Trabajabilidad de la madera de Pinus oaxacana Mirov. proveniente de una plantación en el Estado de México

 

Workability of Pinus oaxacana Mirov. wood from a plantation in the State of Mexico

 

Roberto Machuca–Velasco^1*; Amparo Borja–de la Rosa¹; Emilio Morales–Villalba¹; Rogelio Flores Velásquez²

 

¹ Universidad Autónoma Chapingo. km 38.5 Carretera México–Texcoco, Chapingo, Estado de México. C. P. 56230. Correo–e: robertov@correo.chapingo.mx; rober19@hotmail.com.mx (*Autor para correspondencia).

² Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias. San Martinito, Puebla. México.

 

Recibido: 12 de enero, 2012
Aceptado: 2 de mayo, 2012

 

RESUMEN

La calidad de maquinado es diferente en cada especie, por tanto, es necesario conocer las características y propiedades que intervienen en este proceso, tales como; la estructura anatómica, contenido de humedad, densidad básica, velocidad de crecimiento, número de anillos de crecimiento por pulgada y dirección del grano. El objetivo de este trabajo fue determinar las características de los ensayos de cepillado, lijado, moldurado, torneado y barrenado en la madera de Pinus oaxacana Mirov. El material de estudio se obtuvo en la plantación localizada a un costado de la División de Ciencias Forestales de la Universidad Autónoma Chapingo. Los ensayos de maquinado, la evaluación de los defectos y clasificación se realizaron según la Norma ASTM–D 1666–87, con algunas modificaciones realizadas en función de la maquinaria y contenidos de humedad. En general, la madera de P. oaxacana fue clasificada como una especie con excelente trabajabilidad, exceptuando el ensayo de moldurado en el corte preliminar que fue clasificado como bueno. Este ensayo mejoró en el segundo corte, por lo tanto, la especie puede ser utilizada en la elaboración de productos con mayor valor agregado, por ejemplo; en puertas, ventanas, marcos, piezas torneadas, molduras, lambrín o recubrimientos y muebles en general.

Palabras clave: Pino, cepillado, lijado, moldurado, taladrado, torneado.

 

ABSTRACT

Machining quality is different for each species and, as a result, it is necessary to know the characteristics and properties involved in this process, such as the anatomical structure, moisture content, specific gravity, growth rate, number of growth rings per inch, and grain direction. The aim of this study was to determine the machining properties of Pinus oaxacana Mirov. wood in planing, sanding, shaping, turning and boring tests. The test material was obtained in a plantation located on one side of the Universidad Autónoma Chapingo forestry department. Machining tests, defect evaluation and grading were performed as set out by ASTM–D 1666–87, with some modifications in terms of machinery and moisture contents. In general, P. oaxacana wood was graded as having excellent workability, except in the first shaping test cut where it was graded as good. This test result improved in the second cut. Therefore, the species can be used in the manufacture of finished products with higher value added, such as doors, windows, frames, turned parts, moldings, furring and furniture in general.

Key words: Pine, planing, sanding, shaping, boring, turning.

 

INTRODUCCIÓN

En México las plantaciones forestales comerciales iniciaron en 1998. De las especies utilizadas en plantaciones comerciales Pinus spp. representa el 10 % (Consejo Civil Mexicano para la Silvicultura Sostenible [CCMSS], 2008), de tal modo, se puede decir que existe un gran potencial en el establecimiento de éstas, principalmente en las zonas tropicales. Las plantaciones forestales comerciales, pueden abastecer cada vez más de materia prima a la industria nacional, lo cual ayuda a reducir la presión ejercida sobre los bosques naturales. Por lo tanto, los industriales de productos forestales maderables buscarán adecuar su industria a la materia prima proveniente de plantaciones (Martínez, 2003). Las plantaciones, generalmente, son de madera juvenil que se forma en los primeros años de vida del árbol presentando características anatómicas, propiedades físicas y mecánicas diferentes a la madera madura; debido a ello, el comportamiento ante las máquinas y herramientas es diferente. Por esta razón, es necesario realizar ensayos de maquinado en este tipo de madera, con el propósito de hacer un mejor aprovechamiento y uso adecuado para obtener un beneficio mayor desde el punto de vista económico y técnico (Zavala, 1976).

