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El mecanizado en seco evita problemas ecológicos y reduce los costes del proceso, con mayores velocidades de corte y mayor duración de las herramientas

Fabricación sostenible. Lubricación por cantidades mínimas (MQL)

Mariano Jiménez Calzado, departamento de Ingeniería Mecánica, Escuela Técnica Superior de Ingeniería ICAI, Universidad Pontificia Comillas de Madrid. mjimenez@dim.icai.upcomillas.es10/07/2012
La industria es uno de los cuatro agentes que se encuentran implicados en el Desarrollo Sostenible (DS); los otros tres agentes son la naturaleza, la sociedad y la administración. En el ámbito de la ingeniería de fabricación debería ser una condición ineludible dar respuesta al desafío de construir un nuevo modelo de desarrollo que permita satisfacer nuestras necesidades y conservar y mejorar el medio ambiente. Para ello, se deben revisar los vínculos entre ingeniería y fabricación y su posible derivada hacia criterios de sostenibilidad.

Si partimos de una definición genérica de ingeniería de fabricación —“Ciencia cuyo objeto es el conocimiento, aplicación y desarrollo de procesos óptimos para conformación de bienes de equipo y consumo, según especificaciones de diseño, basándose en el uso de factores productivos y teniendo en cuenta los fines del individuo, empresa y sociedad”—, el origen del compromiso hacia la sostenibilidad se encuentra perfectamente ubicado, eso sí, hay que tener claros los fines del individuo, la empresa y la sociedad.

Es importante que la industria responda al desafío anteriormente planteado, pues su aportación al desarrollo de la sociedad es clave. Las industrias que decidan formar parte de un desarrollo sostenible tienen un primer punto de apoyo en la Ecología Industrial (EI): “Estructura económica y física acompañada de una actitud de los agentes implicados en la sociedad industrial, que buscan un equilibrio sostenido con la biosfera mediante la reducción del consumo de materias primas, energía de los procesos industriales y residuos, de forma que la biosfera pueda reemplazarlos y asimilarlos”.

Si nos centramos en los procesos de fabricación basados en arranque de material e intentamos aplicar estrategias que conlleven un compromiso con la sostenibilidad, tenemos una primera oportunidad para optimizar la estrategia de producción en el empleo de una tecnología de producción alternativa y la reducción de residuos relacionados con la utilización de los líquidos refrigerantes. Esta estrategia nos permitirá disminuir los costes económicos y ecológicos de los refrigerantes empleados en las máquinas-herramienta así como disminuir los residuos peligrosos para el medio ambiente, las enfermedades de la piel y los problemas respiratorios.

¿Qué ocurriría si los legisladores y las asociaciones de seguros de accidentes laborales aprobaran leyes y reglamentos más estrictos en respuesta a los riesgos que suponen los líquidos refrigerantes? Pues que las empresas tendrían una mayor responsabilidad y nuevas obligaciones con respecto al personal, además de unos mayores gastos financieros.

¿Existe alguna estrategia de producción que evite los problemas económicos y ecológicos que conlleva el mecanizado con refrigerantes? Sí, el mecanizado en seco evita problemas ecológicos además de reducir los costes del proceso, sin olvidar, que se pueden obtener mayores velocidades de corte y mayor duración de las herramientas, provocando un aumento de la productividad.

Fabricación sostenible

Si nos comprometemos con la mejora ambiental de un producto, la optimización de las técnicas de producción puede conseguir el equilibrio sostenible que buscamos. La fabricación sostenible debe plantearse como “un proceso óptimo que minimiza los desperdicios y la contaminación provocados durante la conformación del producto y bajo especificaciones de ecodiseño”.

