Behavioral Experiment for Ordering Effects

❖ Utilización de aceites base de origen vegetal o sintético, biodegradables y de bajo impacto.

❖ Tendencia a la utilización de aditivos que den lugar a bajos valores de demanda de oxígeno para su degradación.

❖ Eliminación de los hidrocarburos clorados en las formulaciones.

❖ Reducción del nivel de aromáticos por debajo del 8% por su relación con el cáncer de piel.

❖ Reducción del uso de nitrito sódico como inhibidor de corrosión.

❖ Estudio y reducción de la utilización de biocidas.

❖ Eliminación del uso de metales pesados (Zn, Cu) en las formulaciones.

❖ Reducción del uso de lubricantes miscibles en agua.

2.9.5. Alternativas

En vista de los problemas ambientales y de salud para los operarios en contacto con los fluidos de corte, se viene prestando especial atención a la eliminación de los fluidos de corte de los procesos productivos o a remplazar sus bases lubricantes por otras biodegradables, no tóxicas y respetuosas con el medio ambiente. Actualmente bajo el término "biodegradable" se incluyen aceites vegetales, poliglicol éteres y ésteres sintéticos y entre los esteres diésteres, polyol ésteres y fosfato esteres.

Se presentan cuatro alternativas a la utilización de los fluidos de corte convencionales el mecanizado en seco, las técnicas de mínima lubricación (MQL), con fluidos de corte biodegradables y no tóxicos, la utilización de gases refrigerantes, y el proceso COLDCUT.

2.9.5.1. Mecanizado en Seco

El mecanizado en seco supone la eliminación completa del fluido de corte. De forma que cuando se desempeña 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 en conjunción 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 desigual forma 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 están contribuyendo a la eliminación de los lubricantes, incluso en el caso de operaciones que se consideran extremadamente difíciles debido a la complejidad de la geometría de la herramienta y/o a la cinemática del proceso.

Un tema estrechamente relacionado con el mecanizado en seco es la creciente substitución del rectificado por procesos de mecanizado con filos de corte geométricamente definidos (mecanizado duro).

Mientras el uso de los fluidos de corte es esencial en casi todas las operaciones de rectificado, estas piezas templadas se pueden tornear en seco utilizando herramientas cerámicas.

La energía mecánica introducida en el proceso de corte se transforma casi íntegramente en calor. Mientras en el mecanizado húmedo la mayor parte del calor del mecanizado es absorbido y extraído por el refrigerante, en el mecanizado en seco, la herramienta, la pieza y la máquina están sujetas a mayores niveles de tensión térmica, lo que puede traducirse en desviaciones dimensionales y de forma en las piezas. El diseño del proceso de mecanizado en seco debe tener muy en cuenta este aspecto.

El nivel de precisión alcanzable de la pieza en condiciones de mecanizado en seco depende principalmente de la cantidad de calor que recibe y de sus dimensiones geométricas. Resulta esencial diseñar el proceso de corte de forma que minimice la cantidad de calor transferido a la pieza.

En general, se puede decir que las operaciones de mecanizado en seco son siempre posibles cuando la pieza no requiere gran precisión dimensional de forma.

Un factor secundario que ejerce influencia sobre la precisión de las piezas es el comportamiento de la máquina cuando no se usa refrigeración. La refrigeración además de extraer las virutas y limpiar los elementos de guiado también reduce la temperatura de los componentes de la máquina, lo que garantiza un mecanizado de precisión.

Esta función no se cumple en el mecanizado en seco. Se necesitan tomar medidas especiales para garantizar que las virutas calientes se extraigan rápida y eficazmente de la zona de corte, y que se compense el calor introducido en los elementos de la máquina. Esto representa un desafío para los fabricantes de máquina herramienta, desarrollar un concepto de máquina adaptado para cumplir con las necesidades específicas del mecanizado en seco.