Existen varios factores que intervienen en la calidad de maquinado de la madera. Entre ellos se pueden considerar la velocidad de crecimiento, contenido de humedad, densidad básica, dirección de la fibra, velocidad de corte, número de cuchillas en el cabezal, ángulo de corte, velocidad de alimentación, profundidad de corte, velocidad de penetración, velocidad de giro, fricción entre la madera y el filo del elemento de corte, así como el tipo de broca para el taladrado (Koch, 1964, 1972; Mckenzie, 1960, 1967). Davis (1960) encontró que para Pinus ponderosa y Pseudotsuga menziesii, el número de anillos de crecimiento por pulgada tiene un efecto mayor que la densidad básica, sobre las propiedades de maquinado. De igual manera Koch (1964) concluye que un ángulo de corte de 30° en las cuchillas es el más recomendable para cepillar maderas suaves y que una lijadora de banda produce más rayones y grano apelusado en la superficie de la madera maquinada, que una lijadora de tambor. Con relación al torneado concluye que se obtiene una calidad mejor de la superficie trabajada cuando el contenido de humedad de la madera es de 6 a 20 %. Mori y Hoshi (1964) mencionan el efecto del ángulo de corte, el desgaste del filo y calidad de acabado de la superficie en el cepillado. Ellos notaron que ángulos grandes producen acabados más pobres, mayores dificultades mecánicas y deforman más rápidamente el filo de las cuchillas. Por otro lado, Stewart (1970) comparó los resultados del cepillado realizado con cuchillas y con abrasivos, en función de la calidad de superficie de la madera. Encontró que la calidad de cepillado con cuchillas, generalmente, es mejor que con abrasivos. También concluyó que el incremento de la velocidad de alimentación en el cepillado con cuchillas, disminuye la calidad de la superficie. La mejor calidad se obtuvo en la madera cepillada de forma paralela al grano.

Con relación a los pinos nativos de México; Cruz y Borja (1995) mencionan que la madera de Pinus cooperi presenta un excelente comportamiento al cepillado con un ángulo de corte de cuchilla de 30°. No encontraron influencia del número de marcas de cuchilla por centímetro, y el barrenado fue excelente con un tiempo de penetración de 15.14 s. El moldurado fue clasificado como pobre debido a que las probetas presentaron un astillamiento severo, lo cual se atribuyó a las desviaciones del hilo y a la densidad media (0.42 g·cm^–3) de la madera. El torneado fue clasificado como bueno; los mejores resultados se lograron cuando se tuvo un contenido de humedad de 14 % (American Society for Testing and Materials [ASTM], 1992).

Martínez y Martínez–Pinillos (1996) estudiaron el maquinado de la madera de Pinus pseudsotrobus Lindl, Pinus patula Schlectendal and Cham y Pinus teocote Schlectendal and Cham. Estos autores evaluaron el cepillado y lijado utilizando cinco probetas por especie. El cepillado se clasificó como bueno en P. pseudostrobus y P. patula, y como excelente en P. teocote. Los mejores resultados se obtuvieron con el ángulo de 30°. El lijado se clasificó como excelente en las tres especies; los mejores resultados se obtuvieron con la lija número 100. En un segundo estudio; el barrenado y moldurado, se realizaron de acuerdo con la norma ASTM D 1666–87 (ASTM, 1992). El barrenado en P. pseudostrobus se clasificó como bueno, y como excelente en P. patula y P. teocote. En el caso del moldurado, las tres especies se clasificaron como excelentes (Martínez & Martínez–Pinillos, 1996a).

