2.1. Etapa 1: Diseño de texturas

Como se mencionó en la sección anterior, múltiples estudios demuestran el efecto positivo que tiene la imposición de texturas sobre el desempeño tribológico de las superficies de trabajo en pares tribológicos. El diseño de las texturas analizadas en el presente trabajo responde a la identificación de parámetros morfológicos hallados en la piel de diferentes serpientes (Python Regius, Red Tail Boa, entre otras), las cuales han sido objeto de análisis biomiméticos debido a sus características únicas en términos de control de fricción y desgaste. En la caracterización morfológica de las pieles se encontró la existencia de algunos parámetros que explican la existencia de un coeficiente de fricción anisotrópico para las especies estudiadas ^23,24. Con base en estos parámetros se inspiraron las texturas diseñadas y evaluadas en el presente trabajo. Mayores detalles sobre la caracterización de las pieles y el diseño de las texturas se pueden encontrar en los trabajos de Ballesteros et al ²⁵ y Toro et al ²⁶.

Las muestras estudiadas fueron tres pines con diámetro de 6 mm con protuberancias elípticas (Pin A, Pin B y Pin C) y dos pines con diámetro de 10 mm con ranuras de forma ondulada (Onda D y Onda E). Para el diseño se consideraron dos relaciones geométricas: λ y FAR. λ es la relación entre la distancia de elementos de textura tanto en el eje x como el eje y y FAR es la relación de aspecto de los elementos de textura. En la Tabla 1 se describen las relaciones λ y FAR y en la Figura 2 se relacionan con los parámetros geométricos de diseño.

Fuente: Modificado de Cuervo et al. ²⁵

Figura 2 Tipos de textura desarrolladas. a) Protrusiones elípticas, b) Ranuras onduladas.  

Para el diseño de las elipses se hicieron variaciones en su relación de aspecto y en el diseño de ranuras de ondas se modificó la separación entre las ondas (λy). En la Figura 3 y la Tabla 2 se presentan las dimensiones de las elipses y las ranuras diseñadas. El espesor (t) de las ranuras fue de 0.3 mm y su profundidad 30 µm. La altura (h) de las elipses fue 20 μm. Se midieron para estos diseños CAD el área texturizada (At) que se refiere al área total de los elementos de textura y el área mecanizada (Am) que se refiere al área que tuvo remoción de material. En el caso de las texturas de elipses el área mecanizada es igual al área del pin (Ap) menos el área de la textura (At). En las texturas de ranuras At=Am. El porcentaje de área mecanizada (%Am) está dado por (Am x 100) /Ap.

Fuente: Propia

Figura 3 Modelos CAD de pines con textura de protrusiones elípticas y pines con textura de ranuras onduladas.  

2.2. Etapa 2: Planeación del proceso

En esta etapa se determinó el uso del centro de mecanizado CNC de cinco ejes Leadwell V-40iT ubicado en el Laboratorio de Simulación, Modelamiento y Prototipos del ITM, un equipo que cuenta con un control Heidenhain, 25 HP (18.6 kW), 10000 RPM (revoluciones por minuto) velocidad máxima del husillo y un espacio de trabajo de 800x500x400 mm en X, Y y Z, respectivamente. En la fabricación de los modelos se eligieron dos tipos de materiales: para los pines con elipses se empleó acero AISI 1080 los cuales fueron mecanizados con fresa de 0.4 mm de diámetro, esta herramienta permite trabajar en materiales con durezas hasta 60 HRC. Para los pines con ondas se utilizó un acero AISI 52100 y una fresa de 0.3 mm de diámetro que soporta durezas hasta 68 HRC ²⁷. Como herramienta de trabajo se implementó una fresa cilíndrica de carburo de tungsteno con recubrimiento de nitruro de aluminio titanio (AlTiN). Se consideró la recomendación de avance de corte por parte del fabricante dependiendo del material a mecanizar y se trabajó a 10000 RPM, límite máximo del centro de mecanizado sin utilizar un multiplicador.

2.3. Etapa 3: Estrategias de mecanizado y código

Se utilizó el software CAM SprutCAM 11® para la generación de estrategias de mecanizado del conjunto de pines. Para los pines con elipses se inició con una operación de planeado para luego poder realizar un mecanizado de fondo plano (ver Figura 4 a) con una fresa cilíndrica de 0.4 mm de diámetro, cortes equidistantes de 0.007 mm hasta alcanzar una profundidad total de 0.02 mm con un avance de 32 mm/min y 10000 RPM. En la Figura 4b se puede observar la trayectoria de mecanizado de los pines con ondas, los cuales se programaron con una estrategia que consistió en el seguimiento de una de las aristas de la onda con el borde de la herramienta, para esto se usó una fresa cilíndrica de 0.3 mm de diámetro, una profundidad de corte de 0.005 mm hasta alcanzar una profundidad total de 0.03 mm, con un avance de 26 mm/min y 10000 RPM.

