Mecanizado criogénico, el beneficio que surge del frío

A. Rubio(1), O. Pereira(2), F. Veiga(1), A. Rodríguez(2), A. Rivero(1), L.N. López de Lacalle(2)

(1) Tecnalia Research & Innovation

(2) Dpto. de Ingeniería Mecánica. (UPV/EHU)

El desarrollo y puesta a punto de diferentes técnicas de refrigeración criogénica orientadas al sector de la máquina herramienta llevará a las empresas vascas a poder incrementar su competitividad de forma ecoeficiente.

Desde hace varios años el modelo productivo industrial ha tendido a una fabricación más comprometida con el medio ambiente. Así, el mundo de la fabricación por mecanizado ha buscado formas de aumentar la productividad de sus procesos reduciendo el impacto generado por sus residuos. En este marco es donde nace el concepto ECO2 (ecológico y económico). El empleo de técnicas avanzadas de refrigeración criogénica durante las operaciones de mecanizado es una alternativa interesante a la hora de avanzar hacia el denominado “green manufacturing”. El empleo de fluidos criogénicos, como el nitrógeno líquido o el dióxido de carbono líquido, se traduce en una menor temperatura en la zona de corte, un aumento del rendimiento productivo y una mayor limpieza en la zona de trabajo. Sin embargo, el ECO2 consta de varias ventajas competitivas añadidas frente a otros fluidos similares debido a sus extraordinarias propiedades lubricantes-refrigerantes y a su forma eco-eficiente de obtención. Es aquí donde Tecnalia Research & Innovation (Tecnalia) y la Universidad del País Vasco (UPV/ EHU) colaboran en Euskampus para llevar la vanguardia de esta tecnología al tejido industrial vasco.

Motivación

Es bien sabido en la industria del mecanizado que todos los fenómenos de degradación conocidos dependen exponencialmente de la temperatura. Por lo tanto, controlar la temperatura es controlar el desgaste y por tanto la llave para el aumento de la productividad manufacturera. Hasta hace relativamente pocos años, este “control” de la temperatura se realizaba mediante uso de fluidos de corte (taladrinas) y productos altamente contaminantes para el medio ambiente y potencialmente peligrosos para el operario. Además, el uso de estos fluidos refrigerantes cargaba a los productos con un sobrecoste derivado de su limpieza.

Debido a esto, en la industria se lleva años investigando y apostando por tecnologías limpias en el mecanizado. Tanto es así que, estas tecnologías de mecanizado, han visto incrementado su valor y presencia un 10% anual en la industria. Sin embargo, no es hasta la exposición mundial de máquina herramienta (EMO) de 2011 cuando el grupo alemán MAG® lanza una línea completa de máquinas-herramienta con refrigeración criogénica mediante nitrógeno líquido (LN2). Aunque este fue el primer hito importante, la realidad es que la refrigeración criogénica desde un punto de vista industrial ha ido más orientada a la utilización del dióxido de carbono líquido (CO2) como fluido refrigerante. Incluso MAG® el mismo año que presentaba su línea basada en LN2 ya trabajaba en el desarrollo de husillos para adaptar sus máquinas a la utilización de CO2.

La principal razón por la que se pensó primeramente en utilizar LN2 en el  mecanizado criogénico es bastante evidente, ya que alcanza una temperatura  de -196ºC tras su expansión. Además de su capacidad refrigerante, se trata de un gas que es de fácil uso y que se encuentra en abundancia en el aire; por lo que no contamina. Por contrapartida, es de difícil almacenamiento por estar siempre en constante ebullición. Este fenómeno hace que, en los tanques donde se almacena, se genere una sobrepresión que lleva al escape y pérdida del fluido a través de la válvula de escape. Por esta razón, desde un punto industrial, no es atractivo su uso para estas aplicaciones. En cambio el CO2, aunque tiene una capacidad de refrigeración menor (-78ºC), puede ser almacenado a temperatura ambiente en recipientes a 55 bares, puede llegar a disolver aceites y su coste es relativamente más bajo. Además, el CO2 utilizado en la industria se obtiene de un proceso primario al cual se le da un segundo uso. De esta forma se reutiliza en lugar de eliminarlo como residuo, por lo que el principio de inocuidad medioambiental asociado a los sistemas criogénicos se mantiene.

Varias multinacionales ya están apostando claramente por esta tecnología. Es el caso de multinacionales como Starrag® y Walter®, que ya ofrecen un servicio completo de refrigeración criogénica con el fin de no quedarse fuera del mercado. Como resultado de esta unión, en la EMO 2013 presentaron una fresadora con refrigeración criogénica mediante CO2 con la que obtuvieron el premio “MM Award for Innovation” al mecanizar palas de turbina con dicha fresadora.