Borja–de la Rosa y Tamarit (1997) trabajaron con madera de Pinus arizonica. Ellos reportan que el cepillado es excelente cuando se utiliza un ángulo de corte de 20° y un número de 14.66 marcas de cuchilla por centímetro. El lijado y barrenado fueron excelentes; no obstante, se presentó el defecto del grano apelusado. Para minimizar este daño, es recomendable que el primer contacto de la broca con la madera sea lento, y aumente cuando haya penetrado en la pieza, además de aplicar una mayor velocidad de giro. El moldurado se clasificó como regular, debido a la severidad del grano astillado, principalmente en el cambio de corte transversal al longitudinal. El torneado se clasificó como bueno cuando se tuvo un contenido de humedad del 14.5 %.

Malkoçoğlu y Özdemir (2005) evaluaron las propiedades de maquinado, de acuerdo con la norma ASTM D 1666–87 (ASTM, 1992), en Pinus sylvestris L. y Picea orientalis, especies de la región oriental del mar Negro de Turquía. Ellos reportan que en todos los ensayos, el comportamiento de la madera de P. sylvestris y P. orientalis fue excelente y bueno, respectivamente.

También se han realizado estudios considerando la potencia del corte en Pinus radiata. Se ha encontrado que el aumento del espesor de viruta está correlacionado a un aumento progresivo de los requerimientos de potencia de corte; la mayor rugosidad superficial está asociada también a una mayor demanda de éste (Aguilera y Vega, 2004). En la misma especie se estudiaron las velocidades de avance, las cuales influyen significativamente sobre la rugosidad superficial. A un incremento de éstas, se generan superficies de inferior calidad para velocidades de rotación constantes. Asimismo, se ensayaron diferentes alturas de corte, donde se pudo observar que en alturas de corte mayor, la rugosidad superficial es menor (Pardo, 2009).

El objetivo de este trabajo fue determinar la calidad de la madera de Pinus oaxacana Mirov. proveniente de una plantación cuando fue sometida a las operaciones de maquinado: cepillado, lijado, moldurado, torneado y barrenado. Algunos de los factores considerados para cumplir con dicho objetivo son las características tecnológicas, la velocidad de crecimiento y el desarrollo vegetativo que alcanza la madera.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Área de colecta

La plantación de P. oaxacana se realizó en junio de 1979, en ese entonces estaba clasificada como Pinus pseudostrobus var. oaxacana. La madera fue recolectada en la plantación localizada a un costado de la División de Ciencias Forestales de la Universidad Autónoma Chapingo, situada en el km 38.5 de la Carretera México–Texcoco, Chapingo, Estado de México (Figura 1 y 2). Esta zona se encuentra ubicada entre las coordenadas 19° 34' y 19° 22' de latitud norte; 98° 38' y 98° 56' de longitud oeste, a una altitud de 2,240 m. Presenta un clima templado subhúmedo, veranos lluviosos e inviernos secos, poca variación térmica, temperatura media anual de 15.9 °C, con una precipitación total anual de 608.2 mm (Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática [INEGI], 2000), con suelos molisol y etisol, principalmente (Pedro y Cruz, 1992).

Características de la especie

P. oaxacana se distribuye en las montañas entre los paralelos 16° 20' y 19° 58' de latitud norte en los estados de Chiapas, Estado de México, Guerrero, Oaxaca, Puebla, Tlaxcala, Veracruz e incluso se extiende hasta Guatemala y Honduras (Maldonado, 1984). Se conoce por los nombres comunes de pino, ocote, chamoile, mocochtaj. Es un árbol de 20 a 40 m de alto (Figura 2), con un diámetro promedio de 90 cm, corpulento, de corteza gruesa y agrietada, ramas agrietadas, copa circular, y ramillas verticiladas; moreno rojizas o café amarillentas, con tinte glauco, casi lisas (Marconi, 1983).

Obtención del material de ensayo

Se eligieron cuatro árboles de 22 años de edad con características y fustes representativos de la plantación. Se aserraron en las instalaciones de la Planta Piloto de Aserrío de la Universidad Autónoma Chapingo. Las tablas fueron colocadas bajo cubierta, secadas a temperatura ambiente, y estabilizadas a un contenido de humedad de 10 %. En los ensayos se utilizaron 50 probetas (Figura 3) elaboradas de acuerdo con las dimensiones especificadas por la norma ASTM D 1666–87 (ASTM, 1992).

