Mecanizado ultrasónico (USM):Mecánica, parámetros de proceso, elementos, herramientas y características

En este artículo discutiremos sobre el mecanizado ultrasónico:- 1. Mecanizado ultrasónico (USM) y herramienta de mecanizado ultrasónico 2. Mecánica de USM 3. Parámetros de proceso de USM y su efecto 4. Componentes del mecanizado ultrasónico 5. Características de Mecanizado ultrasónico.

Contenido:

1. Mecanizado ultrasónico (USM) y herramienta de mecanizado ultrasónico
2. Mecánica de USM
3. Parámetros de proceso de USM y su efecto
4. Componentes del mecanizado ultrasónico
5. Características de USM

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1. Mecanizado ultrasónico (USM) y herramienta de mecanizado ultrasónico :

El uso de ultrasonidos en el mecanizado fue propuesto por primera vez por L. Balamuth en 1945. El primer informe sobre el equipo y la tecnología apareció durante 1951-52. En 1954, las máquinas herramienta, utilizando el principio ultrasónico, habían sido diseñadas y construidas. Originalmente, USM solía ser una operación de acabado para los componentes procesados ​​por las máquinas de electrochispa. Sin embargo, este uso se volvió menos importante debido a los desarrollos en el mecanizado por descarga eléctrica.

Pero, luego, con el auge de la electrónica de estado sólido, el mecanizado de materiales eléctricamente no conductores, semiconductores y quebradizos se volvió cada vez más importante y, por esta razón, el mecanizado ultrasónico de nuevo ganó importancia y protagonismo. En los últimos años se han desarrollado varios tipos de máquinas herramienta ultrasónicas. Por supuesto, la técnica de USM todavía está lejos de ser perfecta.

El proceso básico de USM implica una herramienta (hecha de un material dúctil y resistente) que vibra con una frecuencia muy alta y un flujo continuo de una lechada abrasiva en el pequeño espacio entre la herramienta y la superficie de trabajo . La herramienta se alimenta gradualmente con una fuerza uniforme. El impacto de los granos abrasivos duros fractura la superficie de trabajo dura y quebradiza, dando como resultado la eliminación del material de trabajo en forma de pequeñas partículas de desgaste que son arrastradas por la lechada abrasiva. El material de la herramienta, al ser resistente y dúctil, se desgasta a un ritmo mucho más lento.

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2. Mecánica de USM:

La física del mecanizado ultrasónico no es completa ni incontrovertible.

Se cree que las razones de la eliminación de material durante la USM son:

(i) El martilleo de las partículas abrasivas en la superficie de trabajo por la herramienta,

(ii) El impacto de las partículas abrasivas libres en la superficie de trabajo,

(iii) La erosión debida a la cavitación y

(iv) La acción química asociada con el fluido utilizado.

Varios investigadores han intentado desarrollar teorías para predecir las características del mecanizado ultrasónico. El modelo propuesto por M.C. Shaw es generalmente bien aceptado y, a pesar de sus limitaciones, explica razonablemente bien el proceso de remoción de material. En este modelo, se tiene en cuenta el impacto directo de la herramienta sobre los granos en contacto con la pieza de trabajo (que es responsable de la mayor parte de la remoción de material).

Además, las suposiciones hechas son que:

(i) La tasa de remoción de material de trabajo es proporcional al volumen de material de trabajo por impacto,

(ii) La tasa de remoción del material de trabajo es proporcional al número de partículas que impactan por ciclo,

(iii) La tasa de eliminación del material de trabajo es proporcional a la frecuencia (número de ciclos por unidad de tiempo),

(iv) Todos los impactos son idénticos,

(v) Todos los granos abrasivos son idénticos y de forma esférica.

Consideremos ahora el impacto de un grano abrasivo esférico rígido de diámetro sobre la superficie de trabajo. La figura 6.9 muestra la muesca causada por tal impacto en un instante de tiempo.

Si D es el diámetro de la muesca en cualquier instante y h la profundidad de penetración correspondiente, obtenemos, de la Fig. 6.9,

Las diversas posiciones de la herramienta durante un ciclo se muestran en la Fig. 6.11. La posición A indica el instante en que la cara de la herramienta toca el grano abrasivo, y el período de movimiento de A a B representa el impacto. Las sangrías, provocadas por El grano en la herramienta y la superficie de trabajo en la posición inferior extrema de la herramienta se muestran en la Fig. 6.12. Si la distancia recorrida por la herramienta desde la posición A hasta la posición B es h (la muesca total), entonces-

Dado que el esfuerzo de flujo σ y la dureza Brinell H son iguales, las ecuaciones (6.6) y (6.7) ceden -

Esta tasa de remoción de material es a través de la acción de martilleo directo de los granos debido a la herramienta vibratoria. Algunos granos, reflejados por la cara de la herramienta que se mueve rápidamente, también inciden en la cara de trabajo, y podemos estimar la muesca causada por tales granos que se mueven libremente. La figura 6.13 muestra un grano reflejado por la herramienta. Durante la vibración, la velocidad máxima de la cara de la herramienta es 2πvA.

