ion a La Tecnologias de Mecanizado No Convencionales

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Tecnologías de

mecanizado noconvencionalesAproximación a tecnologías emergentes

La incorporación de nuevos materiales con propiedades físicas muy valiosasson mecanizados con gran dificultad y debido a esto se hace necesario lasustitución de técnicas y equipos de mecanizado convencionales por otrosmás avanzados y adaptados a los procesos de producción. En estaaproximación abordaremos las diferentes tecnologías de mecanizado noconvencionales.

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Tecnologías de mecanizado no [email protected]

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OTEAAIMME

03/02/2011


Aproximación a las tecnologías demecanizado no convencionales

1. Introducción

Cuando la gente oye la palabra “mecanizado” generalmente piensan enmáquinas que utilizan energía mecánica para eliminar material de la piezade trabajo como fresadoras, tornos y sierras que son algunas de lasmáquinas más comunes que utilizan la energía mecánica para eliminarmaterial. La herramienta entra en contacto con la pieza de trabajo y el

esfuerzo cortante resultante hace que el material fluya sobre laherramienta. Todas las formas tradicionales de corte metálico utilizan elesfuerzo cortante como método principal de remoción de material. Sinembargo, hay otras fuentes de energía en el trabajo.

La energía química tiene un efecto significativo en cada operación detorneado. Piense en el efecto que diferentes tipos de refrigerantes tienen enla acción de corte de una herramienta. Una cierta cantidad de energíaquímica se utiliza en la mayoría de las operaciones de corte de metal. Todaslas formas de fabricación utilizan más de un tipo de energía.

La categoría de “mecanizado no convencional” abarca una amplia gama de

tecnologías, incluyendo algunas que se utilizan a gran escala y otros quesólo se utilizan en aplicaciones únicas o patentadas. Estos métodos demecanizado generalmente, tienen grandes requerimientos de energía ytienen un rendimiento más lento que el mecanizado tradicional, pero se handesarrollado para aplicaciones de mecanizado donde los métodostradicionales son imprácticos, incapaces o poco rentables.

Los métodos de “mecanizado no convencionales” pueden considerarsecomo operaciones que no utilizan el esfuerzo cortante como su fuenteprimaria de energía. Por ejemplo, las operaciones con chorro abrasivo conagua (abrasive water jet ) utilizan energía mecánica, pero el material seelimina por erosión. Los métodos de mecanizado no tradicionales suelen

dividirse en las siguientes categorías:

1. Mecánica: Mecanizado por ultrasonidos (Ultrasonic Machining),mecanizado por ultrasonidos rotatorio (Rotary Ultrasonic Machining),mecanizado asistido por ultrasonidos (Ultrasonically Assisted Machining)

2. Eléctrica: Esmerilado electroquímico (Electrochemical Grinding),electroquímico Molienda, electroquímico de Molienda, electroquímico debruñido, Hone-Formación, electroquímica de mecanizado, electroquímicode Torneado, tubo en forma de electrolítica de mecanizado, Electro-Stream

3. Térmica: Mecanizado por haz de electrones (Electron Beam Machining),mecanizado por electroerosión (Electrical Discharge Machining), la


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descarga eléctrica de cortar el alambre, la descarga eléctrica Molienda,mecanizado por haz laser (Laser Beam Machining).

4. Química: Fresado químico (Chemical Milling), mecanizado fotoquímico(Photochemical Machining)

Estas máquinas se han desarrollado principalmente para dar forma aaleaciones ultra-duras utilizadas en la industria pesada y en aplicacionesaeroespaciales, y para dar forma y grabar materiales ultra-finos utilizadosen dispositivos electrónicos tales como microprocesadores.

Cuando se trata de mecanizar materiales demasiado duros o cuando sepretende realizar formas microscópicas en piezas muy pequeñas lamecanización por arranque de material resulta imposible o muy difícil.Actualmente, se están utilizando procedimientos que permitenmecanizaciones microscópicas en los materiales más duros que se conocen,

sean o no metálicos. Estos procedimientos, que por la forma de trabajar notiene contacto directo la herramienta con la pieza son la electroerosión y elmecanizado por ultrasonidos.

