Mecanizado Ultrasónico Explicado: Principios, Beneficios y Aplicaciones

En este artículo, aprenderá qué es el mecanizado ultrasónico, cómo funciona, partes, aplicaciones, ventajas y desventajas del mecanizado ultrasónico. Descargue el archivo PDF gratuito de este artículo al final.

Proceso de Mecanizado Ultrasónico

¿Qué es Ultrasónico?

El término ultrasónico se usa para describir una onda vibratoria de frecuencia, que está por encima del límite superior de frecuencia del oído humano, es decir, por encima de 16 kHz.

El dispositivo para convertir cualquier tipo de energía en ondas ultrasónicas es el transductor ultrasónico.

Esta energía eléctrica se convierte en vibraciones mecánicas. Y para esto, se usa el efecto piezoeléctrico en la magnetostricción exhibida por cristales naturales o sintéticos o algunos metales.

Magnetostricción significa que el cambio en amplitud que ocurre en materiales ferromagnéticos está sujeto a un campo magnético alterno.

En el mecanizado ultrasónico, una herramienta que vibra longitudinalmente a 20 kHz a 30 kHz con una amplitud entre 0.01 mm a 0.06 mm se presiona sobre la superficie de trabajo con una fuerza ligera.

A medida que la herramienta vibra con una frecuencia específica, una lechada abrasiva, usualmente una mezcla de granos abrasivos y agua de proporción fija (20% – 30%), fluye bajo presión a través de la interfaz herramienta-pieza de trabajo.

La fuerza de impacto que surge de la vibración del extremo de la herramienta y el flujo de lechada a través de la interfaz pieza-herramienta realmente causa que miles de granos microscópicos remuevan el material de trabajo por abrasión. La herramienta tiene la misma forma que la cavidad a mecanizar.

El método se emplea para mecanizar materiales duros y frágiles que son tanto eléctricamente conductores como no conductores. El análisis del mecanismo de remoción de material por el proceso USM indica que a veces puede llamarse Rectificado Ultrasónico (USG).

Principio de Funcionamiento del Mecanizado Ultrasónico

La figura muestra la operación de mecanizado ultrasónico. El oscilador electrónico y amplificador, también conocido como generador, convierte la energía eléctrica disponible de baja frecuencia a potencia de alta frecuencia del orden de 20 kHz que se suministra al transductor.

El transductor opera por magnetostricción. La alimentación de alta frecuencia activa la pila de material magnetostrictivo que produce movimiento vibratorio longitudinal de la herramienta. La amplitud de esta vibración es inadecuada para propósitos de corte. Por lo tanto, se transmite a la herramienta penetrante a través de un dispositivo de enfoque mecánico que proporciona una vibración intensa de la amplitud deseada en el extremo de la herramienta.

El dispositivo de enfoque mecánico a veces se llama transformador de velocidad. Este es un vástago cónico o llamado 'cuerno'. Su extremo superior está sujeto o soldado al rostro inferior del material magnetostrictivo. Su extremo inferior está provisto de medios para asegurar la herramienta.

Todas estas partes, incluyendo la herramienta hecha de acero de bajo carbono o acero inoxidable con la forma de la cavidad deseada, actúan como un cuerpo elástico que transmite las vibraciones a la punta de la herramienta.

Lea: Tipos de Procesos de Mecanizado No Convencionales

Los Abrasivos Comúnmente Usados Son

Óxido de aluminio (alúmina), carburo de boro, carburo de silicio y polvo de diamante. El boro es el material abrasivo más caro y es el más adecuado para el corte de carburo de tungsteno, acero para herramientas y gemas. El silicio encuentra la mayor aplicación. Para corte de vidrio y cerámicas, la alúmina se encuentra como la mejor.

La lechada abrasiva se extiende a la interfaz herramienta-pieza por bombeo. Un sistema de enfriamiento refrigerado se usa para enfriar la lechada abrasiva a una temperatura de 5 a 6 °C. Un buen método es mantener la lechada en un baño en la zona de corte.

El tamaño del abrasivo varía entre 200 malla y 2000 malla. Grados gruesos son buenos para desbaste, mientras que grados más finos, digamos 1000 malla, se emplean para acabado. Los abrasivos frescos cortan mejor y la lechada, por lo tanto, debe reemplazarse periódicamente.

