ES2352943B1 - Método de refrigeración-lubricación para el rectificado. - Google Patents
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Abstract
Método de
refrigeración-lubricación para el
rectificado,
que consiste en proyectar el fluido de corte (2) y un fluido complementario a muy baja temperatura (4), contra la muela (1) de rectificado, de manera que ambos fluidos (2 y 4) penetran en la muela (1), actuando el fluido complementario (4) sobre el fluido de corte (2), modificando las propiedades de éste, el cual al llegar a la zona de contacto entre la muela (1) y la pieza (6) que se rectifica, recupera nuevamente las propiedades originales por el aumento de temperatura que sufre en dicha zona.
que consiste en proyectar el fluido de corte (2) y un fluido complementario a muy baja temperatura (4), contra la muela (1) de rectificado, de manera que ambos fluidos (2 y 4) penetran en la muela (1), actuando el fluido complementario (4) sobre el fluido de corte (2), modificando las propiedades de éste, el cual al llegar a la zona de contacto entre la muela (1) y la pieza (6) que se rectifica, recupera nuevamente las propiedades originales por el aumento de temperatura que sufre en dicha zona.
Description
Método de
refrigeración-lubricación para el rectificado.
La presente invención está relacionada con la
aportación de un líquido refrigerante en los procesos de mecanizado,
proponiendo un método, mediante la proyección combinada de un fluido
de corte y un fluido complementario a muy baja temperatura, que
permite mejorar ventajosamente las condiciones de
refrigeración-lubricación en los procesos de
rectificado.
La refrigeración en procesos de mecanizado
cumple varias funciones entre las que se encuentra la de rebajar la
generación de calor y la de reducir la fricción, absorbiendo y
eliminando el calor del área de corte.
El líquido refrigerante comúnmente utilizado en
el rectificado tiene dos funciones: La de lubricar la zona de
contacto entre la muela y la pieza, impidiendo que se genere calor
en el proceso y que la temperatura aumente, y la de refrigerar,
evacuando el calor, cuya generación no ha podido evitarse al
lubricar.
Los líquidos refrigerantes anteriormente citados
ejercen también una función de transporte de las virutas generadas
durante el proceso de trabajo. A estos líquidos se les identifica
mediante la denominación general de fluidos de corte. Los fluidos de
corte mas comunes son los aceites puros y las mezclas
agua-aceite también llamadas taladrinas. Las
taladrinas son actualmente el método mas comúnmente utilizado aunque
esa tendencia puede cambiar con la extensión del uso de aceites
orgánicos.
La taladrina mejora las condiciones de la zona
de contacto, prolongando la vida de las herramientas y reduciendo la
energía de fricción. Además refrigera para evitar un
sobrecalentamiento de las piezas a mecanizar y de las herramientas,
evacuando las limaduras y virutas.
El fluido de corte debe estar suficientemente
limpio a fin de que pueda llevarse a cabo el proceso y de que la
máquina no se deteriore. Para ello se utilizan equipos de filtración
especiales para conseguir que la taladrina esté en condiciones. Los
equipos de filtración actúan en continuo durante el proceso de
trabajo y pueden ser de muchos tipos: por decantación, filtro de
papel, filtro de tambor, cartuchos, tierras diatomeas, magnéticos,
etc. Estos equipos son de elevado coste y suponen un porcentaje muy
alto de ocupación de la superficie en planta de la máquina. Desde un
15% hasta un 120% según las aplicaciones y en función del caudal que
debe ser filtrado.
Ahora bien, pese a estos filtrados, con el paso
del tiempo, se van perdiendo las propiedades de los fluidos de
corte. En el caso concreto de las taladrinas, además de ir perdiendo
sus propiedades, aparecen una serie de contaminantes, que reducen
aún más sus propiedades. Entre estos contaminantes destacan los
aceites externos procedentes de fugas de los circuitos hidráulicos y
de engrase, lubricantes, partículas sólidas metálicas,
microorganismos, restos de trapos de limpieza, polvo ambiental,
etc.
Esta pérdida de propiedades obliga, en un
momento dado, a que la taladrina en uso sea considerada como agotada
y debe entonces desecharse.
Ahora bien la composición de las taladrinas es a
base de productos tales como los lubricantes, antiespumantes,
inhibidores de corrosión, colorantes, estabilizantes, refrigerantes,
humectantes, aditivos, emulgentes, etc. Todos estos productos, en
combinación con los precitados agentes externos contaminantes,
convierten a estas taladrinas, una vez que se encuentran agotadas,
en residuos altamente contaminantes, tanto para el medio ambiente
como para los propios operarios que las manejan.
