Torneado de aleaciones con lubricación a alta presión para la industria aeronáutica

Maquinado de piezas de alto valor agregado en Latinoamérica

La industria aeronáutica en Latinoamérica es un renglón de la economía que experimenta en la actualidad un crecimiento por encima del promedio de otras actividades. El caso de México es especialmente atractivo. Según informes de la agencia aeronáutica de este país, el crecimiento de esta industria ha sido tal, que a finales de 2011 se lograron exportar 4.000 millones de dólares (mdd) y para el 2013 ya alcanzaron los 5.400 mdd. Las 270 empresas fabricantes de componentes aeronáuticos como Bombardier, Honeywell, Grupo Safran, Eaton Aerospace, Goodrich, ITR, entre otras, se han establecido en México aprovechando ventajas comparativas que van desde su localización geográfica, su experiencia y trayectoria industrial adquiridas en la industria automotriz y sus tratados de libre comercio, que facilitan la cooperación económica preferencial con cerca de 43 mercados. Estudios realizados por los dos más grandes fabricantes de aviones en el mundo, Boeing y Airbus, identifican que para el año 2030 se habrá duplicado el número de aeronaves de diferentes tamaños con respecto al número existente para el año 2011. Los informes estiman una cifra que oscila entre 30.000 y 37.000 aviones nuevos por un valor de 3.5 mil millones de dólares. Este gran potencial de mercado debe ser enfocado, según la Dirección General de Industrias Pesadas y de Alta Tecnología, de la Secretaría de Economía de México (SE-DGIPAT), en la proveeduría de sub-sistemas y partes, el mercado de reparación y mantenimiento, el desarrollo de proveedores locales y el diseño e innovación de partes y procesos. Todos estos puntos requieren de un fortalecimiento en la capacidad de fabricación y reparación eficiente de piezas de alto valor agregado, sobre todo si se quiere pasar de ser simplemente proveedores, a lograr desarrollar una marca propia y volverse líderes mundiales en el negocio.

Para maquinarlos hay que entenderlos

Entre las competencias a desarrollar para la fabricación de piezas aeronáuticas de primer nivel se encuentra la de la manufactura de materiales de alta resistencia mecánica a altas temperaturas, como las aleaciones de titanio y níquel. Sin embargo, estas aleaciones presentan en su gran mayoría una muy baja maquinabilidad en comparación con otros materiales como los aceros. Para encontrar estrategias que mejoren la productividad al momento de fabricar piezas con estos materiales, es necesario entender de manera exacta cómo actúan las cargas termo-mecánicas en la herramienta sobre los filos de corte durante el maquinado.

En el caso de aleaciones de níquel, como el popular Inconel 718, de alta tenacidad y buena resistencia mecánica a altas temperaturas, su propiedad de baja conductividad térmica hace que el calor generado durante el corte no se disipe fácilmente hacia la pieza o que salga de la zona de trabajo por medio de la viruta. Esto causa temperaturas muy elevadas en el inserto de corte, que sumadas a la tendencia del material de formar abultamientos y de endurecerse por trabajo en frío así como al efecto abrasivo de sus carburos y fases intermetálicas, resulta en cargas térmicas y mecánicas extremadamente altas para los filos de corte [1]. Más aún, las aleaciones a base de níquel se caracterizan por tener una afinidad química muy alta a los materiales de corte (con carburos de matriz de cobalto, por ejemplo), lo cual resulta en un desgaste elevado por difusión y adhesión.

Las aleaciones de titanio, a su vez, se caracterizan por su alta resistencia específica, la cual se puede mantener a temperaturas de alrededor de 600°C. En comparación con un material como el Inconel 718, una aleación de titanio como la Ti6Al4V posee una densidad cercana a la mitad, con una resistencia mecánica marginalmente menor. Las aleaciones de titanio se usan principalmente en áreas donde las temperaturas son bajas o medias en las turbinas aeronáuticas. Gracias al incremento en el uso de estos materiales, el incremento en la productividad durante su maquinado se hace muy importante.

