3. MECANIZADO NO TRADICIONAL

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1 3. MECANIZADO NO TRADICIONAL 3.1. PROCESOS MECÁNICOS Mecanizado hidrodinámico (HDM) El funcionamiento de este sistema, también conocido como water-jet, se basa en el corte debido a la acción de un delgado chorro de agua (0,5 mm) o un fluido acuoso con aditivos. Este flujo es expelido a través de una tobera a una alta presión (más de 690 Mpa) y gran velocidad chocando contra el material y cortándolo por efectos erosivos. El agua es comprimida mediante un intensificador hidráulico y posteriormente es llevada a un estanque de almacenamiento para evitar pulsaciones en el flujo. Desde este estanque se extrae el fluido necesario para el trabajo de la máquina. Bajo la pieza maquinada debe existir un sistema de drenaje para eliminar el agua ocupada. En la figura se puede ver un esquema de una máquina de este tipo. Figura : Esquema de flujo en el mecanizado hidrodinámico 3-1

2 Figura : Detalle de boquilla y chorro de agua En la figura se aprecia la posición y distancia a la pieza a la que se debe encontrar la tobera de modo de producir una delgada franja de corte. Las toberas se fabrican con materiales muy duros debido al desgaste al que se ven sometidas. También se han desarrollado estas puntas de toberas en forma de pastillas intercambiables fabricadas con carburo de tungsteno o con recubrimientos especiales. La vida útil de estas pastillas fluctúa entre 250 y 500 horas. Para controlar el funcionamiento de estas máquinas existen sistemas de trazado óptico y también sistemas de control numérico. En general la tobera se mantiene fija y la mesa de trabajo se mueve para lograr las diversas formas de corte. Aplicaciones En general se usa este sistema para obtener cortes limpios, precisos y fríos en materiales blandos y suaves, generalmente planchas que pueden estar apiladas. La calidad superficial obtenida y el acabado en los bordes son buenos. La velocidad de corte y la capacidad de cortar materiales más duros, como el acero se ha visto aumentada en la medida en que se mejora la tecnología, permitiendo en el chorro velocidades y presiones mayores. 3-2

3 Mecanizado ultrasónico Ultrasonic Machining (USM) También llamado Mecanizado ultrasónico abrasivo, este método remueve material de la pieza dejando una forma especifica en ella. Esto ocurre cuando la herramienta vibra, al penetrar la pieza, a altas frecuencias en un medio abrasivo, en línea con su eje longitudinal (Ver figura ). El fluido abrasivo es recirculado desde la zona de corte y en este camino se enfría. Figura : Esquema de funcionamiento del mecanizado ultrasónico Como material para las herramientas suele usarse acero, acero inoxidable 303, molibdeno y otros. En general se prefieren materiales dúctiles. La forma de la herramienta es importante para optimizar la vibración y evitar que la herramienta absorba energía. La forma de la punta también influirá en la distribución del material abrasivo contra la pieza trabajada. Esta punta nunca toca la pieza, sólo mueve el material abrasivo que remueve el material. 3-3

4 En cuanto a los materiales abrasivos, se usan partículas extremadamente duras como diamante, nitruro cúbico de boro, carburo de boro, carburo de silicio y óxido de aluminio. Entre ellos el carburo de boro es el más usado. El equipo en sí tiene distintas variantes, existen dispositivos que pueden ser usados en otras máquinas herramientas, actuando como cabezas cortantes. También existe la posibilidad de usarlos en tornos como una variante de la herramienta de corte tradicional, aumentando la versatilidad de dicha máquina. La potencia de estos equipos fluctúa generalmente entre 200 y 2400 W, la potencia influye sobre el área máxima de la herramienta a utilizar y por ende, en la cantidad de material removido. La fuente de vibración en estos sistemas convierte potencia de baja frecuencia (60 Hz) en potencia de alta frecuencia ( Hz). Los elementos más importantes del transductor son un electromagneto y una pila de placas de níquel, cuya longitud varía en respuesta al campo magnético alternado. Aplicaciones El mecanizado ultrasónico es apropiado para materiales blandos y duros de todo tipo, metálicos, no metálicos, cerámicos o compuestos. Se usa para producir perforaciones, cavidades y formas irregulares cuya complejidad sólo está limitada por la variedad de formas disponibles para las herramientas. La razón de profundidad-diámetro es baja, generalmente de 3:1. Dependiendo del abrasivo se pueden procesar materiales como el carburo de tungsteno, cerámicas de alta densidad, duros compuestos sinterizados, piedras preciosas, minerales, etc Mecanizado Ultrasónico Rotatorio Rotary Ultrasonic Machining (RUM) Este sistema combina la vibración axial a altas frecuencias (20 khz) con la rotación a velocidades de alrededor de 5000 rpm. Esta combinación se usa para mejorar el desempeño del taladrado, corte, fresado o roscado de materiales que muestran dificultades en el mecanizado normal. A diferencia del mecanizado ultrasónico, en el RUM se usan herramientas de diamante que tienen contacto directo con la pieza maquinada. En cuanto al equipo usado, éste se parece bastante al del sistema USM, pero no requiere ningún sistema de recirculación del líquido abrasivo. Existen equipos en una variada gama de configuraciones y también se fabrican compactos equipos portátiles. 3-4