Sistema de regulación e inyección

En los últimos años desde Tecnalia y la UPV/EHU se está trabajando en el desarrollo de una tecnología de refrigeración criogénica propia con el fin de ser capaces de aplicarla a operaciones habituales de mecanizado como el torneado, taladrado y fresado. Para ello, a partir de estudios previos realizados interna- mente y con el claro objetivo de reducir lo máximo posible la inversión inicial en el momento de ser aplicado en el entorno industrial se ha optado por centrarse principalmente en la refrigeración criogénica con CO2 frente al LN2.

Figura 1

Figura 1. Diagrama de fases CO2

 

En primer lugar, al mecanizar criogénicamente con CO2 hay que tener en cuenta que para la inyección del CO2 en la zona de corte se necesita de un sistema regulador que evite la obstrucción de los conductos del circuito por la formación de hielo seco. Este efecto se debe a que el CO2 se encuentra almacenado en estado líquido a 55 bares de presión y a temperatura ambiente. Así, en caso de ser expandido directamente sin ningún tipo de regulación, sublimaría primera- mente en hielo seco antes de gasificarse. Este efecto se explica analizando su diagrama de fases, mostrado en la Figura 1. Como se puede apreciar, en una expansión incontrolada, el CO2 pasa por la “zona de sólido”, provocando así la formación de hielo seco.

Para evitar dicho efecto, se ha adaptado un sistema de regulación propio de CO2. Este sistema mantiene el circuito a una presión por encima del punto triple (5,11 bares y -56,4ºC) que hace que el CO2 se mantenga en estado líquido en  su interior. Así, en la salida del sistema de inyección, la expansión final lleva al fluido a su temperatura más baja (-78,5ºC). Para conseguir esa expansión  controlada el sistema de regulación primero presuriza los conductos a 1MPa con CO2 en estado gaseoso. A continuación, se da paso al CO2 líquido a 1,4MPa para refrigerar el proceso de mecanizado. Por último, una vez terminado el proceso de arranque de material, se vuelve a barrer todo el conducto con CO2 en estado gaseoso a 1MPa.

Cabe destacar que este sistema es común a cualquier aplicación de mecaniza- do, si bien es cierto que dependiendo del tipo de operación se han desarrollado diferentes técnicas para su correcta inyección.

Figura 2. Torneado criogénico

Figura 2. Torneado criogénico

Para operaciones de torneado, el CO2 puede ser utilizado tanto externamente, de forma análoga a la taladrina; como internamente, utilizando portaherra- mientas con refrigeración interna de alta presión. Este tipo de portaherramientas generalmente constan de dos orificios dirigidos hacia la cara de incidencia  y desprendimiento respectivamente. Gracias a la inyección del CO2 por ambas caras se logran tres efectos beneficiosos para el proceso. El primero es que, al inyectar CO2 por la cara de incidencia, se consigue reducir la temperatura de corte. Además, al inyectarlo también en la cara de desprendimiento la viruta se vuelve más frágil y se puede controlar su dirección de evacuación, lo que pro- voca un menor contacto viruta-herramienta. Por último se consigue convertir la plaquita en un intercambiador de calor, lo que revierte en un menor desgaste de ésta por efectos térmicos.

Figura 3. Taladrado criogénico

Figura 3. Taladrado criogénico

Para las operaciones de taladrado y fresado, de manera análoga al torneado,  el CO2 puede ser aplicado de forma externa, mediante la utilización de una tobera similar a las utilizas con la taladrina, o interna a través del interior de  los conductos de herramientas estándar de refrigeración interna. Para llevar   el fluido criogénico por dentro de la herramienta, en el caso del taladrado, se puede realizar mediante un adaptador coaxial utilizado comercialmente para aplicar MQL o taladrina. Sin embargo, en el caso del fresado, la única opción de llevar el fluido criogénico a través del interior de la herramienta es adaptando la junta rotativa de la fresadora. Esta solución, que también se puede utilizar en el taladrado, se basa en llevar presurizado el fluido criogénico por el interior de la máquina hasta el portaherramientas debidamente hermetizado. De ahí, el CO2 se lleva por el interior de las herramientas hasta su expansión en los orificios de salida situados en la zona de corte.

