Nuevos desarrollos en tecnología de abrasivos para aluminio

Apr 14, 2023

El rectificado manual de piezas de trabajo de aluminio puede ser un desafío. El uso de un abrasivo diseñado específicamente para la tarea producirá los mejores resultados.

En los últimos años, las industrias del transporte han recurrido cada vez más al aluminio, ya que buscan "aligerar" sus productos. Como resultado, los fabricantes de metal necesitan nuevas herramientas para trabajar con este desafiante material.

Las aleaciones de aluminio ofrecen una mejor relación resistencia-peso en comparación con las aleaciones de acero tradicionales. Las tendencias de aligeramiento en el sector del transporte generan la necesidad de herramientas rápidas y eficientes para moler aluminio. Las muelas de amoladora de ángulo recto típicas diseñadas para acero no se usan en aluminio porque la superficie de la muela puede obstruirse rápidamente con virutas de metal que se adhieren al abrasivo.

Mediante la investigación de los mecanismos por los cuales las virutas de metal pueden adherirse (cargarse) a la superficie de la rueda abrasiva, se pueden aplicar al diseño del abrasivo estrategias para evitar la carga de metal. Esto conduce entonces a nuevos productos de molienda de aluminio con velocidades de molienda muy mejoradas y un rendimiento más duradero, sin necesidad de ceras ni lubricantes.

El aluminio utilizado en la industria no suele ser el elemento puro, sino uno de una gama de familias de aleaciones de aluminio, según el uso final. Aunque las propiedades de aleaciones de aluminio específicas pueden variar ampliamente, es seguro hacer las siguientes generalizaciones:

La producción y el uso de aluminio están aumentando. Aunque la producción total de acero es mayor que la producción de aluminio actualmente, la tasa de crecimiento de la producción de aluminio es aproximadamente un 60% más alta que la del acero. De 2008 a 2018, la producción mundial de aluminio creció a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 4,8 %, mientras que la producción mundial de acero creció a una CAGR del 3,0 %.

El crecimiento del uso de aluminio está impulsado principalmente por la industria automotriz y del transporte, seguida por la industria aeroespacial y de defensa y la marina. La industria automotriz y del transporte representa alrededor del 80 % en valor del uso global de aleaciones de aluminio de alta resistencia con una CAGR estimada de 7,7 % desde 2018 hasta 2023.

La fuerte necesidad de aluminio dentro de la industria automotriz y del transporte está impulsada por las tendencias de aligeramiento. Los fabricantes de automóviles están bajo una presión constante para aumentar la eficiencia del combustible de sus flotas, por lo que, naturalmente, buscan materiales más resistentes y ligeros. En la industria de camiones comerciales, los remolques más livianos pueden generar más carga transportada por viaje, además de ahorros de combustible. El aluminio también se utiliza para reducir el peso de los barcos marinos, lo que contribuye a su velocidad, maniobrabilidad, estabilidad y ahorro de combustible. Los cascos livianos también permiten operar en aguas poco profundas.

Las aleaciones de aluminio también tienen menor dureza, mayor ductilidad y puntos de fusión más bajos en comparación con las aleaciones de acero (932 °F a 1112 °F para el aluminio frente a aproximadamente 2732 °F para el acero). Estas diferencias pueden significar que las herramientas y técnicas para trabajar el metal utilizadas para trabajar el acero no siempre están optimizadas para el trabajo con aluminio.

Un problema común cuando se trata de rectificar manualmente piezas de trabajo de aluminio es la tendencia de que las virutas de aluminio se adhieran a la propia muela abrasiva. Cuando la rueda se carga (obstruye) con virutas de metal, no puede quitar más metal de la pieza de trabajo. La Figura 1 muestra una muela abrasiva estándar después de solo unos minutos de uso en aluminio. Debido a que esta muela abrasiva fue diseñada para usarse en acero, no en aluminio, se produjo una carga y la muela dejó de esmerilar de manera efectiva.

Una práctica que retrasa el inicio de la carga de metal es la aplicación de cera en la muela abrasiva. Al aplicar una sustancia resbaladiza en la superficie de la rueda, temporalmente hace que sea más difícil que se peguen las virutas de aluminio. Sin embargo, a medida que se usa la rueda, la cera se desgasta y debe volver a aplicarse. Esta opción no es la ideal, ya que la aplicación de cera le quita tiempo al esmerilado y crea una contaminación adicional en la pieza de trabajo, que debe limpiarse cuando termine el esmerilado. Si la cera no se limpia a fondo de la pieza de trabajo, puede provocar defectos en la soldadura.

FIGURA 1. Este es un ejemplo de una rueda abrasiva estándar, no diseñada específicamente para usarse en aluminio, después de haber sido utilizada para esmerilar aluminio. Fíjese en todas las áreas plateadas (cargadas) de metal atascado, lo que hace que la muela abrasiva sea ineficaz.

Una cámara de gran aumento enfocada en las áreas cargadas de la superficie de una muela abrasiva usada (consulte la Figura 2) revela una superficie abrasiva que no puede realizar el trabajo para el que fue diseñada. Las áreas brillantes son el metal de aluminio adherido a la cara de la rueda. Las características de bloques blancos son el grano abrasivo. El área amarilla son las áreas de unión expuestas y desgastadas, y el marrón es la unión y los poros subyacentes.