Figura 1. Clasificación de procesos de mecanizado avanzados

Mecanizado por electroerosión (Electrical Discharge Machining,EDM)

El mecanizado por electroerosión (suele denominarse también EDM debidoa su acrónimo inglés Electrical Discharge Machining), es un proceso demecanizado no convencional basado en la eliminación de material medianteuna serie de descargas eléctricas repetitivas (generalmente producidas porgeneradores de pulsos eléctricos a pequeños intervalos de tiempo), quetienen lugar entre un electrodo y la pieza, todo ello en presencia de unfluido dieléctrico. La electroerosión se utiliza en la industria para elmecanizado de alta precisión de todo tipo de materiales conductores, tales


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como: metales, aleaciones metálicas, grafito, cerámicas, entre otros, decualquier dureza. Hay dos tipos principales de procesos de electroerosión:por penetración, donde se reproduce en la pieza la forma del electrodoutilizado y el de corte por hilo, donde un cable o hilo de metal (electrodo) esusado para cortar un contorno programado sobre la pieza. Es un procesomuy utilizado en un gran número de aplicaciones. La más importante es lafabricación de moldes y matrices, fundamentalmente para sectores como elde la automoción, aeronáutico, electrónico y el de juguetería.

El mecanizado por electroerosión es un método de arranque de material quese realiza por medio de descargas eléctricas controladas que saltan en unmedio dieléctrico, entre un electrodo y una pieza. En los últimos años se haconsolidado su uso, ya que ha tenido grandes avances en cuanto a latécnica operativa, la productividad y la precisión.

El mecanizado por electroerosión se efectúa mediante el salto de chispaseléctricas entre dos electrodos sometidos a una determinada tensión

eléctrica y sumergidos ambos en un líquido aislante (liquido dieléctrico). Alestar ambos electrodos en un medio dieléctrico no aislante, la tensión quese aplique a ambos ha de ser suficiente como para llegar a crear un campoeléctrico mayor que la rigidez dieléctrica del líquido. Bajo la acción de estecampo eléctrico, iones libres positivos y electrones se encontraranacelerados creando un canal de descarga que se vuelve conductor, y esprecisamente en este punto donde salta la chispa. Ello provoca colisionesentre los iones (+) y los electrones (-). Se forma entonces un canal deplasma.Bajo el efecto de los choques se crean altas temperaturas en ambos polos yalrededor del canal de plasma se forma una bola de gas que empieza acrecer. Por otro lado las altas temperaturas que se han dado en los dospolos, van fundiendo y vaporizando parte del material de la pieza, mientrasque el electrodo apenas si se desgasta muy ligeramente. En esta situación(bola de gas grande y material fundido en ambos polos), se corta lacorriente eléctrica. El canal de plasma se derrumba y la chispa desaparece.El liquido dieléctrico entonces rompe la bola de gas haciéndola implosionar(explotar hacia adentro).Así se crean fuerzas que hacen salir el material fundido formando doscráteres en las superficies. El material fundido se solidifica y es arrastradoen forma de bolas por el líquido dieléctrico, constituyendo lo que se puedellamar viruta.

Ventajas de la Electroerosión• No existe desviación de medidas• Ausencia de esfuerzos de mecanizado• Fácil mecanizado de materiales duros• Mecanizado fácil de orificios cuadrados

Tipos de electroerosión


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Electroerosión por Hilo

Electroerosión por Penetración

Mecanizado por haz de electrones (Electron Beam Machining, EBM)

La eliminación de material mediante haz de electrones es otra de lastecnologías en auge. En lugar de hacer saltar arcos eléctricos, este métodoemplea un haz focalizado de alta velocidad de electrones, el cual funde yvaporiza el material. La tecnología EBM se emplea para la escritura sobreuna célula electrosensible o para crear variaciones superficiales delmaterial.

