Enfriamiento Criogénico En Mecanizado

El enfriamiento criogénico en mecanizado es un tipo de lubricación que hace mejorar el mecanizado en materiales superduros, polímeros y gomosos. Lo que se busca con el enfriamiento criogénico es una optimización de las velocidades de corte en materiales difíciles de mecanizar. 

Lo primero que tenemos que saber, es que la mayor parte del calor de una operación de mecanizado salé a través de la viruta. Parte de este calor lo transfiere a la herramienta de corte, el portaherramientas, el husillo de la máquina y la pieza de trabajo. La acumulación de calor en la herramienta provoca, el ablandamiento térmico del filo y es por esto, que necesitamos usar refrigerante cuándo estamos mecanizando.

Con el enfriamiento criogénico se obtiene también una mayor durabilidad de la herramienta. Con el sistema 5ME es capaz de enfriar la herramienta a -196 ºC. 

Tenemos que saber que la eliminación del calor en las operaciones de mecanizado se produce por dos modos de transferencia principales. Enfriamiento por convección y enfriamiento por conducción.

• El enfriamiento por convección. Es el enfriamiento externo de la herramienta que se produce a través del aire del ambiente o utilizando líquidos refrigerantes o aire comprimido, refrigerantes acuosos o de base de aceite o gases criogénicos.  El calor lo eliminamos gracias a la diferencia de temperatura que existe entre la temperatura del refrigerante y la temperatura del filo o filos de corte de la herramienta.

• El enfriamiento conductivo. Es el enfriamiento interno que pasa a través de la herramienta mientras estamos mecanizando; de está forma conseguimos disipar la temperatura generada en los filos de corte, disipando el calor a través de la herramienta en toda su longitud. Con taladrina o aire interno tambien conseguimos disipar la temperatura, pero con menor eficacia en comparación con el enfriamiento criogénico.  Con el enfriamiento criogénico podemos reducir la temperatura a -129ºC así obteniendo una transferencia de calor mínima entre pieza y herramienta de corte.

Video del sistema de enfriamiento criogénico 5ME en un centro de mecanizado Okuma MA-600H II

Tipos de enfriamiento criogénico en mecanizado

Nitrógeno líquido externo

Para el uso del enfriamiento criogénico se utiliza nitrógeno liquido (LN2) a -196 ºC para aplicar el nitrógeno líquido se utiliza una boquilla patentada para entregar un chorro de nitrógeno en la zona de corte de la herramienta. Además del nitrógeno líquido  puede ser una mezcla en estado sólido y en estado gaseoso. La presión del nitrógeno es importante, ya que si la presión es baja el efecto de pelicular o recubrimiento que obtendríamos en la herramienta sería muy pobre y afectaría directamente al rendimiento de la herramienta. 

Este sistema cuenta con un equipo auxiliar externo a la máquina, con un accionamiento por solenoide de esta manera no tenemos que preocuparnos por la congelación de diferentes partes de la máquina.

Nitrógeno líquido interno

El nitrógeno líquido interno es posible gracias al sistema criogénico 5ME. Este sistema pasa a través de la máquina, husillo, y la herramienta de corte hasta justo antes de los filos de corte de la herramienta. Este sistema es el disipador de calor por excelencia en el mecanizado. Con este sistema elevamos la temperatura critica de cualquier tipo de mecanizado, evitamos directamente un desgaste en los flancos de la herramienta debido a un exceso de temperatura.

En un mecanizado convencional en los filos se producen temperaturas de entre 300º C a 900ºC con este sistema de refrigeración conseguimos unas cifras de 149º C. Obteniendo estas temperaturas tan bajas, nos permiten mecanizar con unas velocidades de corte más altas y tener una vida útil de la herramienta bastante aceptable. 

El sistema para trasladar el nitrógeno líquido a través de la herramienta utiliza tubos de vacío desde el deposito hasta la herramienta de corte. Además, el sistema incluye un subenfriador que elimina el calor generado por la presión del circuito.

