Mecanizado Ultrasónico (USM): Componentes Principales, Principios, Ventajas y Desventajas, y Aplicaciones Prácticas

Mecanizado Ultrasónico (USM), también llamado mecanizado por vibración ultrasónica, es un proceso en el que el material se remueve de la superficie de una pieza por vibración de baja amplitud y alta frecuencia de una herramienta contra la superficie en presencia de partículas abrasivas.

• El movimiento de la herramienta es vertical u ortogonal a la superficie. La herramienta viaja con amplitud de 0.05 mm a 0.125 mm (0.002 a 0.005 pulg).
• La suspensión (slurry) se forma mezclando granos abrasivos finos en agua. Esta suspensión fluye a través de la pieza y la punta de la herramienta durante el mecanizado. Los granos abrasivos ayudan en la remoción de material. Los tamaños de grano típicamente van de 100 a 1000. Granos más pequeños (número mayor) resultan en acabados más suaves.
• Este proceso se usa usualmente para mecanizar materiales frágiles y de alta dureza.

Principio de Funcionamiento del Mecanizado Ultrasónico

Una corriente eléctrica de alta frecuencia (en rango ultrasónico, 18 kHz a 40 kHz) genera vibración mecánica de baja amplitud y alta frecuencia. Esta vibración se usa para mecanizar la superficie en presencia de granos abrasivos en forma de suspensión. La suspensión fluye entre herramienta y pieza. Cuando la herramienta presiona contra la pieza, la suspensión con partículas abrasivas desprende material de la superficie.

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Partes Principales

La máquina de mecanizado ultrasónico consiste en dos partes principales: transductor y sonotrodo (también llamado cuerno), conectados a una unidad de control electrónica con cables.

Las funciones de las partes se describen a continuación:

1. Transductor:

Consiste principalmente en un cilindro de cerámica piezoeléctrica. Convierte energía eléctrica en vibración mecánica. El transductor vibra el sonotrodo a baja amplitud y alta frecuencia.

2. Sonotrodo:

Hecho de acero bajo en carbono. Un extremo conecta con el transductor y el otro contiene la herramienta. El sonotrodo vibra a baja amplitud y alta frecuencia y remueve material por abrasión donde contacta.

3. Unidad de Control:

Consiste en un oscilador electrónico que produce corriente alterna de alta frecuencia. La frecuencia suele estar entre 18 kHz y 40 kHz en rango ultrasónico.

Tipos de USM

1. Mecanizado por Vibración Ultrasónica Rotativa (RUM):

En RUM, una herramienta rotativa vertical gira sobre el eje del sonotrodo. La superficie de la herramienta está impregnada de diamantes para rectificar la superficie. No se usa suspensión abrasiva en este tipo para remoción de material.

2. USM Asistido Químicamente:

En este mecanizado, se usa un fluido abrasivo químicamente reactivo para el proceso.

Funcionamiento del Proceso de Mecanizado Ultrasónico

• El transductor y sonotrodo se conectan a la unidad de control con cable.
• La unidad tiene un oscilador que produce corriente alterna de alta frecuencia ultrasónica (18-40 kHz).
• Esta corriente se suministra al transductor. Este la convierte en vibración mecánica y la transmite al sonotrodo conectado.
• El sonotrodo vibra con baja amplitud y alta frecuencia. Al golpear la superficie de la pieza, remueve material. La suspensión fluye entre herramienta y pieza ayudando en la remoción.
• La suspensión contiene 20-60% de agua por volumen, óxido de aluminio, carburo de boro y partículas de carburo de silicio.
• Así funciona el mecanizado ultrasónico.

Ventajas

• Capaz de mecanizar materiales frágiles y duros con alta precisión.
• Puede mecanizar materiales frágiles como vidrio y metales no conductores que no se mecanizan por métodos no tradicionales como ECM o EDM.
• Capaz de producir piezas de alta tolerancia.
• No hay distorsión en el material trabajado porque el sonotrodo no genera calor.
• No se observa cambio en propiedades físicas del material.
• Las piezas mecanizadas requieren menos procesos de acabado por ausencia de rebabas.

Desventajas

• La remoción de metal es lenta por mecanismo de micro-astillado o erosión.
• El desgaste de la punta del sonotrodo ocurre más rápido.
• El mecanizado de agujeros profundos no es fácil por la incapacidad de la suspensión para fluir al fondo (excepto RUM).
• El mecanizado por vibración ultrasónica solo puede usarse para materiales con dureza al menos 45 HRC (escala Rockwell).

Aplicación

• Comúnmente usado para mecanizar materiales frágiles y duros. Vidrio, carburos, cerámicas, piedras preciosas y aceros endurecidos son los materiales más comunes.
• Es un método muy preciso usado en creación de componentes de sistemas micro-electroquímicos como obleas de vidrio micro-estructuradas.

Referencia: wikipedia.org