LAS POSIBILIDADES Y LIMITACIONES DE MECANIZADO EN SECO

El Mecanizado en seco y casi seco, no reemplazar la tradicional tecnologa de los fluidos de corte en el corto plazo, pero s ofrecera ventajas para algunos mercados.

Los fluidos de trabajo de metales son conocidos por proporcionar muchos beneficios para asegurar que las piezas de metal se pueden mecanizar de manera rentable. Las caractersticas positivas de los fluidos de corte durante mucho tiempo han sido establecidos e incluyen la reduccin de la friccin, la refrigeracin, proteccin contra la corrosin, proteccin de la soldadura de la herramienta a la pieza de trabajo y el lavamiento de virutas metlicas.

Pero los fluidos de corte han sido objeto de un intenso escrutinio regulatorio durante los ltimos 20 aos. Los United Auto Workers solicitaron la Administracin de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) reducir el lmite de exposicin permisible para los fluidos de corte de 5,0 mg / m3 a 0,5 mg / m3. En respuesta, OSHA estableci el Comit Asesor de Normas de fluidos de trabajo de metal(MWFSAC) en 1997 para desarrollar normas o directrices relacionadas con los fluidos de corte. En su informe final en 1999, MWFSAC recomend que el lmite de exposicin ser de 0,5 mg / m3 y que la vigilancia mdica, monitoreo de exposicin, la gestin del sistema, la vigilancia del lugar de trabajo y la formacin de los empleados son necesarios para controlar la exposicin del obrero a los fluidos de corte.

Los fluidos de corte han sido objeto de un intenso escrutinio regulatorio durante los ltimos 20 aos.

En la actualidad, el entorno de fabricacin competitivo y los usuarios finales de los fluidos de corte estn buscando reducir costos y mejorar la productividad. Los costes de mantenimiento y eventualmente la eliminacin de los fluidos de corte, combinados con las preocupaciones de salud y seguridad antes mencionados, han dado lugar a un mayor inters, ya sea en la eliminacin por completo del fluido de trabajo en metal o limitar la cantidad de fluido de corte aplicado. El anterior proceso se conoce como el mecanizado en seco mientras que el segundo se refiere al mecanizado como casi seco o lubricacin de cantidad mnima.

Los diferentes segmentos de la comunidad de trabajos con metal han estimado los costos de fluidos de corte en varias modas. Los datos de los recubrimientos de herramientas del fabricante Balzers Inc., con sede en Amherst, Nueva York, estima que el costo de los fluidos de corte que seran un 16% del costo total incurrido por un usuario final tpico (Figura 1). Por el contrario, miembro de STLE, Doug Hunsicker, especialista en ingeniera de alto nivel para Caterpillar en Peoria, Illinois., Estima que los fluidos de corte de metal representaron un 0,9% de los costos totales de produccin de su compaa en el 2001.

Costos tpicos de fabricacin del usuario final

Debido a la importancia del uso de los fluidos de corte, la eliminacin de estos lubricantes se ha convertido en todo un reto. Una enorme cantidad de calor y friccin se genera cuando una herramienta de corte es aplicada en una pieza de trabajo. Miembro de STLE, Dr. Emmanuel Ezugwu con La Escuela de Sistemas de ingeniera y Diseo de la universidad South Bank de Londres, informa que el 70% del calor generado en el mecanizado se origina con la deformacin plstica de la pieza de trabajo. El 30% restante del calor surge de la friccin en el viruta / herramienta y las interfaces de herramienta / pieza de trabajo (1). Sin fluido de corte, un excesivo desgaste de la herramienta y un acabado superficial inferior puede ocurrir durante el mecanizado. Ambos de estos factores aumentan significativamente los costes de fabricacin y reducir la productividad.

MECANIZADO EN SECO

El trabajo del metal se compone de un nmero de diferentes operaciones de mecanizado que colocan requisitos diferentes en el lubricante. Otros parmetros que deben ser considerados son la aleacin de metal que se est mecanizado, la mquina herramienta y la herramienta de corte utilizada en el proceso.

"Algunas operaciones de mecanizado son ms susceptibles a el mecanizado en seco que otros", dice John Sutherland de la Universidad Tecnolgica de Michigan en Houghton, Michigan. "Open faced operaciones como el fresado y Madrinado se puede ejecutar de manera efectiva en seco." Los virutas resultantes se pueden mover fcilmente de distancia de la interfaz de la herramienta / pieza de trabajo. En estos casos, no es tan grande la necesidad de lubricar, y el calor generado puede ser manejado.

En contraste, las operaciones de mecanizado-cara cerrada tales como taladrado y roscado no se puede ejecutar de manera eficiente seco porque las virutas de metal permanece en estrecha proximidad a la interfaz de la herramienta / pieza de trabajo. Esta posibilidad aumenta las perspectivas de que las virutas daan la herramienta y la superficie de la pieza porque no hay ningn mecanismo para su eliminacin.

Sutherland inform sobre los primeros estudios en maquinas en seco que implican la perforacin y sondeo de aleaciones de aluminio de fundicin en 1998. En esos estudios, el mecanizado en seco result carente porque las tasas de alimentacin necesarios para disminuir con el fin de evitar comprometer los requisitos de acabado de superficie.

