El mecanizado superabrasivo al alcance de la industria

El SAM se aplica en sectores de alta tecnología como la aeronáutica o la automoción de altas prestaciones [1]. Actualmente, su uso se está expandiendo a más aplicaciones industriales, especialmente en combinación con tecnologías emergentes como la fabricación aditiva (FA) [2].

El mecanizado superabrasivo engloba aquellos procesos de arranque de material que emplean herramientas abrasivas, como las muelas de nitruro de boro cúbico (cBN) o diamante. En particular, las muelas de cBN son ampliamente utilizadas en el mecanizado de materiales ferrosos debido a su elevada dureza, su excelente resistencia al desgaste y su alta estabilidad térmica [3]. A diferencia del rectificado convencional, el SAM permite trabajar con velocidades de corte y profundidades de pasada más elevadas gracias a la elevada dureza, resistencia al desgaste y estabilidad térmica de los granos superabrasivos, así como a la capacidad del aglomerante para mantener la integridad geométrica de la herramienta. Como resultado, es posible incrementar significativamente la productividad sin comprometer la calidad del acabado superficial.

En comparación directa con el rectificado convencional, el SAM introduce mejoras significativas. Mientras que en el rectificado convencional se emplean abrasivos como el óxido de aluminio, con un desgaste relativamente elevado y una estabilidad térmica limitada, el uso de cBN en el mecanizado superabrasivo permite mantener condiciones de corte mucho más constantes a lo largo del tiempo. Además, las muelas utilizadas en SAM son de menor diámetro que las convencionales (figura 1), lo que mejora la accesibilidad a zonas de difícil alcance, especialmente en componentes donde la definición del perfil es crítica. Esto reduce la frecuencia de operaciones de diamantado, entendidas como los procesos de acondicionamiento de la muela destinados a recuperar su geometría, capacidad de corte y estado superficial, y mejora la eficiencia global del proceso. Además, las mayores velocidades de trabajo y el menor desgaste de la herramienta permiten incrementar la productividad sin sacrificar la calidad superficial, lo que supone una ventaja competitiva clara en entornos industriales.

Las ventajas del mecanizado superabrasivo frente a otros procesos convencionales de mecanizado radican en su capacidad para mecanizar materiales de elevada dureza y difícil de mecanizar, manteniendo altos niveles de precisión dimensional, integridad superficial y estabilidad del proceso [4]. Asimismo, ofrece acabados superficiales de alta calidad, lo que en muchos casos elimina la necesidad de operaciones posteriores de acabado. Además, las herramientas superabrasivas presentan una vida útil superior, lo que contribuye a una mayor estabilidad del proceso y a una reducción de costes asociados al desgaste de herramienta. Esta estabilidad se traduce también en una mayor repetibilidad y control del proceso.

El desarrollo del mecanizado superabrasivo cobra aún más relevancia en el contexto actual de la FA, especialmente mediante procesos como el Laser Powder Bed Fusion (LPBF). LPBF permite fabricar geometrías complejas que serían difíciles de obtener mediante métodos convencionales, pero presenta limitaciones en términos de acabado superficial, precisión dimensional y presencia de tensiones residuales. En este contexto, el SAM se posiciona como una solución óptima para las operaciones de posprocesado, ya que permite mejorar significativamente la calidad superficial y garantizar las tolerancias requeridas [5]. Asimismo, el uso de muelas de menor diámetro y elevada versatilidad geométrica proporciona una mejor accesibilidad que el rectificado convencional, lo que resulta especialmente relevante en componentes fabricados mediante FA, donde las geometrías complejas y las zonas de difícil acceso son habituales. La integración de la FA y el mecanizado superabrasivo permite combinar la capacidad de generar geometrías complejas con la obtención de acabados superficiales de alta calidad y tolerancias dimensionales exigentes, dando lugar a soluciones híbridas de gran valor para la industria.

Como se observa en la figura 2, las piezas fabricadas mediante LPBF suelen presentar una rugosidad superficial relativamente elevada como consecuencia de la propia naturaleza del proceso de fabricación por capas, lo que hace necesario recurrir a operaciones de posprocesado para cumplir los requisitos de calidad superficial exigidos en numerosas aplicaciones industriales. Entre las alternativas disponibles, el SAM se presenta como una solución eficaz para la mejora del acabado superficial.