Las taladrinas agotadas están consideradas como
residuo peligroso por la normativa europea y española y deben ser
eliminadas a través de gestores de residuos autorizados para que
procedan a su transporte hasta puntos de descontaminación o
eliminación.
Por ello se han estudiado soluciones de
mecanizado en seco o sistemas de reducción del consumo de estos
fluidos de corte, conocidos como MQL (Minimun Quantity
Lubricant).
El éxito del mecanizado en seco o con menor
cantidad de fluido de corte depende de encontrar alternativas a las
funciones que cumplen estos fluidos de corte.
En lo que se refiere a procesos de mecanizado
con herramientas de filo definido, en trabajos tales como el
torneado y el fresado, el mecanizado en seco y el MQL es abordable,
debido a que se trata de un proceso de corte, la longitud de
contacto entre la pieza y la herramienta es muy pequeña, son
operaciones abiertas y accesibles y la evacuación de la viruta no
presenta grandes dificultades. Incluso hay casos en que con el
fresado en seco a alta velocidad de ciertos materiales se logran
mejores acabados superficiales que con el fresado con fluidos de
corte en las mismas condiciones.
En cambio el taladrado, el escariado y el
roscado con macho manifiestan mayores inconvenientes para poder ser
realizados en seco, puesto que no son operaciones tan accesibles
como las anteriores y aparecen problemas de correcta evacuación de
la viruta y de calentamiento. Los ensayos realizados hasta ahora han
sido a nivel de laboratorio, para conocer mejor los mecanismos que
actúan en este tipo de mecanizado. Debido a estos problemas, no se
conoce ninguna aplicación industrial actual que realice taladrados,
escariados o roscados con macho en seco. No obstante se han
desarrollado con éxito proyectos de I+D para la aplicación del MQL
en estos procesos.
En el rectificado hay muy pocas soluciones de
aplicación industrial para realizar un rectificado en seco, ni tan
siquiera de aplicaciones de MQL y por ello habitualmente el proceso
más contaminante en los talleres de fabricación es el
rectificado.
Las aplicaciones existentes son para arranques
de material muy pequeños, con longitudes de contacto muy reducidas,
similares a las que aparecen en procesos de corte.
Lo común en el rectificado es que la longitud de
contacto entre la muela y la pieza sea de un orden de magnitud mayor
que en los procesos de corte.
Además y a diferencia de los procesos de corte,
en donde el fluido de corte entra desde el exterior, sin penetrar
hacia el interior de la herramienta, en el rectificado el fluido de
corte debe penetrar hacia el interior de la muela, a través de los
poros, para poder acceder a toda la longitud de contacto.
Los sistemas de MQL tradicionales, utilizados en
procesos de corte, no son útiles para los procesos abrasivos en
general y en concreto para el rectificado, ya que no están diseñados
para que el fluido de corte, lanzado desde el exterior, penetre
hacia el interior de la muela, a través de los poros de esta última,
sino para llegar hasta un filo de corte por el exterior.
Pese a la contaminación que implica el
rectificado, este sigue siendo un proceso de mecanización
fundamental por las precisiones, acabados superficiales y por los
estados de tensiones que se obtienen y que son muy difícilmente
alcanzables por otros procesos de mecanizado como el fresado o el
torneado. En efecto, el rectificado es especialmente adecuado para
el mecanizado de materiales duros, como aceros de herramientas o
materiales cerámicos.
En la búsqueda por realizar mejoras desde el
punto de vista ecológico, existe una línea de trabajo que busca
sustituir el rectificado por otros procesos equivalentes, sin
embargo por lo dicho anteriormente esto solo es posible en contadas
ocasiones. Existen por tanto dos líneas de I+D: una de ellas
consiste en sustituir el rectificado por otros procesos de corte
menos contaminantes; la otra consiste en hacer un rectificado más
ecológico.
Esta búsqueda de ecología se centra
especialmente en la reducción del consumo de los fluidos de corte.
Un ejemplo de consumo real es un caudal de 750 l/min, para
rectificar un alabe con una muela de 200 mm de ancho.
Por ello, es una prioridad de los fabricantes de
rectificadoras reducir o eliminar la
refrigeración-lubricación, siempre y cuando las
prestaciones y el coste de las piezas rectificadas no cambie, o
cambie poco. Las razones son ecológicas, como es evidente, pero
también económicas: menor ocupación en planta de las máquinas, si se
suprimen los voluminosos equipos de filtración, menor coste de la
refrigeración-lubricación, y menor consumo
energético debido al ahorro de energía al no ser necesarias las
bombas de presión, para mover el fluido.
