Tema 4.2. Tecnologías de mecanizado no convencionales

Transcripción

1 Tema 4.2. Tecnologías de mecanizado no convencionales Contenido 1. Introducción Tipos de procesos Mecanizado químico (CHM) Mecanizado electroquímico (ECM)... 4 A. Configuraciones de herramienta Rectificado electroquímico Mecanizado por descarga eléctrica o electroerosión (EDM)... 7 A. Comparación con métodos anteriores... 8 B. Comparación con mecanizado convencional Mecanizado por láser (LBM)... 9 A. Propiedades del material a tener en cuenta en el mecanizado por láser... 9 B. Parámetros del láser a tener en cuenta en el mecanizado por láser Mecanizado por haz de electrones (EBM) A. Ventajas del mecanizado por láser frente a mecanizado por haz de electrones B. Ventajas de mecanizado por haz de electrones frente a mecanizado por láser Mecanizado por chorro de agua A. Mecanizado por chorro abrasivo Resumen de técnicas no convencionales A. Tolerancias y acabado superficial B. Aplicaciones de los mecanizados no convencionales

2 1. Introducción Problemas en el mecanizado convencional y por tanto, razones que dan lugar a tecnologías de mecanizado no convencionales: 1. Piezas con geometrías complejas requieren muchas etapas y tiempo. Puede ser porque la relación diámetro-longitud del taladro sea muy pequeña, porque los perfiles sean muy complejos con ángulos cerrados. 2. Piezas con elevada dureza: Materiales con una dureza mayor a 400 HB (Dureza Brinell) no se pueden mecanizar por mecanizado convencional porque no se tienen herramientas tan duras (la herramienta tiene que ser más dura que el material). 3. Materiales frágiles están sometidos a altas tensiones y puede romper o materiales con excesiva deformación plástica. 4. La temperatura aumenta en el proceso de mecanizado. Si aumenta mucho, se producen cambios dimensionales provocan que no se puedan conseguir tolerancias y acabados muy precisos. No se pueden conseguir tolerancias ni acabados muy precisos (bajo control dimensional). 2. Tipos de procesos Se tiene 2 grupos de procesos: 1. Procesos químicos y electroquímicos: Dentro de estos se distingue entre: a. Mecanizado electroquímico (ECM): Se basa en la aplicación de una descarga eléctrica. b. Mecanizado químico (CHM): Disolver el material con un agente químico. 2. Procesos térmicos no convencionales: Se distinguen: a. Mecanizado por descarga eléctrica (EDM): b. Mecanizado por haz de electrones (EBM): c. Mecanizado por láser (LBM): d. Mecanizado por plasma (PBM): e. Mecanizado por haz de iones (IBM): La diferencia principal entre estas técnicas es en la partícula o en el mecanismo que se tiene para arrancar el material de la superficie. 2

3 3. Mecanizado químico (CHM) Se basa en sumergir el material que se quiere mecanizar en una solución que ataca el material de la pieza, eso es, que lo disuelve. Generalmente se utilizan ácidos y soluciones alcalinas, también conocidos como disoluciones químicas reagents o etchants. Se introduce el material en una disolución química en la que se produce la eliminación del material por disolución selectiva. El problema es que toda la parte de la pieza que no esté protegida, será atacada por la disolución. Para ello, se emplean máscaras que protegen las zonas que no se quieren mecanizar. No obstante, parte del material por debajo de la máscara también será disuelto. Para conseguir un mecanizado uniforme y no haya zonas localizadas de mecanizado, es necesario mantener una agitación en la disolución para que circule por toda la pieza. Se controla el espesor de mecanizado con el tiempo de residencia y la agitación. Se utiliza para hacer mecanizados superficiales (no se pueden conseguir profundidades muy altas). Se utiliza para aligerar componentes estructurales. Es muy importante limpiar bien la superficie antes y después del mecanizado, ya que si quedan restos del agente químico, la superficie seguirá mecanizando. 3

4 Ilustración 1. Mecanizado químico (CM) 4. Mecanizado electroquímico (ECM) En el mecanizado electroquímico se tiene una pieza (es el ánodo, tiene que ser conductora, como un metal) y un electrodo con la forma negativa de la pieza (cátodo). Aplicando una diferencia de potencial entre el electrodo y la pieza se consigue una oxidación del material de la pieza (pila galvánica), pasando a estado oxidado. El material oxidado (cationes que salen del metal) se retira haciendo circular una corriente de un electrolito (sustancia conductora que se lleva el material oxidado disuelto o cationes). El electrodo controla la forma de la pieza (el negativo), mientras que la intensidad y el tiempo determinan la cantidad de material mecanizado (espesor que se elimina de la pieza). m α I t El electrodo tiene que ser más noble que el material de la pieza (metal) para que no se oxide. 4