Los usuarios que tratan de invertir en una máquina deberían añadir la capacidad de mecanizar en seco a las especificaciones que reúne el fabricante. De hecho, en la práctica, si el mecanizado en seco no ha desarrollado su potencial de forma significativa a pesar de la disponibilidad de materiales de herramienta eficaces, es debido a varios factores. Uno de éstos es seguramente que, en muchas empresas, una gran parte de las piezas se mecanizan aplicando el criterio de la disponibilidad de máquinas.

Otro es que el refrigerante en la mayoría de las máquinas se utiliza sin prestar atención al material, a la herramienta y al método de mecanizado. Aunque el refrigerante en muchos casos no es técnicamente necesario y tiene incluso un efecto adverso en el corte interrumpido, es a menudo útil para funciones secundarias como la extracción de virutas. En estos casos no es posible introducir la política del mecanizado en seco.

2.9.5.2. Mecanizado con mínima cantidad de lubricante (sistemas MQL)

Existen muchas operaciones en las que se viene utilizando este sistema de mecanizado con mínima cantidad de lubricante con fluidos de corte biodegradables y no tóxicos.

Se conocen principalmente tres tipos diferentes de sistemas MQL.

Por una parte, se encuentran los sistemas de pulverizado a baja presión, donde el fluido de corte se introduce en una corriente de aire y se transmite a la superficie activa en forma de mezcla. Estos sistemas que se distinguen porque los flujos de lubricante son aproximadamente de 0.5-10 l/h se utilizan principalmente para emulsiones y producen una notable atomización, pudiéndose dosificar sólo de manera bastante tosca.

Un segundo tipo de sistemas (sistema de aire) utiliza bombas dosificadoras, las cuales alimentan mediante pulsos una cantidad determinada de fluido de corte que se aplica sobre la superficie activa sin aire, utilizándose sobre todo en procesos intermitentes.

El tercer tipo de sistemas de lubricación mínima es el más utilizado. En estos sistemas el lubricante se transporta a la boquilla mediante una bomba a través de un tubo de suministro. En la boquilla se mezcla con el aire y éste y el lubricante pueden ajustarse independientemente. Al mismo tiempo, la mezcla coaxial del lubricante y el aire en la boquilla evita la posible formación de nieblas. En este caso se recomienda el uso de aceites base no tóxicos de alta viscosidad con adaptaciones en el campo de los aditivos.

La utilización de este tercer tipo de sistemas MQL representa una alternativa interesante que combina por una parte la funcionalidad del fluido de corte con un extremadamente bajo consumo de lubricante de 5-50 ml/h. Esta alternativa, que supone la mezcla de lubricante y aire, representa un paso intermedio entre el mecanizado en seco y la lubricación convencional.

Si en la lubricación convencional se produce una inundación de fluido en la zona de mecanizado, los sistemas MQL humedecen estrictamente la zona de corte (herramienta-pieza viruta) con muy poca cantidad de lubricante (que por consumirse en las operaciones de mecanizado no necesita la aditivación con conservantes, biocidas).

2.9.5.3. Proceso “COLDCUT”

El Sistema Coldcut pretende eliminar la utilización de aceites de corte, taladrinas, etc., mediante su sustitución por aire frío y muy pequeñas cantidades de lubricantes de base vegetal/sintético no peligroso y con tendencia a biodegradarse. Esta tecnología aumenta la productividad del proceso, la vida de la herramienta de cortar, las tolerancias y la reducción de las temperaturas de la maquinaria.

Este sistema utiliza el aire frío y un sistema de aplicación del lubricante de alta precisión. El aire frío reemplaza al agua o aceite utilizados como refrigerantes. Se estima que este proceso puede constituir una reducción del uso de aceites de corte y taladrinas de un 98% y la eliminación de aquellos particularmente tóxicos.

2.9.6. La Rugosidad

Aunque durante mucho tiempo la medición de rugosidad no fue considerada como una rama de la metrología, en la actualidad es un requerimiento importante debido al reconocimiento creciente de la importancia y necesidad de ésta medición.

