MECANIZADOS ESPECIALES
Mecanizado Por Electro Erosión
La electro erosión es un proceso de fabricación, también conocido como Mecanizado por Descarga Eléctrica o EDM.
El proceso de electro erosión consiste en la generación de un arco eléctrico entre una pieza y un electrodo en un medio dieléctrico para arrancar partículas de la pieza hasta conseguir reproducir en ella las formas del electrodo. Ambos, pieza y electrodo, deben ser conductores, para que pueda establecerse el arco eléctrico que provoque el arranque de material.
Proceso de electro erosión con electrodo de forma
Durante el proceso de electro erosión la pieza y el electrodo se sitúan muy próximos, dejando un hueco que oscila entre 0,01 y 0,05 mm, por el que circula un líquido dieléctrico. Al aplicar una diferencia de tensión continua y pulsante entre ambos, se crea un campo eléctrico intenso que provoca el paulatino aumento de la temperatura, hasta que el dieléctrico se vaporiza.
Al desaparecer el aislamiento del dieléctrico salta la chispa, incrementándose la temperatura hasta los 20.000 ºC, vaporizándose una pequeña cantidad de material de la pieza y el electrodo formando una burbuja que hace de puente entre ambas.
Al anularse el pulso de la fuente eléctrica, el puente se rompe separando las partículas del metal en forma gaseosa de la superficie original. Estos residuos se solidifican al contacto con el dieléctrico y son finalmente arrastrados por la corriente junto con las partículas del electrodo.
Dependiendo de la máquina y ajustes en el proceso, es posible que el ciclo completo se repita miles de veces por segundo. También es posible cambiar la polaridad entre el electrodo y la pieza.
El resultado deseado del proceso es la erosión uniforme de la pieza, reproduciendo las formas del electrodo. En el proceso el electrodo se desgasta, por eso es necesario desplazarlo hacia la pieza para mantener el hueco constante. En caso que el desgaste sea severo, el electrodo es reemplazado.
Las tasas de arranque de material con electrodo de forma son del orden de 2 cm3/h.
El electrodo de forma
El electrodo es comúnmente hecho de grafito pues este, por tener una elevada temperatura de vaporización, es más resistente al desgaste. Puede ser trabajado en una fresadora específica con el fin de crear ya sea un electrodo macho o un electrodo hembra, lo que significa que el electrodo tendrá la forma opuesta a la forma deseada y resultante en la pieza de trabajo.
Es buena práctica tener un electrodo de erosión en bruto y uno que consuma en forma fina y final, mas esto puede ser determinado por las dimensiones y características de la pieza a ser lograda.
Los electrodos pueden ser manufacturados en forma que múltiples formas pertenezcan al mismo pedazo de grafito.
También el cobre es un material predilecto para la fabricación de electrodos precisos, por su característica conductividad, aunque por ser un metal suave su desgaste es más rápido. El electrodo de cobre es ideal para la elaboración de hoyos o agujeros redondos y profundos. Comúnmente estos electrodos se encuentran de diámetros con tamaños milimétricos en incrementos de medio milímetro y longitudes variadas. Este proceso en particular es muy utilizado para antes del proceso de electro erosión con hilo, para producir el agujero inicial donde pase el hilo a través de un grosor de material que es inconveniente al taladro convencional.
Ventajas del proceso de electro erosión con electrodo de forma
- Al no generar fuerzas de corte como en los procesos de mecanizado, el torneado y el taladrado, resulta aplicable para materiales frágiles.
- Se pueden producir agujeros muy inclinados en superficies curvas sin problemas de deslizamiento. Así como de elevada relación de aspecto (cociente entre la longitud y el diámetro), es decir, con pequeño diámetro y gran profundidad imposibles con un taladro convencional.
- Al ser un proceso esencialmente térmico, se puede trabajar cualquier material mientras sea conductor
- Las tolerancias que se pueden obtener son muy ajustadas, desde ±0,025 hasta ±0,127 mm.
- Es un proceso de fabricación único para lograr complejas configuraciones que son imposibles de otra forma.
- Ahorran en ocasiones la realización de un acabado rugoso en la pieza por medio de ataques de ácido, pasándose a denominar "Acabado de Electro erosión". No es un acabado quizás tan perfecto como el que se obtendría con el ataque de ácido pero por costes y plazos resulta satisfactorio en la mayoría de las ocasiones.