Cepillado. Para este ensayo la norma ASTM D 166687 (ASTM, 1992) establece un contenido de humedad (CH) de 6 %, pero también indica que se puede utilizar otro, siempre y cuando sea especificado. En este caso, el ensayo se realizó a un CH de 10 %. Se utilizaron cuatro cuchillas con un ángulo de corte de 30, 25, 20 y 15°, en combinación con dos velocidades de alimentación de 7.5 m·min^–1 y 13 m·min^–1. Se obtuvieron 29.33 y 16.92 marcas de cuchilla por centímetro (NMC), que fueron diferentes a las especificadas por la norma. El ángulo de 30° es el predominante en los cepillos comerciales, no sucede lo mismo con los ángulos de 25, 20 y 15°; para obtenerlos fue necesario hacer un bisel en las cuchillas. El NMC se determinó con la siguiente fórmula:

Donde:

NMC = Número de marcas de cuchillas por cm

Vc = Velocidad del cabezal porta cuchillas (rpm)

Nc = Número de cuchillas en el cabezal

Va = Velocidad de alimentación (m·min^–1)

Lijado. Se utilizó una lijadora de banda, ejerciendo una presión constante sobre el cojín opresor de 4.575 kg, en lugar de una lijadora de tambor como lo especifica la norma. Las lijas utilizadas fueron del número 80 y 100 con grano de gránate. Para calcular la velocidad lineal de lijado se usó la siguiente fórmula:

Donde:

VL= Velocidad lineal (m·s^–1)

L = Longitud (m)

TEL= Tiempo efectivo de lijado (s)

Moldurado. Este ensayo se realizó en condiciones de humedad de 9.7 %, velocidad de giro del cabezal portafresas de 8000 rpm y un tiempo promedio de moldurado de 3.87 s. Con estas variables se obtuvo una velocidad periférica de 62.83 m·s^–1, la cual se encuentra dentro del rango para maderas suaves (60–90 m·s^–1) utilizando fresas con aspas de carburo de tungsteno (Alekseev, 1964). La velocidad de alimentación se calculó mediante la siguiente fórmula:

Donde:

VA = Velocidad de alimentación (m·s^–1)

L = Longitud de la pieza (m)

TEC = Tiempo efectivo de corte (s)

La velocidad periférica se calculó con la siguiente fórmula:

Donde:

Vp = Velocidad periférica (m·s^–1)

D = Diámetro de la fresa (m)

Vr = Velocidad de rotación

Barrenado. Las velocidades de giro del cabezal fueron de 1,300 y 2,500 rpm en lugar de 3,600 rpm como la norma recomienda. El contenido de humedad fue de 9.7 %. El tiempo promedio de penetración a una velocidad de giro de 1,300 rpm fue de 5.12 s, y de 4.78 s para 2,500 rpm. En cada velocidad de giro del cabezal se usaron 25 probetas. La velocidad de alimentación se calculó con la siguiente fórmula:

Donde:

VA = Velocidad de alimentación (m·s^–1)

E = Espesor de la pieza (m)

TEC = Tiempo efectivo de corte (s)

Torneado. De acuerdo con la norma, este ensayo se debe realizar con dos contenidos de humedad: 6 y 12 %. En este caso los contenidos de humedad fueron de 9.7 y 13.3 %, a una velocidad de rotación del cabezal de 3,270 rpm. Con estas variables se obtuvo un tiempo promedio de torneado de 3.87 s. La velocidad de alimentación se calculó con la fórmula indicada para el ensayo de moldurado.

Evaluación de defectos

La evaluación de los resultados se realizó según lo indica la norma ASTM D–1966–87 (ASTM, 1992), la cual considera los siguientes defectos: grano astillado, grano apelusado, grano levantado, marcas de astilla, grano rasgado, grano comprimido y rayones. La evaluación de la calidad de trabajabilidad se realizó con base en la presencia y severidad de los defectos señalados; examinando las probetas de forma visual y clasificándolas en cinco categorías (Cuadro 1).