Aplicaciones

Con el objetivo de validar el uso de la refrigeración criogénica en las distintas aplicaciones de mecanizado, se han realizado diferentes pruebas relacionadas con aplicaciones reales de la industria. Los resultados obtenidos se han compa- rado tanto con el mecanizado sin ningún tipo de refrigeración externa (meca- nizado en seco), como con la utilización de MQL (Minimum Quantity Lubricant). La tecnología MQL se basa en proyectar pequeñas gotas de aceite mediante un flujo de aire.

Torneado

Para analizar el comportamiento del CO2 en el torneado se seleccionó un acero inoxidable ya que, este tipo de materiales, son comúnmente utilizados en    la industria del entorno. Concretamente se cilindraron barras de AISI 304L. La comparación de resultados se realizó frente al mecanizado en seco y al MQL (80ml/h). El análisis se hizo en función de la vida de la herramienta, fijando como máximo un desgaste del filo de 0.2mm. En base a este valor se han comparado los metros mecanizados con cada una de las tecnologías.

En la Figura 4 se muestran los resultados de vida de la herramienta con las diferentes técnicas de lubricación-refrigeración. Se asigna un valor de 100% al mejor de los casos, el que permite un mayor número de metros mecanizados. En este caso, la tecnología con la que se puede mecanizar más metros es el CO2. En comparación, el mecanizado en seco únicamente puede mecanizar una cuarta parte menos. El MQL, al introducir un elemento de lubricación, mejora los resultados en seco, pero sin alcanzar los resultados con el fluido criogénico.

Por lo tanto se demuestra que el CO2, debido a su capacidad refrigerante, es la opción más productiva. Además, el poder mecanizar en condiciones de semi-seco, el obtener la viruta seca, eliminar los gastos derivados del uso de taladrinas y sobre todo reducir el impacto ambiental, hacen de esta tecnología la más viable para una inminente implantación en la industria manufacturera.

Figura 4. Comparación de metros mecanizados en acero inoxidable

Figura 4. Comparación de metros mecanizados en acero inoxidable

Taladrado

Los ensayos de taladrado se han orientado al sector aeronáutico, dadas las particularidades del mismo: tolerancias dimensionales restrictivas, materiales de difícil mecanizado como el titanio, taladrado de materiales disimilares apilados o la imposibilidad del uso de lubricación por taladrina. A continuación se presentan los resultados obtenidos tras el taladrado pasante, con broca de diámetro 7.5mm, de apilados de titanio (Ti-6Al-4V) de 10 mm de espesor y fibra de carbono (FC) de espesor 8mm.

Figura 5. Desgaste producido en la herramienta para el mismo número de agujeros com- parando en seco y con CO2

Figura 5. Desgaste producido en la herramienta para el mismo número de agujeros comparando en seco y con CO2

Este tipo de combinación de materiales, denominado stacks, es cada vez más utilizado en el sector aeronáutico. La principal problemática del mecanizado de stacks viene dada por la necesidad de mecanizar en seco la fibra de carbono. Esto lleva a que las temperaturas de corte que se alcanzan sean considerables y por tanto influyan negativamente en el desgaste de la herramienta y en la calidad del agujero.

En cuanto al deterioro de la herramienta, al alcanzarse temperaturas de corte elevadas, estas llevan a producir adhesiones del titanio en el filo de la herramienta debido a su gran afinidad con el material de ésta a elevadas temperaturas. Como se aprecia en la Figura 5, se consiguió minimizar la adhesión de titanio provocada por el mecanizado en seco. Además, también se aprecia como al reducir la temperatura también se consigue eliminar el daño térmico en la fibra de carbono.

En cuanto al deterioro de la calidad del agujero en el Ti debido a la temperatura, se ha analizado la rebaba obtenida en la salida del agujero. La rebaba se produce debido a la alta temperatura acumulada en el Ti que hace que este fluya hacia el exterior a medida que la herramienta termina el agujero. En la Figura 6 se muestra la comparación para un número fijo de 175 agujeros que se pueden realizar antes que la altura de esa rebaba alcance un límite de 600µm.

Por lo tanto, al igual que en el torneado, la opción que mejora más significativamente el proceso sigue siendo el uso de CO2. Además, dado que en esta aplicación el efecto térmico es más influyente, las diferencias con respecto al mecanizado en seco y con MQL son más significativas.

Figura 6. Comparación de número de agujeros dentro de parámetro de calidad en stacks FC-Ti

Figura 6. Comparación de número de agujeros dentro de parámetro de calidad en stacks FC-Ti

Fresado

Por último, para el caso de fresado se han llevado a cabo ensayos de planeado sobre Inconel 718 precipitado (45HRC). Esta superaleación de base Cr-Ni es ampliamente utilizada en la industria aeronáutica, y entraña una elevada dificultad en su mecanizado. Esta dificultad queda patente en la Figura 7 donde, durante el mecanizado en seco, tanto la pieza como la herramienta se llegan a poner al rojo vivo.

