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Surface Roughness Evolution and Tool-Wear Mechanisms in Prolonged Milling of Ti6Al4V ELI under Sunflower-Oil and MoS₂-Enhanced MQL Environments

Este estudio demuestra que, si bien la MQL basada en aceite de girasol mejora significativamente el acabado superficial durante el fresado prolongado de Ti6Al4V ELI, la adición de nanopartículas de MoS₂ mejora primordialmente la preservación de la herramienta al suprimir el filo de aportación y la delaminación, en lugar de reducir aún más la rugosidad superficial.

Autores originales: Deniz ÇOBAN ÖZKAN, Fikret Sönmez

Publicado 2026-08-19

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CC BY 4.0

Autores originales: Deniz ÇOBAN ÖZKAN, Fikret Sönmez

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina intentar tallar una pieza de metal que es tan resistente como el acero pero que se niega a dejar escapar el calor. Esta es la realidad diaria de los ingenieros que trabajan con una aleación de titanio específica conocida como Ti6Al4V ELI. Es un material muy apreciado por su increíble resistencia y su capacidad para vivir dentro del cuerpo humano sin causar daño, lo que lo convierte en un favorito para piezas aeroespaciales e implantes médicos. Sin embargo, su propia resistencia lo convierte en una pesadilla para el mecanizado. Cuando una herramienta de corte intenta atravesarlo, el metal no conduce el calor hacia afuera; en su lugar, el calor se queda atrapado justo en el punto de contacto. Esta intensa fricción hace que el metal se pegue a la herramienta, formando un bulto rugoso y dentado que arruina la suavidad del corte y desgasta la herramienta rápidamente. Para solucionar esto, los fabricantes suelen rociar un flujo de refrigerante líquido, pero esto crea un desastre de residuos y peligros para la salud. Una alternativa más limpia es un método llamado lubricación de cantidad mínima, que rocía una fina y precisa neblina de aceite directamente sobre el borde de corte. La pregunta que los investigadores han debatido durante mucho tiempo es si añadir partículas microscópicas especiales a esta neblina puede hacerla aún mejor, o si el aceite por sí solo es suficiente.

En un estudio reciente, investigadores de la Universidad Manisa Celal Bayar se propusieron encontrar la respuesta sometiendo estas ideas a una prueba rigurosa. No se limitaron a realizar un corte rápido y comprobar los resultados; sometieron sus herramientas a una sesión de mecanizado continuo y extenuante de ochenta y cuatro minutos. Esta duración extendida fue crucial porque les permitió observar cómo cambiaban las herramientas y las superficies metálicas a lo largo del tiempo, en lugar de solo ver una instantánea del principio. Probaron cinco entornos diferentes: cortar sin lubricación alguna, usar un fluido de corte industrial estándar, usar una neblina de aceite de girasol y, después, añadir un tipo específico de nanopartícula llamada disulfuro de molibdeno tanto al fluido industrial como al aceite de girasol. El objetivo era ver qué combinación mantenía la herramienta afilada y la superficie del metal más suave a medida que el proceso de corte avanzaba.

Los resultados fueron impactantes y revelaron una clara jerarquía de rendimiento. Cuando los investigadores cortaron el titanio sin ninguna lubricación, la herramienta sufrió inmediatamente. El borde de corte se fracturó, el revestimiento protector se desprendió y la superficie del metal se volvió increíblemente rugosa. En contraste, el uso de cualquier estrategia de lubricación mejoró significamente la situación. El resultado más exitoso para crear una superficie lisa provino del uso de una neblina de aceite de girasol puro. Este aceite natural produjo una rugosidad superficial de 0,159 micrómetros, una mejora masiva respecto al método de corte en seco, que resultó en una rugosidad de 0,645 micrómetros. Los investigadores descubrieron que el aceite de girasol era naturalmente excelente para mojar el metal y reducir la fricción, actuando como un lubricante superior desde el principio.

Curiosamente, la adición de las nanopartículas de disulfuro de molibdeno no hizo que la superficie fuera más lisa que el aceite de girasol por sí solo. Los datos no mostraron una diferencia estadística en la suavidad final del metal entre el aceite de girasol puro y el aceite de girasol mezclado con nanopartículas. Este hallazgo desafía la suposición común de que añadir partículas más avanzadas siempre conduce a un mejor acabado. Sin embargo, la historia cambió cuando los investigadores observaron las herramientas mismas. Mientras que las nanopartículas no mejoraron la textura de la superficie, desempeñaron un papel vital en la protección de la herramienta de corte. Bajo el microscopio, las herramientas utilizadas con el aceite mejorado con nanopartículas mostraron significativamente menos daños. Las nanopartículas ayudaron a evitar que el metal se pegara a la herramienta y formara esos bultos dañinos, y evitaron que el revestimiento protector de la herramienta se desprendiera.

