Explorando el Mecanizado No Convencional: Técnicas AJM, EBM, LBM y PAM

En este artículo discutiremos sobre los procesos de mecanizado no convencionales:- 1. Mecanizado por Chorro Abrasivo (AJM) 2. Mecanizado por Haz de Electrones (EBM) 3. Mecanizado por Haz Láser (LBM) y 4. Mecanizado por Arco de Plasma (PAM). También aprenderemos sobre: Proceso de Mecanizado No Convencional, Características del Proceso de Mecanizado No Convencional y Clasificaciones de los Procesos de Mecanizado No Convencionales.

Mecanizado por Chorro Abrasivo (AJM)

En el AJM, la remoción de material ocurre debido al impacto de partículas abrasivas finas. Estas partículas se mueven con un chorro de aire (o gas) a alta velocidad. La figura 6.1 muestra el proceso junto con algunos parámetros típicos. Las partículas abrasivas son típicamente de 0,025 mm de diámetro y el aire se descarga a una presión de varias atmósferas.

Mecánica del AJM:

Cuando una partícula abrasiva impacta en la superficie de trabajo a alta velocidad, el impacto causa una pequeña fractura frágil y el aire (o gas) siguiente arrastra la partícula de desgaste desprendida. Esto se muestra en las Figs. 6.2a y 6.2b. Así, es obvio que el proceso es más adecuado cuando el material de trabajo es frágil y quebradizo. Un modelo para estimar la tasa de remoción de material (mrr) está disponible. El mrr debido al astillado de la superficie de trabajo por las partículas abrasivas que impactan se expresa como –

donde Z es el número de partículas abrasivas que impactan por unidad de tiempo, d es el diámetro medio de los granos abrasivos, v es la velocidad de los granos abrasivos, ρ es la densidad del material abrasivo, H_w es la dureza del material de trabajo (el esfuerzo de fluencia), y X es una constante.

Parámetros del Proceso AJM:

Las características del proceso pueden evaluarse juzgando – (i) el mrr, (ii) la geometría del corte, (iii) la rugosidad de la superficie producida, y (iv) la tasa de desgaste de la boquilla.

Los parámetros principales que controlan estas cantidades son:

(i) El abrasivo (composición, resistencia, tamaño y tasa de flujo másico),

(ii) El gas (composición, presión y velocidad),

(iii) La boquilla (geometría, material, distancia e inclinación respecto a la superficie de trabajo).

Analicemos ahora cada uno de estos parámetros y sus efectos:

i. El Abrasivo:

Principalmente se usan dos tipos de abrasivos: (i) óxido de aluminio y (ii) carburo de silicio. Sin embargo, generalmente se prefieren abrasivos de óxido de aluminio en la mayoría de aplicaciones. La forma de estos granos no es muy importante, pero para una acción de desgaste satisfactoria en la superficie de trabajo, deben tener bordes afilados. Polvos de Al₂O₃ y SiC con diámetro nominal de grano de 10-50 μm están disponibles. El mejor corte se logra cuando el diámetro nominal está entre 15 μm y 20 μm.

La reutilización del polvo abrasivo no se recomienda ya que – (i) la capacidad de corte disminuye después de la primera aplicación, y (ii) la contaminación obstruye los pequeños orificios en la boquilla. La tasa de flujo másico de las partículas abrasivas depende de la presión y la tasa de flujo del gas. Cuando la fracción másica de abrasivos en el chorro (relación de mezcla) aumenta, el mrr inicialmente aumenta, pero con un aumento adicional en la relación de mezcla, alcanza un máximo y luego cae (Fig. 6.3a). Cuando la tasa de flujo másico del abrasivo aumenta, el mrr también aumenta (Fig. 6.3b).

ii. El Gas:

Las unidades AJM normalmente operan a una presión de 0,2 N/mm² a 1 N/mm². La composición del gas afecta el mrr de manera indirecta ya que la relación velocidad-presión depende de esta composición. Una alta velocidad obviamente causa un alto mrr incluso si la tasa de flujo másico del abrasivo se mantiene constante.

iii. La Boquilla:

La boquilla es uno de los elementos más vitales que controlan las características del proceso. Dado que está en continuo contacto con los granos abrasivos que fluyen a alta velocidad, el material debe ser muy duro para evitar desgaste significativo. Normalmente se usa WC o zafiro. Para una operación normal, el área transversal del orificio está entre 0,05 mm² y 0,2 mm².

La forma del orificio puede ser circular o rectangular. La vida promedio de una boquilla es muy difícil de determinar. Una boquilla de WC dura entre 12 h y 30 h, mientras que una de zafiro dura aproximadamente 300 h.

