Mecanizado Ultrasónico (USM): Fundamentos, Parámetros, Componentes y Beneficios Clave

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

Contenido:

1. Mecanizado Ultrasónico (USM) y Herramienta de Mecanizado Ultrasónico
2. Mecánica del USM
3. Parámetros del Proceso USM y su Efecto
4. Componentes del Mecanizado Ultrasónico
5. Características del USM

1. Mecanizado Ultrasónico (USM) y Herramienta de Mecanizado Ultrasónico:

El uso de ultrasónicos en mecanizado fue propuesto por primera vez por L. Balamuth en 1945. El primer informe sobre el equipo y la tecnología apareció durante 1951-52. Para 1954, las máquinas herramienta que usaban el principio ultrasónico habían sido diseñadas y construidas. Originalmente, el USM solía ser una operación de acabado para componentes procesados por máquinas de electroerosión. 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 no conductores eléctricamente, semiconductores y frágiles se volvió cada vez más importante y, por esta razón, el mecanizado ultrasónico volvió a ganar importancia y prominencia. En años recientes, se han desarrollado varios tipos de máquinas herramienta ultrasónicas. Por supuesto, la técnica USM aún está lejos de ser perfecta.

El proceso USM básico involucra 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 frágil, resultando en la remoción 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 una tasa mucho más lenta.

2. Mecánica del USM:

La física del mecanizado ultrasónico no está ni completa ni es indiscutible.

Se cree que las razones de la remoción de material durante el 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 debido a la cavitación, y

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

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 el proceso de remoción de material razonablemente bien. En este modelo, se toma en consideración 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).

También, los supuestos hechos 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 de material de trabajo es proporcional al número de partículas que hacen impacto por ciclo,

(iii) La tasa de remoción de 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 esféricos en forma.

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

Si D es el diámetro de la indentación 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 indentaciones causadas por el grano en la herramienta y la superficie de trabajo en la posición extrema inferior 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 indentación total), entonces-

Dado que el esfuerzo de fluencia σ y la dureza Brinell H son los mismos, las ecuaciones (6.6) y (6.7) producen –

Esta tasa de remoción de material es a través de la acción de martilleo directo de los granos debido a la herramienta vibrante. Algunos granos, reflejados por la cara de la herramienta en movimiento rápido, también impactan en la cara de trabajo, y podemos estimar la indentación causada por tales granos en movimiento libre. 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. Así, la energía cinética máxima correspondiente del grano abrasivo es dada por –

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

Comparando los valores de h_w y h'_w bajo condiciones normales, vemos que h'_w es muy pequeño comparado con h_w, y así se puede concluir que la mayor parte del material es removido por los granos abrasivos que impactan directamente.

La relación (6.11) indica que la tasa de remoción 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 promedio d₁.

El diámetro promedio de las proyecciones se observa que es proporcional al cuadrado del diámetro nominal del grano (d). Así,

La relación (6.18) muestra que el mrr es proporcional a d, 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, el mrr aumenta, como se muestra en la Fig. 6.15. Esto también es confirmado por la relación (6.18). Sin embargo, en la práctica, Q comienza a disminuir después de cierto valor de F porque los granos abrasivos se trituran bajo carga pesada.

3. Parámetros del Proceso USM y su Efecto:

Los parámetros importantes que afectan el proceso son:

(i) Frecuencia:

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

(ii) Amplitud:

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

es bastante diferente de la obtenida 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 ya que los granos comienzan a triturarse. La naturaleza de la variación del mrr con la fuerza de alimentación (para varias amplitudes) se muestra en la Fig. 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 el mrr bastante significativamente, 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 el mrr debería 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 a la trituración aumenta, resultando en una caída en el mrr como se muestra en la Fig. 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 que el mrr sea proporcional a C^1/4. La variación real se muestra en la Fig. 6.18b para abrasivos B₄C y SiC. Esto está en bastante buen acuerdo con la predicción teórica. Dado que el mrr aumenta como C^1/4, el aumento en el mrr es bastante bajo después de que C ha cruzado el 30%. Así, un aumento adicional en la concentración no ayuda.

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

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

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

Efectos del USM en Materiales:

Dado que la fuerza de corte involucrada es muy pequeña, el proceso no produce tensión ni calentamiento apreciables. Así, la estructura del material permanece inafectada. Sin embargo, al taladrar a través de un agujero, puede ocurrir astillado en el lado de salida del agujero. Para evitar esto, la pieza de trabajo hecha de material frágil se sujeta a una base generalmente hecha de vidrio.

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 convertir esto en un movimiento mecánico en forma de vibración de alta frecuencia, un soporte para sostener el cabezal, y un concentrador para amplificar mecánicamente la vibración mientras la transmite a la herramienta.

La mayoría de los transductores funcionan en el principio magnetostrictivo debido a la alta eficiencia, alta confiabilidad en el rango de 15-30 kHz, bajo voltaje de suministro, y arreglo de enfriamiento simple. Se usan láminas para reducir pérdidas como en transformadores. Las dimensiones se eligen para que la frecuencia natural coincida con la frecuencia de suministro eléctrico. Casi todas las máquinas modernas usan transductores de magnetostricción hechos de níquel (láminas de 0,1-0,2 mm de espesor).

El propósito principal del concentrador es aumentar la amplitud al nivel necesario para el corte. Se usan varios tipos de concentradores (Fig. 6.23a). La Figura 6.23b muestra cómo la amplitud de vibración longitudinal del conjunto transductor-concentrador se amplifica. Debe notarse que el sistema debe sostenerse al cuerpo principal en un punto nodal, como se muestra.

(ii) Mecanismo de Alimentación:

El objetivo del mecanismo de alimentación 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 contrapeso,

(b) Tipo resorte,

(c) Tipo neumático e hidráulico,

(d) Tipo motor.

(iii) Herramienta:

La herramienta está hecha de un metal fuerte, pero al mismo tiempo dúctil. Generalmente, se usan aceros inoxidables y aceros de bajo 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 son decididas por el proceso. El diámetro del círculo circunscrito alrededor de 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 desgaste uniforme. El espesor de cualquier pared o proyección debe ser al menos cinco veces el tamaño del grano del abrasivo. En una herramienta hueca, las paredes no deben hacerse más delgadas que 0,5 mm a 0,8 mm. Al diseñar la herramienta, se debe dar consideración al despeje lateral que normalmente es del orden de 0,06 mm a 0,36 mm, dependiendo del tamaño del grano del abrasivo.

(iv) Lechada Abrasiva:

Los abrasivos más comunes son – (i) carburo de boro (B₄C), (ii) carburo de silicio (SiC), (iii) corindón (Al₂O₃), (iv) diamante, y (v) carburo de boro-silicio (muy eficiente) cuyo poder abrasivo es aproximadamente 10% más que el de B₄C. El B₄C es el mejor y más eficiente entre los demás pero es costoso. El SiC se usa en vidrio, germanio y algunas cerámicas. El tiempo de corte con SiC es aproximadamente 20-40% más que con B₄C. El corindón es mucho menos eficiente y el tiempo de corte es aproximadamente 3-4 veces el de B₄C. El polvo de diamante se usa solo para cortar diamantes y rubíes.

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

5. Características del USM: