Nuevos desarrollos en tecnología abrasiva para aluminio

El rectificado manual de piezas de aluminio puede resultar complicado. Usar 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 en su búsqueda de “aligerar” sus productos. Como resultado, los fabricantes de metales 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 pulir 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.

Al investigar los mecanismos por los cuales las virutas de metal pueden atascarse (cargarse) en la superficie de la muela abrasiva, se pueden aplicar estrategias para evitar la carga de metal al diseño abrasivo. Esto conduce a nuevos productos de pulido de aluminio con velocidades de pulido muy mejoradas y un rendimiento más duradero, sin necesidad de ceras ni lubricantes.

El aluminio utilizado en la industria normalmente no es un elemento puro, sino uno más de una variedad 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 actualmente la producción total de acero es mayor que la producción de aluminio, la tasa de crecimiento de la producción de aluminio es aproximadamente un 60% mayor 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 tasa compuesta anual del 3,0%.

El crecimiento del uso de aluminio está impulsado principalmente por la industria automotriz y de transporte, seguida por la aeroespacial, la 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 tasa compuesta anual estimada del 7,7% entre 2018 y 2023.

La gran necesidad de aluminio en 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 del transporte por carretera comercial, los remolques más livianos pueden generar más peso de carga transportada por viaje, además de ahorrar combustible. El aluminio también se utiliza para reducir el peso de los barcos, 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 grados F a 1112 grados F para el aluminio frente a aproximadamente 2732 grados F para el acero). Estas diferencias pueden significar que las herramientas y técnicas para trabajar metales utilizadas para trabajar el acero no siempre estén optimizadas para trabajar el aluminio.

Un problema común cuando se trata de rectificar manualmente piezas de aluminio es la tendencia de que las virutas de aluminio se peguen a la propia muela abrasiva. Cuando la rueda se carga (obstruye) con virutas de metal, no puede eliminar 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 rectificar de manera efectiva.

Una práctica que retrasa la aparición de la carga de metal es la aplicación de cera sobre la muela. Al aplicar una sustancia resbaladiza en la superficie de la rueda, temporalmente dificulta que las virutas de aluminio se adhieran. Sin embargo, a medida que se utiliza la rueda, la cera se desgasta y es necesario volver a aplicarla. Esta opción no es ideal, ya que la aplicación de cera quita tiempo al pulido y crea contaminación adicional en la pieza de trabajo, que debe limpiarse cuando finaliza el pulido. Si la cera no se limpia a fondo de la pieza de trabajo, se pueden producir defectos en la soldadura.

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

Una cámara de gran aumento enfocada en las áreas cargadas de la superficie de una muela abrasiva usada (ver 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 pegado a la cara de la rueda. Las características blancas en bloques 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 de la punta de corte se han recogido muchas virutas fibrosas de aluminio. Dado que estas virutas no se eliminaban de la zona de molienda, se fusionaron debido a 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 roce entre la pieza de aluminio y el aluminio pegado a la muela. A medida que el aluminio se acumulaba en la cara de la muela, impedía que la punta de corte eliminara más virutas, obstruyendo el proceso de eliminación de metal.

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

Un examen detenido mediante un microscopio electrónico de barrido de las virutas de aluminio extraídas de la superficie de esa rueda revela aún más (ver Figura 3, derecha). El enfoque de cerca de la parte superior de las astillas muestra marcas de roce/arado, lo que sugiere un comportamiento similar al de un semisólido. La parte inferior del chip muestra cómo el aluminio pudo deformarse y adherirse a toda la superficie de la muela, 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 virutas de aluminio se atascaban.

La Figura 4 muestra un marco de cómo el grano abrasivo, el aglutinante que sostiene 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 interacciones de deslizamiento cuando los granos abrasivos entraron en contacto con la pieza de trabajo de aluminio. Las interacciones de deslizamiento no contribuyen al proceso de eliminación de metal (formación de virutas) y sólo actúan para hacer que el proceso de rectificado sea menos eficiente.

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

Durante el uso, a medida que la rueda abrasiva se obstruye con metal, el pulido se vuelve menos eficiente, lo que lleva a la reacción natural del operador de empujar más fuerte con la amoladora para intentar 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 pulido provoca una acumulación de más calor, lo que continúa el proceso de ablandamiento de las virutas de aluminio y adherencia a la cara de la rueda. Esto crea un circuito de retroalimentación, que actúa como un círculo vicioso para cargar aún más la rueda hasta que ya no puede rechinar y necesita ser reemplazada.

Para romper el circuito de retroalimentación del mecanismo de carga, el grano abrasivo debe volverse más resistente a la carga metálica. Esto se debe a que el mecanismo de carga comienza en las puntas del grano y crece de manera cohesiva para cubrir grandes áreas de la muela.

Durante el rectificado, los granos abrasivos individuales sufren tensiones térmicas y mecánicas mientras golpean continuamente la pieza de trabajo. Estas tensiones pueden hacer que el grano se agriete o se fracture 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 está correlacionada con varias propiedades del grano, incluida la dureza y la resistencia al calor, el impacto y los choques. Un grano que se fractura y descompone fácilmente se conoce como friable, y uno que se desgasta lentamente se conoce como duradero.

La fractura del grano se autoafila, ya que deja al descubierto nuevas superficies de corte. En el caso del pulido de aluminio, a medida que el grano se fractura, las piezas expulsadas pueden levantar trozos de metal de aluminio atascados, dejando un punto de corte fresco y limpio.

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

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

Una vez que se completó la prueba de rectificado, se tomaron imágenes de cada trozo de rueda para determinar el alcance de la carga de metal calculando el área total del bisel cubierta por metal atascado (consulte la Figura 6).

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

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