El estudio también descubrió una verdad sutil pero importante sobre cómo funciona el mecanizado a lo largo del tiempo. La efectividad de la lubricación no fue constante; cambió a medida que la herramienta se desgastaba. Los investigadores descubrieron que la relación entre el tipo de aceite utilizado y la calidad de la superficie dependía en gran medida de cuántas pasadas había realizado la herramienta. Un lubricante que funcionaba perfectamente al principio podía comportarse de manera diferente después de que la herramienta hubiera estado cortando durante una hora. Esto significa que juzgar un método de lubricación mediante una prueba única y corta puede ser engañoso. El verdadero rendimiento de un lubricante es una historia dinámica que se desarrolla durante toda la duración del trabajo.

En última instancia, la investigación sugiere que para el mecanizado de esta difícil aleación de titanio, un enfoque simple y sostenible puede ser el mejor. El aceite de girasol, un aceite vegetal común, demostró ser una alternativa altamente efectiva y respetuosa con el medio ambiente a los productos químicos industriales, capaz de producir las superficies más lisas por sí solo. La adición de nanopartículas, aunque no fue necesaria para la suavidad de la superficie, ofreció una ventaja distinta para la preservación de la propia herramienta, reduciendo el desgaste y extendiendo su vida útil. Los hallazgos apuntan hacia un futuro donde los lubricantes sostenibles y de origen vegetal puedan reemplazar a los duros refrigerantes industriales, ofreciendo una forma más limpia de fabricar los componentes de alta resistencia que impulsan nuestras aeronaves y dispositivos médicos.

Resumen Técnico: Evolución de la Rugosidad Superficial y Mecanismos de Desgaste de la Herramienta en el Fresado Prolongado de Ti6Al4V ELI bajo Entornos MQL Mejorados con Aceite de Girasol y MoS₂

Planteamiento del Problema
El Ti6Al4V ELI (Grado 23) es un material crítico para aplicaciones aeroespaciales y biomédicas debido a su alta relación resistencia-peso y biocompatibilidad. Sin embargo, su maquinabilidad se ve severamente comprometida por su baja conductividad térmica, la alta afinidad química con las herramientas de corte y la tendencia a formar un filo de aportación (BUE). Estos factores conducen a una degradación rápida de la herramienta y a una integridad superficial deficiente. Si bien la Lubricación por Cantidad Mínima (MQL) ofrece una alternativa respetuosa con el medio ambiente frente al enfriamiento por inundación, y la MQL mejorada con nanopartículas (NFMQL) ha mostrado ser prometedora, persisten brechas de investigación significativas. Específicamente, existen datos limitados sobre el comportamiento tribológico a largo plazo del Ti6Al4V ELI (a diferencia del más común Grado 5), la aplicación combinada de aceite de girasol y nanopartículas de MoS₂, y la interacción estadística entre las estrategias de lubricación y la progresión del mecanizado (número de pasada) durante periodos prolongados. La mayoría de los estudios existentes se centran en experimentos de corta duración, omitiendo capturar los mecanismos de desgaste progresivo y la degradación del recubrimiento.

Metodología
El estudio empleó una operación de fresado frontal sobre Ti6Al4V ELI (Grado 23) utilizando una fresa de extremo de carburo con recubrimiento de AlCrN de 4 crestas. Los experimentos se llevaron a cabo bajo un protocolo sostenido de 84 minutos que consistió en seis pasadas axiales sucesivas para eliminar un total de 6 mm de material. Se evaluaron cinco entornos distintos de enfriamiento/lubricación:

Corte en seco.
MQL convencional utilizando un fluido de corte de uso general (Werte Fastcut Ultra).
MQL con fluido de uso general mejorado con MoS₂ (0.5 vol.%).
MQL utilizando aceite de girasol.
MQL utilizando aceite de girasol con nanopartículas de MoS₂ (0.5 vol.%).

Para garantizar la consistencia, se utilizó una herramienta dedicada para cada condición de lubricación. La rugosidad superficial ( $R_a$ y $R_z$ ) se midió después de cada pasada mediante un perfilómetro, mientras que el desgaste de la herramienta se monitoreó mediante un microscopio de herramientas. El análisis post-experimento incluyó Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Espectroscopía de Energía Dispersiva de Rayos X (EDX) para caracterizar los mecanismos de desgaste y la integridad del recubrimiento. Las nanopartículas de MoS₂ fueron caracterizadas adicionalmente mediante SEM, FTIR, XRD y XPS para confirmar la pureza de fase y el tamaño de cristalita. El análisis estadístico se realizó mediante ANOVA de dos vías y pruebas de Tukey HSD para evaluar los efectos principales de la lubricación y el número de pasada, así como su interacción sobre la rugosidad superficial.

