Mecanizado ultrasónico: fundamentos, componentes y aplicaciones industriales

¿Qué es el proceso de mecanizado ultrasónico?

El mecanizado ultrasónico es un proceso de mecanizado no convencional en el que los abrasivos golpean la pieza de trabajo para remover material. Este método de mecanizado recurre a la percusión o martilleo de abrasivos contra la pieza de trabajo con la herramienta.

Así, tenemos una herramienta, que no impacta directamente la pieza de trabajo, sino que hay algunas partículas abrasivas puestas entre la pieza de trabajo y la herramienta.

Estas partículas abrasivas son duras y pueden retener su forma, lo que significa que son rígidas, por lo tanto, pueden causar erosión por impacto del material de la pieza de trabajo cuando trabajan en este modo particular de percusión.

El martilleo es realizado por un cuerpo conocido como herramienta. El material de la herramienta ha sido lo suficientemente dúctil para que en sí misma no sufra fractura frágil.

Construcción o partes del mecanizado ultrasónico

El mecanizado ultrasónico consta de las siguientes partes principales:

• Fuente de alimentación
• Transformador de velocidad
• Herramienta
• Suspensión abrasiva (slurry)
• Transductor electromecánico
• Pistola abrasiva
• Pieza de trabajo

Fuente de alimentación

La fuente de alimentación también se llama generador de alta frecuencia u oscilador electrónico. Su función principal es convertir una alimentación eléctrica normal que tiene un rango de frecuencia de 50-60 Hz a una alimentación eléctrica de alta frecuencia hasta un rango de 20-40 kHz, pero la amplitud de la vibración será pequeña, hasta un rango de micrones.

Transformador de velocidad

El transformador de velocidad también se llama diseño del cuerno. La función del cuerno es amplificar y enfocar la vibración del transductor a una intensidad adecuada para impulsar la herramienta y cumplir la operación de corte.

Están hechos de acero duro, no magnético y fácilmente mecanizable con buena resistencia a la fatiga como K-Monel, bronce metálico y acero dulce.

Los cuernos cónicos lineales y exponenciales tienen longitudes iguales a la mitad de la longitud de onda del sonido en el metal del que están hechos.

Herramienta

El martilleo es realizado por un cuerpo conocido como herramienta y el material de la herramienta ha sido lo suficientemente dúctil para que en sí misma no sufra fractura frágil.

Sin embargo, no podemos evitar la remoción de material de la herramienta paralelamente con la pieza de trabajo, por lo que el desgaste de la herramienta es de grado suficiente y también debe ser resistente a la fatiga porque para aumentar la tasa de remoción de material aumentamos la tasa de martilleo a frecuencias ultrasónicas.

Así, si es así, habrá carga dinámica en el material de la herramienta. Por lo tanto, debe ser resistente a la fatiga. Y la tasa de mecanizado es proporcional a este martilleo.

Suspensión abrasiva (slurry)

Los abrasivos necesitan aplicarse en el sitio de mecanizado y necesitan ser removidos junto con el material mecanizado de la pieza de trabajo y material de la herramienta, por lo que se transportan en una suspensión hacia y desde el sitio de mecanizado.

La herramienta se presiona contra la pieza de trabajo para crear una ligera presión, lo suficientemente baja para no triturar los abrasivos y lo suficientemente alta para asegurar la fractura de la pieza de trabajo.

Los abrasivos tienen mayor resistencia a la fractura que la pieza de trabajo. Primero, los abrasivos tienen que ser suministrados.

Así, se aplican en el sitio de mecanizado al ser transportados en un medio acuoso generalmente y se llama suspensión (slurry).

Transductor electromecánico

El transductor convierte energía eléctrica en vibración mecánica. La señal eléctrica de alta frecuencia se transmite al transductor que la convierte en vibración de alta frecuencia y baja amplitud.

Hay dos tipos de transductores usados:

• Transductor piezoeléctrico
• Transductor magnetostrictivo

Transductor piezoeléctrico

Cuando este transductor se comprime genera una pequeña corriente eléctrica. Y cuando pasa una corriente eléctrica a través de él se expande. Cuando se quita la corriente, el cristal recupera su tamaño y forma original. Estos transductores están disponibles hasta 900 vatios.

Transductor magnetostrictivo

Cuando se somete a un campo magnético, estos tipos de transductores también cambian su forma. Estos transductores están hechos de níquel y aleación de níquel. La eficiencia es de aproximadamente 20-30%. Tales transductores están disponibles hasta 2000 vatios, el cambio máximo en longitud es de aproximadamente 25 micras.