Esta optimización del proceso no está regulada por una norma y es sobre todo un planteamiento filosófico a seguir. Si se analiza la estrategia que actualmente sigue cualquier empresa de cualquier sector industrial, se observa cómo en algunos casos, se siguen realizando inversiones, por ejemplo, en máquinas-herramientas que siguen generando residuos contaminantes, aún existiendo en el mercando tecnologías alternativas que reducen al mínimo dichos residuos. Estas empresas no han valorado su posible actuación bajo criterios de desarrollo sostenible: ¿Dónde acaba la responsabilidad de la empresa que fabrica un producto sin disminuir el impacto de residuos?, ¿cuál es el nivel aceptable de emisión tóxica?, ¿qué coeficiente de participación han asumido estas empresas ante el nuevo desafío?

En el panorama industrial actual nos encontramos con empresas que utilizan sistemas de fabricación cuyo objetivo principal para ser competitivos es el de obtener productos en un tiempo mínimo, a un coste adecuado y con una calidad óptima.

Los técnicos e ingenieros de fabricación involucrados en esos sistemas de fabricación deben establecer una estrategia basada en referencias y propuestas relacionadas con la producción y de implantación directa en la política de gestión de una fábrica:

  • Disminución del consumo de energía y consumo de energía limpia: aplicar energías renovables, utilizar energías convencionales de bajo impacto ambiental, instalar equipos de elevado rendimiento energético, recuperar el calor residual.
  • Reducción de recursos: instalar equipos de control de consumo de recursos, recircular flujos, recuperar los efluentes como subproductos, reciclar los materiales sobrantes para otros procesos, aumentar procesos de inspección en la compra de materiales, adquirir cantidades (mínimas) adecuadas de materiales, control de inventarios, dosificación automática de cantidades idóneas.
  • Reducción de etapas de fabricación: mejora de métodos y tiempos, reducir etapas de los tratamientos superficiales, simplificar el tipo de materiales utilizados, simplificar el número de componentes, secuenciar las operaciones de producción para minimizar sus emisiones.
  • Reducción de emisiones: segregar los tipos de emisiones según grado de impacto y facilidad de reciclado, mejorar la gestión de los flujos contaminantes, instalar equipos para reducir emisiones, reutilizar subproductos del proceso interna o externamente, mejorar los sistemas de almacenamiento para reducir el impacto, utilizar productos de limpieza menos tóxicos y peligrosos, reciclar interna y externamente.
  • Mejoras de mantenimiento: rediseñar la planta para facilitar el mantenimiento, planificar secuencias de carga para reducir el material de limpieza, inspeccionar y realizar operaciones de limpieza periódicas, mejorar la gestión del almacén para caducidad de productos, buena gestión de las operaciones del sistema de producción, aumentar el control de emisiones, instalar equipos de proceso para un solo producto para mejorar su gestión y ahorro de materiales de limpieza.

En cuanto a la gestión ambiental en el entorno de fabricación, si deseamos que nuestra fábrica contribuya al equilibrio sostenido, es necesario que la gestión tenga muy claros ciertos objetivos y compromisos medioambientales, de coordinación y control de las actividades industriales.

Los Sistemas de Gestión Medioambiental (SGMA) son un punto de apoyo clave para fijar la estructura del modelo de gestión sostenible de nuestra fábrica, ya que tendremos que canalizar, comprobar, verificar y asegurarnos que los procesos cumplen con las normas aplicables y la estrategia corporativa.

La administración, la ley y los ciudadanos exigen un cumplimiento estricto de requerimientos medioambientales y por lo tanto, un SGMA es una herramienta necesaria para estructurar y documentar ese compromiso. La norma UNE-EN-ISO 14001 nos recuerda qué es un SGMA: “Parte del sistema de gestión que incluye la estructura organizativa, la planificación de actividades, las responsabilidades, las prácticas, los procedimientos, los procesos y los recursos para desarrollar, implantar, llevar a efecto, revisar y mantener al día la política medioambiental”.

Existen dos modelos normativos para la implantación de una SGMA:

  • Normas ISO 14000.
  • Reglamento CE nº 761/2001 (EMAS).

Ambos modelos permiten a las empresas el desarrollo de un sistema de gestión medioambiental y su integración con el resto de sistemas de gestión empresarial, y así poder cumplir con el compromiso medioambiental exigido.