Para comparar los resultados obtenidos en seco, con MQL y con CO2 se ha analizado el desgaste de la herramienta en función de los metros mecanizados. El límite de metros mecanizados se limita por el valor del desgaste máximo de los insertos, fijada en este caso en 0.2mm.

Los resultados en este caso no fueron favorables para el caso de CO2 ya que, a pesar de mejorar los resultados en seco en un 32%, no fueron suficientes para igualar los metros mecanizados con MQL.

Estos resultados muestran que el simple uso de CO2 no es suficiente para abordar todas las aplicaciones industriales requeridas hoy en día por el mundo de la máquina herramienta. Es por esto que hace falta desarrollar nuevas tecnologías eco-eficientes que aborden aquellos retos industriales que los fluidos criogénicos por si solos no pueden solucionar.

 Figura 7. Ensayos de fresado en seco (izda.) y con CO2 (dcha.)


Figura 7. Ensayos de fresado en seco (izda.) y con CO2 (dcha.)

Lineas de desarrollo

Con el objetivo de obtener una tecnología que aborde aquellas aplicaciones en las que los fluidos criogénicos no son competitivos, Tecnalia y UPV/EHU colabo- ran en el desarrollo de un sistema de regulación portátil y de mayor poder lu- bricante-refrigerante. Con este desarrollo se busca la capacidad de combinar en un solo sistema la tecnología criogénica junto con la lubricación mediante MQL. Así, utilizando el flujo criogénico para proyectar las gotas de aceite se consigue combinar el poder refrigerante del CO2 y la capacidad lubricante del aceite, lo- grando así la tecnología conocida como “CryoMQL”.

Figura 8. Dispositivo “CryoMQL”

Figura 8. Dispositivo “CryoMQL”

Además, este desarrollo se está enfocando a la sencillez en la instalación en cualquier máquina-herramienta, esto es, la posibilidad de disponer un dispositivo totalmente “Plug & Play”. En la Figura 8 se puede ver el dispositivo de “CryoMQL” que se está desarrollando.

Comparando los resultados con los obtenidos anteriormente en los ensayos  de fresado se aprecia como el “CryoMQL” es el que mejor resultados obtiene, demostrando como las tecnologías de MQL y de CO2 son complementarias. Así, en la Figura 9, se muestra el porcentaje de metros mecanizados para cada uno de los casos de estudio.

Figura 9. Vida de herramienta durante el fresado de Inconel 718

Figura 9. Vida de herramienta durante el fresado de Inconel 718

Conclusiones

Los resultados mostrados en esta comunicación muestran que el uso de refrigeración criogénica se posiciona como una alternativa a los sistemas de lubricación-refrigeración actuales, especialmente en sectores como el aeronáutico, de matricería y moldes.

En el torneado de materiales donde el desgaste por influencia mecánica tiene prevalencia sobre el desgaste por influencia térmica, el uso de CO2 ha sido la alternativa más prometedora al mecanizado tradicional con taladrina.

Por otro lado, al taladrar materiales como el titanio, donde existen problemas de adhesión, el aplicar la refrigeración criogénica con CO2 logra estabilizar el proceso de forma significativa a la vez que se alarga la vida de herramienta. En cuanto al taladrado de compuestos de carbono se aprecia como gracias a la refrigeración criogénica se elimina el daño térmico que pueda sufrir la pieza por las temperaturas de corte alcanzadas.

Sin embargo, aunque existen aplicaciones de fresado en las que el uso de CO2 es una alternativa viable, existen ciertos casos en los que es necesario una tecnología con unas propiedades lubricantes superiores. Con objeto de dar una alternativa innovadora y necesaria a este tipo de aplicaciones, la colaboración Tecnalia/UPV ha dado pie al desarrollado de un sistema de regulación e inyec- ción de refrigerante CO2 más lubricante MQL (“CryoMQL”). Las principales ventajas de este sistema son:

  • Se consigue una combinación del poder lubricante de los sistemas MQL y refrigerante de los sistemas criogénicos, lo que le hace una alternativa real frente a los sistemas de lubricación/refrigeración
  •  Se trata de un sistema ecológica y económicamente factible, entrando en lo que se conoce como “rendimiento ECO2”.

Agradecimientos

Se agradece el soporte recibido del programa ETORTEK (Gobierno Vasco) por el Proyecto INPRORET.

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