PROCESOS DE FABRICACIÓN UNIDAD V. Procesos de maquinado no tradicionales

Transcripción

1 PROCESOS DE FABRICACIÓN UNIDAD V Procesos de maquinado no tradicionales

2 Introducción La mayoría de los procesos tradicionales de maquinado quitan material formando virutas, o lo hacen por abrasión. No obstante, existen numerosos casos en que estos procesos no son satisfactorios o simplemente no son posibles por alguna de las siguientes razones: El material tiene dureza o resistencia muy elevada, o el mismo es demasiado frágil La pieza es demasiado flexible o resulta difícil sujetar las partes La forma de la pieza es compleja El acabado superficial y la tolerancia dimensional son muy rigurosos El aumento de la temperatura y los esfuerzos residuales en la pieza no son deseables ni aceptables.

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4 Maquinado Electroquímico (ECM) Maquinado electroquímico (ECM) difiere de las técnicas convencionales, para cortes de metales, en que se utilizan energía eléctrica y química como herramientas de corte. Con este proceso se remueve el metal con facilidad, sin que importe su dureza, y se caracteriza porque no deja virutas. En este proceso una reacción electroquímica disuelve el metal de la pieza de trabajo en una solución. Se pasa una corriente eléctrica continua a través de una solución de electrolito entre el electrodo, que es la herramienta y tiene la forma de la cavidad deseada, que tiene carga negativa y la pieza de trabajo que tiene carga positiva. Esto ocasiona la remoción del metal delante del electrodo al avanzarlo hacia la pieza de trabajo. La reacción química ocasionada por la corriente continua en el electrolito disuelve el metal de la pieza de trabajo. la cantidad de remoción del metal esta en proporción directa con la corriente que pasa entre el electrodo y la pieza de trabajo. Una corriente elevada producirá remoción rápida del metal y a la inversa con una corriente baja.

5 Esquema de las reacciones Electro-Químicas

6 VENTAJAS DEL ECM El maquinado electroquímico ha sido uno de los procesos para trabajar metales que ha permitido maquinar los de la era espacial. Algunas de sus características y ventajas son: Se puede maquinar un metal de cualquier dureza. No se genera calor durante el maquinado y, por lo tanto, no hay deformación de la pieza de trabajo. En el ECM no hay rotación de la herramienta. El desgaste del electrodo (herramienta) es insignificante porque nunca toca la pieza de trabajo. Debido a que el electrodo nunca toca la pieza de trabajo se pueden maquinar secciones delgadas y frágiles sin deformación. La pieza de trabajo queda libre de rebabas. Es fácil producir piezas de trabajo, las formas complejas, cuyo maquinado es difícil con otros procesos. El ECM es adecuado para trabajo de producción en donde hay que hacer agujeros o cavidades múltiples al mismo tiempo.

7 Esmerilado o rectificado electroquímico Esta técnica combina el maquinado electroquímico con el rectificado normal. Aquí se remueve el material de la superficie de la pieza de trabajo con una combinación de la acción electroquímica y una rueda abrasiva con aglutinación metálica (en el proceso se remueve metal por una combinación de energía eléctrica y química). Alrededor del 90% del metal se desprende de la superficie de la pieza con la acción electroquímica y el 10% restante lo barre la rueda abrasiva.

8 VENTAJAS El esmerilado electroquímico tiene muchas ventajas sobre los métodos convencionales. 1. Reduce los costos de las ruedas abrasivas; en especial las de diamante con aglutinación metálica porque solo remueve un 10% del material con la rueda. 2. Se elimina una elevada proporción del material en relación con el desgaste de la rueda. 3. No se genera calor durante el esmerilado; por lo tanto, la pieza no se quema ni sufre deformación. 4. No se producen rebabas, que se deban eliminar con operaciones adicionales. 5. Se pueden cortar piezas de trabajo delgadas y frágiles porque la rueda nunca toca la pieza de trabajo. 6. Se pueden esmerilar con rapidez y facilidad el carburo de tungsteno y las aleaciones superduras. 7. Se pueden cortar metales raros, como el circonio, berilio y otros, sin que importe su dureza, fragilidad o sensibilidad térmica. 8. No se crean esfuerzos en la pieza de trabajo. 9. No ocurre endurecimiento de la pieza de trabajo durante este proceso

9 Fresado electroquímico

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11 Maquinado por descarga eléctrica (EDM) Es un proceso particularmente útil en la fabricación de formas complejas en materiales de alta dureza o que no pueden ser cortados por métodos tradicionales o en situaciones con altas exigencias de precisión. El principio básico del EDM es la producción de una serie de rápidas e intensas descargas eléctricas, generadas con gran precisión entre una pieza de material conductor y un electrodo en un medio dieléctrico fluido. rápidamente alcanza temperaturas entre los 8,000 y 12,000 grados centígrados. El material erosionado se resolidifica en el dieléctrico en forma de pequeñas esferas y es removido por el dieléctrico.