Los resultados obtenidos en el CFAA muestran una disminución de la rugosidad superficial de las probetas, que pasa de valores iniciales de 13,4 µm hasta aproximadamente 1,5 µm tras la aplicación del proceso SAM. Estos resultados muestran que la eficacia del proceso depende en gran medida de la selección de los parámetros de mecanizado y de la tipología de muela empleada, poniendo de manifiesto el potencial del SAM como técnica de posprocesado para componentes fabricados mediante LPBF.

Sin embargo, el mecanizado superabrasivo presenta ciertos desafíos, especialmente cuando se aplica a materiales como el aluminio. A diferencia de los materiales ferrosos, el aluminio presenta una alta ductilidad y una tendencia a adherirse a la herramienta. En el contexto del SAM, esto puede provocar el embotamiento de la muela, es decir, la acumulación de material en la superficie abrasiva, lo que reduce la capacidad de corte y deteriora el rendimiento del proceso. El embotamiento incrementa la fricción entre la muela y la pieza, ya que parte de la superficie abrasiva deja de cortar de forma efectiva y comienza a rozar el material. Como resultado se produce un aumento de la temperatura, en la zona de contacto, una peor evacuación de la viruta y una posible degradación del acabado superficial. Además, las muelas de cBN no son las más adecuadas para materiales no ferrosos, lo que obliga a adaptar las condiciones de proceso o considerar el uso de herramientas de diamante. Por ello, el mecanizado de aluminio mediante SAM requiere un control cuidadoso de los parámetros de proceso, así como estrategias específicas de refrigeración y acondicionamiento de la herramienta.

Una de las líneas de investigación desarrolladas en el CFAA se centra en el estudio del mecanizado superabrasivo aplicado a aleaciones de aluminio, con especial interés en el comportamiento de la herramienta, la estabilidad del proceso y la definición de parámetros de corte óptimos. Esta línea busca comprender cómo interactúan las muelas superabrasivas con materiales no ferrosos, como el aluminio, cuya elevada ductilidad y tendencia a la adhesión pueden condicionar el rendimiento del proceso. Para ello, se han realizado ensayos experimentales controlados y monitorizados.

En este contexto, su integración con tecnologías emergentes como la FA refuerza su papel como tecnología clave en la industria del futuro. No obstante, su implementación efectiva requiere un amplio conocimiento de las interacciones entre herramienta, material y condiciones de proceso, especialmente en el caso de materiales con comportamientos complejos como el aluminio.

En el marco de esta línea de investigación, se hace uso de un set-up experimental específico, mostrado en la figura 3, para estudiar la interacción entre el mecanizado superabrasivo y el comportamiento del aluminio bajo condiciones de trabajo controladas. Este montaje permite monitorizar la evolución de la herramienta durante el proceso e incorpora sistemas de adquisición de datos para el registro continuo de fuerzas de mecanizado y potencia. De este modo, es posible analizar la influencia de los parámetros de corte sobre la adhesión de material, el desgaste de la muela y la estabilidad del mecanizado. En este estudio, para evaluar la influencia del tamaño de grano en el comportamiento del proceso y en la tendencia a la adhesión de aluminio sobre la herramienta, se utilizan muelas de nitruro de boro cúbico (cBN) con dos configuraciones de tamaño de grano: grano 46 y grano 76.

La elección de estos dos tamaños de grano busca contrastar el rendimiento de una estructura más abierta, orientada a maximizar el espacio para la viruta, frente a una más fina, destinada habitualmente a priorizar la precisión y el acabado. Durante los ensayos, se han aplicado diferentes parámetros de corte, empleando velocidades de avance diferentes para identificar los límites operativos del proceso en este material no ferroso.

El foco principal de esta fase experimental no se limita a la observación puntual, sino que se ha realizado un seguimiento del desgaste de las herramientas a lo largo del tiempo. De este modo, las muelas se han sometido a un régimen de trabajo continuo hasta alcanzar su fin de vida útil. Este enfoque permite documentar con precisión la pérdida progresiva de la capacidad de corte y la aparición de fenómenos de embotamiento, factores que resultan determinantes para evaluar la viabilidad técnica y la rentabilidad económica del SAM en aplicaciones industriales reales.

Para obtener una visión detallada de la adhesión del aluminio, el diseño experimental no se ha limitado únicamente a la observación del desgaste, sino que ha incorporado una monitorización en tiempo real de las fuerzas y la potencia consumida durante el proceso. Este registro permite establecer una correlación directa entre el estado de la muela y la energía requerida para el arranque de material, identificando así el momento exacto en que la eficiencia del mecanizado comienza a decaer.