Para una empresa que produzca bienes de equipo y consumo, hablar directamente del concepto de ‘producción limpia’ le puede simplificar el planteamiento que engloba la fabricación sostenible y la gestión medioambiental ya que se centra en la ejecución eficaz de los procesos productivos de manera que se genere el valor mínimo de subproductos o residuos no aprovechables internamente con el mínimo consumo de materias primas y para ello se apoya en tres ámbitos de actuación:

  • Seleccionar procesos que minimicen la producción de residuos y el impacto ambiental en el entorno.
  • Minimizar y reducir los procesos que generan residuos y excesivo consumo de materias primas.
  • Valorizar internamente la generación de residuos como materia prima alternativa y así mitigar el impacto medioambiental y el coste de los residuos generados.

Aplicación ecológica y económica de los fluidos de corte

En los procesos de conformado por eliminación de material es necesario controlar los siguientes factores: deformación elástica del material en su proceso de rotura, fuerzas de compresión y de fricción entre superficies, altas temperaturas y desgaste químico por el contacto con el oxígeno. El control de estos factores permite mantener entre límites la vida de la herramienta y conseguir las tolerancias con estabilidad.

El fluido de corte contrarresta estos factores mediante la refrigeración y lubricación del entorno pieza-herramienta y la evacuación del material sobrante (figura 1). Su utilización provoca un elevado coste de mantenimiento y eliminación, además de un problema en base a los criterios actuales de Fabricación Sostenible. Así mismo, al factor económico se añade el fuerte impacto medioambiental que provocan estos residuos, así como el posible desarrollo de enfermedades de los trabajadores que están en contacto permanente con los fluidos durante un tiempo prolongado.

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Figura 1. Aplicación externa del fluido de corte mediante emulsión y MQL.

Ante estas exigencias, y en base a la experiencia acumulada en el mecanizado de diferentes materiales y operaciones de corte, lo primero que nos planteamos es dar el salto al mecanizado en seco o con mínimas cantidades de refigerante.

El mecanizado en seco de componentes de acero y fundición con operaciones de torneado y fresado, actualmente tiene una respuesta eficiente con las herramientas de corte de metal duro recubierto dada su alta resistencia al desgaste térmico.

En cambio, en operaciones de taladrado, mandrinado y roscado de aceros y aleaciones de aluminio, sin olvidar el por corte con sierra, la lubricación por cantidades mínimas (MQL- Minimum Quantity of Lubricant) sigue siendo clave para obtener un compromiso entre la eficiencia de la operación y la aplicación económica del fluido de corte.

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Tabla 1. Áreas de aplicación.

Para realizar una adaptación gradual al mecanizado basado en un sistema MQL, es recomendable iniciar, aunque sea de forma experimental, la conversión en paralelo y en la misma máquina de algunas operaciones donde se emplean refrigerantes a soluciones de mecanizado en seco. Además, la instalación de un sistema de lubricación por cantidades mínimas basado en la alimentación de aerosol en un solo conducto, es muy fácil y no requiere apenas mantenimiento. En la tabla 1, se muestran las áreas de aplicación del mecanizado en seco y del MQL.

   1. Mecanizado en seco

El mecanizado en seco supone la eliminación completa del fluido de corte. De forma que cuando se realiza un proceso de este tipo, se deben adoptar medidas para que las funciones que normalmente ejerce el fluido sean asumidas por otros medios.

Para implantarlo se requiere realizar un profundo análisis de las condiciones límites de la operación conjuntamente con el conocimiento detallado de las complejas interacciones asociadas al proceso, entre la herramienta de corte, la pieza a mecanizar y la máquina herramienta. Sobre esta base, se pueden identificar y adoptar medidas y soluciones para lograr implementar el mecanizado en seco.