12 La tasa de remoción de metal es una función de la densidad de corriente. Empíricamente se a demostrado que disminuye para metales de mayor punto de fusión. La electroerosión se puede utilizar en cualquier material que sea conductor eléctrico y la dureza, tenacidad y resistencia del material no influyen sobre la velocidad de remoción. Para controlarla, se puede variar la frecuencia de descarga o la energía por descarga así como el voltaje y la corriente. Entre las aplicaciones más típicas se encuentra la producción de cavidades de matrices para componentes grandes de carrocerías automotrices. Se pueden lograr cortes y formado de partes muy complicadas con materiales duros. Mediante centros de maquinado controlados numéricamente se pueden lograr grandes producciones con alta precisión y repetibilidad aunque las herramientas y equipos son costosos. También se usa como proceso de rectificado y corte, pero para tener una producción económica a gran escala, el acabado superficial no debe ser muy fino. los dos tipos básicos son: El proceso EDM de corte por penetración (Die-Sinking EDM) El proceso EDM de corte por hilo (Wire EDM).

13 EDM de corte por penetración (Die-Sinking EDM)

14 EDM de corte por hilo (Wire EDM). Consiste en un hilo conductor muy delgado que circula constantemente a través de la pieza desde una bobina, en forma parecida una sierra de banda. Este proceso típicamente se realiza en un baño de agua. La trayectoria del hilo es controlada usualmente por computadora, lo que permite producir formas muy complejas. Las chispas de descarga funcionan como dientes de corte. El alambre suele ser de cobre o tungsteno no y debe tener la resistencia tensil y tenacidad suficiente, así como gran conductividad eléctrica y capacidad de arrastrar los desechos producidos durante el corte.

15 El hilo metálico suele ser fabricado de cobre, latón, zinc, etc. con diámetros que oscilan entre los 0.05 mm y 0.33 mm o de tungsteno para hilos de mm (el grosor del cabello humano suele ser de unos mm). El EDM permite maquinados sobre materiales exóticos ampliamente utilizados en las industrias aeronáutica y aeroespacial, como son el Hastelloy, Nitralloy, Waspaloy y el Nimonic 1. Las máquinas de electroerosión con alambre de última generación poseen controles computarizados para regular la trayectoria de corte del alambre, tienen varios cabezales para cortar varias piezas simultáneamente e incluyen funciones de control para evitar la ruptura del alambre. Estas máquinas son extremadamente caras pero poseen la capacidad de cortar placas de hasta 30 cm de espesor. Otras variantes del EDM son el taladrado rápido de agujeros por electroerosión y el proceso de micromecanizado por electroerosión (Micro-EDM). Este último método es de gran importancia en la fabricación de hojas para turbinas en la industria aeronáutica y en la fabricación de diversas componentes para sistemas de inyección de combustible diesel. 1 Harry C. Moser. When do you need EDM? - electrical discharge machining - Emphasis: Electrical Discharge Machining. Modern Machine Shop. FindArticles.com. 30 Mar

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17 Maquinado con rayo Láser. (LBM, por sus siglas en ingles) En este caso, la energía proveniente de una fuente láser se concentra sobre la superficie fundiendo y evaporando de forma controlada la pieza. Los parámetros relevantes son la reflectividad y la conductividad térmica de la pieza, así como sus calores específicos y latentes de fusión y evaporación. El maquinado con rayo láser se usa para taladrar y cortar metales, materiales no metálicos, cerámica y materiales compuestos y pueden cortar placas hasta de 32 mm. También se usan para soldar, para hacer tratamientos térmicos localizados y para marcar partes. Esta técnica se usa cada vez más en las industrias automotriz y electrónica compitiendo con el maquinado por electroerosión.

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21 Maquinado hidrodinámico El corte con chorro de agua (en inglés WJC) usa una corriente fina de agua a alta presión y velocidad dirigida hacia la superficie de trabajo para producir un corte. Para obtener una fina corriente de agua, se usa una pequeña abertura de boquilla de un diámetro de a In (0.1 a 0.4 mm). A fin de que la corriente tenga la energía suficiente para cortar se usan presiones hasta de lb/in (400 Mpa), y el chorro alcanza velocidades hasta de 3000 pies/seg (900 m/seg). Una bomba hidráulica presuriza el fluido al nivel deseado. La unidad de boquilla consiste en un soporte y una boquilla de joya. El soporte está hecho de acero inoxidable y la boquilla de Zafiro, rubí o diamante. En el WJC deben usarse sistemas de filtración para separar las virutas producidas durante el proceso. Los fluidos de corte en ese sistema son soluciones de polímeros, las cuales se prefieren debido a que tienden a producir una corriente coherente.