5 Ilustración 2. Mecanizado electroquímico (ECM). Los parámetros no hay que sabérselos de memoria A. Configuraciones de herramienta a) El flujo del electrolito va por dentro de la herramienta. b) El flujo del electrolito va por fuera de la herramienta c) El flujo del electrolito puede ir por fuera de la herramienta y salir por dentro de la herramienta. d) El flujo del electrolito va por fuera de la herramienta y luego cruza por el hueco entre la herramienta y la pieza, ya que la herramienta es maciza. 5

6 Ilustración 3. Para mecanizado electroquímico se suelen utilizar soluciones alcalinas para todos los tipos de aleaciones. Potenciales, corrientes y tiempos suelen ser comunes para todos. No hay que saber de memoria. 5. Rectificado electroquímico Es similar al mecanizado electroquímico, pero se combina con rectificado. En este caso, se tiene una rueda o disco que tiene abrasivos. El rectificado convencional consta de un disco con abrasivos (carburos, diamante, etc.) que va girando y se va comiendo la superficie de la pieza con la que se pone en contacto. En el rectificado electroquímico, se tiene una diferencia de potencial entre la herramienta y la pieza. A diferencia del rectificado convencional, el material no se elimina por rozamiento o fricción del abrasivo con la pieza, se elimina por la diferencia de potencial (consiguiendo que se disuelva material de la pieza, eso es disolución electroquímica). Funciones del abrasivo en rectificado electroquímico: (IMPORTANTE) 6

7 1. El abrasivo sirve de aislante eléctrico para que no se produzcan arcos y chispas entre la pieza y la herramienta. 2. El abrasivo gira para eliminar los productos electrolíticos del área de trabajo, eso es, retira los cationes o material disuelto. Características: Las velocidades de corte son muy altas ( m/min en mecanizado convencional), eso es, son más rápidos que los convencionales. Se consiguen superficies con buen acabado superficial y tolerancias dimensionales exigentes. Ilustración 4. Rectificado electroquímico 6. Mecanizado por descarga eléctrica o electroerosión (EDM) Se tiene una herramienta y la pieza (ambos conductores eléctricos). Se aplica una diferencia de potencial entre la herramienta y la pieza, haciendo pasar un dieléctrico (aislante) entre ambos. Cuando la pieza y la herramienta están a una determinada distancia (se van acercando desde una distancia inicial entre ambos), se produce una chisca o descarga eléctrica entre la pieza y la herramienta. Esa chispa o descarga es la que va a arrancar material de la pieza, el cual será eliminado por un flujo del dieléctrico. 7

8 Eliminación de material por descarga eléctrica: se produce un arco eléctrico o chispa cuando pieza y herramienta están lo suficientemente cerca (se acercan ambos). El material se retira con el flujo de un dieléctrico (fluido con una constante dieléctrica alta). La cantidad de material arrancado depende de la intensidad de corriente y de la temperatura de fusión del material. A mayor temperatura de fusión, más lento es el mecanizado. MRR = ,23 I T f A. Comparación con métodos anteriores Los 3 procesos anteriores (mecanizado electroquímico, rectificado electroquímico y mecanizado por descarga eléctrica) logran un mecanizado superficial, eso es, las profundidades del mecanizado no son muy elevadas. A pesar de ello, en el electroquímico y en el de descarga eléctrica, con el diseño de la herramienta se pueden conseguir mayores profundidades que en el mecanizado químico (este es el más superficial). No obstante, siempre el material que se elimina será el cercano a la herramienta. B. Comparación con mecanizado convencional Si se compara mecanizado convencional con mecanizado con descarga eléctrica, en el convencional se necesitan 12 etapas y en el mecanizado con descarga eléctrica, 4. El tiempo con el de descarga eléctrica es la mitad que el tiempo con el mecanizado convencional. Los procesos de mecanizado no convencionales son procesos más rápidos y que permiten mecanizar con menos etapas. 8