Una vez finalizados los ensayos, se lleva a cabo un análisis post-mecanizado de las superficies abrasivas con el objetivo de evaluar el desgaste de las herramientas y la aparición de fenómenos de embotamiento. Este análisis resulta fundamental para comprender cómo evoluciona la capacidad de corte de la muela y cómo la adhesión de aluminio puede afectar al rendimiento del proceso.

Esta evaluación se realiza mediante el uso de microscopios ópticos, una técnica que permite observar de forma preliminar la morfología del desgaste y la distribución del material adherido sobre la superficie abrasiva. Sin embargo, este tipo de inspección presenta ciertas limitaciones, ya que se basa en la observación de la superficie y proporciona únicamente información bidimensional (2D) de áreas reducidas de la herramienta. Esta restricción puede dificultar la diferenciación entre el material adherido, los granos abrasivos y el aglomerante, así como la correcta evaluación del embotamiento. Aun así, la observación óptica permite obtener una primera aproximación al estado de la muela y comparar la influencia de la granulometría, en este caso entre las muelas de tamaño de grano 46 y 76, sobre la tendencia al embotamiento y la integridad de la herramienta.

Después de estos análisis experimentales, los resultados obtenidos han permitido extraer conclusiones relevantes sobre el comportamiento de las muelas de cBN en el mecanizado superabrasivo de AlSi10Mg.

En primer lugar, se ha identificado que el mecanismo de desgaste predominante no es el desgaste abrasivo clásico, sino la adhesión de aluminio sobre la superficie activa de la muela, especialmente en condiciones de mecanizado más agresivas, como altas velocidades de avance o estrategias de desbaste. Esta adhesión genera una capa de material que incrementa la resistencia al corte, dificulta la evacuación de viruta y puede comprometer la estabilidad del proceso si no se controla adecuadamente.

Sin embargo, uno de los aspectos más relevantes observados es la presencia de un efecto de autolimpieza inherente a las muelas superabrasivas. A pesar de la aparición de material adherido, el propio proceso de rectificado, caracterizado por altas velocidades de corte y contacto continuo, favorece la eliminación progresiva de esta capa en pasadas sucesivas. Este fenómeno permite restaurar parcialmente la capacidad de corte de la muela sin necesidad de intervenciones externas, como el diamantado frecuente.

Los datos obtenidos confirman este comportamiento. En condiciones estables de proceso, trabajando por debajo del límite de potencia del husillo (1 kW), el consumo energético se mantiene prácticamente constante, lo que indica que la adhesión no deriva en una degradación significativa del rendimiento. En cambio, en situaciones fuera de régimen, como en ensayos interrumpidos con altas velocidades de avance, se observa un incremento notable de la adhesión. En estos casos, tal y como se muestra en la figura 4, se ha llegado a detectar adhesión de aluminio en superficie de hasta un 32,5% en peso, frente a valores entre el 13,7 y el 19,7% en condiciones estables tras múltiples pasadas.

El análisis microscópico, realizado mediante un microscopio electrónico de barrido (SEM) TESCAN Vega Compact y microscopio óptico basado en variación de enfoque (Alicona InfiniteFocus G5 XL200 3D), permite estudiar con mayor detalle el material adherido sobre la superficie activa de la herramienta. Para complementar este análisis, se ha empleado la espectroscopía de rayos X por dispersión de energía (EDS, Energy Dispersive Spectroscopy), una técnica acoplada al SEM que permite determinar la composición química elemental de las zonas analizadas mediante la detección de los rayos X característicos emitidos por los elementos presentes en la muestra. Las imágenes SEM muestran que la adhesión aparece principalmente en forma de capas superficiales continuas y de bajo espesor, situadas entre los granos abrasivos y sobre algunas zonas de la muela, como se observa en los ejemplos de la Figura 4. Estas capas presentan una morfología bastante uniforme y no se aprecian indicios claros de desgaste severo de los granos abrasivos, como fracturas, desprendimientos o pérdida significativa de capacidad de corte. Esto indica que la herramienta mantiene un buen comportamiento general, incluso cuando existe material adherido.

Además, el material adherido tiende a formarse como una única capa superficial, en lugar de acumularse en varias capas sucesivas de mayor espesor. Este comportamiento es relevante, ya que facilita que parte del material pueda eliminarse durante el propio proceso de mecanizado, favoreciendo el efecto de autolimpieza de la herramienta.