Para conseguir un rectificado más ecológico se
conocen soluciones tales como:
.- La fabricación de muelas con inserciones
radiales. Esta solución, propone un método de rectificado
interrumpido, en donde se colocan pastillas de lubricante sólido
sobre unas ranuras radiales previamente realizadas en la muela. Los
materiales lubricantes utilizados son grafito y/o CaF_{2}. Esta
solución, además de la complejidad de la fabricación de las muelas,
aporta lubricación pero no refrigeración y no se obtienen buenos
superficiales acabados de la pieza a mecanizar, por rayaduras de las
inserciones de grafito.
.- Por la PCT WO 2004/087376 se conoce una
solución que utiliza solo Nitrógeno líquido como refrigerante y
lubricante. Esta solución implica riesgos importantes para los
operarios y manipuladores, por el manejo de un gas licuado a baja
temperatura, ya que el Nitrógeno líquido se encuentra a temperaturas
de -196ºC.
También se han hecho ensayos con muelas, a las
que se les han embebido dentro del cuerpo general de la muela
lubricantes sólidos que licúan al alcanzar las altas temperaturas de
la zona de contacto entre la muela y la pieza a rectificar. Esta
solución tampoco es satisfactoria porque no se obtiene una
refrigeración y, además las muelas son de una compleja y costosa
realización y los acabados obtenidos no son satisfactorios.
De igual modo se han hecho ensayos para aplicar
el MQL al rectificado. Entre estos ensayos destacan especialmente
las investigaciones del Dr. Zhang de la universidad de Sidney. Los
ensayos realizados por el Dr. Zhang consisten en utilizar dos
toberas para refrigerar el proceso, en una tobera se lanza un spray
de aceite, es lo que se denomina un sistema de MQL por aerosol y un
tubo vortex industrial. La refrigeración es muy escasa debido a la
limitada capacidad de refrigeración del aire que sale por el vortex
y por tanto los resultados obtenidos no son lo suficientemente
satisfactorios como para obtener una aplicación industrial.
Otro trabajo importante desarrollado en este
campo ha sido llevado a cabo por la Universidad de Río de Janeiro.
En este caso, también han utilizado un sistema que combina un
aerosol de aceite con aire a presión, pero a diferencia del trabajo
de Zhang, el aire está a temperatura ambiente y en la tobera se
mezcla el aire con el aceite.
La presente invención propone un nuevo método de
refrigeración-lubricación para el rectificado, según
el cual, se sigue proyectando contra la muela el correspondiente
fluido de corte para que penetre en los intersticios y poros
definidos entre los granos abrasivos y el correspondiente
aglomerante que constituyen a la muela. Pero ahora y según la
invención, además de la proyección del fluido de corte, se proyecta
un fluido complementario, gaseoso o líquido a muy baja temperatura,
el cual cumple las siguientes funciones básicas:
.- Produce un cambio de propiedades del fluido
de corte, haciéndolo pasar de estado líquido al de sólido o
aumentando su viscosidad y por tanto su capacidad para adherirse a
los granos en el interior de la muela. Este cambio se produce cuando
el fluido de corte ha penetrado ya dentro de la muela, alojándose en
los precitados poros e intersticios definidos entre los granos y el
correspondiente aglomerante.
.- Se constituye en el vehículo que permite
transportar al fluido de corte, una vez que ha penetrado en los
intersticios y poros definidos entre los granos de la muela y el
aglomerante y que se ha solidificado o adherido a los granos,
realizando una oposición a la fuerza centrífuga que tiende a llevar
al fluido de corte hacia la periferia de la muela.
En las soluciones tradicionales, aunque el
fluido de corte, por la presión con la que era proyectado, penetraba
dentro de la muela, el giro de esta última a altas revoluciones
tendía, por la fuerza centrifuga, a sacarlo hacia la periferia antes
de alcanzar la zona de contacto con la pieza a rectificar. Esto era
muy negativo, ya que lo idóneo es que todo el fluido de corte
proyectado pueda alcanzar dicha zona de contacto que es donde debe
cumplir sus funciones. Esto obligaba a que el fluido de corte
debiera ser enviado muy cerca de la zona de contacto entre la muela
y la pieza siendo esta distancia entre muela, pieza y tobera un
parámetro crítico del diseño del proceso.
