Alternativas al mecanizado con taladrina-Interempresas.

El estado del arte del MQL
Alternativas al mecanizado con taladrina
La creciente preocupación por el medioambiente a nivel mundial es una
realidad. Por ello los gobiernos de los países desarrollados cada vez son
más estrictos con la normativa medioambiental (en España RD 259/1998
del 29 de septiembre [1]) llevando al sector industrial a buscar técnicas de
eficiencia energética, el uso sostenible de los recursos naturales y
reducción de los desechos derivados de la fabricación de productos.
Además, dada la alta competitividad existente es necesario, además de
ser ecológico, ser económicamente viable.
Octavio Pereira Neto; Ana Isabel Fernández Abia; y Joaquín Barreiro
García. Universidad de León, Área de Ingeniería de los Procesos de
Fabricación
Por estas razones en los últimos años en el mundo del mecanizado se intenta
caminar hacia lo que se denomina mecanizado ecológico. Estos pasos van en
la dirección de disminuir el uso de aceites minerales y sus emulsiones como
fluidos de corte en el mecanizado ya que el coste de dichos fluidos puede ser
hasta el 17% del coste total de fabricación [2] y el uso de este tipo de aceites
en los operarios puede causar problemas respiratorios como asma, neumonía
hipersensible, pérdida de función pulmonar u otras enfermedades como la
irritación, acné o cáncer de piel a largo plazo [3]. La cantidad consumida
actualmente por la Unión Europea asciende a 320.000 Toneladas/año [4].
Además, el coste de tratamiento de estos residuos en la Unión Europea y
Estados Unidos ronda entre 2 y 4 veces el precio de compra del aceite y desde
un punto de vista medioambiental está demostrado que un 30% se pierden por
fugas en los circuitos, mediante partículas adheridas a la máquina en forma de
suciedad o en la limpieza de las piezas [5], por lo que en muchos de los casos
se acaba contaminando el agua, suelos o manantiales y, por lo tanto, puede
acabar llegando a la cadena alimenticia [6]. Para evitar todo esto y ser eficiente
tanto económicamente como medioambientalmente, en los últimos años ha
habido avances en técnicas como el mecanizado en seco y el mecanizado
criogénico, en los cuales se suprime cualquier uso de aceite o emulsión
consiguiendo resultados aceptables en muchos de los ensayos realizados. La
problemática al utilizar estas técnicas surge al intentar mecanizar materiales de
difícil maquinabilidad a alta velocidad como pueden ser las superaleaciones
(titanio, níquel, aceros inoxidables). Estas aleaciones, a pesar de sus buenas
propiedades mecánicas, generalmente tienen una baja conductividad térmica,
alta resistencia y una alta capacidad calorífica que se traducen en unas
fuerzas de corte excesivas, altas temperaturas de corte, un desgaste excesivo
de las herramientas e incluso mala calidad superficial. Por ello, una técnica
intermedia es lo que se conoce como MQL (mínima cantidad de lubricación)
con la que se combinan algunos de los beneficios del mecanizado en seco
junto con algunas de las ventajas del mecanizado con fluidos de corte,
avanzando así hacia una fabricación sostenible.
1 1. El mecanizado con MQL
El mecanizado con MQL, también conocido como ‘near dry machining’, es una
técnica de refrigeración en la que se combina el poder refrigerante del aire con
la acción lubricante del aceite [7]. Para ello se utiliza como fluido de corte una
mezcla de aire comprimido con la cantidad estrictamente necesaria de aceite
en forma de gotas, produciendo un aerosol que es pulverizado sobre la zona
de corte. El caudal de aceite utilizado suele estar entre 10 y 100 ml/h, es decir,
se utiliza hasta 4.200 veces menos aceite que si se mecanizase con taladrina.
En cuanto al aceite, las presiones utilizadas normalmente oscilan entre 0,4 y
0,8 MPa, aunque hay casos en los que se ha llegado a utilizar 10 MPa [8]. Las
principales ventajas del MQL frente a otras técnicas de refrigeración son [5] [9]
[10] [11] [12]:
•
•
•
•
Drástica disminución del uso de fluidos de corte.