CO2 sistemas de regulación e inyección

Un sistema de enfriamiento basado en CO2 (dióxido de carbono) tiene unas propiedades significativas, cómo que es más fácil de almacenar, es más barato y tiene la posibilidad de disolución de aceite frente al nitrógeno (LN2). El CO2 al ser un gas se expande con más facilidad con lo que es necesario un sistema de alta presión con un abanico pequeño para obtener una mayor precisión a la hora de redirigir el refrigerante hacia los filos de corte de la herramienta.

El CO2 se almacena a temperatura ambiente y a 60 bares de presión. Para poder trabajar con este refrigerante, tenemos que reducir la presión hasta cerca de 5 bares en una etapa intermedia ya que después el refrigerante en su etapa final sale a presión atmosférica. Al ser un refrigerante gaseoso tenemos que tener en consideración las fugas que pueda haber en el sistema, junto con una posible pérdida de presión del circuito. Las boquillas de presión con este refrigerante son sumamente importantes ya que en la punta se alcanzan cerca de -80º C, tienen que tener un diseño óptimo y un material capaz de aguantar esas gélidas temperaturas.

En el siguiente video vamos a ver las diferencias de temperatura usando sistemas de CO2 con refrigeración interna y con refrigeración externa.

Ventajas y desventajas del enfriamiento criogénico

Ventajas del enfriamiento criogénico con nitrógeno (LN2)

1. Mayor capacidad de enfriamiento (-196ºC) respecto al CO2.
2. No se necesitan sistemas de sobre presión en el circuito en comparación con el CO2 que si son necesarios.
3. Tiene propiedades lubricantes respecto al CO2 que no los tiene.

Desventajas del enfriamiento criogénico con nitrógeno (LN2)

1. Mayor precio que el CO2, aunque no es gran diferencia.
2. El almacenamiento a baja presión implican fugas por ebullición.
3. Su tasa de expansión es mucho mayor respecto al C02.

Ventajas del enfriamiento criogénico con CO2

1. Botellas presurizadas a alta presión (60 bares) a 20-25ºC con ello evitamos la ebullición del gas.
2. Más barato que el nitrógeno (LN2)
3.  Disuelve el aceite en esta supercrítico cuando alcanza altas temperaturas.

Desventajas del enfriamiento criogénico con CO2

1. Menor capacidad de enfriamiento (-78ºC) respecto al nitrógeno.
2. Nocivo en altas concentraciones.
3. Más difícil de controlar, ya que al ser un gas las boquillas tienen que estar perfectamente diseñadas para que el gas no se disipe en el caso de sistemas externos.

Materiales y sectores en dónde se aplica el enfriamiento criogénico

Este tipo de enfriamiento está asociado a materiales superduros como pueden ser el inconel 718, el titanio o aleaciones de acero templadas con una gran dureza, entre otras. Su principal aplicación es en el aeroespacial ya que gran parte de sus componentes tanto en turbinas, motores o fuselaje dónde utilizan estos materiales.

Resumen

El enfriamiento criogénico es un refrigerante caro tanto por su instalación (alrededor de 40.000 €) su aplicación es reducida, aunque sus beneficios son más que notables para materiales superduros. Este sistema solo se utiliza para desbastes ya que para ajustar con tolerancias se hace con otros lubricantes como taladrina o aire. En los casos que hemos visto anteriormente la mejor solución es una mezcla de lubricación por cantidades mínimas de aceite (MQL) con refrigeración criogénica, también llamado cryoMQL ya que se consigue con ello un sistema más estable adoptando las ventajas de ambos refrigerantes, aunque es necesario una inversión inicial mayor. El precio del uso del refrigerante criogénico oscila entre los 30 y 50 € en un turno de trabajo de 8 horas.

¿Has trabajado usando este tipo de refrigerante? Si es así pon un comentario para contarnos tu experiencia.