Una superficie perfecta es una abstracción ya que cualquier superficie real por perfecta que parezca presentara irregularidades que se originan durante el proceso de fabricación. Las irregularidades mayores (macrogeométricas) son errores de forma asociados con la variación en tamaño de una pieza, paralelismo entre superficies y planitud de una superficie o conicidad, redondez y cilindricidad, y que pueden medirse con instrumentos convencionales.

Las irregularidades menores (microgeométricas) son la ondulación y la rugosidad. La primera pueden ocasionarla la flexión de la pieza durante el maquinado; falta de homogeneidad del material, liberación de esfuerzas residuales, deformaciones por tratamiento térmico, vibraciones, etcétera; la segunda la provoca el elemento utilizado para realizar el maquinado, por ejemplo: la herramienta de corte o la piedra de rectificado. Los errores superficiales mencionados se presentan simultáneamente sobre una superficie, lo que dificulta la medición individual de cada uno de ellos.

No es posible fabricar una superficie absolutamente plana. En realidad, tiene una estructura de valles y montañas llamado rugosidad. La diferencia de la superficie real en comparación con la superficie teórica es la diferencia de forma (o estructura).

La rugosidad de una superficie maquinada tiene bastante influencia sobre:

❖ El desgaste en la pieza.

❖ Características de fricción y deslizamientos.

❖ Capacidad de adherencia al aceite.

❖ Resistencia a la corrosión.

❖ Características de ajustes.

La rugosidad (que es la huella digital de una pieza) son irregularidades provocadas por la herramienta de corte o elemento utilizado en su proceso de producción, corte, arranque y fatiga superficial.

El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macrogeométricos y microgeométricos.

La rugosidad superficial es el conjunto de irregularidades de la superficie real, definidas convencionalmente en una sección donde los errores de forma y las ondulaciones han sido eliminados.

FIGURA 2.33 Rugosidad superficial de un material.

2.9.6.1. Superficie real:

Superficie que limita el cuerpo y lo separa del medio que lo separa.

2.9.6.2. Superficie geométrica:

Superficie ideal cuya forma está especificada por el dibujo y/o todo documento técnico.

2.9.6.3. Superficie de referencia:

Superficie a partir de la cual se determinan los parámetros de rugosidad. Tiene la forma de la superficie geométrica. Se puede calcular por el método de mínimos cuadrados.

2.9.6.4. Perfil real:

Es la intersección de la superficie real con un plano normal.

FIGURA 2.34. Superficie Real.

La rugosidad de la superficie se determina considerando la longitud de onda del radar y el ángulo de incidencia. Una superficie aparecerá ser lisa si sus variaciones de la altura son más pequeñas que 1/8 de la longitud de onda del radar. En términos del uso de una determinada longitud de onda, una superficie aparece más lisa mientras la longitud de onda y el ángulo de incidencia aumenta.

En imágenes generadas por radares, las superficies ásperas aparecerán más brillantes que superficies más lisas del mismo material. La aspereza superficial influencia la reflectividad de la energía de la microonda. Las superficies lisas horizontales que reflejan casi toda la energía de la incidencia lejos del radar se llaman los reflectores especulares, por ejemplo; el agua tranquila o caminos pavimentados que aparecen oscuras en las imágenes de radar. En cambio, las superficies ásperas dispersan la energía de la microonda incidente en muchas direcciones, esto se conoce como reflexión difusa.

2.9.6.5. Características

❖ Promedio de rugosidad: El valor promedio de rugosidad en µm es el valor promedio aritmético de los valores absolutos de las distancias del perfil de rugosidad de la línea intermedia de la longitud de medición.