Los factores a los que se les otorga mayor influencia en el desgaste de la herramienta son la adhesión y la abrasión para velocidades de corte bajas y la difusión y la oxidación a altas velocidades y elevadas temperaturas de corte. En consecuencia, el material de la herramienta debe presentar baja tendencia a la adhesión con el material de la pieza así como elevada dureza y resistencia al desgaste a alta temperatura.

Los materiales de herramientas actualmente disponibles, responden de forma desigual a las mencionadas características. Las herramientas recubiertas son ejemplo de materiales que permiten que el mecanizado en seco se extienda a áreas en las que los lubricantes se consideran actualmente como esenciales. Los avances en el campo de los materiales de corte y los recubrimientos contribuirán firmemente a la reducción de los fluidos de corte.

   2. Lubricación por cantidades mínimas, MQL

La lubricación por cantidades mínimas (MQL- Minimum Quantity of Lubricant), sustituye el uso de la refrigeración-lubricación convencional mediante fluidos de corte, por el suministro en los puntos de fricción de una cantidad muy pequeña de lubricante (0.5-50 ml/h) en forma de aerosol con micropartículas de aceite suspendidas en él. Su aplicación durante el proceso de corte no genera ningún residuo sobre la pieza y la herramienta.

Los equipos MQL se basan en un depósito de lubricante, una o varias unidades de regulación de mezcla y conductos de lubricante con boquillas de rociado.

El aire comprimido entra el depósito presurizado del lubricante donde se ha generado un aerosol con un tamaño homogéneo de las partículas de aceite de < 0,5 µm, lo que permite el trasporte del aerosol a distancias largas (20 metros) si separación de la mezcla y sin que se forma ninguna neblina. Este transporte puede realizarse tanto en centros de mecanizado de alta velocidad como en máquinas con cambio de herramientas por torreta (figura 2).

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Figura 2. Partes básicas de un equipo MQL.

La regulación de las cantidades requeridas de lubricante y aire de atomización, así como el ajuste de la presión interna del depósito de lubricante se realizan manualmente por medio de válvulas de control montadas en el depósito del lubricante.

Los fabricantes de sistemas MQL, disponen de una gama de equipos digitales que permiten individualizar la cantidad y composición del aerosol requerido para cada herramienta a través del equipo de CN mediante órdenes M o H.

En cuanto al suministro puede realizarse de forma externa o interna (figura 3):

  • Lubricación externa por cantidades mínimas. El aerosol necesario en el punto del proceso se genera a la salida de la boquilla. Observe en la figura 2, que el lubricante y el aire de atomización se alimentan a través de líneas coaxiales hasta la boquilla de rociado que opera como efecto venturi. Un tubo interior suministra una mínima cantidad de lubricante, mientras que otro tubo exterior rodea a este chorro con aire y lo expulsa hacia la herramienta. El flujo concéntrico de aceite y aire que resulta de este diseño evita que el chorro de rociado se expanda y se contamine el entorno con el aerosol sobrante. La lubricación externa se utiliza principalmente en operaciones de corte de material por sierra, fresado de ranuras y operaciones de torneado. En el caso de las operaciones de mecanizado, como taladrado y escariado, el suministro externo es adecuado sólo en cuando se cumple la relación longitud/diámetro, L/D < 3. Cuando la relación L/D es mayor, la herramienta debe retroceder varias veces para que el agujero pueda ser humedecido de nuevo, provocando un aumento del tiempo de mecanizado. El suministro externo puede presentar problemas cuando se mecaniza con múltiples herramientas donde las longitudes y diámetros varían considerablemente. La orientación de la tobera de suministro debe ajustarse manualmente dependiendo de la longitud y el diámetro de la herramienta.Cuando las herramientas involucradas en la operación no tienen canales de refrigeración interna el suministro externo es la única solución.