Pistola abrasiva

Los abrasivos se aplican en el sitio de mecanizado al ser transportados en un medio acuoso generalmente y se llama suspensión.

Digamos que ponemos volumen/volumen 20 partes de abrasivos en 100 partes de agua y se aplique por una boquilla o por una pistola abrasiva, es decir, por un chorro en el sitio de mecanizado para que todo el tiempo el sitio de la máquina reciba abrasivos frescos bajo una presión definida y los desechos de mecanizado: es decir, material removido, abrasivos rotos, todas estas cosas son removidas por ese chorro de agua y abrasivos solamente.

Pieza de trabajo

Materiales frágiles no conductores como cerámicas de ingeniería son mecanizados por proceso de mecanizado ultrasónico.

No daña térmicamente la pieza de trabajo y no introduce tensiones residuales en la pieza de trabajo. Formas 3D pueden ser intrincadas a partir de este proceso en la pieza de trabajo.

Principio de funcionamiento del mecanizado ultrasónico

El funcionamiento del mecanizado ultrasónico es: hay un espacio entre herramienta y pieza de trabajo de aproximadamente 0.25 mm. La herramienta está hecha de material dúctil. Entre herramienta y pieza de trabajo hay una suspensión de abrasivo.

El abrasivo se incrusta en la herramienta y durante el viaje descendente de la herramienta, los abrasivos martillean la pieza de trabajo, removiendo material.

Este material será evacuado del área de mecanizado por el flujo de la suspensión; la herramienta se hace ligeramente cónica para producir agujeros rectos.

Al aumentar la viscosidad del fluido portador, la tasa de remoción de material disminuye debido a la dificultad en el lavado. Al aumentar la frecuencia, la TRM (Tasa de Remoción de Material) aumentará porque el número de impactos por unidad de tiempo aumentará.

Al aumentar la amplitud, la TRM aumentará debido al aumento del momento de los abrasivos.

La amplitud de la vibración puede variar de 5 a 75 µm y la frecuencia puede variar de 19 a 25 kHz.

Al aumentar la concentración de abrasivos, el impacto estará en más lugares lo que aumenta la TRM.

Pero cuando la concentración aumenta más allá de un cierto valor, debido a la colisión entre los abrasivos se pierde momento, disminuyendo la TRM.

Al aumentar el tamaño del abrasivo, un impacto aparecerá en un área mayor. Pero cuando el tamaño aumenta más allá de un cierto valor, el momento de los abrasivos disminuirá.

Debe notarse que: TRM: ECM > EDM > USM

Video de funcionamiento del mecanizado ultrasónico

Ventajas del mecanizado ultrasónico

Las siguientes ventajas del ultrasónico son:

• El mecanizado ultrasónico puede usarse para mecanizar materiales frágiles, no conductores, duros y frágiles.
• No se genera calor en este proceso de mecanizado, por lo que hay muy poco o ningún cambio físico en la pieza de trabajo.
• Los no metales que no pueden mecanizarse por EDM y ECM debido a su mala conductividad eléctrica, pueden mecanizarse muy bien por mecanizado ultrasónico.
• Es un proceso sin rebabas y sin distorsión.
• Puede adoptarse junto con otras nuevas tecnologías como EDM, ECG, ECM.
• La operación es silenciosa.
• El equipo usado en este mecanizado puede ser usado por operadores calificados y no calificados.
• Se puede lograr un buen acabado superficial y alta precisión.
• Todo material puede mecanizarse independientemente de su conductividad.

Desventajas del mecanizado ultrasónico

Las siguientes desventajas del mecanizado ultrasónico son:

• La Tasa de Remoción de Material es baja.
• El requerimiento de energía para el corte es alto.
• El material más blando es difícil de mecanizar.
• Es difícil taladrar agujeros profundos en mecanizado ultrasónico, ya que hay una restricción del movimiento de la suspensión.
• Alta tasa de desgaste de la herramienta debido al movimiento de partículas abrasivas.

Aplicaciones del mecanizado ultrasónico

Las siguientes aplicaciones del mecanizado ultrasónico son:

• El mecanizado ultrasónico se usa para el mecanizado de cerámicas no conductoras.
• Material que tiene una alta tasa de desecho, es decir, material frágil, puede mecanizarse por este proceso muy efectivamente.
• Mecanizado de matrices para estirado de alambre, punzonado y operaciones de corte.
• Permite a un dentista taladrar un agujero de cualquier forma en los dientes sin dolor.
• Usado para rectificar cuarzo, vidrio, cerámicas.
• Usado para cortar diamantes industriales.
• También usado para fabricar matrices.