❖ El valor promedio de rugosidad es idéntico a la altura de un rectángulo donde su longitud es igual a la longitud total lm y esto a su vez es idéntico con la superficie de la suma que existe entre el perfil de rugosidad y la línea intermedia. Rz: Promedio de la profundidad de la rugosidad en µm (promedio aritmético de cinco profundidades singulares consecutivas en la longitud de medición).

❖ Los rugosímetros sirven para detectar de forma rápida las profundidades de la rugosidad en las superficies de materiales. Los rugosímetros le indican en µm la profundidad de la rugosidad Rz y el promedio de rugosidad Ra. Tenemos disponibles equipos con un máximo de trece parámetros de medida. Son aplicables las siguientes normativas en la comprobación de rugosidad en las superficies delas piezas de trabajo: DIN 4762, DIN 4768, DIN 4771, DIN 4775. La rugosidad alcanzable de las superficies las puede ver en DIN 4766±1. Los rugosímetros se envían calibrados (pero sin certificado). Opcionalmente puede obtener para los rugosímetros una calibración de laboratorio, incluido el certificado ISO. Así podrá integrar sus medidores en su control de calidad ISO y calibrarlos anualmente (a través de PCE o cualquier laboratorio acreditado).

❖ Rugosidad obtenida: El costo de una superficie maquinada crece cuando se desea un mejor acabado superficial, razón por la cual el diseñador deberá indicar claramente cuál es el valor de rugosidad deseado, ya que no siempre un buen acabado superficial redundará en un mejor funcionamiento de la pieza, como sucede cuando desea lubricación eficiente y por tanto una capa de aceite debe mantenerse sobre la superficie.

❖ En el pasado el mejor método práctico para decidir si un acabado superficial cumplía con los requerimientos era comparado visualmente y mediante el tacto contra muestras con diferentes acabados superficiales.

2.9.6.6. Tipos de Rugosímetro

❖ Rugosímetro de palpador mecánico

Instrumento para la medida de la calidad superficial pasado en la amplificación eléctrica dela señal generada por un palpador que traduce las irregularidades del perfil de la sección dela pieza. Sus elementos principales son el palpador, el mecanismo de soporte y arrastre de éste, el amplificador electrónico, un calculador y un registrador.

❖ Rugosímetro: Palpador inductivo

El desplazamiento de la aguja al describir las irregularidades del perfil modifica la longitud del entrehierro del circuito magnético, y con ello el flujo de campo magnético que lo atraviesa, generando una señal eléctrica.

❖ Rugosímetro: Palpador capacitivo

El desplazamiento vertical del palpador aproxima las dos láminas de un condensador, modificando su capacidad y con ella la señal eléctrica.

❖ Rugosímetro: Palpador piezoeléctrico

El desplazamiento de la aguja del palpador de forma elásticamente un material piezoeléctrico, que responde a dicha deformación generando una señal eléctrica.

❖ Rugosímetro: Patín mecánico

El patín describirá las ondulaciones de la superficie mientras la aguja recorra los picos y valles del perfil. Así se separan mecánicamente ondulación y rugosidad que son simplemente desviaciones respecto de la superficie geométrica con distinta longitud de onda.

❖ Rugosímetro: Filtrado eléctrico

La señal eléctrica procedente del palpador puede pasar a un filtro para eliminar las ondulaciones, esto es, disminuir la amplitud de sus componentes a partir de una longitud de onda ᵞ´, (longitud de onda de corte).

TABLA 2.3. Rangos típicos de los valores de rugosidad superficial que pueden obtenerse mediante métodos de fabricación.

2.9.6.7. Parámetros de Rugosidad

En general los parámetros utilizados para cuantificar la rugosidad pueden interpretarse como parámetros propios de la distribución estadística de alturas del perfil o superficie bajo análisis.

2.9.6.8. Profundidad Media de la Rugosidad

El promedio de las alturas de pico a valle se denomina Rz, y las normas JIS/ISO lo definen, con base en la curva P, como la diferencia entre el promedio de las alturas de los cincos picos más altos y la altura promedio de los cincos valles más profundos. Los picos y valles se miden en la dirección de la amplificación vertical, dentro de la longitud de evaluación (lm), desde una línea paralela a la línea media y que no intersecta al perfil.