REVESTIMIENTOS DE HERRAMIENTAS DE CORTE

Los avances en los tipos de recubrimientos aplicados a herramientas de corte han sido el principal factor en la mejora de la viabilidad de mecanizado en seco. Hace apenas cuatro aos, el lider del recubrimiento de herramientas era xido de aluminio. Pero revestimientos a base de nitruro de titanio (TiN), nitruro de titanio de carbono-(TiCN) y nitruro de aluminio de titanio (TiAlN) han sido desarrollados para soportar condiciones de funcionamiento ms severas.

En particular, TiAlN ha surgido porque este revestimiento presenta una estabilidad trmica hasta una temperatura de 900 C. Revestimientos aumentan los costos de herramientas en un promedio de slo el 10%. Torsten Doering, gerente de mercado Balzers, indic que su compaa ha combinado TiAlN con carbn de carburo de tungsteno para generar un rendimiento an mejor en su utilizacin. "Este revestimiento muestra un coeficiente de friccin muy bajo, lo que permite su uso en la perforacin de pozos profundos en condiciones casi secas", dice.

Dennis Quinto, director tcnico de Balzers, indic que los aceros de molde, como 4140 y 4340 se pueden moler y forma con herramientas con revestimiento. Estas aleaciones suelen tener calificaciones de dureza Rockwell (HRC) que van desde 52 hasta 58 HRC. Pero existen limitaciones porque los metales como el titanio y acero inoxidable no son susceptibles al mecanizado en seco. El primer metal exhibe una calificacin muy baja de conductividad trmica, lo que significa que el calor no se puede llevar efectivamente lejos de la interfaz de la herramienta / pieza de trabajo. El mecanizado de acero inoxidable tpicamente produce virutas largas que extienden la longitud de contacto entre la viruta y la herramienta y, como consecuencia, aumenta la cantidad de calor en la zona de corte.

El fresado es una operacin popular para funcionar en seco, sobre todo porque la vida herramienta puede ser superior bajo condiciones seca en lugar de humedas condiciones, segn Quinto. "El uso del refrigerante en el fresado conduce a mayores fluctuaciones en la temperatura del filo de corte cuando la herramienta entra y sale de la corte", dice. "Este efecto puede causar un agrietamiento trmico, lo que lleva a un fallo prematuro herramienta por el borde de microfractura. En condiciones secas, la temperatura no cambia tan dramticamente, lo que extiende la vida de la herramienta.

Ezugwu indic que las herramientas de corte recubiertas se pueden utilizar sin fluidos de corte en el torneado duro. Este proceso de acabado se utiliza en aceros con puntuaciones superiores a 60 HRC de dureza en las velocidades de corte dos a cuatro veces ms altos que los que se usan para herramientas de corte convencionales.

Conceptos Clave: El mecanizado en seco y mecanizado casi seco son dos procesos fluidos de corte a los usuarios finales estn utilizando para reducir los costos y mejorar la productividad. Varias de las operaciones de mecanizado se componen de trabajo con metal y tienen diferentes requisitos sobre el lubricante. Una de las dificultades percibidas de mecanizado casi seco es arranque de viruta.

LIMITACIONES DEL MECANIZADO EN SECO

Si bien la tecnologa para llevar a cabo el mecanizado en seco ha mejorado, se necesita fluido de corte para asegurar que mayores velocidades y avances se pueden utilizar y para asegurar que el acabado superficial de piezas de trabajo cumple con las expectativas. Hunsicker revel que Caterpillar ha intentado el mecanizado en seco en un nmero de operaciones de mecanizado durante los ltimos 20 aos. Los nuevos recubrimientos de herramientas han sido de gran ayuda, pero todava existe el problema de que el mecanizado no se puede hacer en seco a la tasa necesaria para lograr la productividad encontrada con el uso de fluidos de corte.

Miembro de STLE, John Cutcher, director tcnico de DA Stuart Co. en Warrenville, Ill., No ha visto ningn aumento en el mecanizado en seco ms all de su uso en hierro fundido. l cree que el mecanizado en seco no puede superar los beneficios positivos de la utilizacin de los fluidos de corte. Otro factor a considerar es la produccin de partculas. Cutcher afirma que el mecanizado en seco puede producir tanto en partculas del aire como el mecanizado hmedo. Los datos que apoyan Cutcher ha sido publicada por Woskie et al (3)

Timoteo Ovaert de la Universidad de Notre Dame en South Bend, Indiana., Cree que los recubrimientos lubricantes de herramientas de corte no duran el tiempo suficiente para entregar la productividad necesaria en el entorno de fabricacin actual. La mayor parte de la investigacin en esta rea se origin en Europa, donde los usuarios finales hacer frente a los costes de eliminacin ms caros que en Norteamrica. En el uso de fluidos de corte, los usuarios finales se enfrentan a un compromiso entre los costes de eliminacin y la productividad.

