El mecanizado ultrasónico es un proceso de fabricación sustractivo que elimina material de la superficie de una pieza mediante vibraciones de alta frecuencia y baja amplitud de una herramienta contra la superficie del material en presencia de partículas abrasivas finas. La herramienta se desplaza vertical u ortogonal a la superficie de la pieza en amplitudes de 0,05 a 0,125 mm (0,002 a 0,005 pulg.). [1] Los granos abrasivos finos se mezclan con agua para formar una lechada que se distribuye por la pieza y la punta de la herramienta. Los tamaños de grano típicos del material abrasivo varían de 100 a 1000, donde los granos más pequeños (mayor número de granos) producen acabados superficiales más suaves. [1]
El mecanizado por vibración ultrasónica [2] se utiliza típicamente en materiales quebradizos , así como en materiales con una alta dureza debido a la mecánica de microfisuración.
Proceso
Un molino vibratorio ultrasónico consta de dos componentes principales, un transductor electroacústico y un sonotrodo , conectados a una unidad de control electrónico con un cable. Un oscilador electrónico en la unidad de control produce una corriente alterna que oscila a alta frecuencia , generalmente entre 18 y 40 kHz en el rango ultrasónico . El transductor convierte la corriente oscilante en una vibración mecánica. Se han utilizado dos tipos de transductores en el mecanizado ultrasónico; ya sea piezoeléctrico o magnetoestrictivo:
- Transductor piezoeléctrico
- Consiste en una pieza de cerámica piezoeléctrica , como el titanato de bario , con dos electrodos metálicos chapados en su superficie. La tensión alterna de la unidad de control aplicada a los electrodos hace que el elemento piezoeléctrico se doble ligeramente hacia adelante y hacia atrás, provocando que vibre.
- Transductor magnetoestrictivo
- Consiste en un cilindro de material ferromagnético como el acero dentro de una bobina de alambre. La magnetoestricción es un efecto que hace que un material cambie ligeramente de forma cuando cambia un campo magnético a través de él. La corriente alterna de la unidad de control, aplicada a la bobina, crea un campo magnético alterno en el cilindro magnetoestrictivo que hace que cambie ligeramente de forma con cada oscilación, provocando que vibre.
El transductor hace vibrar el sonotrodo a bajas amplitudes y altas frecuencias. [3] El sonotrodo generalmente está hecho de acero con bajo contenido de carbono. [1] Un flujo constante de lechada abrasiva fluye entre el sonotrodo y la pieza de trabajo. Este flujo de lechada permite que los desechos fluyan fuera del área de trabajo de corte. La lechada normalmente consiste en partículas abrasivas de carburo de boro, óxido de aluminio o carburo de silicio en una suspensión de agua (20 a 60% en volumen). [1] El sonotrodo elimina material de la pieza de trabajo por abrasión donde entra en contacto con él, por lo que el resultado del mecanizado es cortar un negativo perfecto del perfil del sonotrodo en la pieza de trabajo. El mecanizado por vibración ultrasónica permite cortar formas extremadamente complejas y no uniformes en la pieza de trabajo con una precisión extremadamente alta. [3]
El tiempo de mecanizado depende de la resistencia, dureza , porosidad y tenacidad a la fractura de la pieza de trabajo ; el material y el tamaño de las partículas de la lechada; y la amplitud de la vibración del sonotrodo. [3] El acabado superficial de los materiales después del mecanizado depende en gran medida de la dureza y la resistencia , y los materiales más suaves y débiles exhiben acabados superficiales más suaves. La inclusión de características de microgrietas y microcavidades en la superficie de los materiales depende en gran medida de la orientación cristalográfica de los granos de la pieza de trabajo y de la tenacidad a la fractura de los materiales . [4]
Material | Estructura cristalina | Densidad (g / cm 3 ) | Módulo de Young (Gpa) | Dureza estática (Gpa) | Tenacidad a la fractura, K Ic (MPa · m 1/2 ) | Velocidad de corte (μm / s) | R un (m) | R z (μm) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Alúmina | FCC / policristalino | 4.0 | 210–380 | 14-20 | 3-5 | 3.8 | 1,5 | 10,9 |
Circonita | Tetragonal / policristalino | 5.8 | 140–210 | 10-12 | 8-10 | 2.3 | 1,7 | 10,7 |
Cuarzo | Trigonal / monocristal | 2,65 | 78,3 | 16,0-15,0 | 0,54–0,52 | 8.4 | 1,5 | 9,6 |