Las técnicas básicas están muy desarrolladas para la producción demáscaras de los circuitos integrados y especialmente para la fabricación deestructuras superficiales, como por ejemplo la óptica binaria. El diámetrotransversal típico del haz de electrones está comprendido entre 10 y 200mm para el punto de focalización sobre la pieza.

Mecanizado por haz laser (Laser Beam Machining, LBM)

El uso de la tecnología láser (LBM) en el mecanizado de materiales para lafabricación de microproductos ha sido estudiada durante la última década yse presenta, a día de hoy, como una tecnología ampliamente insertada en el


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mundo industrial. La aplicación de la tecnología láser a procesos demicrofabricación se encuentra en una zona de precisión intermedia que laconvierte en una tecnología de elevada demanda en función del volumen decomponentes para cuya fabricación será previsiblemente aplicada. Lasherramientas basadas en el empleo del láser proporcionan alternativas defabricación particularmente interesantes a escala microscópica. Enparticular, la posibilidad de utilizar el láser como herramienta de precisiónofrece una alternativa ventajosa en la realización de procesos demicrofabricación tales como corte, soldadura, taladrado, marcado, ablacióny conformado, procesos por otra parte tradicionales entre las aplicacionesindustriales de los láseres de potencia. La precisión en el dominiomicrométrico debe ir acompañada de unas reducidas cargas térmicas ymecánicas con relación a los procesos tradicionales de fabricación decomponentes de igual tipo a mayor escala. La microfabricación con láserrepresenta, por tanto, un desafío para los ingenieros mecánicos, losespecialistas en tecnología láser y los expertos en ciencia e ingeniería demateriales. Los materiales que más se emplean en la producción de

microproductos son metales, cerámicas, vidrio, polímeros ysemiconductores, siendo posible su mecanizado mediante una o variastecnologías láser diferentes. El desarrollo de las aplicaciones industriales delos láseres en tareas de micromecanizado, que requieren de longitudes deonda cada vez más cortas a medida que el grado de miniaturizaciónaumenta, queda actualmente al alcance tanto de los láseres de excímerocomo de los láseres de estado sólido multiplicados en frecuencia(típicamente Nd:YAG con moduladores de pulso, ya bombeados porlámparas de gas noble o por fotodiodos de emisión en el infrarrojo cercano).

Los primeros son preferentemente utilizados para trabajos en metales ymateriales de gr/%20/MM/didactico/Desarollo/microt/

%20/MM/didactico/Desarollo/microtan dureza, que conllevan una muyelevada razón de aspecto (relación entre la profundidad del mecanizado ysu anchura) y precisiones dimensionales en torno al micrómetro, mientrasque los segundos están siendo utilizados con gran éxito en aplicaciones demicromecanizado con no tan elevadas razones de aspecto y dimensionescaracterísticas en el entorno de una o varias decenas de micrómetro. En losúltimos años, como consecuencia de la mejora sustancial de eficienciaenergética lograda en la generación de haces láser, ha resultado posible ladisponibilidad de haces intensos de radiación tanto en el infrarrojo cercano,dominio característico de los láseres de Nd:YAG, como en el visible y en elultravioleta, a través de procedimientos de multiplicación de frecuencia en

cristales no lineales. De esta forma, la eficiencia, la calidad de haz y laestabilidad de los correspondientes láseres ha mejorado notablemente,posibilitando mayores potencias totales y mayores densidades de energíaen haz en beneficio del desarrollo de nuevas aplicaciones. La utilización delongitudes de onda cortas ofrece ventajas importantes en elmicromecanizado de ciertos materiales, pudiéndose conseguir elevadasrazones de aspecto (hasta 50:1) en el mecanizado de piezas relativamentegruesas.

Mecanizado por plasma (Plasma Arc Machining, PAM)


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1. Aplicaciones

3) Ventajas frente a las alternativas tradicionales

4) Referencias


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