Uno de los factores más importantes en AJM es la distancia entre la superficie de trabajo y la punta de la boquilla, normalmente llamada Distancia Punta-Boquilla (NTD). La NTD afecta no solo el mrr de la superficie de trabajo sino también la forma y tamaño de la cavidad producida. La Figura 6.5 muestra el efecto de la NTD. Cuando la NTD aumenta, la velocidad de las partículas abrasivas que impactan en la superficie de trabajo aumenta debido a su aceleración después de salir de la boquilla.

Esto, a su vez, aumenta el mrr. Con un aumento adicional en la NTD, la velocidad se reduce debido a la resistencia de la atmósfera que inicialmente frena el aumento del mrr y finalmente lo disminuye. La Figura 6.6 muestra cómo la NTD afecta el mrr.

Las máquinas de chorro abrasivo son fabricadas y comercializadas por un solo fabricante (S.S. White Co., Nueva York) bajo el nombre "Airbrasive".

Características del AJM:

Mecanizado por Haz de Electrones (EBM):

Básicamente, el mecanizado por haz de electrones también es un proceso térmico. Aquí, un chorro de electrones de alta velocidad impacta en la superficie de trabajo, transfiriendo energía cinética al material de trabajo, produciendo calentamiento intenso. Dependiendo de la intensidad del calor generado, el material puede fundirse o vaporizarse. El proceso de calentamiento por haz de electrones puede, dependiendo de la intensidad, usarse para recocido, soldadura o remoción de metal.

Se pueden obtener velocidades muy altas usando suficiente voltaje; por ejemplo, un voltaje de aceleración de 150.000 V puede producir una velocidad de electrón de 228.478 km/seg. Dado que un haz de electrones puede enfocarse a un punto con diámetro de 10-200 μm, la densidad de potencia puede llegar hasta 6.500 billones W/mm². Tal densidad de potencia puede vaporizar cualquier sustancia inmediatamente. Así, el EBM no es más que un proceso de vaporización muy precisamente controlado. El EBM es un proceso adecuado para taladrar agujeros finos y cortar ranuras estrechas.

Agujeros de 25-125 μm de diámetro pueden taladrarse casi instantáneamente en láminas con espesores hasta 1,25 mm. La ranura más estrecha que puede cortarse por EBM tiene un ancho de 25 μm. Además, un haz de electrones puede maniobrarse mediante bobinas de deflexión magnética, facilitando el mecanizado de contornos complejos. Sin embargo, para evitar colisión de los electrones acelerados con moléculas de aire, el proceso debe realizarse en vacío (aproximadamente 10^-5 mm Hg); esto hace que el proceso no sea adecuado para piezas de trabajo muy grandes.

Para indicar la amplia gama de aplicaciones del haz de electrones, se da un gráfico de densidad de potencia versus diámetro del punto caliente en la Fig. 6.69. Es obvio que el rango del haz de electrones es el más grande. Por eso el haz de electrones se usa no solo para mecanizado sino también para otros procesos térmicos.

Los electrones son emitidos desde el cátodo (un filamento de tungsteno caliente), el haz es moldeado por la copa de rejilla, y los electrones son acelerados debido a una gran diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo. El haz es enfocado con la ayuda de lentes electromagnéticos. Las bobinas deflectoras se usan para controlar el movimiento del haz de cualquier manera requerida.

En el caso de taladrar agujeros, el diámetro del agujero depende del diámetro del haz y la densidad de energía. Cuando el diámetro del agujero requerido es mayor que el diámetro del haz, el haz es deflectado en una trayectoria circular con radio adecuado. La mayoría de los agujeros taladrados con EBM se caracterizan por un pequeño cráter en el lado de incidencia del haz de la pieza. Los agujeros taladrados también poseen un pequeño cono (2°—4°) cuando el espesor de la lámina es más de 0,1 mm. Una idea sobre las características de rendimiento del taladrado de agujeros con EBM puede obtenerse de la Tabla 6.5.

Al cortar una ranura, la velocidad de mecanizado normalmente depende de la tasa de remoción de material, es decir, la sección transversal de la ranura a cortar. Los lados de una ranura en una lámina con espesor hasta 0,1 mm son casi paralelos. Un cono de 1° a 2° se observa en una ranura cortada en una placa más gruesa. Una pequeña cantidad de salpicadura de material ocurre en el lado de incidencia del haz. La Tabla 6.6 da una idea sobre las capacidades de corte de ranuras del haz de electrones.

El requisito de potencia se encuentra aproximadamente proporcional a la tasa de remoción de metal. Así, P ≈ CQ, siendo C la constante de proporcionalidad. La Tabla 6.7 da los valores aproximados de C para diferentes materiales de trabajo.

Una estimación muy aproximada de la velocidad de mecanizado para las condiciones dadas es posible, usando la Tabla 6.7.