Fuente: Propia

Figura 4 Trayectorias de mecanizado en SprutCAM®. a) pines con elipses, b) pines con ondas.  

Las trayectorias usadas se basaron en un estudio de mecanizado de una misma geometría con diferentes trayectorias con el software CAM que muestran que está permite reducir el consumo energético ²⁶, donde luego de un proceso de selección a partir de varios ensayos se evaluó una trayectoria que disminuyera el consumo de energía.

2.4. Etapa 4: Medición consumo de energía eléctrica y caracterización

La potencia consumida durante cada texturizado fue medida con el analizador de redes Fluke 1735 Power Logger para medición hasta 34.5 MW y un error del 1.5% del valor medido. El analizador se conectó previamente a la línea principal de corriente de la máquina con el fin de medir corriente total consumida sin discretizar por componentes de consumo. Para la medición del consumo de energía se realizaron 5 repeticiones para los ensayos del pin A, 4 repeticiones para los pines B y C y 17 repeticiones para las ondas D y E. Para presentar los resultados de las medidas fue necesario realizar una normalización respecto al área mecanizada de tal manera que fueran independientes de ella, tal como se presenta en la Ec.1, esto debido a la pequeña área de cada pin texturizado. Igualmente, la potencia de corte fue estimada a partir del volumen de material removido (Ec.2) ²⁹.

Donde 𝑃_𝑐 es la Potencia de corte cuando 𝑎_𝑒 representa la profundidad de corte radial [mm], 𝑎_𝑝 la profundidad de corte axial [mm], 𝑉_𝑓 la velocidad de avance de la mesa [mm/min] y 𝐾_𝑐 es la fuerza de corte especifica [N/mm2] que depende de las propiedades de los materiales involucrados.

Luego del proceso de texturizado se caracterizaron las superficies tanto de los pines mecanizados como de la herramienta en microscopio electrónico de barrido JEOL JSM-7100F ubicado en el Laboratorio de Microscopía del Instituto Tecnológico Metropolitano.

3.1. Caracterización morfológica de las superficies texturizadas

En la Figura 5 y la Tabla 3 se muestran las medidas de los parámetros de la textura y las áreas tanto para pines con textura con ranuras (ondas) como con protrusiones (elipses).

Fuente: Propia

Figura 5 Superficies texturizadas vistas a través de un microscopio óptico. Protrusiones elípticas (acero AISI 1080) y ranuras tipo onda (acero AISI 52100).  

Las medidas arrojaron un porcentaje de área de mecanizado (%Am) para las elipses entre en 5 y 10% mayores al estimado en el diseño. Los patrones que más se aproximaron fueron aquellos de FAR mayor, en este caso 2.5, y cuando el tamaño de las elipses es mayor tanto en eje x como en eje y. En el caso de las ranuras cuando λ es mayor hay una mejor respuesta y se obtuvo un porcentaje de área de mecanizado (%Am) apenas entre 1 y 5% mayor al estimado por diseño. Se evidenciaron también marcas dejadas por la herramienta utilizada en el proceso de mecanizado de los pines. Estos resultados indican que la geometría, la escala y la repetición de los elementos de textura se lograron alcanzar con las condiciones del mecanizado elegidas para las herramientas, esto es, la trayectoria, la velocidad del husillo y la velocidad de avance, entre otros. Los diseños proyectados no se lograron mecanizar con un mayor grado de exactitud debido, principalmente, a la excentricidad de la pinza (pieza que sujeta la herramienta de corte). Dicha excentricidad podría corregirse con una pinza de alta precisión, pero no fue posible conseguirla para herramientas del diámetro utilizado.

La Figura 6 muestra en mayor detalle el texturizado: en la Figura 6a se pueden identificar algunos desprendimientos y acumulación de material al borde de las protrusiones y en la superficie de éstas una morfología rugosa debido al mecanizado inicial o planeado del pin antes de realizar el microtexturizado. La Figura 6b presenta ranuras bien definidas en las que se mantienen las medidas de diseño, pero se aprecia una mayor cantidad de material sobrante (rebaba) en los bordes. En la superficie del pin texturizado con ondas se evidenciaron también las marcas de mecanizado por torneado.

Las rebabas observadas en la superficie son un producto del proceso de mecanizado, las cuales son difíciles de evitar por completo en este proceso, pero con un proceso posterior de pulido superficial se remueven fácilmente.

Fuente: Propia

Figura 6 Micrografías SEM: a) Protrusiones elípticas, acero AISI 1080 Pin B, b) Ranuras tipo onda acero AISI 52100.  