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Figura 3. Suministro externo del refrigerante mediante MQL. Configuración de un equipo básico y funcionamiento de la boquilla de rociado.
  • Lubricación interna por cantidades mínimas. El aerosol se envía hasta la herramienta a través del husillo y el portaherramientas (figura 4). En este caso hay que prestar especial atención a la variación de los diámetros y recorrido de los conductos. Los fabricantes de máquinas-herramienta y herramientas de corte, deben seguir una serie de recomendaciones para evitar pérdidas de aerosol y presión. Posteriormente se comentan las condiciones ideales de aplicaciones. La lubricación interna es ideal en operaciones de taladrado, roscado y escariado, ya que independientemente de la relación L/D, se asegura que el aerosol siempre llega a la zona de corte en cualquier posición de la herramienta. En las operaciones de taladrado de agujeros profundos, la relación L/D provoca que el MQL sea indispensable.
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Figura 4. Suministro interno del refrigerante mediante MQL. Configuración del equipo y aplicaciones.

   3. Condiciones ideales de aplicación

La cantidad de lubricante en forma de aerosol está condicionada por la cantidad de aire y lubricante y por los diámetros de los conductos por el que se transporta el aerosol desde el equipo hasta la boquilla. Para reducir las pérdidas de aerosol y presión se recomienda:

  • El conducto de alimentación del aerosol no debe tener cambios fuertes de diámetro ni estrangulaciones en forma de diafragma porque el lubricante puede depositarse parcialmente en estos puntos y reducir la disponibilidad del aerosol.
  • La longitud del conducto del aerosol debe ser la más corta posible, pues al aumentar la longitud aumentan también las pérdidas de presión y aerosol. El conducto del aerosol debe ser de la forma más recta posible, evitando sobre todo los ‘codos agudos’ que generan la condensación del aerosol. Las desviaciones deben tener un radio mínimo de 200 milímetros.
  • Todos los interfaces o puntos de intersección entre los componentes del MQL deben ser lisos, sin holguras o cantos sobresalientes, sobre todo, en la zona de transición entre la herramienta y el portaherramientas (figura 5).
  • El diámetro del conducto debería ser de entre 2 y 7 milímetros, para poder transportar una cantidad de aceite en el menor tiempo posible.
  • La alimentación del aerosol con husillos o herramientas giratorias debe realizarse, en lo posible, en dirección axial. Con la alimentación radial, el lubricante, sobre todo con altas revoluciones, puede ‘centrifugarse’, es decir, se puede producir una separación parcial de los componentes de la mezcla de aerosol. Esto ocurre especialmente con herramientas muy pequeñas girando a altas velocidades (figura 6).
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Figura 5. Optimización de los puntos de conexión del porta al husillo.
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Figura 6. Diferentes formas de alimentación del aerosol para el suministro interno.

   4. Aceites empleados en MQL

Actualmente se emplean aceites sintéticos como alcoholes grasos y aceites éster (aceites vegetales modificados químicamente). La elección depende del tipo de suministro, el material de la pieza, la operación de mecanizado y las operaciones posteriores de acabado (tratamiento térmico, recubrimiento o pintura).

Los aceites éster tienen un mayor efecto de lubricación, menor viscosidad, mayor rango de ebullición y temperatura de inflamabilidad. Se evaporan más lentamente (ver figura 7) que un alcohol graso y generan una fina película de aceite sobre la pieza. Se utilizan para reducir la fricción y la adherencia entre la herramienta de corte y la viruta. Son adecuados para operaciones de taladrado, mandrinado y roscado en aceros y aleaciones de aluminio. Al tratarse de un fluido basado en ésteres provenientes de origen vegetal, es un fluido biodegradable, no tóxico, no irritante o nocivo.

Los alcoholes grasos son adecuados para operaciones de corte en las que el efecto refrigerante es más importante que el efecto lubricante. Su mayor evaporación genera superficies prácticamente secas. Son adecuados en el mecanizado de fundición gris.

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Figura 7. Comportamiento en evaporación de los aceites según viscosidad y temperatura.

   5. Medición de substancias tóxicas en el aire en zona de trabajo

Un aspecto que preocupa a los usuarios de sistemas MQL, es la posible contaminación que puede sufrir el aire del entorno, afectando a las condiciones del puesto de trabajo debido a las partículas en suspensión que pueden quedar después de la aplicación del aerosol.