La maquinabilidad de las aleaciones de titanio es baja debido a su baja conductividad térmica, la cual llega a ser tan solo entre el 10 y el 20% de la de un acero del tipo AISI 4140. Debido a esto, solo una porción pequeña del calor se transporta con las virutas removidas. Por ende, la cantidad de calor que se transfiere a las herramientas de corte es entre un 20 y un 30% más alto que con un acero como el 4140[1], causando así una mayor carga térmica sobre las mismas. Además de esto, el titanio es un material que reacciona con la mayoría de los materiales de corte, causando en conjunto un gran desgaste de tipo difusivo en los insertos de corte. 

Resultados visibles: menor desgaste, mayor velocidad de corte

Un desarrollo tecnológico que resulta en un incremento sensible de la productividad y estabilidad de proceso al cortar aleaciones de uso en la industria aeronáutica es el suministro de fluido de corte a alta presión. Debido a que la lubricación y la refrigeración se mejoran en la zona de corte, reduciendo así la carga térmica, el desgaste de la herramienta se puede reducir, lo cual hace que se puedan aplicar velocidades de corte mayores. Más aún, la estabilidad del proceso se puede incrementar como resultado de lograr la ruptura y evacuación de la viruta de manera más eficiente. Pruebas realizadas por el Laboratorio para Máquinas Herramienta e Ingeniería de Producción (WZL) de la Universidad de Aachen, en Alemania, mostraron una reducción máxima de la temperatura de la herramienta de corte al pasar de 750 °C a 580°C mediante el uso de fluido de corte a alta presión (300 bar), durante el torneado de Ti6Al4V a una velocidad de corte de 150 m/min [1].

Estos estudios aplicados a la industria de la manufactura muestran de manera contundente cómo el uso de fluidos de corte dirigidos directamente a la interfaz entre la herramienta y la viruta puede reducir la temperatura local en el filo de corte hasta en un 25%. Esto ha logrado, en el mejor de los casos, obtener reducciones en el desgaste de la herramienta de hasta un 50%.

Una de las teorías por las cuales la lubricación es mejor a alta presión es el hecho de que a temperaturas por encima del punto de ebullición del agua a presión atmosférica, las emulsiones usadas como fluido de corte a base de agua se evaporan inmediatamente al tocar la superficie de las herramientas, llegando incluso al punto de no ofrecer ningún tipo de ayuda que normalmente se da mediante la generación de una película lubricante entre el filo de corte y el material a desbastar. Al suministrar el fluido de corte a presiones por encima de las 100 atmósferas (100 bar), reporta la empresa ChipBlaster de Estados Unidos, se logra que la emulsión entre en contacto directo con las superficies sin evaporarse, removiendo calor de manera efectiva y generando la capa lubricante necesaria para reducir el desgaste acelerado de la herramienta. Además de esto, el impacto a alta velocidad de los chorros en el punto adecuado, remueve la viruta del punto de corte mucho más rápido, haciendo que esta sea más corta y haciendo que el proceso sea más estable y por tanto más automatizable.

Según el Ingeniero Andreas Elenz, Director de desarrollo de negocios de Walter AG, en su intervención en el Congreso para la Técnica de Producción (WPK, por su abreviatura en alemán) en Viena, Austria, desarrollado en el mes de mayo de 2014, la lubricación a alta presión, sobretodo en el caso del torneado, no solo presenta ventajas gracias a la penetración del fluido hasta el filo de corte en términos de lubricación y enfriamiento, sino que genera una disminución en la longitud de contacto de la viruta sobre la herramienta y además provoca una deformación mayor de la viruta misma, enrollándola más rápido y generando su fractura más pronto. Todo esto creando una mejora en la productividad del proceso.

Eficiencia energética con fluidos de corte a alta presión

Durante el Congreso para la Técnica de Producción en Viena, Elenz también disertó sobre el futuro de la fábrica inteligente (Industry 4.0) en el área de los procesos de corte de material y concluyó que esta debe enfocarse en lograr una alta confiabilidad en la manufactura como requisito para lograr una automatización adecuada. En el centro de esta necesidad se encuentran tanto la capacidad de las herramientas como su durabilidad, teniendo como base la eficiencia energética, la eficiencia en el uso de recursos, la protección al medio ambiente y la sostenibilidad.

