vida útil de la herramienta.

El control adecuado de la energía láser y de las velocidades de corte es esencial para optimizar el proceso de LAT y garantizar su superioridad frente al mecanizado convencional. En resumen, el mecanizado asistido por láser tiene un gran potencial para mejorar el rendimiento y la vida útil de las herramientas al reducir el desgaste, pero requiere un control preciso de las variables de proceso para maximizar sus beneficios.

¿Cómo afecta la temperatura de corte en el proceso de rectificado con vibraciones ultrasónicas?

El proceso de rectificado con herramientas abrasivas de pequeño diámetro juega un papel crucial en la calidad final del mecanizado. En comparación con otros métodos tradicionales, el rectificado de precisión ofrece ventajas significativas como una alta precisión en el mecanizado, una amplia gama de aplicaciones y una excelente calidad superficial, lo que lo convierte en el método más utilizado para procesar materiales duros y frágiles. Sin embargo, uno de los mayores desafíos en este proceso es el calor generado durante el corte. Este calor no solo afecta la superficie del material trabajado, sino que también puede resultar en defectos como quemaduras, grietas y tensiones residuales, comprometiendo la calidad del trabajo realizado.

Durante el rectificado, debido al ángulo de corte negativo de las partículas abrasivas, se genera una gran cantidad de calor mientras se forman las virutas. La dificultad para que el fluido de rectificado llegue a las zonas críticas de corte, combinado con la baja conductividad térmica de materiales como el TC4, hace que este calor no se disipe fácilmente. Como resultado, gran parte de la energía térmica generada se acumula en la zona de contacto entre la muela y la pieza de trabajo, lo que incrementa las posibilidades de que se produzcan defectos térmicos.

Es por esto que resulta esencial estudiar la distribución de la temperatura durante el proceso de rectificado. Los modelos más comunes para describir la fuente de calor en rectificado superficial incluyen fuentes de calor en forma de tira, arco y triángulo. En este estudio, dado que la profundidad de corte es pequeña (máximo 7 μm), se emplea un modelo de fuente de calor tipo tira para desarrollar un modelo de temperatura en el rectificado asistido por ultrasonido longitudinal-torsional bajo condiciones de micro-lubricación con nanofluidos.

Bajo la influencia de las vibraciones ultrasónicas longitudinales y torsionales, la muela rota alrededor del eje principal a una velocidad de n, mientras que también realiza vibraciones de alta frecuencia tanto en la dirección de rotación como en la dirección axial. Este proceso modifica la dinámica de contacto entre la muela y la pieza, lo que se refleja en un cambio en la velocidad lineal de corte de la muela. La velocidad de corte se expresa como la combinación de la velocidad de rotación de la muela y la velocidad de vibración torsional ultrasónica, afectando tanto la temperatura generada como la distribución del calor durante el rectificado.

En la zona de contacto, la transferencia de calor entre la muela y la pieza se debe principalmente a la fricción y el corte de las partículas abrasivas. La ecuación que describe el flujo total de calor incluye términos para la potencia de rectificado, el área de contacto entre la muela y la pieza, así como el grosor de la película lubricante. El comportamiento térmico se ve modificado por las condiciones de lubricación; la presencia de nanofluidos mejora la conductividad térmica del fluido de rectificado, lo que aumenta la eficiencia de la transferencia de calor hacia los medios de refrigeración. Este aspecto es esencial, ya que una mayor eficiencia de transferencia térmica reduce la acumulación de calor en la zona de corte, mitigando los efectos térmicos indeseables.

Es importante destacar que, bajo condiciones de micro-lubricación, el coeficiente de fricción entre la partícula abrasiva y la pieza se ve influenciado por la lubricación, lo que puede alterar la cantidad de calor generado en la interfaz de corte. La modificación de este coeficiente por los nanofluidos permite un control más preciso de la temperatura de corte, reduciendo los riesgos de daño térmico en la superficie trabajada.

Además, la investigación demuestra que la mayor parte del calor generado durante el rectificado se transfiere al material trabajado y a las partículas abrasivas. Los medios de enfriamiento, como los nanofluidos, son capaces de transportar una cantidad considerable de calor, mientras que el calor transferido a las virutas y al aire es relativamente pequeño y se puede desestimar en muchos casos. Esto subraya la importancia de elegir correctamente los medios de lubricación y enfriamiento, especialmente cuando se trabaja con materiales que presentan dificultades térmicas como los de alta dureza.

El estudio detallado del modelo térmico en el rectificado con ultrasonido longitudinal-torsional permite una mejor comprensión de cómo las vibraciones ultrasónicas pueden ayudar a controlar la temperatura durante el proceso de corte. Esta comprensión es esencial para mejorar la calidad del trabajo y prevenir defectos térmicos que afectan las propiedades finales del material trabajado.

¿Cómo influyen la microestructura y el proceso US-EDAM en el mecanizado del titanio Ti–6Al–4V?