Contribuciones Clave
Esta investigación realiza tres contribuciones primarias al campo del mecanizado sostenible:

Protocolo de Duración Extendida: Proporciona la primera comparación sistemática de cinco entornos de lubricación para Ti6Al4V ELI bajo un protocolo de fresado prolongado de 84 minutos, permitiendo la observación del desgaste en estado estacionario y la evolución progresiva de la superficie.
Análisis de Interacción Estadística: El estudio utiliza el ANOVA de dos vías para resolver estadísticamente la interacción entre la estrategia de lubricación y el número de pasada, demostrando que la efectividad de un método de lubricación no es estática, sino que evoluciona a medida que progresa el desgaste de la herramienta.
Diferenciación de los Beneficios del MoS₂: Clarifica el papel específico de las nanopartículas de MoS₂, distinguiendo entre su impacto en el acabado superficial frente a la preservación de la herramienta, una distinción que suele desdibujarse en la literatura previa.

Resultos

Rugosidad Superficial: El corte en seco resultó en la peor calidad superficial ( $R_a = 0.645$ µm) debido a la severa fractura del filo y la formación de BUE. El MQL basado en aceite de girasol produjo el mejor acabado superficial ( $R_a = 0.159$ µm), lo que representa una reducción del 75% en comparación con el corte en seco. La adición de nanopartículas de MoS₂ al aceite de girasol no produjo una mejora estadísticamente significativa adicional en la rugosidad superficial ( $R_a = 0.166$ µm).
Hallazgos Estadísticos: El ANOVA de dos vías confirmó que tanto la condición de lubricación como el número de pasada afectan significamente la rugosidad superficial. Crucialmente, se encontró un efecto de interacción altamente significativo ( $p < 0.001$ , $\eta^2$ parcial $= 0.822$ ), indicando que el rendimiento de una estrategia de lubricación cambia dependiendo de la pasada de mecanizado. Por ejemplo, aunque el corte en seco produjo inicialmente los peores resultados, la última pasada mostró una reducción temporal en la rugosidad atribuida al efecto de bruñido de un filo severamente desgastado, en lugar de una mejora en el rendimiento de corte.
Desgaste de la Herramienta y Mecanismos: El corte en seco causó una severa fractura del filo y delaminación del recubrimiento, con un desgaste de flanco máximo de 252 µm. El análisis SEM-EDX reveló que las nanopartículas de MoS₂ suprimieron eficazmente la formación de BUE y la delaminación del recubrimiento. Aunque el MoS₂ no mejoró significativamente el acabado superficial, contribuyó a la preservación de la herramienta al formar una tribopelícula que redujo el contacto directo metal-metal y la adhesión del material. Sin embargo, bajo el estrés térmico prolongado del protocolo de 84 minutos, el desgaste por crater fue significativo debido a la baja conductividad térmica de la aleación y el limitado enfriamiento por convección de la MQL, lo que sugiere que el MoS₂ es más efectivo contra el desgaste adhesivo que contra el desgaste por difusión activado térmicamente.
Caracterización de Nanopartículas: El análisis XRD confirmó la fase hexagonal del MoS₂ con un tamaño de cristalita promedio de 40.74 nm, mientras que el SEM mostró tamaños de partícula en el rango de 200–400 nm, consistente con una estructura policristalina. El FTIR y el XPS verificaron la presencia de enlaces característicos Mo–S sin una oxidación significativa.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio establece el MQL basado en aceite de girasol como una alternativa superior y sostenible a los fluidos de corte convencionales para el fresado de acabado de Ti6Al4V ELI, ofreciendo una excelente integridad superficial y un desgaste reducido de la herramienta. El artículo postula que, si bien las nanopartículas de MoS₂ no necesariamente mejoran la rugosidad superficial más allá de lo que pueden lograr los aceites vegetales de alta calidad, su valor principal reside en extender la vida útil de la herramienta al suprimir el BUE y el daño al recubrimiento. La investigación subraya que la evaluación del rendimiento del mecanizado requiere considerar la interacción dinámica entre la lubricación y la progresión del desgaste de la herramienta a lo largo del tiempo, en lugar de depender de mediciones de punto único. El estudio concluye que, para aplicaciones donde la vida útil de la herramienta es la restricción principal, la adición de MoS₂ al aceite de girasol es beneficiosa, mientras que para la optimización del acabado superficial, el aceite de girasol por sí solo es suficiente.

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