3.2. Consumo energético en función del diseño de las texturas

En la Figura 7 se muestra el consumo de potencia eléctrica a lo largo del tiempo necesario para el mecanizado de cada textura en los aceros AISI 1080 y 52100, respectivamente. Al inicio del proceso de texturizado típicamente se evidencia un elevado consumo de potencia el cual está relacionado con el pico de aceleración donde la herramienta alcanza las RPM programadas, en este pico la herramienta aún no se encuentra en contacto con los pines a texturizar, razón por la cual dichos datos no se tienen en cuenta en el análisis. Luego de este pico se encuentra un consumo de potencia constante de alrededor de 3750 W para todas las pruebas realizadas La disminución de potencia que se observa en la Figura 7a para el Pin A después de 150 segundos se debe a factores externos de la red, particularmente, los analizadores de redes son hechos para medir las variaciones de voltaje, por lo que hace que la medida sea susceptible a caídas del voltaje en la red por aumento en la carga debido al consumo de potencia por dispositivos conectados a la misma red y fuera del centro de mecanizado. Al final de la curva donde se desacelera la herramienta se observa una perturbación de la potencia. La diferencia de tiempo de mecanizado es similar para los tres pines con elipses ya que tienen un área texturizada aproximadamente similar (ver Figuras 3 y 5). Para la Figura 7bb, la diferencia de los tiempos de mecanizado se debe a que se tiene mayor área a texturizar (la onda E presenta un área 4.6 veces mayor que la onda D).

La energía consumida fue medida y registrada con el analizador y puede estimarse como el área bajo la curva de potencia contra tiempo, en la Tabla 4 se reportan los valores calculados y promediados de consumo de energía medida para el mecanizado de cada pin, así como los valores de energía específica y potencia de corte para el texturizado. La Figura 7 presenta las curvas de consumo típicas de un proceso de mecanizado CNC, pero en los procesos convencionales se distingue un escalón que diferencia el consumo en stand by ocasionado por el funcionamiento de los motores de diferentes sistemas independiente del trabajo que esté realizando la herramienta, de la potencia de corte que se presenta solo cuando la herramienta efectivamente está removiendo material de la pieza de trabajo; las figuras mencionadas no presentan el escalón mencionado, solo presenta el consumo en stand by de la máquina empleada.

Cabe resaltar que la medida obtenida no permite diferenciar la potencia necesaria por componentes, es decir, no se tiene un estimado de cuánta energía se relaciona con la remoción de material. Lo anterior se da por el hecho de que los experimentos son realizados en un proceso de micro texturización, es decir, la cantidad de material removido es muy pequeña, lo que hace que la producción de viruta sea tan baja que la potencia útil de corte es mínima (magnitudes de mW) lo que sobrepasa la resolución de los elementos de medida. Por lo tanto, para el análisis de consumo de energía se reportó la potencia total consumida por todos los componentes de la máquina y la potencia de corte se calculó teóricamente (ver Tabla 4) considerando la Ec.2, lo que permitió entender que no se diferencia la potencia de corte del consumo en stand by, dada a la poca cantidad de material removido. Aun así, la predicción de potencia de corte fue menor para el material con menores propiedades mecánicas por su tratamiento químico, térmico y/o mecánico, tal como era de esperarse. Sin embargo, puede notarse una exigencia ligeramente mayor para los pines de ondas.

Fuente: Propia

Figura 7 Consumo de potencia eléctrica vs. tiempo durante texturizado: a) acero AISI 1080; b) acero AISI 52100.  

Los resultados reportados en la Tabla 4 muestran la proporcionalidad directa entre el tiempo de mecanizado que toma cada textura y el consumo energético de su fabricación, el cual es dependiente del área de la superficie a texturizar y del material. El tiempo de mecanizado depende del diseño de la textura y de la estrategia de mecanizado, desde allí podrán explorarse alternativas de mejora. En la Tabla 4 se presentan también los resultados de la predicción de potencia de corte requerida para la texturización. Se observa que el tiempo y el consumo están relacionados: para las elipses cuando el área a mecanizar es aproximadamente 80% el tiempo es de 13.5 min aproximadamente y si aumenta el área hasta 89% el tiempo aumenta a 14.6 min. Para la textura de ondas el tiempo de mecanizado es menor cuando se tiene menor número de ondas (mayores valores de λ), pero si se mira el número de ondas de cada pin con respecto al tiempo, da igual para ambas texturas, aproximadamente 3.6 min por onda. Así que sí hay una relación directa entre área a mecanizar y tiempo. La energía específica en el texturizado de elipses aumenta a medida que aumenta el área a mecanizar, a diferencia del texturizado de ondas en el que la energía específica disminuye cuando aumenta el número de ondas.