FIGURA 2.36. Perfil de Rugosidad de la curva P.

Se aplican las siguientes definiciones:

❖ Perfil de picos: proyección de una porción de perfil conectando dos puntos adyacentes de la intersección del perfil con la línea media.

❖ Perfil de valles: porción descendente del perfil conectando dos puntos adyacentes de la intersección del perfil con la línea media.

❖ Valle más profundo: punto más profundo de un perfil de valles.

Rz (JIS. ISO)=

(P₁+ P₂+P₃+ P₄+ P₅)- (V₁+ V₂+V₃+ V₄+ V₅) 5

Rz Según DIN 4768/1

Rz Es promedio (valor medio aritmético) de las cinco profundidades parciales Z1 a Z5, que forman el tramo de

medición.

FIGURA 2.37. Perfil de Rugosidad de la curva R

FIGURA 2.38 Simbología de la rugosidad en el torneado de Rz

2.9.6.9. Valor Medio Aritmético de la Rugosidad

Dentro de la longitud de evaluación (lm), la media aritmética de

los valores absolutos de los alejamientos del perfil desde la línea central se representa mediante la fórmula:

R_a= 1 lm ∫ | f(x)| dx ≈ lm 0 1 n ∑|f(xi)| n i=1

Donde el perfil es definido como Z= f(x) con el eje x para la línea media y el eje Z en la dirección de la amplificación vertical.

FIGURA 2.39. Representación gráfica del parámetro Ra.

La definición de Ra equivale, en términos prácticos, a la altura de un rectángulo de la longitud lm cuya área es igual, dentro de

la longitud de evaluación, a la suma de las áreas delimitadas por el perfil de rugosidad y la línea central.

El valor de Ra es solamente un valor teórico y prácticamente difícil de interpretar. Sin embargo, se usa este valor con frecuencia en Alemania, USA, Inglaterra, Suiza y otros y otros países de potente industria.

Ra Es una medida puramente vertical y no da ninguna información sobre la forma real del perfil de la superficie.

CAPÍTULO III

MATERIALES Y MÉTODOS

3.1. MATERIAL DE ESTUDIO

El material sobre el cual se harán los ensayos respectivos para ver la performance del sistema construido será una barra de Aluminio 6061-T6 (AISI/ASTM) Aleación Dúctil y Ligera, con gran resistencia y excelentes características de acabado, el aluminio 6061-T6.

Es ideal para la elaboración de piezas maquinadas con calidad de excelencia y para trabajos que requieran buen acabado superficial. Posee excelente resistencia a la corrosión y acabado, además de facilidad de soldadura y una resistencia parecida a la del acero. Esta es una aleación de propósito general muy popular con buena facilidad de maquinado a pesar de su tratamiento de envejecimiento artificial (T6).

3.1.1. Composición Química

El 6061-T6 tiene las especificaciones de fabricación necesarias para asegurar máxima eficiencia:

❖ 0.40/0.80% de silicio. ❖ 0.7% máximo de hierro. ❖ 0.15/0.40% de cobre. ❖ 0.8/1.2% de magnesio. ❖ 0.04/0.35% de cromo. ❖ 0.25 máximo de zinc. ❖ 0.015 máximos de titanio.

3.1.2. Ventajas:

Adicionalmente a sus características naturales (excelente conductividad, ligereza, nula toxicidad y que no produce chispa), el aluminio 6061-T6 ofrece las siguientes ventajas:

❖ Resistencia superior a la de las aleaciones 6063.

❖ Elaborado mediante tratamiento térmicos.

❖ Envejecido artificialmente.

❖ Optima conformación con el frío.

❖ Excelentes características para soldadura fuerte y al arco.