Alternativas a la Utilización de Aceites y Refrigerantes de Corte

Transcripción

1 50 PROCESOS Foto: Alternativas a la Utilización de Aceites y Refrigerantes de Corte Metal Actual Nuevos desarrollos reducen consumo de fluidos de corte entre 90 y 100%. Métodos como el mecanizado en seco, el mecanizado con mínima cantidad de lubricante (MQL), así como el empleo de productos biodegradables, para reducir y optimizar el consumo de fluidos de corte, es un tema prioritario para la industria metalmecánica, cuyas empresas enfrentan elevados costos por la gestión ambiental de los aceites y taladrinas convencionales. El mecanizado es un proceso de manufactura altamente exigente y complejo, en el que las fuerzas que intervienen están al límite de causar fractura, incluye deformaciones elásticas y plásticas. Es un corte que implica mucha fricción, generación de calor, afectación de la pieza, formación de bordes recrecidos, contracción y enrollamiento de la viruta, endurecimiento de la superficie maquinada y desgaste de la herramienta. El calor es el gran problema, se genera específicamente por el rozamiento entre pieza-herramienta-viruta, desmejora la superficie maquinada y reduce la exactitud del corte, afecta la dureza de la cuchilla y la hace menos resistente al desgaste. Según un estudio publicado en el libro Manufactura, ingeniería y tecnología: en el mecanizado, la temperatura en la zona de corte puede alcanzar entre 380 C y 700 C.

2 PROCESOS 51 Históricamente los profesionales del metal han empleado los fluidos de corte para enfrentar las limitantes del mecanizado: para lubricar; es decir, reducir la fricción entre la herramienta, la pieza y la viruta arrancada, así como también para disminuir parte del calor que se genera en el proceso. Además, los aceites ayudan a evacuar la viruta lejos del área de operación e incluso hay productos que previenen la oxidación del material. Todo esto, busca proteger y prolongar la vida útil de la herramienta de corte, disminuir la afectación del material y alcanzar la calidad superficial requerida. Ahora bien, a pesar de sus grandes beneficios, emplear indiscriminadamente los aceites y refrigerantes de corte tiene consecuencias negativas, los principales inconvenientes de su uso son: a. Daños a la pieza y máquinas-herramientas: con el paso del tiempo y durante el trabajo los fluidos de corte pierden sus propiedades, además como consecuencia de malas condiciones de almacenamiento y limpieza inadecuada, las taladrinas y refrigerantes antifricción se contaminan con bacterias, hongos o levaduras, lo que ocasiona, no sólo disminución de la calidad superficial, sino también desgaste y corrosión en las piezas y componentes de las máquinas. Algunas veces se puede detectar fácilmente este problema, ya que aparecen olores fuertes y desagradables debido a los procesos de descomposición microbiológicos, pero siempre es necesario realizar análisis de laboratorio periódicos para controlar el buen estado y las propiedades de los lubricantes. b. Altos costos y pérdida de inversión: como consecuencia de la adquisición, almacenamiento y mantenimiento de los refrigerantes, además de su adecuada disposición, estos insumos pueden implicar entre el 7 y 18 por ciento del costo final de producción, lo cual es muy superior al costo de las mismas herramientas. Foto: c. Impacto medioambiental: básicamente el problema es la incorrecta disposición de los residuos refrigerantes y aceitosos y los vertidos a aguas o afluentes que contaminan el ecosistema. d. Riesgo para la salud del operario: la manipulación de los aceites y taladrinas puede provocar afectaciones cutáneas, respiratorias y diferentes tipos de cáncer. La descomposición térmica de algunos fluidos de mecanizado origina la formación de gases y nieblas, cuya inhalación puede causar irritación en las vías respiratorias o enfermedades como la neumonía. En este sentido, aunque el arranque de viruta aún depende altamente de fluidos lubricantes como solución para reducir la fricción y temperatura, cada día más empresas prueban alternativas revolucionarias para disminuir los efectos del calor en la pieza y las herramientas. Alternativas En la última década, en especial en Europa, Estados Unidos y Asía, y en vista de los problemas industriales que traen consigo el uso de aceites y refrigerantes convencionales, los mecanizadores han optado por emplear otros métodos alternativos, entre ellos: Lubricantes Sólidos: Los lubricantes secos o lubricantes sólidos son materiales que a pesar de que se encuentran en fase sólida, son Foto: Las nuevas tecnologías de lubricación y refrigeración son aplicables al mecanizado de alta velocidad. capaces de reducir la fricción entre dos superficies que se deslizan entre sí reduciendo el esfuerzo cortante. Este tipo de lubricantes, que comprenden materiales tales como el grafito y sus estructuras alotrópicas (fullereno, estructuras tipo flor-flower like estructures, nanotubos, grafeno, diamante y carbón como diamante - DLC), el Disulfuro de molibdeno (MoS2) y el Disulfuro de tungsteno (WS2), son materiales pulvimetalúrgicos que Las herramientas de corte y plaquitas insertables son diseñadas especialmente para el mecanizado en seco de alta velocidad en el fresado de partes livianas o medianas de acero o acero inoxidable bajo condiciones estables.

