Experimental Analysis of Surface Roughness by Optimizing Machining Parameters in Turning of Aluminium Alloy 075-T651 With Avocado Oil-Based Cutting Fluid Using Taguchi Based Grey Relational Analysis

Resumen Técnico: Análisis Experimental de la Rugosidad Superficial en el Torneado de Aleación de Aluminio 075-T651 utilizando Fluido de Corte a Base de Aceite de Aguacate

Planteamiento del Probleal
El mecanizado de la Aleación de Aluminio 075-T651 (un material ampliamente utilizado en los sectores aeroespacial, automotriz y marino debido a su alta relación resistencia-peso) presenta desafíos con respecto a la calidad superficial y la vida útil de la herramienta. El calor excesivo generado durante las operaciones de torneado puede degradar el rendimiento de la herramienta, alterar las dimensiones de la pieza de trabajo y comprometer el acabado superficial. La rugosidad superficial es una restricción crítica en la planificación de procesos, que influye directamente en la vida de fatiga, los ajustes de precisión y los requisitos estéticos. Además, los fluidos de corte tradicionales suelen presentar riesgos ambientales y de salud. Este estudio aborda la necesidad de optimizar los parámetros de mecanizado para minimizar la rugosidad superficial utilizando un fluido de corte a base de aceite de aguacate, el cual es respetuoso con el medio ambiente, biodegradable y no tóxico.

Metodología
La investigación empleó un diseño experimental sistemático basado en el método Taguchi integrado con el Análisis de Relación Gris (GRA) para optimizar los parámetros de torneado.

• Pieza de Trabajo y Herramental: Los experimentos se llevaron a cabo en un torno CNC utilizando barras cilíndricas de Aleación de Aluminio 075-T651 (60 mm de diámetro, 500 mm de longitud) e insertos de carburo de tungsteno sin recubrimiento.
• Fluido de Corte: Se preparó una emulsión a base de aceite de aguacate utilizando una máquina de vibración ultrasónica para mezclar el aceite de aguacate con agua destilada. Se probaron cuatro niveles de concentración: 0%, 3%, 6% y 9%.
• Diseño Experimental: Se utilizó un arreglo ortogonal Taguchi $L_{16}(4^4)$ para realizar 16 experimentos. El estudio investigó cuatro factores de control, cada uno con cuatro niveles:
  1. Velocidad de Corte (900, 1000, 1100, 1200 rpm)
  2. Avance (85, 90, 95, 100 mm/min)
  3. Profundidad de Corte (0.5, 1.0, 1.5, 2.0 mm)
  4. Concentración de Aceite de Aguacate (0%, 3%, 6%, 9%)
• Técnicas de Análisis: La rugosidad superficial ($R_a$) se midió mediante un medidor de rugosidad superficial portátil. El análisis estadístico se realizó mediante el software Minitab (Versión 19) a través del Análisis de Varianza (ANOVA) para determinar la significancia de los parámetros y las relaciones señal-ruido (S/N). La optimización de respuesta múltiple se logró convirtiendo el problema en un objetivo único mediante el Grado de Relación Gris (GRG).

Resultos Clave

• Parámetros Óptimos: El estudio identificó configuraciones específicas de parámetros que produjeron la mínima rugosidad superficial. La combinación óptima para minimizar la $R_a$ se determinó como:
  • Concentración de Aceite de Aguacate: 9% (Nivel 4)
  • Velocidad de Corte: 900 rpm (Nivel 1)
  • Avance: 95 mm/min (Nivel 3)
  • Profundidad de Corte: 1.5 mm (Nivel 3)
  • Nota: El resumen menciona un resultado óptimo específico de 0.12 μm logrado con estos ajustes.
• Significancia de los Parámetros (ANOVA): Los resultados del ANOVA revelaron que la Velocidad de Corte fue el factor más significativo que afectó la rugosidad superficial, contribuyendo con un 76.78% a la variabilidad. La concentración de Aceite de Aguacate fue el segundo factor más significativo con un 11.45%, seguido por la Profundidad de Corte (2.67%) y el Avance (2.82%). Todos los factores resultaron ser estadísticamente significativos con valores P menores a 0.05.
• Análisis de Relación Gris: El GRA confirmó que la concentración de aceite de aguacate al 9% tuvo la influencia más fuerte sobre el Grado de Relación Gris, indicando su impacto superior en las características de rendimiento general en comparación con otros parámetros. El Experimento 16 (correspondiente a los niveles óptimos) alcanzó el rango de GRG más alto.
• Validación: Se realizó una prueba de confirmación utilizando la ecuación de regresión derivada ($R_a = 7.12 - 0.005CS - 0.1FR - 0.07DoC + 0.788AO$). La rugosidad superficial predicha fue de 0.11 μm, mientras que el valor experimental fue de 0.12 μm. Esto resultó en un error porcentual del 9.09%, el cual los autores consideran estadísticamente aceptable (por debajo del 10%), validando así el modelo de regresión.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que el fluido de corte formulado a base de aceite de aguacate es un sustituto viable y efectivo para los fluidos de corte convencionales en el torneado de la Aleación de Aluminio 075-T651. El estudio concluye que:

1. Rendimiento: El uso optimizado de la emulsión de aceite de aguacate al 9% reduce significativamente la rugosidad superficial, logrando un valor tan bajo como 0.12 μm.
2. Beneficios Ambientales y Económicos: El uso de aceite de aguacate ofrece ventajas potenciales para reducir los riesgos de salud ocupacional y disminuir los costos de tratamiento de residuos debido a su alta biodegradabilidad y naturaleza no tóxica.
3. Validación Metodológica: La integración del método Taguchi con el Análisis de Relación Gris demostró ser efectiva para identificar los parámetros de mecanizado óptimos con un número reducido de corridas experimentales.

Los autores sugieren modestamente que, si bien el presente estudio se centra en el torneado, el trabajo futuro debería extenderse a otros procesos de mecanizado (rectificado, taladrado, fresado) e investigar variables adicionales como las fuerzas de corte, los coeficientes de fricción y la temperatura para validar aún más la efectividad del fluido en toda la industria manufacturera.