Reducción de costes en comparación al uso de taladrina.
Aumento de la higiene industrial.
Oportunidad de utilizar fluidos biodegradables como pueden ser los aceites
vegetales.
• Mejora del proceso de fabricación en comparación con el mecanizado en
seco.
• Una estabilidad térmica avanzada.
• Mejor lubricación que con la taladrina.
• Las virutas salen completamente limpias pudiendo ser recicladas
directamente.
• El ajuste de la mezcla aire/aceite es fácil de controlar.
Los principales componentes para montar un sistema MQL son un compresor
de aire, un depósito para el aceite, un sistema de control de caudal, tubos y las
boquillas para pulverizar la mezcla [13]. Este sistema puede ser utilizado de
forma externa, del mismo modo que se aplica la taladrina, o utilizarlo de forma
interna donde el aerosol pasa por dentro de la herramienta (figura 1). La
elección de un sistema u otro dependen principalmente de la operación a
realizar aunque hay otros factores a tener en cuenta como el mantenimiento, el
tipo de herramientas de las que se dispone o la facilidad de control del caudal
[14].
2 Figura 1. Sistemas MQL (a) Interno [15], (b) Externo [16].
Los métodos de mezclado del aire y el aceite se pueden realizar de dos
formas. En la primera, conocida como MQL de un canal, el aerosol es formado
en una cámara de mezclado fuera de la boquilla y posteriormente transportado
a la zona de corte por una sola vía (figura 2b). En cambio, en el MQL de dos
canales, el aceite y el aire van por dos conductos separados y se mezclan
formando el aerosol dentro de la boquilla (figura 2a). La principal ventaja de
utilizar el MQL de dos canales frente al de uno es la reducción de la neblina
creada en la zona de corte al dirigir el aerosol hacia ella [7].
3 Figura 2. Métodos de mezclado (a) 2 canales, (b) 1 canal [14].
La efectividad del MQL principalmente depende de la capacidad que tiene el
aerosol para llegar a la zona de interacción entre la pieza y la herramienta, con
lo que un parámetro importante a tener en cuenta es la dirección del aerosol.
Al utilizar MQL externo, en torneado las posibilidades de colocación de la
boquilla son dos, dirigiendo el aerosol hacia la cara de desprendimiento o hacia
la cara de incidencia de la herramienta (figura 3).
4 Figura 3. Posiciones de la boquilla en el torno [7]. (a) Superficie de
desprendimiento. (b) Superficie de incidencia.
Los estudios realizados en este sentido mostraron que para que el aerosol
penetre de forma eficiente en la zona de interacción entre la pieza y la
herramienta, la boquilla ha de ser dirigida hacia la superficie de incidencia. En
cambio, si ésta es dirigida hacia la cara de desprendimiento los resultados
obtenidos son muy similares a los que se obtienen con el mecanizado en seco,
lo que indica que el aerosol no llega a alcanzar la zona de interacción [7]. En el
caso del fresado, también las posibilidades son dos, colocarla a 45º ó 135º
respecto a la dirección de avance (figura 4). Los ensayos realizados
demostraron que a 45º la vida de la herramienta se ve disminuida frente a los
135º debido a que las turbulencias originadas en la proximidad de la
herramienta envían el aceite fuera de la zona de corte, no consiguiendo la
5 acción simultánea de la lubricación y refrigeración y además la viruta eliminada
interfiere entre el aerosol y la herramienta [1].
Figura 4. Posiciones de la boquilla en el fresado [1].
En cambio, si se utiliza MQL interno, hay ensayos realizados en torneado en
los que se demuestra que colocando un adaptador a la salida del
portaherramientas comercial, para que el aerosol salga de forma oblicua, el uso
de aceite puede disminuir hasta 0,5 ml/h con la misma efectividad que si
utilizasen 15 ml/h con la salida comercial (figura 5) [8].