3 52 PROCESOS Foto: La creciente preocupación por los aspectos medioambientales está provocando una mayor tendencia hacia la adopción de tecnologías no contaminantes en el entorno laboral, lo que supone buscar alternativas en aquellos procesos ya instalados que resultan perjudiciales medioambientalmente. se aplican con técnicas por deposición física (PVD) o deposición química (CVD), como recubrimientos o películas delgadas, sobre las piezas fabricadas, para dotarlas de propiedad autolubricaante y así soporten altas temperaturas y agresivos factores de desgaste. (Ver artículo Lubricantes Sólidos: de la NASA al taller Metalmecànico, página 56). Aceites y refrigerantes biodegradables: los fabricantes de lubricantes y refrigerantes han desarrollado productos biodegradables, no tóxicos y respetuosos con el medio ambiente. Actualmente bajo el término biodegradable se incluyen aceites vegetales, poliglicol éteres y ésteres sintéticos, y entre los ésteres, diésteres, polyol ésteres y fosfato ésteres. La mayoría de los grandes fabricantes de autos (BMW, Mercedes Benz, Volvo y Ford, entre otras) junto a fabricantes de máquinas y herramientas como Bosh, han comenzado a migrar hacia procesos con cero o mínima aplicación de lubricantes que no contaminan, ya que los costos de gestión de los residuos encarecen notoriamente los procesos de manufactura con aceites convencionales. Mecanizado en seco: Este proceso elimina completamente los fluidos de corte, algo que hace un par de décadas era inimaginable y hoy es posible gracias a las nuevas herramientas y tecnología para el mecanizado de alta velocidad (MAV). En efecto, cortar en seco no sería factible sin los adelantos en materia de plaquitas intercámbiales y maquinaria CNC. Y es que, retirar el refrigerante implica que la energía mecánica del proceso se transforme totalmente en calor; para demostrar esto, durante los años noventa, una reconocida multinacional fabricante de componentes para las transmisiones de vehículos, analizó, en colaboración con la compañía Sandvik Coromat, los pros y contras del uso del refrigerante. En sus pruebas los incrementos de temperatura en las piezas mecanizadas fueron de 26ºC con refrigerante a 42ºC en el torneado en seco y aproximadamente igual en las operaciones de desbaste y acabado. Para soportar las altas temperaturas, el mecanizado en seco implica usar herramientas de metal duro, plaquitas intercambiables que en su mayoría están hechas de carburo tenaz, que se recubren con una capa de metal resistente al desgaste, aleaciones o carburos cementados, cerámicos recubiertos, Elbor (nitrito cúbico de boro) y recubrimientos de nitruro de titanio y óxido de aluminio Al 2 O 3 (alúmina). Básicamente, las nuevas herramientas cuentan con propiedades de elevada dureza, resistencia al desgaste, temperatura y auto-refrigeración para soportar las extremas condiciones del mecanizado en seco, además muestran una mínima adhesión con el material de la pieza. En este sentido, el mercado también ofrece nuevas máquinas acordes a las condiciones del mecanizado en seco: muy robustas y capaces de trabajar a altos avances y velocidades de corte. En sí, las operaciones de elaboración en las modernas máquinas herramienta CNC son realizadas a tales niveles de velocidad y avance, que hacen innecesario el refrigerante, ya que éste no tendría el efecto para el cual es aplicado. Por el contrario, puede tener un efecto negativo por las constantes variaciones de temperatura que afectarían la herramienta. Muchas veces, refrigerar con aceites o taladrinas un proceso MAV es infructuoso, pues la evaporación en la zona de corte tiene lugar inmediatamente durante el maquinado. Se calcula que 15 por ciento del refrigerante suministrado se va con la viruta y en vaporizaciones, y tan sólo 1.0 por ciento permanece sobre las piezas cuando se retiran de la máquina y el resto es desechado. Con el mecanizado en seco se pueden obtener las siguientes ventajas: Talleres, operarios y medioambiente más sanos al evitar la disposición de aceites y su eliminación, además de la formación de bacterias y humos. No hay más goteos de refrigerante en las máquinas, herramientas y piezas, y no hay paradas para limpiar los equipos y el sistema de lubricación. Mayor productividad. Las velocidades de corte pueden aumentar en el torneado en seco, debido a una mayor duración de las herramientas. Las velocidades de corte típicas en el