Dice Ovaert: "Hay una necesidad de desarrollar una mejor tecnologa para mecanizado en seco, especficamente en el rea de la gestin de la formacin y eliminacin de la viruta. Lo ultimo en recubrimientos de herramientas deben estar diseados para a la vez ser econmicos (en trminos de grandes procesos de deposicin por lotes) y fabricados a escala atmica para asegurar que los recubrimientos permanecen durante un perodo de tiempo largo de operacin y realizar tareas multifuncionales.

LIMITACIONES DEL MECANIZADO CASI SECO

El mecanizado casi seco implica la aplicacin de pequeas cantidades de lubricante a la interfaz de la herramienta / pieza de trabajo. La clave para el proceso es la atomizacin del lubricante, con aire como el portador, en un fino aerosol. En contraste con el mecanizado en seco, el lubricante est disponible para facilitar las operaciones de mecanizado tales como la perforacin.

Lee Hitchcock, qumico investigacin para ITW en Glenview, Ill., Indic que el mecanizado casi seco puede llevarse a cabo en muchas operaciones de mecanizado. Aplicaciones tales como aserrado son muy adecuadas para el mecanizado casi seco. Los lubricantes usados son productos a base de aceite vegetal precios entre $ 20 y $ 60 el galn.

Mientras que el precio es ms alto que la mayora de los refrigerantes utilizados en aplicaciones convencionales, la tasa de utilizacin es de dos onzas por turno de ocho horas de acuerdo a Rob Myers, director comercial de ITW. Myers seal que el refrigerante aplicado por el mtodo inundado no se puede utilizar en el mecanizado casi seco. Indic que el desarrollo ms reciente en el mecanizado casi seco es la aplicacin del lubricante directamente a travs de un agujero en la herramienta de corte. Esto es anlogo en el mecanizado hmedo para entregar el fluido de corte a travs del husillo.

Horkos Corp. de Japn ha sido pionero en el desarrollo de mquinas-herramienta para su uso en el mecanizado casi seco (ver ejemplos figura 2 y 3).

Figura 2 | Una cabeza de cilindro est procesando con la tecnologa casi seca HORKOS '(Cortesa de Horkos Corp.)

Figura 3 | visin completa del modelo de HORKOS 'RM70H Centro de mecanizado (Cortesa de Horkos Corp.)

La compaa ha desarrollado un sistema de entrega en la que el aire y el aceite se mezclan lo ms estrechamente posible a la herramienta de corte, como se muestra en la Figura 4.

Figura 4 | Seccin transversal de un eje y el sistema de suministro de lubricacin cantidad mnima de dos canales (Cortesa de Horkos Corp.)

Marcos Ostraff, gerente de ventas de Marubeni America en Canton, Mich., (El representante de Estados Unidos para Horkos) indic que el mecanizado casi seca ha sido ms popular en Japn y Europa que en los Estados Unidos. Horkos encontr que el mecanizado casi seco es ms eficaz en las aleaciones de aluminio de fundicin y aleaciones de acero en operaciones tales como la perforacin pistola y taladrado profundo.Una de las dificultades percibidas en el mecanizado en seco es casi arranque de viruta. Horkos ha eliminado este problema mediante el uso de una combinacin de una cada por gravedad y el mtodo de vaco. Ostraff co-autor de un estudio que utiliza la tecnologa Horkos al aluminio mquina casi seco (4).

el mecanizado casi seco tiene sus limitaciones, especialmente con respecto a mecanizado de alto volumen. Hitchcock indic que si varias operaciones se llevan a cabo en un corto perodo de tiempo no hay suficientes boquillas para ser empleadas para dirigir suficiente fluido de corte a la interfaz de la herramienta / pieza de trabajo de cada operacin. Cutcher dijo que el coste de mecanizado casi seco es ms alto que el mecanizado convencional, ya que el lubricante se utiliza limpio y se utiliza en un solo paso en lugar de recirculado. Un estudio reciente sobre el mecanizado casi seca indic que la niebla generada por esta tcnica fue superior al observado con el mecanizado hmedo. (5)

EL FUTURO DE MECANIZADO EN SECO

Aunque el mecanizado en seco y casi seca, en un futuro prximo, no reemplace al mecanizado hmedo, estas dos tcnicas proporcionarn alternativas rentables en aplicaciones mecnicas.

Una gran OEM ha estado desarrollando tcnicas para la mquina de manera efectiva en seco y est cerca de mover esta tecnologa de R&D en el taller.

La funcin del fluido de corte cuando se utiliza con herramientas recubierto tambin puede cambiar, como se ha descrito por Hunsicker. El pensamiento tradicional dicta que un aceite soluble de servicio pesado formulado con aditivos de extrema presin se utiliza en una aplicacin de inflexin de alta velocidad. Sin embargo, cuando se llev a cabo la operacin, Hunsicker encontr que el aceite soluble quit el recubrimiento de la herramienta de corte. Caterpillar determino que el uso de un fluido de corte sinttico produce un rendimiento superior. El papel principal del fluido de corte en este caso fue para eliminar eficazmente el calor generado. Ovaert tambin ha indicado que aditivos suplementarios y la formulacin podran ser muy tiles en el suministro de tecnologa para mejorar la durabilidad de los recubrimientos de herramientas.