Ahora, con la solución preconizada, al cambiar
las propiedades del fluido de corte, aunque siga existiendo la misma
fuerza centrifuga, un gran porcentaje de dicho fluido solidificado
permanece dentro de los poros e intersticios y no sale hacia la
periferia de la muela.
De esta forma el fluido de corte llega hasta
toda la longitud de contacto y al alcanzar esta zona, por el aumento
de temperatura que se produce, vuelve a cambiar de estado,
(absorbiendo calor y por tanto refrigerando) licuándose con lo que
la fuerza centrifuga tiende a llevarlo hacia la periferia de la
muela (ejerciendo la función de lubricación), pero justo en la zona
de contacto, que es en donde debe cumplir su función.
Con ello se garantiza que prácticamente todo el
fluido de corte proyectado llegue a la zona de contacto, lo que
permite economizar en la cantidad de fluido de corte proyectado al
no existir prácticamente pérdidas.
.- Además, el fluido complementario a muy baja
temperatura cumple funciones de refrigerante ya que se encuentra a
muy baja temperatura e incluso solidificado.
De esta forma y mediante la aplicación del
método preconizado se logran obtener, entre otras, las siguientes
ventajas:
.- Un ahorro en el consumo de fluido de
corte.
.- Un ahorro en el consumo energético, ya que no
es necesario utilizar agua a presión y se evita el empleo de la
correspondiente bomba impulsora.
.- Ocupación de menos espacio, al evitarse los
voluminosos equipos de filtración.
.- Unas mejores condiciones en la refrigeración-
lubricación.
Todas estas mejoras diferencian al método objeto
de la presente invención de las soluciones hasta ahora conocidas y
le confieren vida propia de por sí.
La figura 1 muestra a una parte seccionada de
una muela (1) que está siendo refrigerada-lubricada,
según el método objeto de la presente invención, apreciándose como
el fluido de corte (2) penetra dentro de la muela (1), en los
intersticios (1.3) de esta última y cambia sus propiedades, por el
efecto de un fluido complementario a muy baja temperatura (4), para
ser transportado hasta la zona de contacto; de manera que al llegar
a esta zona de contacto, el aumento de temperatura le hace recuperar
su estado inicial, actuando así en dicha zona de contacto como
refrigerante y lubricante.
La figura 2 muestra, según un posible ejemplo no
limitativo de realización práctica, una instalación que opera de
acuerdo con el método objeto de la presente invención.
El objeto de la presente invención es un método
de refrigeración-lubricación, para el rectificado.
En la figura 1 se ha representado esquemáticamente una parte
seccionada de una muela (1) que, de una forma tradicional, se
constituye por los correspondientes granos abrasivos (1.1) y un
aglomerante (1.2). Entre los granos abrasivos (1.1) y el aglomerante
(1.2) se definen unos poros e intersticios identificados con la
referencia numérica (1.3) y que identificaremos a partir de ahora
como intersticios (1.3).
En el punto adecuado y con la inclinación
correspondiente se dispone, al menos, una tobera (3) que lanza
contra la muela (1) un fluido de corte (2) en estado líquido. El
fluido de corte (2) penetra por los intersticios (1.3) de la muela
(1).
Junto a la tobera (3) se dispone, al menos, una
segunda tobera (5) que proyecta un fluido complementario a muy baja
temperatura (4), gaseoso o líquido, que identificaremos a partir de
ahora como fluido complementario (4).
Al entrar en contacto el fluido complementario
(4) con el fluido de corte (2) origina un cambio en las propiedades
de este último haciéndolo pasar del estado líquido al sólido o
aumentando su viscosidad de manera suficiente como para que el
fluido de corte (2), representado ahora en la figura 1 por los
gránulos (2'), se adhiera a los granos abrasivos (1.1) y al
aglomerante (1.2). Este cambio se produce cuando el fluido de corte
(2) ha penetrado ya dentro de la muela (1), alojándose en los
intersticios (1.3).
Esta adhesión se opone a la fuerza centrífuga
que, por el giro a alta velocidad de la muela (1), tiende a sacar al
fluido de corte (2) hacia el exterior de la muela (1).
De esta forma, el fluido complementario (4) se
constituye en el vehículo que permite transportar el fluido de corte
(2) alojado en los intersticios (1.3) desde la zona de penetración
en la muela (1) hasta alcanzar la zona de contacto.
