Refrigeración en Mecanizado de Alta Velocidad

1. INTRODUCCIÓN

En los procesos de corte, aproximadamente el 97% de la energía mecánica se transforma en energía térmica a través del cizallamiento, corte y fricción entre la viruta y la cara de desprendimiento de la herramienta. Aunque gran parte de la energía es evacuada por las virutas, el calor se acumula en lugares cercanos al punto de corte y a la cara de desprendimiento en contacto con las virutas. Esta acumulación de energía provoca fenómenos no deseados en el proceso de mecanizado:

a) La herramienta se fragiliza y se estimula el desarrollo del desgaste.

b) Respecto a la calidad final del componente mecanizado, la precisión geométrica disminuye debido a la expansión de la herramienta y de la pieza con el calor.

En todo proceso de mecanizado se dan cita tres funciones vitales: lubricación, refrigeración y retirada del material excedente

Lubricación: Su objetivo es reducir las fuerzas de corte y el desgaste de la herramienta mediante la disminución de la fricción entre la cara de incidencia de la herramienta y la superficie de la pieza, así como entre la cara de desprendimiento y las virutas. Los fluidos refrigerantes actúan directamente en el punto de fricción, creando una capa protectora en esa zona y no permitiendo un contacto directo entre la herramienta y la pieza.

Refrigeración: Mitiga el desequilibrio térmico del sistema generado durante el proceso por el rozamiento entre pieza y herramienta, además del calor generado por deformación plástica en el proceso de formación de la viruta.

Retirada del material excedente. La evacuación y transporte de las virutas es una de las funciones más importantes de los fluidos lubricantes. Si éstas permanecen cerca de la zona de corte calientan la pieza e influyen en la precisión final del componente mecanizado. Por otra parte, las virutas tienen un alto impacto en la vida de la herramienta cuando son cortadas de nuevo, aumentando la temperatura y las fuerzas en el punto de corte, lo que provoca desgastes del tipo de descascarillado en los filos de corte.

2. TENDENCIAS EN EL USO DE LUBRICANTES

Los fluidos lubricantes / refrigerantes son uno de los agentes más efectivos en términos de productividad de los procesos de mecanizado, aunque también tienen un factor indeseable.

En la última década los problemas asociados al impacto medioambiental de los procesos de fabricación han sido objeto de amplios estudios y consideraciones. Las condiciones ambientales en los puesto de trabajo se vuelven necesariamente malas cuando los lubricantes se evaporan debido al calor generado en el proceso de corte. Los lubricantes poseen gran cantidad de componentes y aditivos (del tipo clorado y sulfúrico) que tienen alta influencia no sólo en la salud de los operarios sino también en el posterior tratamiento y almacenaje de los residuos.

3. EL PROCESO MAV Y EL USO DE LUBRICANTES

En el caso del mecanizado de alta velocidad, es necesario aclarar ciertos aspectos que hacen a este proceso un tanto peculiar en referencia al uso común de lubricantes y refrigerantes.

En el proceso MAV el tiempo de contacto entre la herramienta y la viruta es extremadamente corto debido a la alta velocidad de giro del cabezal, por lo que la transferencia de calor a la herramienta es también pequeña y se reduce por tanto la necesidad de disponer de un sistema de lubricación. Esta presunción es siempre dependiente del material que estemos mecanizando, ya que la transferencia de energía depende del coeficiente de transmisión térmica de cada material, pero es aplicable a la mayoría de aceros, en algunos tipos de aleaciones ligeras (aluminio y magnesio), y no es aplicable en el caso del mecanizado de aleaciones de baja maquinabilidad (aleaciones base titanio y base níquel).

El desarrollo de recubrimientos de última generación, con una excelente resistencia a alta temperatura favorecen la posibilidad de realizar el mecanizado en situaciones de ausencia de refrigerante o con una mínima cantidad del mismo (MQL, o Minimum Quantity Lubricant).

Abordando el proceso de mecanizado desde los puntos de vista económico y medioambiental, la industria está sugiriendo nuevos procesos y métodos de lubricación. El paso más lógico para evitar estos problemas es el mecanizado en seco. Algunas herramientas recubiertas de cerámica, carburo de tungsteno con carbono (WC/C), nitruro de titanio-aluminio (TiAlN), bisulfuro de molibdeno (MoS2), diamante, etc., han demostrado un excelente comportamiento en el mecanizado en condiciones de ausencia de lubricación. Estos materiales de recubrimiento son tan duros que resisten el desgaste y se consiguen incrementos de vida de herramienta de entre el 30 y el 70%. Sin embargo, tales herramientas para condiciones de corte en seco deben ser consideradas como particularmente críticas.

En el caso en el que no se pueda realizar un mecanizado en seco 100% por cualquier razón tecnológica, el mecanizado MQL proporciona una alternativa al mecanizado con flujo normal de lubricante. Debido a que la cantidad de lubricante utilizada es mínima, del orden de 0.01 - 0.5 ml/min, tanto la herramienta como la pieza permanecen secas, con lo que los costes de lubricantes y tratamiento de residuos se minimizan, así como los riesgos a la salud de los operarios.

Sistemas de lubricación MQL externo e interno

En el mecanizado con lubricación MQL la función de refrigeración se consigue a través de la gran cantidad de aire que se insufla en la zona de corte, y la función de lubricación entre la herramienta y la pieza se consigue por medio de una pequeña cantidad de lubricante.