Precisión del USM

La velocidad máxima de penetración en materiales blandos y frágiles como cerámicas blandas es del orden de 20 mm/min, pero para materiales duros y tenaces, la tasa de penetración es menor. Precisión dimensional hasta ±0.005 mm es posible y acabados superficiales hasta un valor Ra de 0.1-0.125 micrón pueden obtenerse.

Un radio de esquina mínimo de 0.10 mm es posible de mecanizar en acabado. El rango de tamaños de máquinas USM varía desde un tipo portátil ligero con una entrada de unos 20 W hasta máquinas pesadas que toman una entrada hasta 2 kW.

Limitaciones del Proceso

La principal limitación del proceso es su tasa de corte de metal relativamente baja. La tasa máxima de remoción de metal es 3 mm³/s y el consumo de energía es alto. La profundidad de agujeros cilíndricos está actualmente limitada a 2.5 veces el diámetro de la herramienta.

El desgaste de la herramienta aumenta el ángulo del agujero, mientras que las esquinas afiladas se vuelven redondeadas. Esto implica que el reemplazo de la herramienta es esencial en la producción de agujeros ciegos precisos. Además, el proceso está limitado, en su forma actual, a mecanizar superficies de tamaño comparativamente pequeño.

Desarrollo Reciente

Recientemente, un nuevo desarrollo en mecanizado ultrasónico ha tenido lugar en el que se usa una herramienta impregnada con polvo de diamante y no se usa lechada. La herramienta ha oscilado a frecuencias ultrasónicas así como rotado. Si no es posible rotar la herramienta, la pieza de trabajo puede rotarse.

Esta innovación ha eliminado algunos de los inconvenientes del proceso convencional en taladrado de agujeros profundos. Por ejemplo, las dimensiones del agujero pueden mantenerse dentro de ±0.125 mm. Agujeros hasta 75 mm de profundidad se han taladrado en cerámicas sin ninguna caída en la tasa de mecanizado como se experimenta en el proceso convencional.

Aplicación del Mecanizado Ultrasónico

La simplicidad del proceso lo hace económico para una amplia gama de aplicaciones tales como:

• Crear agujeros redondos y agujeros de cualquier forma para los cuales se pueda hacer una herramienta. El rango de formas obtenibles puede aumentarse moviendo la pieza de trabajo durante el corte.
• Operaciones de mecanizado como taladrado, rectificado y fresado en todos los materiales conductores y no conductores.
• Mecanizado de vidrio, cerámica, tungsteno y otros carburos duros, gemas como rubí sintético.
• En corte de roscas en componentes hechos de metales duros y aleaciones rotando y trasladando ya sea la pieza de trabajo o la herramienta.
• En la fabricación de matrices de estirado de alambre de carburo de tungsteno y diamante y matrices para procesos de forja y extrusión.
• Permitir a un dentista taladrar un agujero de cualquier forma en los dientes sin crear dolor.

Ventajas y Desventajas del Mecanizado Ultrasónico

Ventajas

• Materiales extremadamente duros y frágiles pueden mecanizarse fácilmente.
• Perfiles altamente precisos y buen acabado superficial pueden obtenerse fácilmente.
• La pieza de trabajo mecanizada está libre de tensiones.
• La tasa de remoción de metal es baja.
• Debido a que no hay generación de calor en el proceso, las propiedades físicas del material de trabajo permanecen inalteradas.
• La operación es silenciosa.
• La operación del equipo es bastante segura.

Desventajas

• La tasa de remoción de metal es baja.
• El coste inicial del equipo es más alto que el de las herramientas de máquina convencionales.
• Este proceso no se adapta a la remoción pesada de metal.
• El coste de utillaje también es alto.
• Se encuentran dificultades en el mecanizado de materiales más blandos.
• El consumo de energía es bastante alto.
• El tamaño de la cavidad que puede mecanizarse es limitado.

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Conclusión

El mecanizado ultrasónico tiene muchas ventajas en industrias manufactureras. Espero haber cubierto todo sobre USM. Si tiene alguna pregunta sobre este tema, puede preguntar en los comentarios.

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