MQL y Criogenia: es esto una posibilidad

Actualmente, debido a la creciente preocupación medioambiental y a la alta competitividad existente, en el sector del mecanizado se tiende a la búsqueda de nuevas técnicas y tecnologías que no sólo sean eficientes ecológicamente sino también económicamente. Por ello, innovar y avanzar en la búsqueda de mejores técnicas de refrigeración y lubricación que logren alcanzar este objetivo durante el mecanizado es una tarea que en los últimos años está siendo imprescindible.

Habitualmente durante el mecanizado se utilizan emulsiones de aceite de corte con una concentración del 5-10%. Dichos aceites de corte en más del 92% de los casos son de origen sintético y a su vez poseen aditivos para su conservación como fungicidas, antioxidantes y/o emulsificadores. La utilización de estas emulsiones, conocidas coloquialmente como taladrinas, incide directamente no sólo en el coste de fabricación sino también en el impacto ambiental producido por los procesos de mecanizado. De hecho, en 2012 se estimó que en la Unión Europea se gastan alrededor de 320.000 Tm/año [1] y que de esta cantidad se pierde hasta el 30% por fugas en circuitos, en forma de suciedades, etc. [2]. Desde la perspectiva económica, en 1997 se contabilizó que el gasto derivado de su uso suponía un 17% del coste de fabricación de las piezas [3], pero esta cifra con el paso del tiempo cerca de reducirse lo que ha hecho ha sido incrementarse hasta casi duplicarse alcanzando el 30% en materiales de difícil maquinabilidad [4].
En la última década, una alternativa a la utilización de taladrinas que está siendo cada vez más popular industrialmente es el uso de la técnica de mínima cantidad de lubricación (MQL). Dicha técnica consiste principalmente en la inyección de micropartículas de aceite biodegradable o alcoholes en la zona de corte mediante su pulverización. Otra alternativa que empieza a ser conocida es la refrigeración criogénica. Está técnica se basa en la inyección de gases licuados en la zona de corte que provocan una reducción drástica de la temperatura de corte. Además, últimamente se están realizando investigaciones en las que se combinan estas dos técnicas dando lugar a la tecnología conocida como CryoMQL.
Con el fin de dar luz a estas alternativas a continuación se detalla cada una de ellas de tal modo que se consiga discernir las capacidades y limitaciones de cada una.

MQL (mínima cantidad de lubricación)
La lubricación mediante sistemas MQL (minimum quantity lubrication) consiste, como se indicó anteriormente, en la pulverización de un aerosol formado por micropartículas de aceite biodegradable en la zona de corte con un caudal de aceite que oscila entre 10 y 100 ml/h, dependiendo del material a mecanizar. Generalmente, las partes principales que componen un sistema MQL son un compresor de aire, un depósito que contenga aceite biodegradable, un sistema de control del caudal de aceite, y un sistema de inyección para la micropulverización del aceite en la zona de corte. En la Figura 1 se detalla el esquema de un sistema MQL genérico.
La microlubricación mediante MQL puede ser aplicada de forma externa, como se ha hecho tradicionalmente con la taladrina, o aplicarlo de forma interna en donde el aerosol circula por el interior de la herramienta. El primer sistema es el más indicado para las operaciones de serrado, planeado y fresados de desbaste. También puede ser aplicado en operaciones de taladrado, escariado y roscado siempre y cuando se tenga en consideración que la longitud del agujero no supere en tres veces el diámetro de éste (L/D<3). En cambio el sistema interno es especialmente recomendado además de para operaciones de fresado y torneado, para operaciones de taladrado, escariado y roscado donde L/D>3.
Entre las ventajas de la lubricación mediante MQL frente al uso de taladrinas cabe destacar la disminución del uso de fluidos de corte; la reducción de costes; el aumento de la higiene industrial; la utilización de aceites biodegradables; la consecución de una mejor lubricación y estabilidad térmica; y la obtención de virutas prácticamente limpias.
Por contrapartida, se hace necesaria una campana extractora que absorba la neblina formada en el interior de la máquina-herramienta. Además, en caso de materiales donde el desgaste por efectos térmicos tiene cierta importancia, como por ejemplo la difusión, las micropartículas de aceite se evaporan antes de alcanzar la zona de corte debido a la escasa capacidad refrigerante del aerosol cuando es sometido a altas temperaturas de corte, no llegando a lubricar correctamente la zona de interacción entre herramienta-viruta.
Con el fin de aumentar dicha capacidad, varios han sido los desarrollos en I+D+i generados en los últimos 15 años. Uno de ellos es el denominado “Sistema COD” (“Controlled oil mist direction”), que como se observa en la Figura 2 consiste en modificar la tobera de salida del aerosol para producir una expansión adiabática de éste. De este modo se disminuye la temperatura del aerosol hasta 0ºC a la vez que se logra controlar de forma más eficiente su direccionalidad. Frente al MQL tradicional, el desgaste de herramienta disminuye a la vez que se reduce el consumo de aceite un 65% [6].
Otra variante que aumenta la capacidad refrigerante del aerosol es la utilización de agua como portador de las micropartículas de aceite. Esta técnica ha sido desarrollada en dos investigaciones en 2006 y 2007 respectivamente. Aunque en dichos estudios se crea un aerosol formado por micropartículas de agua recubiertas de aceite, ambas investigaciones difieren en el método para la obtención de dicho aerosol. El primero, se denomina 'sistema OoW' ('Oil on Water') y es obtenido por medio de una tobera de tres canales, como se observa en la Figura 3, en la cual mediante efecto Venturi en dos etapas se recubren las micropartículas de agua con aceite en primer lugar y posteriormente se vuelven a pulverizar con aire [7]. En cambio, el otro método es mediante el sistema denominado 'sistema MWD' ('Micro Water Droplets”). Con este método se hace necesario un depósito presurizado donde se vaporiza agua. Seguidamente este vapor es liberado en el fondo de un tanque de aceite a presión atmosférica donde se condensa y se forman por tanto las micropartículas de agua recubiertas de aceite como se muestra en la Figura 4 [8].
Aunque estos desarrollos mejoran la esencia de la tecnología MQL en materiales considerados de difícil maquinabilidad, donde el desgaste debido a efectos térmicos ganan especial importancia, siguen sin llegar a ser una solución realmente competitiva frente a la utilización de taladrina como fluido de corte. En esta situación es donde entra en juego la refrigeración criogénica debido al descenso drástico de temperatura de corte que se consigue.

Refrigeración criogénica
Dicha tecnología consiste en inyectar gases a muy bajas temperaturas en la zona de corte con el fin de reducir la temperatura de corte y evitar el desgaste prematuro de las herramientas. La primera vez que se utilizó en operaciones de mecanizado un gas criogénico como fluido de corte fue en 1919, utilizando dióxido de carbono licuado (CO2). Debido al alto coste que tenía la obtención de gases licuados frente a otros fluidos de corte no es hasta nuestros días que se vuelve una alternativa factible.