Mecánica del EBM:

Los electrones son las partículas elementales estables más pequeñas con una masa de 9,109 x 10^-31 kg y una carga negativa de 1,602 x 10^-19 culombios. Cuando un electrón es acelerado a través de una diferencia de potencial de V voltios, el cambio en la energía cinética puede expresarse como 1/2m_e(u² – u₀²) = eV, donde m_e es la masa del electrón, u es la velocidad final, y u₀ es la velocidad inicial. Si asumimos que la velocidad inicial de los electrones emitidos es despreciable, la expresión final para la velocidad del electrón u en km/seg es –

u ≈ 600√V (6.67)

Cuando un electrón en movimiento rápido impacta en una superficie de material, penetra a través de una capa sin perturbar. Luego, comienza a chocar con las moléculas y, finalmente, se detiene (Fig. 6.71). La capa a través de la cual el electrón penetra sin perturbar se llama la capa transparente.

Solo cuando el electrón comienza a chocar con los átomos de la red comienza a ceder su energía cinética, y se genera calor. Así, queda claro que la generación de calor ocurre dentro del material, es decir, debajo de la piel transparente. El rango total al que el electrón puede penetrar (δ) depende de la energía cinética, es decir, del voltaje de aceleración V. Se ha encontrado que –

donde δ es el rango en mm, V es el voltaje de aceleración en voltios, y p es la densidad del material en kg/mm³.

Efectos del EBM en Materiales:

Dado que el mecanizado por haz de electrones se logra sin elevar la temperatura del material circundante (excepto una capa extremadamente delgada), no hay efecto en el material de trabajo. Debido a la densidad de energía extremadamente alta, el material de trabajo a 25-50 μm del punto de mecanizado permanece a temperatura ambiente. Aparte de esto, la posibilidad de contaminación del trabajo también es menor ya que el proceso se realiza en vacío.

Resumen de Características del EBM:

Mecanizado por Haz Láser (LBM):

Al igual que un haz de electrones de alta velocidad, un haz láser también es capaz de producir densidades de potencia muy altas. El láser es un haz de radiación electromagnética altamente coherente (en espacio y tiempo) con longitud de onda variando de 0,1 μm a 70 μm. Sin embargo, el requisito de potencia para una operación de mecanizado restringe el rango de longitud de onda efectivamente usable a 0,4-0,6 μm.

Debido a que los rayos de un haz láser son perfectamente paralelos y monocromáticos, puede enfocarse a un diámetro muy pequeño y producir una densidad de potencia tan alta como 10⁷ W/mm². Para desarrollar alta potencia, normalmente se usa un láser de rubí pulsado. El láser continuo CO₂-N₂ también se ha usado exitosamente en operaciones de mecanizado.

Un tubo de flash de xenón enrollado se coloca alrededor de la varilla de rubí y la superficie interna de las paredes del contenedor se hace altamente reflectante para que la máxima luz caiga sobre la varilla de rubí para la operación de bombeo. El capacitor se carga y se aplica un voltaje muy alto al electrodo de disparo para iniciar el flash. El haz láser emitido es enfocado por un sistema de lentes y el haz enfocado encuentra la superficie de trabajo, removiendo una pequeña porción del material por vaporización y ablación a alta velocidad.

Una fracción muy pequeña del metal fundido se vaporiza tan rápidamente que se genera un impulso mecánico sustancial, expulsando una gran porción del metal líquido. Dado que la energía liberada por el tubo de flash es mucho más que la energía emitida por la cabeza láser en forma de haz láser, el sistema debe enfriarse adecuadamente.

La eficiencia del proceso LBM es muy baja – aproximadamente 0,3-0,5%. La energía de salida típica de un láser es 20 J con una duración de pulso de 1 milisegundo. La potencia pico alcanza un valor de 20.000 W. La divergencia del haz es alrededor de 2 x 10^-3 rad, y usando una lente con distancia focal de 25 mm, el diámetro del punto se vuelve de unos 50 μm.

Al igual que el haz de electrones, el haz láser también se usa para taladrar micro-agujeros y cortar ranuras muy estrechas. Agujeros hasta 250 μm de diámetro pueden taladrarse fácilmente por un láser. La precisión dimensional es de alrededor de ±0,025 mm. Cuando el espesor de la pieza es más de 0,25 mm, se nota un cono de 0,05 mm por mm.

Mecánica del LBM:

El mecanizado por haz láser se logra a través de las siguientes fases:

(i) Interacción del haz láser con el material de trabajo,

(ii) Conducción de calor y aumento de temperatura, y

(iii) Fusión, vaporización y ablación.

Un análisis preciso de todo el proceso es difícil y está fuera del alcance de este texto. Discutiremos, sin embargo, ciertos aspectos simples de importancia fundamental, considerando solo el aumento de temperatura del material de trabajo hasta el punto de fusión; la vaporización y ablación no se tomarán en cuenta en nuestro análisis.