En los últimos años la tendencia a monitorear el consumo de potencia en la industria manufacturera ha aumentado considerablemente. En el caso de la maquinaria de corte de viruta, se ha reportado que más de un 30% de la energía eléctrica consumida por estos aparatos para el maquinado de una pieza se debe al suministro de fluido de corte. El consumo del cabezal equivale en contraste tan solo a un 15% del consumo energético total. El resto del consumo energético para la fabricación de una pieza dada, se debe entre otros, al movimiento de los diferentes motores para el posicionamiento de los ejes, no solo durante el proceso de corte, sino durante la preparación del trabajo y los tiempos muertos. Un reporte de Klocke et. al. [2], muestra que el consumo energético específico, definido como la cantidad de energía utilizada para remover cierto volumen de material (J/cm3), es menor cuando se usa un sistema de alta presión que cuando se usa un sistema convencional de chorros a baja presión. Incluso si un sistema externo de alta presión necesita más potencia que el sistema de bombeo propio de la máquina de torneado, la aplicación de chorros a alta presión permite cortar un volumen mucho mayor de material por unidad de tiempo, necesitando así menos energía por unidad de volumen removido, que es la manera correcta de contabilizar el consumo energético.

Los mejores resultados en cuanto a la disminución de desgaste en las herramientas de corte se obtiene precisamente en el caso de desbaste de material a mayores velocidades de corte, en los cuales el efecto de disminución de temperatura se hace más importante evitando así procesos de difusión exagerados y abultamiento de material en el filo de corte.

El mercado ofrece soluciones para cada necesidad de torneado

La empresa Seco Tools GmbH ofrece un nuevo sistema llamado Jetstream Tooling Duo, específicamente diseñado para aplicaciones de torneado de aleaciones de titanio, super aleaciones y entre otros materiales de baja maquinabilidad. El sistema dirige el chorro superior de fluido de corte directamente al punto óptimo en la superficie de ataque, mientras un chorro adicional impacta la superficie de incidencia. De esta manera, la herramienta se lubrica y se refrigera con chorros a alta presión por dos lados simultáneos, con lo cual consigue un control del flujo de viruta más uniforme y mejora la longevidad de la herramienta, además de alcanzar un mejor acabado superficial en las piezas, según reporta la compañía alemana. El hecho de mejorar la remoción del calor producido en la zona de corte, garantiza también que haya una menor afectación térmica del material cortado, reduciendo así los esfuerzos residuales que pueden quedar en la superficie. Estos esfuerzos pueden ser responsables de la disminución de la vida útil de piezas cargadas de manera cíclica y su control es un criterio fundamental en el diseño de productos aeronáuticos. La empresa ofrece boquillas especiales para una mayor cantidad flujo en el caso de procesos de desbaste rápido de material. De igual manera, pueden conseguirse portaherramientas tanto para pastillas de corte de forma positiva como negativa.

Otra empresa que produce sistemas de lubricación y refrigeración de alta presión para torneado es Sandvik Coromant, que los comercializa bajo el nombre de T-Max P. Además de las boquillas de alta precisión para enviar los chorros de fluido de corte al punto exacto al borde del inserto, el portaherramientas está diseñado con un sistema de palanca que presiona la herramienta de corte hacia atrás en su lugar y la asegura contra dos de sus caras, logrando un agarre estable bajo diferentes parámetros de corte y materiales a remover.

Perspectivas

El uso de nuevas tecnologías de fluidos de corte, así como los sistemas de alta presión, hacen parte de las estrategias desarrolladas por la industria metalmecánica no solo para aumentar la productividad en términos de costos por pieza producida, sino en aspectos de eficiencia energética y sostenibilidad. El hecho de bajar las temperaturas en las herramientas de corte con el uso de las estrategias de lubricación a alta presión genera la necesidad de dirigir los esfuerzos de los productores de herramientas hacia el desarrollo de materiales de corte para aplicaciones en rangos de temperatura más bajos. De igual manera, es tarea de los investigadores en el área del maquinado, profundizar en encontrar los límites de eficiencia del uso de altas presiones para aumentar la productividad del proceso de corte, con el fin de reducir en lo posible la necesidad de trabajar con rangos de presión tan altos, y así reducir el consumo energético del proceso aún más.

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