La cuantificación del espesor de estas capas se realiza a partir de escaneos tridimensionales obtenidos con el microscoio óptico Alicona. Este equipo utiliza la técnica de variación focal, que permite reconstruir en 3D la topografía de la superficie de la herramienta con alta resolución. Para ello, se escanea la superficie activa de la muela y, posteriormente, el modelo tridimensional obtenido se abate para facilitar el análisis de los perfiles. A partir de estos perfiles se realizan diferentes cortes transversales, que permiten visualizar la geometría de la superficie y calcular los picos asociados al material adherido.

Con este procedimiento se obtienen espesores de material adherido máximos de hasta 19,25 µm en condiciones no estacionarias, mientras que en condiciones estables el espesor se reduce hasta aproximadamente 7,79 µm. Esta diferencia muestra que la estabilidad del proceso es un factor clave para limitar la acumulación de material y favorecer un comportamiento más estable y limpio de la herramienta durante el mecanizado.

Asimismo, la comparación entre diferentes configuraciones de muela (granulometrías 46 y 76, y estructuras de alta y baja densidad) muestra tendencias consistentes. Aunque las muelas de mayor densidad pueden presentar una ligera mayor retención inicial de material debido a su menor espacio intergranular, todas las configuraciones analizadas evidencian una reducción progresiva de la adhesión con el número de pasadas. Esto refuerza la idea de que el proceso SAM, cuando se mantiene dentro de los límites de potencia admisibles y en un régimen de mecanizado controlado, permite reducir el desgaste de la herramienta.

Los resultados ponen de manifiesto que, aunque el mecanizado de aluminio mediante SAM presenta desafíos asociados a la adhesión, el proceso puede mantenerse estable y eficiente siempre que se emplee en condiciones adecuadas. El fenómeno de autolimpieza de las muelas de cBN emerge como un factor clave que permite mitigar los efectos negativos del embotamiento, garantizando así un rendimiento sostenido y una buena calidad superficial en aplicaciones industriales.

Dentro de las líneas de investigación del CFAA, está previsto continuar avanzando en el estudio de procesos de mecanizado con muelas superabrasivas, con el objetivo de mejorar la calidad superficial, la estabilidad del proceso y la vida útil de la herramienta en aplicaciones industriales. Para ello, se plantea la realización de nuevos ensayos con diferentes configuraciones de muela, modificando parámetros como la granulometría y el tipo de grano abrasivo, con el fin de analizar su influencia sobre el acabado superficial y los mecanismos de desgaste asociados al proceso.

Asimismo, está previsto profundizar en la evaluación del desgaste y embotamiento de las muelas mediante métodos de inspección avanzados, entre los que destaca la tomografía computarizada. Esta técnica permite obtener información volumétrica de la herramienta y analizar la distribución del material adherido en toda la superficie activa de la muela, superando las limitaciones de los métodos de inspección convencionales, normalmente restringidos a observaciones locales o superficiales. De este modo, se pretende avanzar hacia una evaluación más completa del estado de la herramienta y establecer relaciones entre el desgaste observado, las señales de proceso y la calidad final de las piezas mecanizadas.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido apoyado por el proyecto PID2024-160031OB-I00 financiado por MICIU/AEI /10.13039/501100011033 y por FEDER, UE.

Referencias

[1] Bravo, H., Ortega, N., Polvorosa, R. et al. Characterisation of the grinding process of airfoil-shaped geometries using superabrasive machining. Int J Adv Manuf Technol (2025). https://doi.org/10.1007/s00170-025-15618-4

[2] Ma, Z., Zhang, W., Liu, Q., Chen, L., Zhang, C., Liu, C., Yu, T., & Wang, Q. (2025). Fabrication Process and Surface Morphology Prediction of Radial Straight Groove-Structured CBN Grinding Wheel by Laser Cladding. Materials, 18(20), 4733. https://doi.org/10.3390/ma18204733

[3] Bianchi, E. C., Aguiar, P. R. de., Monici, R. D., Daré Neto, L., & Silva, L. R. da.. (2003). Analysis of the performance of superabrasive and alumina grinding wheels with different bonds and machining conditions. Materials Research, 6(2), 239–246. https://doi.org/10.1590/S1516-14392003000200020

[4] Denkena, B., Kroedel, A. & Wilckens, M. Process limits in high-performance peel grinding of hardened steel components with coarse CBN grinding wheels. Int J Adv Manuf Technol 120, 6079–6090 (2022). https://doi.org/10.1007/s00170-022-09026-1

[5] Yin, Y., & Chen, M. (2024). Analysis of Grindability and Surface Integrity in Creep-Feed Grinding of High-Strength Steels. Materials, 17(8), 1784. https://doi.org/10.3390/ma17081784