Figura 5. Salidas del MQL interno en herramienta de torneado. (a) Salida
comercial. (b) Salida oblicua [8].
En la fresadora, el aerosol viaja por dentro del husillo hasta que sale por el
centro de la fresa hacia la zona de corte; concretamente en el fresado de alta
velocidad, dadas las velocidades angulares que se manejan, las gotas de
aceite del aerosol corren el riesgo de ser separadas de la mezcla debido a las
fuerzas centrífugas generadas en su interior quedando adheridas en las
paredes del tubo, lo que implica que el volumen de aceite enviado hacia la
zona de corte disminuye, reduciéndose así la vida de herramienta. Para ello lo
recomendable es colocar rodamientos entre el tubo interior por el que viaja el
aerosol y el husillo, de esta manera el tubo permanecerá inmóvil y el aerosol no
correrá ningún peligro de sufrir un centrifugado antes de salir por la fresa (figura
6) [17].
6 Figura 6. Esquema del conducto interno del husillo por el que circula el
aerosol del MQL interno [17].
2. Innovaciones en los sistemas MQL
Principalmente las líneas de investigación en cuanto a innovaciones en el
propio sistema MQL siguen tres líneas que se describen a continuación:
• Variación de la temperatura del aerosol.
• Modificación del aire como gas portador.
• Modificación del tipo de fluido de corte utilizado.
2.1. Variación de la temperatura del aerosol
Para variar la temperatura del aerosol lo que se hace normalmente es disminuir
la temperatura del aire. Las formas de conseguirlo son varias, entre las que
cabe destacar dos. La primera es el método ‘COD’ con el cual gracias a una
modificación hecha en el portaherramientas se consigue una expansión
adiabática en la salida de la boquilla consiguiendo temperaturas de 0 °C (figura
7) [18].
7 Figura 7. Modificación de portaherramientas para sistema ‘COD’ [18].
La otra forma de conseguir enfriar el aire utilizado en el MQL es con el
denominado ‘CAMQL’ en el cual se instala en el sistema convencional una
máquina frigorífica compuesta por un sistema refrigerador de vapor-compresión
y un sistema de refrigeración semiconductor. El primer sistema se diseña con el
fin de reducir la temperatura del agua que será utilizada posteriormente para
absorber el calor de las termopilas del sistema semiconductor. Este último está
compuesto por dichas termopilas a las cuales se las suministra corriente
continua consiguiendo que su energía calorífica sea transferida de un lado a
otro debido al efecto Peltier. El agua enfriada circula por la parte superior e
inferior de los absorbedores de calor llevándose el calor del lado caliente de la
termopila. La pared del enfriador al estar en contacto con la parte fría de la
termopila se mantiene a una temperatura extremadamente baja. El aire
comprimido, después de pasar a través del intercambiador de calor entra en el
enfriador donde se enfría intercambiando el calor con las paredes del enfriador.
Finalmente, el aire ya enfriado sale hacia la boquilla donde será mezclado con
el aceite para formar el aerosol. La temperatura del aire se puede controlar
variando la corriente que pasa por las termopilas y/o modificando la presión del
aire (figura 8) [19].
8 Figura 8. Esquema de máquina frigorífica para ‘CAMQL’ (1) Depósito de
agua. (2) Sistema refrigerador vapor-compresión. (3) Bomba de agua. (4)
Compresor. (5) Filtro. (6) Secador. (7) Intercambiador de calor. (8) Caja
de control. (9) Sistema refrigerador semiconductor. (10) Termopila. (11)
Absorbedor de calor. (12) Enfriador. (13) Caudalímetro. (14) Manómetro.
(15) boquilla. [19].
2.2. Modificación del aire como gas portador
Como sustitutos del aire en los sistemas MQL habitualmente se utiliza
nitrógeno o agua. Con los demás gases, a la hora de sustituirlos por el aire hay
que tener muy en cuenta el material a mecanizar debido a que un gas puede
ser beneficioso para el mecanizado de un material pero contraproducente para
otro, bien por su conductividad térmica o por su ‘capacidad lubricante’. El
ejemplo más claro ocurre con el oxígeno: en ensayos con aceros S45 reduce
las fuerzas de corte además de lograr un buen acabado superficial [20] pero en
cambio al utilizarlo en el mecanizado de aluminio hace que algunas de las
fuerzas sean mayores [21].
