Mecanizado Ultrasónico: Eliminación de Precisión por Vibración de Alta Frecuencia

¿Has oído hablar del mecanizado ultrasónico? También conocido como mecanizado por vibración ultrasónica, es un proceso de manufactura que se usa para remover material de una pieza de trabajo mediante el uso de vibraciones de alta frecuencia combinadas con partículas.

Una herramienta ultrasónica esencialmente crea muchas vibraciones pequeñas que, con el tiempo, remueven material de la pieza de trabajo con la que se usa. Para aprender más sobre mecanizado ultrasónico y cómo funciona, sigue leyendo.

¿Qué es el Mecanizado Ultrasónico?

El mecanizado ultrasónico es un proceso de manufactura sustractivo que remueve material de la superficie de una pieza a través de vibraciones de alta frecuencia, baja amplitud de una herramienta contra la superficie del material en presencia de partículas abrasivas finas. La herramienta viaja vertical u ortogonalmente a la superficie de la pieza a amplitudes de 0.05 a 0.125 mm (0.002 a 0.005 pulg.).

Los granos abrasivos finos se mezclan con agua para formar una suspensión que se distribuye a través de la pieza y la punta de la herramienta. Los tamaños de grano típicos del material abrasivo van de 100 a 1000, donde granos más pequeños (número de grano más alto) producen acabados superficiales más lisos.

El mecanizado por vibración ultrasónica se usa típicamente en materiales frágiles así como materiales con alta dureza debido a la mecánica de microfisuración.

Con el mecanizado ultrasónico, una herramienta crea vibraciones que proyectan partículas de tamaño micro hacia la pieza de trabajo. Las partículas se mezclan típicamente con agua u otros líquidos para crear una suspensión.

Cuando la herramienta ultrasónica se activa, proyecta estas partículas a alta velocidad hacia la superficie de la pieza de trabajo. La naturaleza abrasiva de las partículas ayuda a desgastar material de la superficie de la pieza de trabajo.

Proceso de Mecanizado Ultrasónico

La herramienta presente en la máquina para cortar los materiales está hecha de un material blando comparado con la pieza de trabajo. La herramienta usualmente se hace de materiales como acero blando y níquel. Cuando la herramienta vibra, se añade la suspensión abrasiva (líquida) que contiene granos y partículas abrasivas.

La suspensión abrasiva se añade hasta que las piezas de trabajo interactúan con los granos. Debido a las partículas de líquido añadidas, la fragilidad de la pieza de trabajo abrasa la superficie mientras la herramienta se deforma gradualmente.

Principio de Funcionamiento del Mecanizado Ultrasónico

El tiempo empleado en la máquina ultrasónica depende enteramente de la frecuencia de la herramienta vibratoria. También depende del tamaño de granos de la suspensión abrasiva, la rigidez, y la viscosidad.

Los granos usados en el fluido abrasivo son usualmente carburo de boro o carburo de silicio ya que son más rígidos que otros. El abrasivo usado puede llevarse fácilmente si la viscosidad del fluido de suspensión es menor.

Tipos de Mecanizado Ultrasónico

1. Mecanizado por vibración ultrasónica rotativa

En el mecanizado por vibración ultrasónica rotativa (RUM), la herramienta que oscila verticalmente puede girar alrededor de la línea central vertical de la herramienta. En lugar de usar una suspensión abrasiva para remover material, la superficie de la herramienta está impregnada con diamantes que desgastan la superficie de la pieza.

Las máquinas ultrasónicas rotativas se especializan en mecanizado de cerámicas avanzadas y aleaciones como vidrio, cuarzo, cerámicas estructurales, aleaciones de Ti, alúmina, y carburo de silicio. Las máquinas ultrasónicas rotativas se usan para producir agujeros profundos con alto nivel de precisión.

El mecanizado por vibración ultrasónica rotativa es un proceso de manufactura relativamente nuevo que aún se investiga extensamente. Actualmente, los investigadores intentan adaptar este proceso al nivel micro y permitir que la máquina opere similar a una fresadora.

2. Mecanizado ultrasónico asistido químicamente

En el mecanizado ultrasónico asistido químicamente (CUSM), se usa un fluido abrasivo químicamente reactivo para asegurar mayor mecanizado de materiales de vidrio y cerámica. Usando una solución ácida, como ácido fluorhídrico, características de mecanizado como tasa de remoción de material y calidad de superficie pueden mejorarse grandemente comparado al mecanizado ultrasónico tradicional.

Aunque el tiempo de mecanizado y rugosidad superficial disminuyen con CUSM, el diámetro del perfil de entrada es ligeramente mayor que lo normal debido a la reactividad química adicional de la nueva suspensión. Para limitar el alcance de este agrandamiento, el contenido de ácido de la suspensión debe seleccionarse cuidadosamente para asegurar seguridad del usuario y un producto de calidad.

Aplicaciones del Mecanizado Ultrasónico

Las aplicaciones del Mecanizado Ultrasónico son:

• Mecanizado de artículos de forma muy precisa e intrincada.
• Taladrado de agujeros redondos de cualquier forma.
• Rectificado de materiales frágiles.
• Perfilado de agujeros.
• Grabado
• Trepanado y acuñado
• Roscado
• Rebanado y brochado de materiales duros.
• Mecanizado de vidrios, cerámicas.
• Mecanizado de piedras minerales precisas, tungsteno.
• Perforación de matrices y para operación de corte.
• Es lo suficientemente preciso para usarse en la creación de componentes de sistemas micro-electro-mecánicos como obleas de vidrio micro-estructuradas
• El diamante se corta para las formas deseadas.

Ventajas del Mecanizado Ultrasónico

Hay docenas de otros procesos de manufactura capaces de remover material de piezas de trabajo, sus aplicaciones típicamente se restringen a piezas hechas de materiales fuertes y duraderos. El mecanizado ultrasónico es único, sin embargo, porque es capaz de remover material de casi todos los tipos de piezas de trabajo, incluyendo las hechas de materiales duros y frágiles.

Ya sea que una pieza de trabajo esté hecha de vidrio, cerámica o incluso cuarzo, sus dimensiones físicas pueden alterarse usando mecanizado ultrasónico.

El mecanizado ultrasónico no requiere calentar las piezas de trabajo. Si una pieza es sensible a fluctuaciones térmicas, puede alterarse seguramente usando este proceso de mecanizado. Durante el mecanizado ultrasónico, la temperatura de la pieza de trabajo permanecerá igual. En otras palabras, el proceso no requiere ni calentar ni enfriar la pieza de trabajo.

Además, el mecanizado ultrasónico ofrece tolerancias más altas que muchos otros procesos de mecanizado. Es capaz de modificar piezas de trabajo con altas tolerancias que no son posibles con otros procesos de mecanizado.

Desventajas del Mecanizado Ultrasónico

Por otro lado, hay algunas desventajas del mecanizado ultrasónico, una de las cuales es una tasa de remoción de material más lenta que el promedio. No es una forma particularmente rápida de remover material de piezas de trabajo.

Por el contrario, es más lenta que la mayoría de otros procesos de mecanizado. Para empresas de manufactura buscando procesos de producción en masa, el mecanizado ultrasónico puede ser una mala elección.

Además de una tasa de remoción de material más lenta que el promedio, el mecanizado ultrasónico no soporta el uso de agujeros profundos. No es raro que empresas de manufactura taladren agujeros en piezas de trabajo antes de exponerlas a una herramienta de mecanizado ultrasónico. Si un agujero es demasiado profundo, sin embargo, la suspensión no podrá llenarlo.