La imagen de la derecha en la Figura 2 muestra el punto de corte de un solo grano, cuya superficie ha sido recubierta con metal de aluminio. Detrás del punto de corte hay muchas virutas fibrosas de aluminio que se han recolectado. Dado que estas virutas no se eliminaban de la zona de esmerilado, se fusionaron por la fricción y el calor generado cuando el grano golpea la pieza de trabajo. Las rayas a lo largo del centro de esta masa muestran marcas de fricción entre la pieza de trabajo de aluminio y el aluminio adherido a la muela abrasiva. A medida que el aluminio se acumulaba en la cara de la muela abrasiva, impedía que la punta de corte eliminara más virutas, obstruyendo el proceso de eliminación de metal.

Una sección transversal de esta muela abrasiva (ver Figura 3), vista bajo un microscopio, revela la carga de metal desde una vista lateral.

Un examen minucioso con un microscopio electrónico de barrido de las virutas de aluminio extraídas de la superficie de esa rueda revela aún más (consulte la Figura 3, a la derecha). El enfoque de cerca de la parte superior de los chips muestra marcas de frotamiento/arado, lo que sugiere un comportamiento semisólido. La parte inferior de la viruta muestra cómo el aluminio pudo deformarse y adherirse a toda la superficie de la muela abrasiva, adaptándose tanto al grano como a la unión. Estas características de deformación muestran que el metal se ablandó cerca de su punto de fusión cuando se adhirió a la superficie de la rueda y que la masa creció cohesivamente a medida que otras astillas de aluminio se atascaban.

La Figura 4 muestra un marco de cómo el grano abrasivo, la unión que sujeta el grano y la pieza de trabajo que se está rectificando pueden interactuar en los procesos de corte (eliminación de material), arado (desplazamiento de material) y deslizamiento (modificación de la superficie). Las características observadas en la superficie de la rueda son principalmente indicativas de las interacciones deslizantes cuando los granos abrasivos entraron en contacto con la pieza de trabajo de aluminio. Las interacciones deslizantes no contribuyen al proceso de remoción de metal (formación de virutas) y solo actúan para hacer que el proceso de rectificado sea menos eficiente.

Durante la molienda de aluminio (consulte la Figura 4), el grano atraviesa la pieza de trabajo dúctil, que recubre las puntas del grano con metal. Una vez que se recubre la punta del grano, las interacciones de fricción entre la viruta (pegada al grano) y la pieza de trabajo permiten que la viruta metálica adherida comience a crecer de manera cohesiva. A medida que crece el parche de metal atascado, las interacciones adicionales entre la unión y la pieza de trabajo generan más calor, lo que da como resultado un área más grande afectada por la carga de metal.

Durante el uso, a medida que la rueda abrasiva se obstruye con el metal, el esmerilado se vuelve menos eficiente, lo que lleva a la reacción natural del operador de empujar más fuerte con la esmeriladora para tratar de romper más la rueda y abrir la superficie para exponer nuevos granos de corte. Sin embargo, este enfoque común no funciona, ya que el aumento de la presión de esmerilado conduce a una acumulación de más calor, lo que continúa el proceso de ablandamiento de las virutas de aluminio y que se adhieren a la cara de la rueda. Esto crea un ciclo de retroalimentación, que actúa como un círculo vicioso para cargar aún más la rueda hasta que ya no pueda moler y necesite ser reemplazada.

Para romper el ciclo de retroalimentación del mecanismo de carga, el grano abrasivo debe volverse más resistente a la carga de metal. Esto se debe a que el mecanismo de carga comienza en las puntas de los granos y crece cohesivamente para cubrir grandes áreas de la muela abrasiva.

Durante el rectificado, los granos abrasivos individuales se someten a tensiones térmicas y mecánicas a medida que golpean continuamente la pieza de trabajo. Estas tensiones pueden hacer que el grano se agriete o se rompa de diferentes maneras (ver Figura 5). El tipo de fractura del grano, así como la tasa general de fractura del grano, depende de la microestructura del grano y se correlaciona con varias propiedades del grano, incluida la dureza y la resistencia al calor, el impacto y el choque. Un grano que se fractura y descompone fácilmente se conoce como friable, y uno que se desgasta lentamente se conoce como duradero.

La fractura de grano se autoafila, ya que expone nuevas superficies de corte. En el caso de la molienda de aluminio, a medida que el grano se fractura, las piezas expulsadas pueden levantar piezas de metal de aluminio atascado, dejando una punta de corte nueva y limpia.

FIGURA 2. Se muestra una vista de arriba hacia abajo de una sección de muela abrasiva usada.

Para demostrar el efecto de la friabilidad en la velocidad de molienda (tasa de remoción de metal) y el grado de carga, se prepararon ruedas que contenían tipos de granos con diferentes niveles de friabilidad y se probaron en la molienda. Todos los demás parámetros experimentales se mantuvieron iguales.

Una vez que se completó la prueba de esmerilado, se tomó una imagen de cada muñón de la rueda para determinar el alcance de la carga de metal mediante el cálculo del área de bisel total cubierta por el metal atascado (consulte la Figura 6).

Como resultado, se encontró una fuerte correlación entre las muelas abrasivas que contenían tipos de granos altamente friables que tenían menos carga de metal y mayor velocidad de rectificado.

Esto ha llevado al desarrollo de muelas abrasivas de aluminio con un grano abrasivo extrafriable especial que puede fracturarse y descomponerse justo antes de que se genere demasiada presión y calor, lo que evita la acumulación de metal (consulte la Figura 7). Estas ruedas abrasivas son agresivas, lo que permite que la esmeriladora manual trabaje con menos esfuerzo en comparación con el uso de discos abrasivos no diseñados específicamente para la eliminación de aluminio.