La calidad de trabajabilidad de la madera se determinó mediante la suma del porcentaje de piezas excelentes (E) y buenas (B) (Cuadro 2), excepto en el ensayo de torneado, donde se incluye además, el porcentaje de probetas clasificadas como regulares.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Cepillado

En el Cuadro 3 se presentan los resultados del cepillado. En general, se obtuvieron excelentes resultados en las probetas clasificadas como buenas. Los defectos más frecuentes fueron el grano apelusado (Figura 4) y el grano astillado que se presentan en todos los ángulos y en la mayoría de las probetas de manera superficial. Esto puede atribuirse a los defectos naturales de la madera como los nudos y bolsas de resina que no pudieron eliminarse del todo en las probetas ensayadas, los cuales ocasionan una desviación del hilo de la madera. El defecto más frecuente y superficial en el cepillado contra el hilo, fue el grano apelusado, que se atribuye también a la desviación del hilo.

Los resultados obtenidos con respecto al ángulo de corte coinciden con los reportados por Cruz y Borja (1995), Koch (1964), Malkoçoğlu y Özdemir (2005), Martínez y Martínez–Pinillos (1996), Zavala (1976). Estos autores recomiendan que se utilice un ángulo de 30° para obtener mejores resultados en el cepillado de maderas suaves o blandas, lo cual se puede atribuir a que la densidad básica de la madera es moderadamente liviana (0.40 g·cm^–3) (Martínez, 2003). Sin embargo, estos resultados difieren con Borja–de la Rosa y Tamarit (1997) quienes encontraron los mejores resultados con un ángulo de 20°.

Lijado

El ensayo de lijado se clasificó como excelente. Sólo el 14 % del total de las probetas presentó el defecto de grano apelusado de manera muy superficial, principalmente por la desviación del hilo, pero no afectó la calidad de manera significativa (Cuadro 4). Este comportamiento se puede atribuir a que la madera de P. oaxacana presenta una textura que va de fina a media; el hilo es recto. Los resultados coinciden con los reportados por Cruz y Borja (1995) para P. cooperi, Martínez y Martínez–Pinillos (1996) para P. patula, P. pseudostrobus y P. teocote, Borja–de la Rosa y Tamarit (1997) para P. arizonica, y con los de Malkoçoğlu y Özdemir (2005) para P. sylvestris. Sin embargo, difiere de lo reportado por Zavala (1976) quien menciona que en maderas blandas, los rayones ocasionados por la lija se acentúan.

Moldurado

En el Cuadro 5 se muestra la calidad superficial del moldurado. En el corte preliminar fue clasificada como buena; el defecto más frecuente fue el grano rasgado. Éste se manifestó con intensidad mayor en 20 % de las probetas trabajadas al momento de realizar el cambio del corte transversal a longitudinal. Lo anterior se puede atribuir a la densidad moderadamente liviana de la especie, donde la flexibilidad y la capacidad de adhesión entre Abras es menor, ocasionando que en lugar de cortar se produzca un desprendimiento de grandes astillas. Asimismo, se observó que al realizar el moldurado en el sentido longitudinal y diagonal al hilo de la madera; la presencia y severidad de los defectos es nula, por tanto, la calidad aumenta logrando mejores resultados. Sin embargo, en el corte final se obtuvieron resultados excelentes, debido a que se contrarrestó el defecto de astillado en el cambio de corte ya mencionado. Esta modificación aumentó considerablemente la calidad de las piezas trabajadas, ya que en la mayoría de las probetas se eliminó por completo el defecto. Sin embargo, el grano rasgado siguió presentándose de manera muy superficial sin afectar la calidad del moldurado en el corte transversal de la pieza (Cuadro 5). El resultado obtenido no coincide con el de Borja–de la Rosa y Tamarit (1997) en P. arizonica, ya que reportan este ensayo como regular; ni con Cruz y Borja (1995) en P. cooperi, quienes lo clasifican como un moldurado pobre. Por otra parte coincide con Martínez y Martínez–Pinillos (1996) en P. patula, P. pseudostrobus y P. teocote, y con Malkoçoğlu y Özdemir (2005) en P. sylvestris.