4 Foto: cfnewsads.thomasnet.com Las velocidades de corte típicas en el torneado en seco varían desde 250 a 300 m/min. torneado en seco varían desde 250 a 300 m/min. La productividad mejora también a través de la eliminación de tiempos muertos. Menores costos de producción, entre ellos, hay que incluir el costo de refrigerante por año en la planta, además, el costo adicional para desechar los aceites peligrosos. La eliminación de estas tareas representa ahorros considerables. Vida de la herramienta más larga. La duración de los filos aumenta 10 por ciento al cambiar al torneado en seco tanto en desbaste como en acabado. Es la variación de la temperatura lo que afecta y daña las plaquitas de metal duro, no una temperatura alta constante. Lo anterior, no quiere decir que el mecanizado en seco pueda utilizarse para todo tipo de producción. Al mecanizar sin fluidos, es necesario que converjan ciertos requerimientos del proceso para lograr óptimos resultados. De forma que, antes de implementarlo, es importante realizar un profundo análisis previo de las condiciones y límites de la operación y los factores asociados a ella (máquina, tipo de herramienta y pieza a mecanizar, además de parámetros de corte como avance, velocidad y profundidad). Una de las grandes limitantes del mecanizado en seco está representada por la menor calidad superficial que se obtiene, en general no conviene cortar sin fluidos si el requerimiento de calidad implica bajos niveles de rugosidad en la pieza y alta precisión dimensional. Otra desventaja del trabajo es el ensuciamiento de la máquina debido al polvo de la viruta, el cual debe ser absorbido del área de maquinado por sistemas complementarios. Se debe entonces limpiar las guías de la máquina y herramientas, cuando se cambia el inserto. La suciedad no se elimina tan fácilmente como en el maquinado con refrigerante por caudal.

5 54 PROCESOS Foto: d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net A diferencia del mecanizado con refrigerante por inundación o convencional en el que se aplica el fluido en galones, el MQL se aplica en micro-cantidades muy precisas, usualmente entre cm3 (un sexto de una gota de aceite) y una onza. Sistemas de lubricación por cantidades mínimas (MQL): esta técnica se basa en la pulverización de una mínima cantidad de lubricante en forma de aerosol sobre la zona de corte. La aplicación del refrigerante se puede realizar externamente, mediante la expulsión de líquido por un flujo de aire a presión a través de boquillas o aplicación interna, esto es, gracias al suministro de aire y lubricante a través del husillo de la máquina y por el interior de la herramienta. A diferencia del mecanizado con refrigerante por inundación o convencional en el que se aplica el fluido en galones, el MQL se aplica en micro-cantidades muy precisas, usualmente entre cm 3 (un sexto de una gota de aceite) y una onza. El método básico es depositar el lubricante a través de boquillas externas fijadas independientemente a la máquina, que aplican el fluido con márgenes de error de pocos milímetros, por ello es muy importante la ubicación, orientación y el movimiento de las boquillas durante el ciclo de corte. Foto: files.messe.de Este método se usa para operaciones de corte de materiales duros, ranurado, planeado y torneado. Por su parte, para el taladrado o escariado la lubricación MQL externa deber limitarse a trabajos de longitud y diámetros pequeños (I/d < 3), para mecanizados más grandes el operario necesita retirar y reubicar varias veces la boquilla para lubricar el área, con el consecuente incremento de tiempo total del proceso. La lubricación interna se realiza a través del husillo y la herramienta y está indicada para el escariado y taladrado, ya que garantiza la lubricación precisa en la zona de corte por llegar a través de la herramienta. Para esto, la broca o escariador es hueco y está provista de conductos y orificios por los cuales fluye la taladrina. Una ventaja de este sistema, respecto a la lubricación externa, es la ausencia de reposicionamiento de las boquillas, así como la posibilidad de integrar esta tecnología a la máquina sin tener que utilizar tuberías y accesorios externos. Los sistemas de lubricación interna pueden distinguirse por tener dos variantes: la primera emplea un canal en el que fluye una combinación de aire y aceite, los cuales recorren el interior del husillo y pasan dentro de la herramienta hasta llegar a la punta y, de allí, son pulverizados a la zona de corte. La segunda variante consta de dos canales, en los que el aire y el aceite circulan de forma independiente a través del husillo y la herramienta, la mezcla se hace a la salida. Las ventajas que ofrece aplicar aire comprimido y aceite milimétricamente en el mecanizado, van desde la disminución del impacto medioambiental, consecuencia de la reducción de residuos y desechos y la no emisión de gases, nieblas, fugas y salpicaduras. Según un estudio, realizado en 2008, de la compañía John Deere, fabricante de automotores y maquinaria industrial, gracias al MQL se reducen los costos por consumo de fluidos hasta en 95 por ciento, así mismo las piezas mecanizadas permanecen más limpias y secas. Cabe destacar que el contenido de aceite residual en la viruta es muy bajo, por lo cual se reduce el costo de su eliminación y se puede vender a precios mayores. El aceite utilizado no recircula, por lo que no es necesario el empleo de filtros y bombas, de esta forma disminuye el consumo de electricidad de la máquina. La gran desventaja de este método radica en que, a pesar de la buena lubricación que entrega, la refrigeración de la pieza-herramienta no es tan eficiente como en el mecanizado con refrigeración de caudal, por lo que se hace indispensable el uso de herramientas de corte de metal duro con recubrimientos. De hecho, el MQL funciona muy bien aplicado con las nuevas herramientas de carburo. La versión de lubricación interna del MQL incluye la aplicación de refrigerante a través de los conductos de la herramienta, escariador o broca, para ello éstas están provistas de conductos internos.