(i) Interacción del Haz Láser con el Trabajo:

La aplicación de un haz láser en mecanizado depende de la interacción termo-óptica entre el haz y el material de trabajo sólido. Así, es obvio que la superficie de trabajo no debe reflejar demasiada energía del haz incidente. La Figura 6.74 muestra un haz láser cayendo sobre una superficie sólida. La luz absorbida se propaga en el medio y su energía se transfiere gradualmente a los átomos de la red en forma de calor. La absorción se describe por la ley de Lambert como –

I(Z) = I(0)e^-μz

Donde I(z) denota la intensidad de luz a una profundidad z (Fig. 6.74) y μ es el coeficiente de absorción. La mayor parte de la energía se absorbe en una capa muy delgada en la superficie (espesor típico 0,01 μm). Así, es bastante razonable asumir que la energía de luz absorbida se convierte en calor en la superficie misma, y el haz láser puede considerarse equivalente a un flujo de calor.

(ii) Conducción de Calor y Aumento de Temperatura:

La re-radiación desde la superficie a una temperatura de 3000 K es del orden de solo 600 W/cm² y es insignificante comparada con el flujo de entrada 10⁵-10⁷ W/cm². Para hacer nuestro análisis unidimensional, se asume que el diámetro del punto del haz es mayor que la profundidad de penetración. Además, las propiedades térmicas, como conductividad y calor específico, se consideran inafectadas por el cambio de temperatura.

Así, el problema equivalente de conducción de calor es representado por un flujo de calor uniforme H(t) en la superficie (Fig. 6.75) de un cuerpo semi-infinito. La ecuación para la conducción de calor para la región z > 0 es –

Penetración de Agujero en Estado Estacionario:

La determinación de las dimensiones de la porción fundida del material es bastante complicada. Sin embargo, si el pozo fundido (o agujero) es profundo y estrecho, la mayor parte de la conducción de calor desde el agujero fundido ocurre a través de las paredes laterales. Cuando la tasa de entrada de calor es igual a la tasa de pérdida de calor por la porción fundida, esta mantiene su forma y tamaño. En tal condición de estado estacionario, la tasa de pérdida de calor por la porción fundida (Fig. 6.77) es dada por –

Por experiencia, se ha encontrado que D ≈ 55d. Así, ln(D/d) puede tomarse aproximadamente como 4, e igualando la tasa de entrada de calor a la tasa de pérdida de calor, la relación que obtenemos es –

Cuando la intensidad del haz es muy alta (>10⁷ W/cm²), el calentamiento es muy rápido, y el mecanismo que acabamos de dar no es válido. El haz incidente calienta la superficie rápidamente y la vaporiza. Así, la superficie del trabajo donde cae el haz retrocede a medida que el material se vaporiza. Así, si v es la velocidad con la que la superficie retrocede, la tasa de entrada de calor requerida para vaporizar el material (igual a la tasa de entrada de calor del haz incidente) es-

H ≈ vL, (6.82)

Donde L es la cantidad de energía para vaporizar un volumen unitario del material.

Resumen de Características del LBM:

Mecanizado por Arco de Plasma (PAM):

Un plasma es un gas ionizado a alta temperatura. El mecanizado por arco de plasma se realiza con un chorro de alta velocidad de un plasma de alta temperatura. El chorro de plasma calienta la pieza de trabajo (donde el chorro impacta), causando una fusión rápida. El PAM puede usarse en todos los materiales que conducen electricidad, incluyendo aquellos resistentes al corte por gas oxi-combustible. Este proceso se usa extensivamente para corte de perfiles de acero inoxidable, monel y placas de superaleaciones.

Un plasma se genera sometiendo un gas en flujo al bombardeo de electrones de un arco. Para esto, el arco se establece entre el electrodo y la boquilla anódica; el gas es forzado a fluir a través de este arco.

Los electrones de alta velocidad del arco colisionan con las moléculas de gas, causando una disociación de moléculas diatómicas o átomos en iones y electrones, resultando en un aumento sustancial en la conductividad del gas que ahora está en estado de plasma. Los electrones libres, subsecuentemente, aceleran y causan más ionización y calentamiento. Después, un aumento adicional de temperatura ocurre cuando los iones y electrones libres se recombinan en átomos o cuando los átomos se recombinan en moléculas ya que estos son procesos exotérmicos.

Así, se genera un plasma de alta temperatura que es forzado a través de la boquilla en forma de chorro. La mecánica de remoción de material se basa en – (i) calentamiento y fusión, y (ii) remoción del metal fundido por la acción de chorro del plasma.

Para más detalles, consulte manuales estándar y libros de referencia. Aquí, enumeraremos las características básicas para familiarizar al lector con el proceso.

Resumen de características del PAM: