El mecanizado por abrasión en superficies metálicas: nuevas líneas de investigación para grandes producciones

El mecanizado por abrasión es una forma todavía excesivamente costosa para la obtención de acabados especulares en superficies metálicas. El presente artículo describe las tecnologías actuales más asequibles para este tipo de aplicación, así como la evolución que está tomando dentro del sector de los transformados metálicos. Finalmente abre un abanico de posibilidades en cuanto a la automatización de estas operaciones, siendo ésta la principal línea de investigación que plantea.

Los procesos de abrasión sobre metales no dejan de ser en definitiva una conformación por arranque de material. El arranque de material se realiza partiendo de semielaborados por moldeo, forja o laminación, a los que se da forma definitiva quitando el material sobrante de acuerdo con el plano de la pieza que se desea obtener. En la Tabla siguiente se muestra una clasificación general de máquinas que se emplean para el arranque de material.

Actualmente se tiende a producir, cada vez en mayor proporción, piezas totalmente terminadas por moldeo o por deformación, pues teóricamente la conformación por arranque de material es un procedimiento que encarece los costes de fabricación de piezas. Sin embargo, la conformación de los metales y aleaciones por arranque de material es, por ahora, el único procedimiento de que se dispone para obtener acabados de gran exactitud, por lo que se sigue utilizando para dar a las piezas, conformadas por otros procedimientos, acabados y cotas muy precisas.

Aunque se suele utilizar un procedimiento manual para los ajustes finales, este procedimiento no se emplea para fabricación de grandes lotes de piezas. La conformación manual, ha quedado reducida al ajuste final de encajes de precisión. No obstante, esta labor de ajuste, cara y lenta, se emplea cada vez menos al fabricarse las piezas con medidas precisas, comprendidas entre tolerancias determinadas, que permiten ajustar perfectamente piezas de serie.

El mecanizado mediante abrasivos, es un proceso de conformado por arranque de material, producido por abrasión de la superficie a obtener. Es un proceso indispensable en el caso de materiales de gran dureza, como por ejemplo en aceros que han sufrido un tratamiento térmico para modificar sus características mecánicas y que, como consecuencia de ello, sufren deformaciones en su geometría que es necesario corregir.

Además, en la mayoría de casos se obtiene un acabado especular en la pieza, lo que ofrece una mejora en el aspecto estético.

Las rectificadoras son máquinas de alta precisión, empleadas para rectificar las medidas exactas de las piezas mecanizadas con otras máquinas herramienta de acabados no definitivos. Las rectificadoras permiten obtener una elevada precisión en las medidas de las piezas pero para determinados trabajos queda la superficie de éstas con rugosidades medias de 0,10 micras, que se consideran inaceptables en muchos casos. Para ello se han ideado máquinas para mejorar el acabado superficial e incluso dar a éste un mayor brillo y, por tanto, mayor presentación. Se pueden clasificar en tres grandes apartados:

1. Máquinas acabadoras propiamente dichas que suprimen las rugosidades que quedan del rectificado como son: las lapeadoras (agujeros), superacabadoras (vaivén).
2. Máquinas abrillantadoras, que solamente dan brillo, como son las pulidoras (soportes blandos).
3. Máquinas de presión, como las bruñidoras, que únicamente se presiona sobre la superficie a bruñir de la pieza puesta en movimiento, y por tanto es una forma de acabado sin emplear abrasivos.

Figura 1. Herramienta de abrasión en cinta de bobinado

La obtención del denominado pulido espejo, es decir, cuando se alcanzan rugosidades medias del orden de las 0,04-0,05 micras, se obtiene a base de horas, habilidad del operario y una larga lista de productos que él mismo usa a su criterio. Estos productos son piedras de lapear, lija al agua de granos finos, pastas de pulir y discos de trapos... La forma de trabajo es prácticamente artesanal: se va midiendo la rugosidad alternativamente al proceso de pulido manual, hasta que se llega a las especificaciones requeridas. Lógicamente, los principales inconvenientes del sistema son:

- Por un lado, no se pueden reproducir resultados predecibles en similares circunstancias, ya que la superficie de trabajo abrasiva se deteriora con el uso, pues se "abrillanta", se emboza y se redondean los granos, variando el acabado respecto del principio. A pesar de alcanzarse uniformidades superficiales aceptables, como lo demuestra la Ra conseguidas de 0,04 a 0,05 micras, quedan, "debajo" del brillo, rayas erráticas importantes, como lo demuestra el hecho de que las Rz alcanzadas suelen estar entre 0,25 y 0,40 micras.

- Por otra lado, el coste de mano de obra es elevado y todo se sustenta en la habilidad/experiencia del operario, lo que imposibilita la ejecución de este tipo de operaciones para grandes lotes de piezas a un coste razonable.

La única ventaja radica en el coste reducido que implica la maquinaria.

El avance en la industria y los requerimientos de acabado y tolerancias cada vez más estrictos, hacen que las rugosidades medias obtenidas por los procesos anteriores queden por debajo de lo deseable. En muchos casos las necesidades del mercado actual requieren de rugosidades Ra por debajo de 0,02 micras por lo que es necesario otro tipo de operaciones con abrasivos, incluso la utilización de operaciones escalonadas.

A la vista de la necesidad existente, las características deseables que los métodos debieran tener son las siguientes: poder alcanzar Ra< 0,02 con Rz< 0,15 micras en materiales duros, obtener resultados predecibles y reproducibles en similares circunstancias, una uniformidad de resultados de rugosidad a toda la superficie y a un costo aceptable.

Han sido elevados los intentos por parte de muchos fabricantes para conseguir un sistema que cubriese las anteriores características. Sin embargo, tanto los fabricantes de muelas como de bandas abrasivas se encuentran el problema, planteado anteriormente, de que la superficie de trabajo abrasiva se deteriora con el uso. Una solución inicial al sistema pasa por plantear el proceso a través de bandas abrasivas de un solo uso.

Figura 2. Herramienta de abrasión tipo vástago

Estos sistemas realizan un bobinado de la cinta con lo que se consigue que pase una sola vez la superficie de abrasión por la pieza a pulir. En este proceso se controlan numerosos parámetros como: velocidad de debobinado/rebobinado del microabrasivo, frecuencia de oscilación, velocidad de avance, velocidad de corte, fuerza de contacto, dureza de la rueda de contacto, tipo de grano, lubricante y dirección de giro del rodillo.

Un aumento de la calidad de la superficie a obtener exige una disminución del tamaño de grano a utilizar, lo que a su vez conduce al aumento del tiempo a emplear en el mecanizado, por lo que cuando la diferencia entre la calidad de la superficie antes y después es grande, es conveniente dividir el proceso en dos o tres operaciones, ejecutadas con abrasivos de tamaños decrecientes, incluso con operaciones diferentes. En esta línea, los fabricantes diseñan operaciones escalonadas de acabado utilizando progresivamente abrasivos de tamaño de grano decreciente.

En el procedimiento planteado al final del punto anterior se utilizan microgranos, los cuales se miden, no por mallas como los abrasivos tradicionales, sino por su dimensión real en micras. Existen tamaños desde 60 a 0,1 micras, tamaño, éste último, que nos indica hasta dónde se puede llegar.

Normalmente, este tipo de abrasivo viene en una herramienta del tipo cinta para conseguir una automatización del proceso (auténtica ventaja competitiva), y es utilizado habitualmente en cilindros o piezas de geometría regular. El problema surge cuando queremos extrapolar el sistema para piezas que tienen una geometría irregular. La configuración de las bandas abrasivas no permite su utilización en operaciones automáticas en superficies irregulares, por lo que requieren algún tipo de herramienta de vástago, en la que nos encontramos con el problema de embozamiento y desgaste de planteado anteriormente.

El desarrollo de un proceso de abrasión de este tipo supondría la aportación de un gran valor añadido a la rentabilidad de este tipo de operaciones: la automatización de operaciones tradicionales de pulido supondría un importante ahorro en costes. Pero en definitiva, existen inconvenientes de tipo tecnológico que hacen por el momento inviable este tipo de operaciones: el deterioro de la superficie abrasiva al que nos hemos referido anteriormente, el control del punto de trabajo en la trayectoria de la herramienta y, en definitiva el coste elevado de la maquinaria a emplear.

[1] Datta y Gray. Surface engineering. Vol. III: Process technology and surface analysis. 312 páginas, 1993
[2] Datta y Gray. Surface engineering. Vol. II: Engineering applications. 344 páginas, 1993
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[7] Lasheras, J.M. Tecnología Mecánica y Metrotecnica, Tomo II. 830 páginas, Editorial Donostiarra, 2000.
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