Mecanizado por Ultrasonidos: Guía Completa

Mecanizado por Ultrasonidos

Introducción

El mecanizado por ultrasonidos es un proceso mecánico de arranque de material que se utiliza para erosionar agujeros o cavidades en piezas de gran dureza (> 60 HRC) o fragilidad. Este proceso se basa en el uso de herramientas de forma con movimientos mecánicos de alta frecuencia (20 kHz) y la ayuda de un abrasivo.

Características

• La forma de la herramienta se reproduce en la pieza mecanizada.
• La herramienta puede ser de un material más blando que el material a mecanizar.
• No es un proceso químico, térmico ni eléctrico, por lo que el material no altera sus propiedades.
• La velocidad del proceso se mide como el volumen de material arrancado en la unidad de tiempo.

Mecanismo de Arranque de Material

Existen tres efectos combinados que producen el arranque del material:

1. Golpeteo de las partículas de abrasivo: Debido a la vibración de la herramienta, las partículas de abrasivo golpean la superficie del material.
2. Micromecanizado: Las partículas de abrasivo en movimiento libre, impulsadas por el fluido, generan un efecto de micromecanizado.
3. Cavitación: El fluido que conduce el abrasivo, junto con el posible efecto químico de algún fluido, produce cavitación.

Sistema

Un transductor transforma la energía eléctrica de una fuente de potencia (0,5 – 3 kW) en una vibración vertical. Esta vibración se amplifica mediante una trompa (reducción progresiva de área) y se transmite a la herramienta. La trompa se fabrica en acero inoxidable, bronce, aluminio o monel (aleación de Ni-Cu). La herramienta se fabrica en acero aleado, inoxidable o bronce.

Existen dos tipos de transductores:

• Piezoeléctricos: Aprovechan las propiedades de materiales como el cuarzo, que al ser excitados por una corriente eléctrica aumentan su tamaño y lo recuperan al retirar la corriente.
• Magnetoestrictivos: Formados por láminas metálicas de una aleación de Ni que cambian su longitud en presencia de un campo magnético.

Abrasivo

• Debe tener mayor dureza que el material a mecanizar.
• Se utilizan óxido de aluminio, carburo de boro o de silicio, suspendidos en agua o aceite.

Máquina

Las máquinas de mecanizado por ultrasonidos utilizan transductores piezoeléctricos o magnetoestrictivos que transforman las variaciones cíclicas en la carga o en el campo magnético en ciclos de dilatación y contracción del material.

Precisión

• Depende principalmente del tamaño de las partículas de abrasivo. Un tamaño pequeño implica un mejor acabado.
• La precisión y el acabado también mejoran al disminuir la velocidad de avance de la herramienta y la profundidad de la cavidad.
• El acabado de la cara frontal de la herramienta suele ser mejor que el de los laterales.
• Las irregularidades en las caras inferiores planas se deben a distribuciones no uniformes del abrasivo.
• Para evitar la conicidad en las cavidades, se recomienda inyectar el abrasivo por el centro de la herramienta.
• El uso de aceite como fluido mejora el acabado, pero reduce la velocidad de arranque de material.
• Se pueden obtener tolerancias en agujeros del orden de milésimas de milímetro.

Inconvenientes

• Dificultad para que el abrasivo llegue al frente de la herramienta en cavidades profundas. El rendimiento disminuye con la profundidad.
• El abrasivo puede erosionar las paredes de la cavidad y la herramienta, dificultando el logro de tolerancias estrechas.
• Bajo volumen de material arrancado en la unidad de tiempo.
• Limitación en el tamaño de la herramienta (menos de 100 mm de diámetro).

Aplicaciones

• Mecanizado y pulido final de moldes metálicos.
• Mecanizado de agujeros ciegos o pasantes de pequeño diámetro (0,076 mm) en materiales cerámicos no conductores.
• Mecanizado simultáneo de varios agujeros en vidrio o aluminio.
• Mecanizado en varias etapas de álabes de turbina en material cerámico (Si3N4).