Barrenado

En el Cuadro 6 se presentan los resultados del barrenado, los cuales indican que la calidad fue excelente. El defecto más frecuente fue el grano rasgado (Figura 5), el cual no influyó en la calidad de la superficie trabajada. Este resultado se puede atribuir a la gran cantidad de madera temprana presente en la probeta.

La calidad del barrenado se mejora al disminuir la velocidad de penetración de la broca, en la entrada y salida de la madera. En este ensayo, la velocidad influye en forma determinante ya que si ésta es alta, la severidad del defecto aumenta (Zavala, 1976).

Los excelentes resultados se pueden atribuir a la combinación de la velocidad de penetración utilizada y a la densidad básica (moderadamente liviana) de P. oaxacana, pues la broca debe cortar en lugar de rasgar, y así evitar que la madera se queme como efecto de un tiempo mayor de barrenado. Los resultados obtenidos coinciden con los de Cruz y Borja (1995) para P. cooperi, Martínez y Martínez–Pinillos (1996) para P. patula y P. teocote, Borja–de la Rosa y Tamarit (1997) para P. arizonica, y con Malkoçoğlu y Özdemir (2005) para P. sylvestris.

Torneado

Los resultados del torneado se muestran en el cuadro 7. El contenido de humedad no mostró un efecto determinante en la calidad de la superficie, ya que para ambos contenidos (9.7 y 13.13 %), las probetas presentaron una calidad de mínima a regular. La suma de las probetas excelentes, buenas y regulares, dio como resultado una clasificación excelente.

El defecto más frecuente fue el grano rasgado, con una severidad considerable en el corte transversal de las probetas. En la sección longitudinal se presentó el grano astillado de manera significativa, tal como se ilustra en la Figura 6.

Los resultados de este ensayo difieren de los obtenidos por Cruz y Borja (1995) en P. cooperi, y Borja y Tamarit (1997) en P. arizonica, quienes señalan que el contenido de humedad influye en la calidad del torneado de manera significativa. A un contenido bajo de humedad, las traqueidas son más rígidas, por tanto, ofrecen resistencia mayor a ser cortadas por la cuchilla. En consecuencia, la severidad de los defectos se incrementa, principalmente el grano astillado, de tal forma que se obtiene un resultado mejor a un contenido de humedad mayor, coincidiendo con Malkoçoğlu y Özdemir (2005) quienes reportan un excelente torneado para P. silvestris.

Finalmente, en el Cuadro 8 se puede observar que P. oaxacana se clasifica en todos los ensayos como excelente, comparado con otras especies del género Pinus sp. y con una especie del género Quercus sp., lo cual significa que es una especie con características apropiadas en el maquinado.

 

CONCLUSIONES

En general, la trabajabilidad de la madera de P oaxacana se clasificó como excelente, con excepción del moldurado en el corte preliminar, donde fue clasificado como bueno; éste pudo mejorar con un segundo corte.

La madera proveniente de plantaciones, en especial de P. oaxacana, puede ser utilizada en la elaboración de productos terminados con mayor valor agregado; por ejemplo, en puertas, ventanas, marcos, piezas torneadas, molduras, lambrin y muebles en general.

De acuerdo con la revisión bibliográfica, la trabajabilidad de la madera de P. oaxacana es comparable con otras especies de valor comercial como P. arizonica, P. cooperi, P. patula, P. pseudostrobus, P. teocote y Q. affinis. La madera de P. oaxacana presentó una excelente calidad en los ensayos de trabajabilidad, por lo tanto, puede ser utilizada en los mismos procesos industriales que dichas especies; tal es el caso de la industria mueblera, y no sólo ser considerada para la elaboración de celulosa y papel como hasta ahora se ha hecho.

 

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