6 PROCESOS 55 proceso puede constituir una reducción del uso de aceites de corte y taladrinas de 98 por ciento y la eliminación de aquellos particularmente tóxicos. Foto: Además, puede suceder que el flujo del aceite no sea suficiente para evacuar eficazmente la viruta de la zona de corte. Así mismo, otra limitante es la instalación de un sistema de aire comprimido complementario a la máquina, así como de dosificadores y boquillas. Gases refrigerantes: el más reciente adelanto en materia de lubricación para mecanizado es utilizar como refrigerante gases, tales como argón, helio o nitrógeno líquido, que se aplican a través de los conductos similares a los de un sistema MQL o como complemento al mecanizado en seco, con el objetivo de refrigerar el proceso. Particularmente, la refrigeración con nitrógeno se conoce como mecanizado criogénico. A diferencia del carbono, el nitrógeno no es un gas invernadero, es seguro y Foto: El MQL requiere de la instalación de equipos anexos y periféricos a la máquina de corte que constan de recipientes para el alojamiento del lubricante, una bomba y sistemas de mangueras y boquillas para el transporte la aplicación pulverizada del aceite. respirable, se necesita gran cantidad de nitrógeno para causar daño y en estos casos el sistema incorpora un sensor para salvaguardar la salud de los operadores. Estos gases también se emplean para prevenir la oxidación de la pieza y las virutas, aunque el alto costo de ellos generalmente no los hace rentables para aplicaciones en la producción. Proceso coldcut: este sistema busca eliminar la utilización de aceites de corte y taladrinas, mediante su sustitución por aire frío y muy pequeñas cantidades de lubricantes de base vegetal/sintético no peligroso y con tendencia a biodegradarse. Es una versión del MQL con aire frío. Dicha tecnología aumenta la productividad del proceso, la vida de la herramienta, las tolerancias y la reducción de las temperaturas de la maquinaria. Se estima que este Ahora bien, conviene recalcar que las anteriores alternativas buscan adaptar y mejorar el proceso de mecanizado a mediano y largo plazo, hoy día la dependencia de los fluidos de corte en la industria colombiana e internacional sigue y será siendo amplia por muchos años. No obstante, los nuevos desarrollos muestran que la tendencia del corte de metales gira entorno a garantizar los excelentes beneficios de una correcta refrigeración y lubricación, en comunión con la salud, el medio ambiente y la productividad. Suprimir totalmente la utilización de fluidos de corte es una carrera que está en marcha y a la vez se busca garantizar un nivel mínimo de retiro de virutas, calidad superficial y tolerancias de corte. Todo ello supone una evolución tecnológica de herramientas, materiales y máquinas, cada día aparecen nuevas posibilidades y alternativas de aplicación en diferentes procesos. El conocimiento y la asimilación de las tecnologías y tendencias son claves para impulsar el cambio natural y, tarde o temprano, necesario para la industria metalmecánica. Fuentes Tendencias tecnológicas a medio y largo plazo en el diseño y la producción industrial. Myrian García-Berro. Jefa del Departamento de Proyectos de Innovación y Desarrollo Tecnológico. Fundación ASCAMM. Barcelona. Líquidos refrigerantes futuro? Ing. Luis Wilfredo Hernández González. Profesor Instructor. Universidad de Holguín Oscar Lucero Moya. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Mecánica. Holguín 80100, Cuba. Validación de un fluido de corte para máquinas-herramienta. Daniel Padilla Montes. Optimización del proceso de tallado por generación mediante sistema MQL. Ing. César Galán Martínez. Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Ingeniería Mecánica. Junio 2010