Dado que la velocidad original de un grano abrasivo es pequeña, su velocidad máxima es, obviamente, del orden de 2πvA. Entonces, la energía cinética máxima correspondiente del grano abrasivo viene dada por -

Donde ρ es la densidad del material abrasivo. Si asumimos que durante la hendidura causada por tal impacto de grano, la fuerza de contacto aumenta linealmente con la hendidura, entonces -

Comparando los valores de h _w y h ’ _w en condiciones normales, vemos que h ’ _w es muy pequeño en comparación con h _w , por lo que se puede concluir que la mayor parte del material es eliminado por los granos abrasivos que impactan directamente.

La relación (6.11) indica que la tasa de eliminación de material es proporcional a d ^1/4 , pero en realidad es proporcional a d. Esta discrepancia entre la predicción teórica y el hecho observado fue explicada por Shaw de la siguiente manera.

La forma real de un grano abrasivo no es esférica, como se muestra en la Fig. 6.14. En lugar de tener una superficie lisa, tiene proyecciones de diámetro medio d ₁ .

Se observa que el diámetro medio de las proyecciones es proporcional al cuadrado del diámetro nominal del grano (d). Entonces,

La relación (6.18) muestra que mrr es proporcional ad, un hecho también confirmado experimentalmente.

La teoría de Shaw tiene varias limitaciones. Por ejemplo, no predice correctamente los efectos de la variación de A, F y v. Cuando F aumenta, la mrr aumenta, como se muestra en la figura 6.15. Esto también lo confirma la relación (6.18). Sin embargo, en la práctica, Q comienza a disminuir después de algún valor de F porque los granos abrasivos se trituran bajo una carga pesada.

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3. Parámetros de proceso de USM y su efecto:

Los parámetros importantes que afectan el proceso son:

(i) Frecuencia:

Como puede verse en la relación (6.18), la mrr aumenta linealmente con la frecuencia. En la práctica también, la mrr aumenta con la frecuencia (ver Fig. 6.16a) pero la característica real no es exactamente lineal. El mrr tiende a ser algo más bajo que el valor predicho teóricamente.

(ii) Amplitud:

Cuando se aumenta la amplitud de la vibración, se espera que la mrr aumente, como se puede ver en la relación (6.18). La naturaleza real de la variación se muestra en la figura 6.16b para diferentes valores de la frecuencia. Una vez más, la característica real es algo diferente de la predicha teóricamente. La principal fuente de discrepancia proviene del hecho de que calculamos la duración de la penetración Δt considerando la velocidad promedio (=A / (T / 4)). La característica de variación de Δt, dada por -

es bastante diferente al obtenido de la expresión aproximada, es decir, (h / A) (T / 4).

(iii) Carga estática (fuerza de alimentación):

Con un aumento en la carga estática (es decir, la fuerza de alimentación), el mrr tiende a aumentar. Sin embargo, en la práctica, tiende a disminuir más allá de un cierto valor crítico de la fuerza a medida que los granos comienzan a aplastarse. La naturaleza de la variación de mrr con la fuerza de alimentación (para varias amplitudes) se muestra en la figura 6.17a.

(iv) Relación de dureza de la herramienta y la pieza de trabajo:

La relación entre la dureza de la pieza de trabajo y la dureza de la herramienta afecta la mrr de manera bastante significativa, y la característica es como se muestra en la Fig. 6.17b. Aparte de la dureza, la fragilidad del material de trabajo juega un papel muy dominante. La Tabla 6.2 indica las tasas relativas de remoción de material para diferentes materiales de trabajo, manteniendo los otros parámetros iguales. Claramente, un material más frágil se mecaniza más rápidamente.

(v) Tamaño de grano:

La relación (6.18) indica que la tm debe aumentar proporcionalmente con el diámetro medio del grano d. Sin embargo, cuando d se vuelve demasiado grande y se acerca a la magnitud de la amplitud A, la tendencia al aplastamiento aumenta, lo que resulta en una caída en la mrr, como se muestra en la figura 6.18a.

(vi) Concentración de abrasivo en la lechada:

Dado que la concentración controla directamente el número de granos que producen impacto por ciclo y también la magnitud de cada impacto, se espera que el mrr dependa de C. Pero la relación (6.18) muestra que se espera el mrr para ser proporcional a C ^1/4 . La variación real se muestra en la Fig. 6.18b para B ₄ Abrasivos C y SiC. Esto está bastante de acuerdo con la predicción teórica. Dado que la mrr aumenta a medida que C ^1/4 , el aumento de la mrr es bastante bajo después de que C ha cruzado el 30%. Por tanto, un aumento adicional de la concentración no ayuda.

Algunas propiedades físicas (por ejemplo, viscosidad) del fluido usado para la lechada también afectan el mrr. Los experimentos muestran que el mrr cae a medida que aumenta la viscosidad (figura 6.19a).