En la Figura 7a se puede ver que primero el Pin A y el B tienen aproximadamente la misma área a mecanizar, pero como el tamaño de las elipses es diferente aumenta el consumo de energía de manera diferencial ya que el pin C tiene mayor área a mecanizar. Específicamente, en el mecanizado de los pines del material AISI 52100 se evidenció en las medidas que al aumentar el número de ondas disminuyó el consumo de energía.

En la Figura 8 se observa la relación entre área mecanizada, tiempo de mecanizado y energía específica de mecanizado con respecto a los pines con protrusiones de elipses y los pines con ranuras de ondas. Los pines de elipses muestran que hay un aumento del tiempo y energía cuando aumenta el área a texturizar. En las superficies con ranuras el tiempo de mecanizado aumenta también, pero la energía disminuye al aumentar el número de ondas, esto se debe a que el tipo de patrón influye en la cantidad de área removida, esto es, en promedio para las elipses se obtuvo 1.67 mm²/min y para las ondas 1.2 mm²/min, de acuerdo con esto se afecta menor área con un diseño de ondas.

Fuente: Propia

Figura 8 Promedio de área, tiempo y energía de mecanizado de pines con diferentes texturas.  

3.3. Relación entre consumo de energía y durabilidad de las herramientas

En la Tabla 5 se presentan los resultados del área mecanizada asociada al consumo de las herramientas de corte. Se emplearon en total 23 fresas durante esta evaluación del consumo energético. Para las texturas Pin A, Pin B y Pin C, mecanizadas en acero AISI 1080 se gastaron 3 fresas, el resto se empleó en la texturización del acero AISI 52100, 6 en la elaboración de las ondas D y 14 en ondas E, en estas condiciones de mecanizado se alcanzaron los mejores rendimientos de las herramientas, logrando longitudes de corte continuo de hasta 72.4 cm para una remoción total de material de 1048.5 mm³. El cambio de una herramienta se llevó a cabo al observar desprendimiento del recubrimiento de su superficie. En las herramientas usadas para mecanizar el acero AISI52100 se presentó un desgaste abrasivo más intenso, mientras que en las que estuvieron en contacto con acero AISI 1080 el daño fue moderado. A modo de ejemplo, en la Figura 9 se presenta una imagen de una fresa de 0.4 mm de diámetro utilizada en el proceso de texturizado del acero AISI 1080, en la cual se evidencia el desgaste en uno de los bordes de ataque y el desprendimiento parcial del recubrimiento.

Se hace evidente que el consumo de herramientas de corte es notoriamente sensible al material y/o tratamiento del pin texturizado, esto es, a sus propiedades mecánicas como la dureza, notándose que un pequeño cambio en la potencia de corte estimada puede representar un aumento representativo del costo específico por herramienta para el texturizado, y debe tenerse en cuenta en el futuro (Ver Tabla 5).

Fuente: Propia

Figura 9 Aspecto de una fresa de 0.4 mm de diámetro después del proceso de texturizado del acero AISI 1080. Microscopio óptico.  

Los resultados de consumo de energía y de herramientas (Tabla 5) muestran que para el caso del acero AISI 1080 el área a mecanizar es proporcional al consumo de energía y que una herramienta puede mecanizar un área entre 100 y 120 mm² aproximadamente. En el caso del acero AISI 52100, el área que mecaniza una herramienta es aproximadamente 6 veces menor lo que indica que hay un efecto importante de la dureza del material y la geometría de la textura. Igualmente, el consumo de energía específica es mayor para el AISI 52100, aunque se reduce cuando hay mayor número de ranuras como se observa en la Figura 8.

En los casos industriales se utiliza una velocidad del husillo cercana a las 30000 RPM, para los resultados reportados en la Tabla 5 se desarrollaron con la velocidad máxima dada por el centro de mecanizado sin contar con un multiplicador, valor de 10000 RPM. Por esta razón la velocidad del husillo no es una variable de análisis en el presente estudio y se recomienda profundizar en la relación entre la duración de la herramienta y la velocidad del husillo en otras investigaciones.

En síntesis, en el presente trabajo se implementó una metodología para la cuantificación del consumo energético en el proceso de texturización de superficies metálicas por micro mecanizado, mediante la cual fue posible evidenciar la variación en la energía específica de cada proceso de texturizado considerando el área total removida. La aplicación de este tipo de metodologías ayuda a controlar el impacto energético que tiene la fabricación de componentes mecánicos por medio de procesos de micro mecanizado. El paso siguiente en la investigación es la implementación de métodos holísticos de diseño de texturas, en los cuales se involucren las limitaciones del consumo de energía y el desgaste de las herramientas como parámetros de toma de decisión.