22 Los parámetros de proceso importantes en el WJC incluyen la distancia de separación, el diámetro de abertura de la boquilla, la presión del agua y la velocidad de avance del corte. La distancia de separación es la abertura entre la boquilla y la superficie de trabajo. En general, se prefiere que esta distancia sea mínima para reducir la dispersión de la corriente del fluido antes de que golpee la superficie. Una distancia de separación normal es de 1/8 de In. (3.2 mm). El tamaño del orificio de la boquilla afecta la precisión del corte; las aberturas más pequeñas se usan para cortes más finos sobre materiales más delgados. Para cortar materia prima más gruesa se requieren corrientes de chorro más densas y mayores presiones. La velocidad de avance del corte se refiere a la velocidad a la que se mueve la boquilla a lo largo de la trayectoria de corte. La velocidad de avance típica varía desde 12 in/min (5mm/seg) hasta 1200 in/min (500mm/seg), dependiendo del material de trabajo y su grosor. Por lo general, el WJC se hace en forma automática usando un control numérico computarizado o robots industriales para manipulación de la unidad de boquilla a lo largo de la trayectoria deseada.

23 Es adecuado para materiales flexibles (ya que no se producen flexiones) y las rebabas producidas son muy pequeñas. La pieza se humedece muy poco y puede iniciarse el corte en cualquier lugar sin necesidad de un hueco pretaladrado. La mayor ventaja de esta tecnología en comparación con otros procesos de separación es que se trata de un proceso de corte en frío. Este proceso tecnológico se utiliza preferentemente allí donde cortar, mecanizar con levantamiento de virutas o con procesos térmicos arrojan resultados de corte de calidad insuficiente. Al contrario que en los procesos de corte térmico, los materiales cortados con chorro de agua no sufren ninguna tensión térmica al ser cortados, de tal forma que ni se produce endurecimiento ni torsión de la superficie así como tampoco una fusión goteante o emisiones de gas. Para metales con recubrimiento de plástico, el corte por chorro de agua es, con frecuencia, el único proceso conveniente dado que no se produce ningún cambio superficial negativo. Gran precisión hace superfluo el corte posterior. Elevadas velocidades de corte. Ventajas Seguro para operarios y medio ambiente no se crean ni vapores, ni polvo de material.

24 Corte con chorro de agua abrasiva. Cuando se usa un WJC sobre partes metálicas, por lo general deben agregarse partículas abrasivas a la corriente a chorro para facilitar el corte. Por tanto este proceso se denomina corte con chorro de agua abrasiva (en inglés AWJ). La incorporación de las partículas abrasivas al flujo complica el proceso porque aumenta la cantidad de parámetros que deben controlarse. Entre los parámetros de proceso adicionales están el tipo de abrasivo, el tamaño del esmeril y la velocidad de flujo. Entre los materiales abrasivos comunes están el óxido de aluminio, el dióxido de silicio y el granate (un mineral de silicato); los tamaños del esmeril varían entre 60 y 120. Las partículas abrasivas se agregan a la corriente de agua a aproximadamente 0.5 lb/min (.23 Kg/min).

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26 Maquinado con haz de electrones La fuente de energía está formada por electrones de alta energía que chocan con la superficie de la pieza y generan calor. Se usan voltajes del orden de los 100kV para llevar a los electrones a velocidades de casi el 80% de la velocidad de la luz y se enfocan a través de un lente magnético sobre la superficie de trabajo. El lente es capaz de reducir el área del haz a un diámetro tan pequeño como mm. Al chocar contra la superficie, la energía cinética de los electrones se convierte en energía térmica de una densidad muy alta, la cual funde o vaporiza el material en un área localizada En términos de aplicaciones es muy parecido al maquinado por rayo láser con la diferencia que necesita de un vacío.

27 Este proceso realiza cortes muy exactos para una amplia gama de metales. Como se mencionó antes, tiene la gran desventaja de necesitar de un vacío para trabajar. También es importante resaltar que la interacción del haz de electrones con la superficie produce rayos X los cuales son perjudiciales. Por tanto, estas máquinas deben ser manipuladas por personal altamente calificados. El maquinado con haz de electrones se usa para diversas aplicaciones de corte de alta precisión sobre cualquier material conocido, las cuales incluyen el taladrado y el corte de ranuras.

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