El titanio Ti–6Al–4V, una de las aleaciones más utilizadas en aplicaciones aeroespaciales y biomédicas, exhibe una microestructura dual compuesta por fases α y β. Antes de cualquier deformación mecánica, la aleación presenta una configuración microscópica donde se distingue claramente la presencia de estas dos fases, reveladas tras el ataque químico con reactivo de Kroll. La fase α, de tonalidad oscura en micrografías SEM, se caracteriza por su estructura hexagonal compacta estable por debajo de 882 °C. Está compuesta principalmente por elementos como aluminio, carbono, oxígeno y nitrógeno. Entre estos, el aluminio actúa como el principal elemento de aleación, aumentando la resistencia tanto a temperatura ambiente como a altas temperaturas, a la vez que reduce la densidad y eleva el módulo elástico del material.

Por su parte, la fase β —de color claro y estructura cúbica centrada en el cuerpo cuando se encuentra por encima de 882 °C— contiene elementos como vanadio, nitrógeno y cromo. Estos elementos tienen un impacto directo en la resistencia mecánica y la dureza del material. En las imágenes metalográficas puede observarse una estructura laminada, donde la fase beta alberga α secundaria, lo que añade complejidad y heterogeneidad a la microestructura general de la aleación.

La dureza superficial del Ti–6Al–4V, medida en muestras representativas, se encuentra en el rango de 330–340 HV, mientras que su resistencia mecánica supera los 1000 MPa. No obstante, esta resistencia disminuye a aproximadamente 500 MPa cuando el material se somete a temperaturas elevadas. Esta caída en la resistencia a la tracción bajo calor impone desafíos significativos durante procesos de mecanizado convencional, especialmente en aplicaciones que requieren integridad superficial y tolerancias estrechas.

Con el objetivo de mejorar el comportamiento del material durante el mecanizado, se ha desarrollado el proceso US-EDAM (Ultrasonic-Assisted Electrical Discharge Abrasive Milling), que combina vibración ultrasónica con descarga eléctrica. En este sistema híbrido, se emplea un generador de pulsos RC-transistor que regula la carga y descarga de la energía eléctrica, incluso bajo condiciones de cortocircuito o brechas de descarga reducidas. Esto permite un control más preciso sobre las condiciones de descarga, resultando en una erosión más estable y uniforme del material.

Durante el mecanizado, el electrodo de cobre y la herramienta con insertos de carburo están sometidos a vibraciones axiales inducidas por un transductor ultrasónico tipo Langevin, montado dentro del husillo. Estas vibraciones, con frecuencia de 25.34 kHz y amplitud de 4.37 μm, generan un efecto sinérgico: la descarga eléctrica ablanda la superficie del titanio, y la acción mecánica de fresado retira la capa reblandecida, permitiendo una eliminación eficiente del material con mínima deformación plástica.

Para evitar la corrosión por chispas en las herramientas, se emplea aislamiento eléctrico con cinta aislante entre el cuerpo de la herramienta y los insertos, así como tornillos de zirconia. Cuando se utilizan cuchillas no conductoras, como cerámicas, este aislamiento adicional no es necesario. El diseño de las herramientas EDAM está orientado a impedir la interacción no deseada entre los mecanismos de fresado y descarga durante el proceso.

En los experimentos realizados, se utilizaron distintas combinaciones de parámetros: tres niveles de capacitancia (10,000, 100,000 y 1,000,000 pF), tres velocidades de avance (5, 10 y 15 μm/diente), y distintas duraciones de tiempos de encendido y apagado del transistor (Ton y Toff). La resistencia del sistema se fijó en 1 kΩ, lo que, junto con los valores de capacitancia, determina la constante de tiempo T del circuito RC. Se seleccionó un Ton de 4 μs, mientras que Toff varió entre 30, 300 y 3000 μs para estudiar los efectos en la descarga y la integridad superficial.

Para evaluar los resultados del proceso, se utilizaron técnicas avanzadas de caracterización como interferometría de luz blanca para la morfología 3D, microscopía electrónica de barrido (SEM) para observación superficial, espectroscopía de dispersión de energía (EDS) para el análisis de composición elemental, y difracción de rayos X para la medición de tensiones residuales. La rugosidad (Ra) se evaluó en la dirección de avance para comparar la calidad de superficie lograda con distintas condiciones de mecanizado.

Es esencial comprender que el comportamiento de Ti–6Al–4V durante el mecanizado no puede entenderse únicamente desde la perspectiva de su dureza o resistencia mecánica. La complejidad de su microestructura, el comportamiento anisotrópico entre fases, y la sensibilidad térmica del material bajo descarga eléctrica afectan profundamente la calidad del acabado superficial, el desgaste de la herramienta y la precisión dimensional. Además, el uso de técnicas híbridas como US-EDAM introduce nuevas dinámicas en la interacción en

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