Aunque el mrr es una consideración muy importante para juzgar el desempeño de una operación de USM, la calidad del acabado obtenido también debe considerarse para una evaluación adecuada. En una operación USM, el acabado de la superficie depende principalmente del tamaño de los granos abrasivos. La figura 6.19b muestra una variación típica del valor medio de la irregularidad de la superficie con el tamaño de grano medio tanto para el vidrio como para el carburo de tungsteno como material de trabajo.

Está claro que el acabado de la superficie es mucho más sensible al tamaño de grano en el caso del vidrio. Esto se debe al hecho de que, para una dureza alta, el tamaño de los fragmentos desprendidos a través de una fractura frágil no depende mucho del tamaño de las partículas impactantes.

Efectos de USM en los materiales:

Dado que la fuerza de corte involucrada es muy pequeña, el proceso no produce estrés ni calentamiento apreciables. Por tanto, la estructura del material no se ve afectada. Sin embargo, durante el corte a través de un orificio, se pueden producir astillas en el lado de salida del orificio. Para evitar esto, la pieza de trabajo hecha de un material quebradizo se sujeta a una base generalmente de vidrio.

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4. Componentes del mecanizado ultrasónico:

Los componentes importantes de la máquina son:

(i) Cabezal acústico :

El cabezal acústico (Fig. 6.22) es quizás la parte más importante de la máquina. Su función es producir una vibración en la herramienta. Consiste en un generador para suministrar una corriente eléctrica de alta frecuencia, un transductor para convertirla en un movimiento mecánico en forma de vibración de alta frecuencia, un soporte para sujetar el cabezal y un concentrador para amplificar mecánicamente la vibración mientras la transmite a la herramienta.

La mayoría de los transductores funcionan según el principio magnetoestrictivo debido a su alta eficiencia, alta confiabilidad en el rango de 15-30 kHz, bajo voltaje de suministro y simple disposición de enfriamiento. Los estampados se utilizan para reducir las pérdidas como en los transformadores. Las dimensiones se eligen de modo que la frecuencia natural coincida con la frecuencia de suministro eléctrico. Casi todas las máquinas modernas utilizan los transductores de magnetoestricción hechos de níquel (estampados de 0,1-0,2 mm de espesor).

El objetivo principal del concentrador es aumentar la amplitud al nivel necesario para cortar. Se utilizan varios tipos de concentradores (figura 6.23a). La figura 6.23b muestra cómo se amplifica la amplitud de la vibración longitudinal del conjunto transductor-concentrador. Cabe señalar que el sistema debe sujetarse al cuerpo principal en un punto nodal, como se muestra.

(ii) Mecanismo de alimentación :

El objetivo del mecanismo de avance es aplicar la fuerza de trabajo durante la operación de mecanizado. Un instrumento que muestra el movimiento de la herramienta indica la profundidad de mecanizado.

Los tipos básicos de mecanismos de alimentación son:

(a) Tipo de contrapeso,

(b) Tipo de resorte,

(c) Tipo neumático e hidráulico,

(d) Tipo de motor.

(iii) Herramienta:

La herramienta está hecha de un metal fuerte, pero al mismo tiempo dúctil. Generalmente, se utilizan aceros inoxidables y aceros con bajo contenido de carbono para fabricar las herramientas. Las herramientas de aluminio y latón se desgastan diez y cinco veces más rápido que las de acero, respectivamente. Las características geométricas las decide el proceso. El diámetro del círculo circunscrito a la herramienta no debe ser más de 1,5 a 2 veces el diámetro del extremo del concentrador, y la herramienta debe ser lo más corta y rígida posible.

Cuando la herramienta se hace hueca, el contorno interno debe ser paralelo al externo para asegurar un desgaste uniforme. El grosor de cualquier pared o proyección debe ser al menos cinco veces el tamaño de grano del abrasivo. En una herramienta hueca, las paredes no deben hacerse más delgadas de 0,5 mm a 0,8 mm. Al diseñar la herramienta, se debe tener en cuenta la holgura lateral que normalmente es del orden de 0,06 mm a 0,36 mm, dependiendo del tamaño de grano del abrasivo.

(iv) Lechada abrasiva:

Los abrasivos más comunes son:(i) carburo de boro (B ₄ C), (ii) carburo de silicio (SiC), (iii) corindón (Al ₂ O ₃ ), (iv) diamante y (v) silicarburo de boro (muy eficiente) cuyo poder abrasivo es aproximadamente un 10% más que el del B ₄ C. B ₄ C es el mejor y más eficiente entre el resto, pero es caro. El SiC se utiliza en vidrio, germanio y algunas cerámicas. El tiempo de corte con SiC es aproximadamente un 20-40% más que con B ₄ C. El corindón es mucho menos eficiente y el tiempo de corte es aproximadamente 3-4 veces mayor que con B ₄ C. El polvo de diamante se usa solo para cortar diamantes y rubíes.

Aunque el agua es el fluido más comúnmente usado en la suspensión, también se usan otros líquidos, como benceno, glicerol y aceites. Se ha encontrado que el mrr tiende a disminuir al aumentar la viscosidad.

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5. Características de USM:

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