Cuando el aire es sustituido por nitrógeno, los mejores resultados se obtienen
enfriándolo a -10°C, llegando, en el caso del titanio, a aumentar la vida de
herramienta 1,93 veces frente al MQL con nitrógeno sin enfriar [22].
La utilización del agua como portador del aceite se basa principalmente en la
diferencia de densidades que existe entre el aceite y el agua, ya que se forman
gotas de agua recubiertas externamente con una capa de aceite. La forma de
obtener este tipo de gotas se logra mediante dos métodos. El primero es
conocido como método ‘OoW’ y las gotas se forman gracias a una boquilla
especial en la cual se realiza la mezcla por efecto Venturi (figura 9) [23].
9 Figura 9. Boquilla del sistema ‘OoW’. [23].
El segundo método, conocido como ‘MWD’ se diferencia del anterior en que el
aerosol en vez de formarse en la boquilla primero se forman las gotas de agua
con aceite en un depósito y posteriormente son conducidas a la zona de corte
por el método de MQL de un canal. La forma en que estas gotas se forman es
por condensación y para ello primero se vaporiza el agua en un contenedor a
243 kPa. Seguidamente, este vapor presurizado es inyectado dentro de otro
depósito a presión atmosférica lleno de aceite y debido al cambio de presión, el
vapor saturado a medida que se va dispersando por el aceite se va
condensando formando pequeñas gotas de aceite (figura 10) [21].
Figura 10. Sistema ‘MWD’ [21].
10 2.3. Modificación del fluido de corte
Los estudios realizados en cuanto a la modificación del fluido de corte en los
sistemas MQL a día de hoy son escasos pero de muy diversa índole. Por un
lado están aquellos en los que se sigue trabajando con aceites minerales y
sintéticos, que en un tiempo no muy lejano quedarán obsoletos debido
principalmente al impacto ambiental que producen dichos aceites. Y por otro
lado está la tendencia actual por la que se debe seguir investigando, que son
aquellos ensayos en los que se estudia la viabilidad de la utilización de aceites
biodegradables. Del primer caso cabe destacar, desde el punto de vista de
intentar reproducir lo mismo con aceites biodegradables, un estudio en el que
se logra un ‘aceite multifunción’ con el que se consigue, además de mecanizar
con el sistema MQL, lubricar los rodamientos del husillo, las guías de
deslizamiento de la mesa y el sistema hidráulico [24]. En relación al uso de
aceites biodegradables, generalmente en los sistemas MQL se suelen utilizar
aceite de colza o canola [4] [23] [25]. Un estudio a destacar en el uso de otros
aceites vegetales es el realizado con aceite de palma en el que se obtienen
menores pares de fuerza en la herramienta e incluso un ligero desgaste menor
del flanco de ésta que si se utilizase el MQL con aceite sintético [26].
3. Conclusión
En este artículo se ha hecho un breve repaso sobre los sistemas MQL y sus
innovaciones más importantes. Los sistemas de refrigeración en máquinaherramienta basados en MQL son el camino adecuado para desarrollar una
alternativa al mecanizado con taladrina, conseguir la erradicación del uso de
aceites derivados del petróleo y conseguir prácticamente un mecanizado con
nulo impacto ambiental. De hecho muchas empresas del sector, en la
actualidad ya utilizan sistemas MQL en sus líneas de producción y manifiestan
que los costes ahorrados no sólo son debidos a la eliminación de la taladrina,
su mantenimiento y posterior gestión de residuos, sino que también repercute
en un aumento de la vida de la herramienta. Esto supone mayores beneficios
económicos además del ahorro del 17% que se obtiene prescindiendo de las
emulsiones de aceite.
11 4. Referencias
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Fuente: Interempresas.
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