Vaso de cal sodada | Amorfo | 2.5 | 69 | 6,3–5,3 | 0,53–0,43 | 26,5 | 2.5 | 14.0 |
Ferrito | Policristalino | - | ~ 180 | 6,8 | 1 | 28,2 | 1,9 | 11,6 |
LiF | FCC / monocristal | 2,43 | 54,6 | 0,95–0,89 | 1,5 | 26,5 | 0,8 | 4.6 |
Mecánica
El mecanizado por vibración ultrasónica opera físicamente mediante el mecanismo de microchip o erosión en la superficie de la pieza de trabajo. Dado que la lechada abrasiva se mantiene en movimiento mediante vibraciones de alta frecuencia y baja amplitud, las fuerzas de impacto de la lechada son significativas y provocan grandes tensiones de contacto. Estas altas tensiones de contacto se logran mediante la pequeña área de contacto entre las partículas de la lechada y la superficie de la pieza de trabajo. Los materiales quebradizos fallan por la mecánica del agrietamiento y estas altas tensiones son suficientes para hacer que se eliminen virutas de microescala de su superficie. El material en su conjunto no falla debido a las regiones de tensión extremadamente localizadas. La fuerza promedio impartida por una partícula de la lechada que impacta la superficie de la pieza de trabajo y rebota se puede caracterizar por la siguiente ecuación:
Donde m es la masa de la partícula, v es la velocidad de la partícula al golpear la superficie y t o es el tiempo de contacto, que se puede aproximar de acuerdo con la siguiente ecuación:
Donde r es el radio de la partícula, c o es la velocidad de onda elástica de la pieza de trabajo, E es el módulo de Young de las piezas de trabajo y ρ es la densidad de los materiales. [1]
Tipos
Mecanizado rotatorio por vibración ultrasónica
En el mecanizado por vibración ultrasónica rotatoria (RUM) , la herramienta de oscilación vertical puede girar alrededor de la línea central vertical de la herramienta. En lugar de utilizar una lechada abrasiva para eliminar el material, la superficie de la herramienta está impregnada de diamantes que muelen la superficie de la pieza. [1] Las máquinas ultrasónicas rotativas están especializadas en el mecanizado de cerámicas y aleaciones avanzadas como vidrio , cuarzo , cerámicas estructurales, aleaciones de Ti, alúmina y carburo de silicio . [5] Las máquinas ultrasónicas rotativas se utilizan para producir agujeros profundos con un alto nivel de precisión. [ cita requerida ]
El mecanizado por vibración ultrasónica rotatoria es un proceso de fabricación relativamente nuevo que todavía se está investigando exhaustivamente. Actualmente, los investigadores están tratando de adaptar este proceso al nivel micro y permitir que la máquina funcione de manera similar a una fresadora . [ cita requerida ]
Mecanizado por vibración ultrasónica asistido por productos químicos
En el mecanizado ultrasónico asistido por productos químicos (CUSM) , se utiliza un fluido abrasivo químicamente reactivo para garantizar un mayor mecanizado de materiales de vidrio y cerámica. Utilizando una solución ácida, como el ácido fluorhídrico, las características de mecanizado como la velocidad de eliminación de material y la calidad de la superficie se pueden mejorar en gran medida en comparación con el mecanizado ultrasónico tradicional. [6] Si bien el tiempo empleado en el mecanizado y la rugosidad de la superficie disminuyen con CUSM, el diámetro del perfil de entrada es ligeramente mayor de lo normal debido a la reactividad química adicional de la nueva elección de lechada. Para limitar el alcance de esta ampliación, el contenido de ácido de la lechada debe seleccionarse cuidadosamente para garantizar la seguridad del usuario y un producto de calidad. [6]
Aplicaciones
Dado que el mecanizado por vibración ultrasónica no utiliza métodos sustractivos que puedan alterar las propiedades físicas de una pieza de trabajo, como procesos térmicos, químicos o eléctricos, tiene muchas aplicaciones útiles para materiales que son más frágiles y sensibles que los metales de mecanizado tradicionales. [6] Los materiales que se mecanizan comúnmente utilizando métodos ultrasónicos incluyen cerámica, carburos, vidrio, piedras preciosas y aceros endurecidos. [1] Estos materiales se utilizan en aplicaciones ópticas y eléctricas donde se requieren métodos de mecanizado más precisos para garantizar la precisión dimensional y el rendimiento de calidad de materiales duros y quebradizos. El mecanizado ultrasónico es lo suficientemente preciso como para ser utilizado en la creación de componentes de sistemas microelectromecánicos como obleas de vidrio microestructurado. [7]