Al llegar a la zona de contacto entre la muela
(1) y la pieza a rectificar (6), el aumento de la temperatura que se
produce conlleva un nuevo cambio en las propiedades del fluido de
corte (2) que recupera su estado líquido inicial; de manera que
ahora, se pierde la adherencia entre el fluido de corte (2) y los
granos abrasivos (1.1) y el aglomerante (1.2), no existiendo
oposición a la fuerza centrífuga que tiende a llevar al fluido de
corte (2) hacia la periferia de la muela (1), lo que permite que
alcance toda la zona de contacto entre la muela (1) y la pieza a
rectificar (6).
El fluido complementario (4) puede ser un gas o
un líquido. Se han llevado a la práctica ensayos utilizando un gas,
en concreto el dióxido de carbono, también denominado bióxido de
carbono y anhídrido carbónico (CO_{2}), con unos resultados
positivos, pero esto no puede entenderse en sentido limitativo, ya
que se puede utilizar como fluido complementario (4) prácticamente
cualquier gas o líquido capaz de alcanzar las temperaturas de
criogenización necesarias para cambiar las propiedades del fluido de
corte (2).
En la figura 2 se representa esquemáticamente un
posible ejemplo de realización práctica, según el cual, la tobera
(3) queda conectada a un depósito (7) que contiene el fluido de
corte (2) y la tobera (5) va conectada a una bombona (8) contenedora
de un gas complementario (4).
No alterará en nada la esencia de la invención
el hecho de que exista más de una tobera (3) y/o más de una tobera
(5); así como tampoco que entre ellas se deje la distancia más
adecuada, incluso que las toberas (3 y 5) formen parte de una misma
unidad.
Por otro lado y durante el proceso de
rectificado el diámetro de la muela (1) disminuye debido al desgaste
habiéndose previsto la incorporación de soluciones convencionales,
como por ejemplo la activación de ejes CNC para conseguir que la
posición relativa entre la muela (1) y las toberas (3 y 5) se
mantenga invariable.
Claims (4)
1. Método de
refrigeración-lubricación para el rectificado, de
los que llevan a cabo la refrigeración-lubricación
mediante el empleo de un fluido de corte (2) que es proyectado
contra la muela (1), penetrando dentro de esta última,
caracterizado porque, además del fluido de corte (2), se
proyecta también contra la muela (1) un fluido complementario a muy
baja temperatura (4) que también penetra dentro de la muela (1)
actuando sobre el fluido de corte (2), una vez que éste último ha
penetrado dentro de la muela (1) y se ha alojado en los intersticios
internos (1.3) de esta última, modificando así el fluido
complementario (4) las propiedades de dicho fluido de corte (2);
porque el fluido de corte (2) mantiene sus propiedades modificadas
hasta alcanzar la zona de contacto entre la muela (1) y la pieza (6)
a rectificar; y porque al llegar a la zona de contacto entre la
muela (1) y la pieza (6) a rectificar, el aumento de temperatura que
se origina produce una nueva modificación en las propiedades del
fluido de corte (2), que recupera así las propiedades que tenía al
penetrar inicialmente dentro de la muela (1).
2. Método de
refrigeración-lubricación para el rectificado, en
todo de acuerdo con la anterior reivindicación, caracterizado
porque el fluido de corte (2), cuando penetra en la muela (1) y se
aloja en los intersticios internos (1.3) de esta última, se
encuentra en estado líquido y al entrar en contacto con el fluido
complementario a baja temperatura (4) cambia sus propiedades,
pasando a un estado sólido o con una viscosidad suficiente como para
adherirse a los granos (1.1) y al aglomerante (1.2) de la muela (1)
oponiéndose a la fuerza centrífuga generada por el giro de la propia
muela (1).
3. Método de
refrigeración-lubricación para el rectificado, en
todo de acuerdo con la primera y segunda reivindicaciones,
caracterizado porque el fluido de corte (2), una vez que sus
propiedades se han modificado por la acción del fluido
complementario (4), se mantiene en el interior de la muela (1),
girando con ésta, para recorrer la distancia entre el punto de su
proyección contra la muela (1) y el inicio de la zona de contacto
entre la muela (1) y la pieza (6) a rectificar.
4. Método de
refrigeración-lubricación para el rectificado, en
todo de acuerdo con la primera, segunda y tercera reivindicaciones,
caracterizado porque al llegar a la zona de contacto entre la
muela (1) y la pieza (6) a rectificar, aumenta la temperatura en la
muela (1) hasta alcanzar un valor que le devuelve al fluido de corte
(2) sus propiedades iniciales, pasando de nuevo este fluido de corte
(2) a su estado líquido para ser llevado, por la fuerza centrífuga,
hacia la periferia de la muela (1) actuando así en la precitada zona
de contacto entre la muela (1) y la pieza (6) a rectificar.
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