5 Figura : Roscado ultrasónico Aplicaciones Actualmente las aplicaciones de este procedimiento están limitadas por el tamaño de la herramienta. Ésta no puede se muy grande ni muy pesada, ya que debe tener una frecuencia natural de oscilación de aproximadamente 20 khz. Al aumentar el peso o tamaño, esta propiedad se ve afectada y la herramienta pierde su capacidad oscilatoria. En general materiales como el aluminio, compuestos de boro, cuarzo, circonio, rubí, se pueden trabajar perfectamente con RUM. En especial los materiales compuestos y los sinterizados encuentran una mejor forma de mecanizado con este sistema, ya que generalmente se los maquinaba antes del cocido, en que siempre se producen encogimientos que afectan la calidad dimensional final de la pieza. Se obtienen excelentes resultados en la perforación de agujeros profundos de pequeño diámetro en materiales duros, verificándose aumentos en la velocidad de corte y en las condiciones de operación en general. En el roscado (ver figura ) se mantiene estática la herramienta y se hace girar la pieza alrededor de ella a una velocidad de 4 rmp. El mecanizado ultrasónico rotatorio tiene importantes aplicaciones en campos de alta tecnología, como por ejemplo electrónica, sistemas láser, materiales para reactores nucleares, perforado de materiales compuestos para la aviación, prototipos y modelos en materiales duros, etc.. 3-5

6 Mecanizado Asistido por Medios Ultrasónicos Ultrasonically Assisted Machining (UAM) Para aumentar la velocidad de corte y la capacidad de mecanizado de materiales duros en las máquinas herramienta tradicionales, se han ideado sistemas que añaden vibración a los portaherramienta y taladros convencionales. Aplicaciones en el Torno En el torno este sistema permite maquinar materiales que bajo condiciones normales presentan serios problemas, como mulita de baja densidad. En algunos materiales se ha conseguido disminuir las fuerzas de torneado en un 30-50%, con una notoria mejoría en la calidad del acabado, condiciones de corte y formación de viruta. Bajo ciertas condiciones el torneado ultrasónico ha mostrado que puede aumentar las razones de corte con factores de cuatro en aluminio, dos a tres en aceros y aleaciones de titanio y de cinco en acero ESR Estas condiciones también se ven mejoradas en el mecanizado de materiales no metálicos como el silicato de magnesio que ve aumentada su velocidad de corte en cuatro veces. En la figura se puede ver una configuración típica de este sistema montado en un torno tradicional. Figura : Torno con herramienta de ultrasonido 3-6

7 Aplicaciones en el Taladro En algunos casos la aplicación de esta tecnología al taladro, reduce el torque y las fuerzas en la herramienta. El esfuerzo de corte bajó en un 30% en el caso del cobre y acero y en un 54% al maquinar titanio. El torque experimentó reducciones de 25% en el caso de acero, 50% para titanio y 65% para aleaciones de aluminio. La viruta es removida con mayor eficiencia, reduciéndose las retracciones periódicas de la broca. Por ejemplo al taladrar titanio se logran profundidades del orden de dos a cuatro veces el diámetro de la broca, añadiendo vibración, esta relación se duplica. Por otra parte se ha determinado experimentalmente que la broca muestra un desgaste parejo del filo principal cuando se usa la vibración ultrasónica, cuando no se usa el desgaste se concentra en la periferia externa de la broca Mecanizado Electromecánico Electromechanical Machining (EMM) El mecanizado electromecánico es un proceso no tradicional que se encuentra aún en una etapa experimental y mejora las capacidades de operación de máquinas tradicionales como el taladro y el torno. La forma en que se procede es la normal usando herramientas y máquinas convencionales, pero la pieza de trabajo se polariza electroquímicamente. Se aplica un voltaje en la interfase entre la pieza a mecanizar y un electrolito. En el torneado, la superficie de la pieza se mantiene mojada con el electrolito y en operaciones de taladrado, la pieza se sumerge en el electrolito. El principio en que se basa el mecanizado electromecánico es la serie de características que adquiere la superficie a mecanizar cuando se controla el voltaje aplicado. Al ejercer un acabado control sobre las variables que afectan al proceso, se puede lograr que la superficie del material cambie desde un estado pasivo, con una capa de óxido en la superficie, a un estado activo de lenta disolución o reducción de hidrógeno, en que la superficie descarga iones de hidrógeno. De acuerdo a este fenómeno se puede aprovechar el hecho de que los materiales duros se cortan con mayor facilidad cuando su superficie se encuentra en la región de disolución activa, en la cual el material se suaviza. Por otra parte los materiales más blandos se cortan más fácilmente cuando la superficie de la pieza es pasiva. En este estado la superficie se endurece por la presencia de la capa de óxido, que además reduce la fricción durante el corte. 3-7