Además de los componentes a pequeña escala, el mecanizado por vibración ultrasónica se utiliza para componentes estructurales debido a la precisión requerida y la calidad de la superficie proporcionada por el método. El proceso puede crear formas de forma segura y eficaz a partir de materiales monocristalinos de alta calidad que a menudo son necesarios pero difíciles de generar durante el crecimiento normal de los cristales. [4] A medida que la cerámica avanzada se convierta en una parte mayor del ámbito de la ingeniería estructural, el mecanizado ultrasónico seguirá proporcionando métodos precisos y efectivos para asegurar las dimensiones físicas adecuadas mientras se mantienen las propiedades cristalográficas. [ especulación? ]
Ventajas
El mecanizado por vibración ultrasónica es un proceso de fabricación no tradicional único porque puede producir piezas con alta precisión que están hechas de materiales duros y quebradizos que a menudo son difíciles de mecanizar. [1] Además, el mecanizado ultrasónico es capaz de fabricar materiales frágiles como vidrio y metales no conductores que no pueden mecanizarse mediante métodos alternativos como el mecanizado por descarga eléctrica y el mecanizado electroquímico . El mecanizado ultrasónico puede producir piezas de alta tolerancia porque no hay distorsión del material trabajado. La ausencia de distorsión se debe a que el sonotrodo no genera calor contra la pieza de trabajo y es beneficiosa porque las propiedades físicas de la pieza permanecerán uniformes en todo momento. Además, no se crean rebabas en el proceso, por lo que se requieren menos operaciones para producir una pieza terminada. [8]
Desventajas
Debido a que el mecanizado por vibración ultrasónica es impulsado por microchips o mecanismos de erosión, la velocidad de eliminación de material de los metales puede ser lenta y la punta del sonotrodo puede desgastarse rápidamente por el impacto constante de las partículas abrasivas en la herramienta. [1] Además, la perforación de orificios profundos en las piezas puede resultar difícil, ya que la lechada abrasiva no llegará de manera efectiva al fondo del pozo. [8] Tenga en cuenta que el mecanizado ultrasónico rotatorio es eficaz para perforar agujeros profundos en cerámica debido a la ausencia de un fluido de corte en suspensión y la herramienta de corte está recubierta con abrasivos de diamante más duros. [1] Además, el mecanizado por vibración ultrasónica solo se puede utilizar en materiales con un valor de dureza de al menos 45 HRC . [8]
Referencias
- ↑ a b c d e f g h i j Kalpakjian, Serope (2008). Procesos de fabricación de materiales de ingeniería . Upper Saddle River, Nueva Jersey 07458: Pearson Education, Inc. págs. 552–553. ISBN 978-0-13-227271-1.Mantenimiento de CS1: ubicación ( enlace )
- ^ Blogger, M. "Mejor detector de flujo ultrasónico, sensores de precio, arduino, operaciones con varios modelos y efectos" . BÚSQUEDA EN INDIA EN LÍNEA . Consultado el 30 de agosto de 2020 .
- ^ a b c "Mecanizado ultrasónico" . www.ceramicindustry.com . Consultado el 12 de febrero de 2016 .
- ^ a b c Guzzo, PL; Shinohara, AH; Raslan, AA (2004). "Un estudio comparativo sobre el mecanizado ultrasónico de materiales duros y quebradizos" . Revista de la Sociedad Brasileña de Ciencias e Ingeniería Mecánica . 26 (1): 56–61. doi : 10.1590 / S1678-58782004000100010 . ISSN 1678-5878 .
- ^ Sundaram, M (2009). Mecanizado ultrasónico micro rotativo . 37 . Dearborn, MI: Sociedad de ingenieros de fabricación. pag. 1. ISBN 9780872638624. ISSN 1047-3025 .
- ^ a b c Choi, JP; Jeon, BH; Kim, BH (6 de marzo de 2007). "Mecanizado ultrasónico de vidrio asistido por químicos". Revista de tecnología de procesamiento de materiales . Advances in Materials and Processing Technologies, 30 de julio - 3 de agosto de 2006, Las Vegas, Nevada. 191 (1-3): 153-156. doi : 10.1016 / j.jmatprotec.2007.03.017 .
- ^ "Mecanizado ultrasónico" . Ultrasonidos Bullen . Consultado el 17 de febrero de 2016 .
- ^ a b c Jagadeesha, T (2014). "Mecanizado por ultrasonidos" (PDF) . Mecanizado no tradicional - Instituto Nacional de Tecnología de Calicut .