Los ensayos realizados en diferentes laboratorios, basados en medidas a lo largo de varios turnos de trabajo, demuestran que el riesgo de contaminación para el operario y su entorno es mínimo, ya que ninguna medida alcanza el 25% del valor límite establecido. No obstante, hay que volver a recordar que los aceites empleados en MQL son toxicológica y dermatológicamente seguros, y están clasificados como riesgo hídrico de clase 1 (lubricante de refrigeración convencional: riesgo hídrico clase 2 ó 3).

Estrategia de introducción y rentabilidad

Las condiciones ideales para implantar correctamente un sistema MQL se concentran en el compromiso de la empresa para incluir en su plan de innovaciones la tecnología MQL y formular metas claras respecto a la reducción de costes y mejora medioambiental.

Para determinar con rapidez y precisión las características exigidas en la aplicación de MQL, es conveniente tener en cuenta los siguientes factores:

  • La técnica de mecanizado, por ejemplo tornear, fresar, taladrar, etc.
  • La aplicación de MQL (externa/interna).
  • El material a mecanizar.
  • Tipo de mecanizado: interior, exterior, continuo o interrumpido.

Actualmente, los fabricantes de herramientas suministran herramientas de corte preparadas para el suministro MQL en casi todos los procesos y operaciones habituales de corte.

No obstante, una empresa que se plantee el proceso de implantación de un sistema MQL, puede plantearse las siguientes fases básicas para su ejecución:

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   1. Ejemplos de aplicación

Como ejemplo de aplicación, se muestran las últimas pruebas experimentales realizadas en el laboratorio de ensayos, donde se han obtenido los siguientes resultados:

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   2. Principales ventajas

La implantación de un sistema MQL provoca las siguientes ventajas:

Menores costes

  • Supresión de líquidos refrigerantes
  • Supresión de componentes para las máquinas-herramienta como filtros de taladrinas y sistemas de prefiltración.
  • Sin costes de desecho de virutas y líquidos refrigerantes.
  • No es necesario limpiar las piezas de trabajo.
  • Fácil amortización al aumentar la duración de las herramientas y mecanizar a mayores velocidades.

Mayor productividad

  • Significativa reducción de tiempo de producción (30/50%).
  • Mayor eficiencia de mecanizado.
  • Vida útil herramientas aumenta hasta un 300%.
  • Puede utilizarse en múltiples proceso de producción.

Uso de ventajas tecnológicas

  • Fácil integración en maquinaria nueva y sencilla adecuación en máquinas convencionales existentes.
  • Uso en paralelo de mecanizado en seco y por líquidos refrigerantes.
  • Inicialmente, no se necesita ningún cambio en el diseño del portaherramientas / husillo.
  • Mejor calidad de mecanizado al reducir el rozamiento.

Reducción riesgos para la salud.

  • Disminución de las afecciones cutáneas y del tracto respiratorio.
  • Mayor seguridad del puesto de trabajo.

Conclusiones

Los técnicos e ingenieros de fabricación involucrados deben plantearse el compromiso que supone una estrategia basada en propuestas relacionadas con criterios de fabricación sostenible, por ejemplo: disminución del consumo de energía y consumo de energía limpia, reducción de recursos, reducción de etapas de fabricación, reducción de emisiones y mejoras de mantenimiento.

Las empresas de fabricación de bienes de equipo y consumo que utilizan procesos donde se emplean líquidos refrigerantes, pueden minimizar los desperdicios y la contaminación provocada mediante el empleo de la lubricación por cantidades mínimas – MQL.

Los fabricantes de máquinas-herramienta y de herramientas de corte, disponen de suficientes ensayos y datos experimentales de aplicación del MQL en un amplio grupo de materiales y operaciones de corte, que demuestran que el MQL es una tecnología aplicable que garantiza menores costes, incremento de productividad e innovación tecnológica.

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