9 7. Mecanizado por láser (LBM) El láser calienta el material, aumenta la temperatura en un punto y producir ablación o eliminación del material. El diámetro del haz del láser es muy pequeño, por lo que se pueden hacer cavidades de gran profundidad y pequeño diámetro. Se consiguen tolerancias buenas (exigentes). El tiempo de mecanizado depende de una constante (calor específico), de la potencia (va a determinar la profundidad del mecanizado), de la velocidad de mecanizado y del diámetro del haz del láser (determina la anchura de la mecanización). t = C P v d A. Propiedades del material a tener en cuenta en el mecanizado por láser 1. Reflectancia (R): Si un material refleja más, es más difícil mecanizar. Eso es porque no absorbe la energía y no se puede eliminar el material. 2. Calor específico (C) y Conductividad térmica (K): A mayor conductividad térmica, mayor disipación del calor y más lento se va a producir el mecanizado (más difícil mecanizar). A mayor calor específico, se consume más energía para lograr el mecanizado (se dificulta el mecanizado). Interesa una baja conductividad térmica y un bajo calor específico. 9

10 3. Difusividad térmica (k): A mayor difusividad térmica, mayor dificultad para mecanizar. 4. Calor latente de fusión (Lf) y evaporación (Lv): A mayor calor latente de evaporación o fusión, más difícil es mecanizar. B. Parámetros del láser a tener en cuenta en el mecanizado por láser 1. Longitud de onda (λ): A menor longitud de onda, mayor potencia de mecanizado (mayor velocidad de mecanizado). 2. Fluencia, F (J): Es la energía. 3. Funcionamiento continuo o pulsado (frecuencia, f): Un láser pulsado da más potencia, y por lo tanto, es más rápido (mayor mecanizado) que un funcionamiento continuo. 4. Diámetro del haz (φ): 5. Duración del pulso (τ): 10

11 8. Mecanizado por haz de electrones (EBM) Se genera un haz de electrones por emisión termoiónica. Se tiene un filamento de wolframio que emite electrones. Los electrones son acelerados por campos magnéticos y colmados o concentrados para que incidan en un determinado diámetro en la superficie del material que se quiere mecanizar (mucha energía concentrada en una región pequeña). Se utiliza para aplicaciones microelectrónicas. Se consiguen superficies muy brillantes debido a que tienen una baja rugosidad superficial. Las tolerancias conseguidas son muy bajas (alta precisión). Los problemas de este método son: a) Se emiten rayos X, por lo que se requiere personal cualificado. b) El recorrido libre medio de los electrones: camino capaz de recorrer la partícula sin ser dispersada por otra (lo que es capaz de recorrer la particular sin chocar con nada y sin desviarse de su trayectoria). Por ello, se necesita que en el medio no haya nada, eso es, que haya vacío (10 4 bar). A. Ventajas del mecanizado por láser frente a mecanizado por haz de electrones No se necesita vacío. 11

12 No se produce nada perjudicial (no se emiten rayos X). No se necesita personal tan cualificado con en electrones. B. Ventajas de mecanizado por haz de electrones frente a mecanizado por láser Se consiguen profundidades mayores para unas mismas relaciones de profundidaddiámetro de haz con respecto al mecanizado por láser. 9. Mecanizado por chorro de agua Se lanza un chorro de agua a presión y se mecaniza el material (mecanizado hidrodinámico). Se restringe para materiales como plásticos, telas, gomas, productos de madera, etc. En principio, materiales que tengan muy poco espesor. Cualquier otra cosa no se puede mecanizar por chorro de agua. Las presiones no son muy altas, alrededor de 400 MPa, pudiendo llegar hasta 1400 MPa. El diámetro del chorro será de 0,05 a 1 mm. Se empleará para materiales no metálicos. A. Mecanizado por chorro abrasivo Al agua empleada en el mecanizado hidrodinámico se le puede añadir partículas abrasivas. No obstante, se puede emplear aire o agua con el cual se proyectan partículas abrasivas a presión. Se consiguen mayores presiones debido a las partículas. No obstante, sigue la limitación para piezas con poco espesor y de no elevada dureza. 12

13 Se puede emplear para materiales metálicos y no metálicos. 10. Resumen de técnicas no convencionales A. Tolerancias y acabado superficial Tolerancias geométricas muy elevadas en tecnologías de mecanizado convencionales respecto a las no convencionales. Se darán mejores tolerancias y mejores acabados en mecanizado no convencional. Las mejores tolerancias geométricas son con mecanizado por plasma. El acabado superficial con electropulido, métodos químicos y electroquímicos son los mejores. 13

14 B. Aplicaciones de los mecanizados no convencionales 14

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