Inconvenientes en el proceso de electro erosión con electrodo de forma
- Tras el proceso suele quedar una capa superficial de metal fundido, frágil y de extremada dureza, que debe eliminarse en aquellas piezas que requieran resistencia a la fatiga.
- El grafito es un material frágil, por lo que la manipulación de los electrodos debe ser muy cuidadosa.
- Los electrodos, generalmente, requieren ser manufacturados, por ejemplo, mecanizados en una fresadora que para trabajar grafito.
- La rugosidad que deja en la superficie puede ser muy elevada en función del tipo de aplicación y la reducción de ésta utilizando intensidades menores requiere mucho tiempo y en ocasiones se pueden producir defectos indeseados como formación de carbonillas o manchas.
- El acabado superficial rugoso no es perfecto resultando más rugoso sobre las caras planas que sobre las paredes verticales por efecto de las chispas esporádicas que se producen al evacuar los restos de material.
Aplicaciones del proceso de electro erosión con electrodo de forma
A modo de ejemplo se puede citar el agujereado de las boquillas de los inyectores en la industria automotriz, así como en la fabricación de moldes y matrices para procesos de moldeo o deformación plástica.
Mecanizado Por Chorro De Agua
El agua, a pesar de transmitir una gran sensación de tranquilidad, se puede utilizar para generar una fuerza muy elevada. Hoy por hoy es una herramienta industrial totalmente innovadora. Presurizada a unos niveles muy altos, y canalizada a través de orificios muy pequeños, el agua corta de una forma muy precisa casi todos los materiales.
El corte con agua es el proceso de mecanizado de mayor crecimiento en los últimos 5 años.
Tipos de bombas
La bomba de ultra alta presión es el corazón del sistema de corte. En el caso de las bombas tipo intensificador, la presión se genera mediante un multiplicador de presión en el cilindro hidráulico de doble efecto, este trabaja con 210 bares. de presión de aceite, y transmite el movimiento a los pistones de agua, que teniendo una relación de superficies de aproximadamente 1 a 20, comprimen el agua por encima de 4100 bar. A esta presión el agua se comprime a un 13%.
La bomba tipo intensificador genera la presión a través de una bomba de aceite. Esta presión es enviada a un intensificador (multiplicador de presión) que transforma, por efecto Pascal, la presión de aceite en presión de agua. En este tipo de bombas se conseguido superar la barrera de los 4.100 bares. de presión. Cuanto más elevada es la presión, mejores son los acabados que se consiguen, y mayor velocidad de corte.
La formación del haz de agua en el cabezal de corte
La estabilidad de haz de agua se garantiza con un atenuador de presión integrado en un sistema de tubería de alta presión. Dentro de este sistema se incluyen también tuberías flexibles de alta presión que conducen el agua hasta la misma cabeza de corte. En dicha cabeza un taladro muy pequeño en una piedra de rubí transforma la presión del agua en velocidad. El tamaño de este taladro es aproximadamente el de un pelo humano, y el haz de agua alcanza a través suyo una velocidad de 3 mach.
Este haz de agua es capaz de cortar una gran variedad de materiales. Los materiales blandos como las gomas, espumas, compuestos para las juntas de automoción, fibras de pañales e incluso los alimentos se pueden cortar solamente con agua a alta presión. En este caso solo utilizamos la energía cinética del agua para producir el corte.
Si además le añadimos granate como elemento abrasivo al haz de agua se pueden cortar todo tipo de materiales duros tales como metales, piel natural, mármol, cristal, o materiales reforzados con fibras. En este proceso el agua acelera las partículas del abrasivo para producir el corte dejando un aspecto satinado en su perfil.
Una vez generada esta presión, es transmitida a través de los conductos de alta presión hasta la cabeza de corte. En este punto, la energía de presión se transforma en energía cinética al atravesar un orificio de un tamaño aproximado de 0,3 mm. El chorro generado, que viaja a tres veces la velocidad del sonido, pasa a través de la cámara de mezcla, en la que se produce el efecto venturi para absorber el abrasivo y mezclarlo con el haz de agua. A partir de este punto, el chorro de agua y abrasivo pasa a través del tubo de mezcla, y acaba impactando contra el material a cortar.
El principio de los procesos de corte con agua pura, y de corte con agua y abrasivo es el mismo. La única diferencia, es que en este último se añade abrasivo en la parte inferior, para acelerar sus partículas contra el material. En este caso es necesario hacer llegar el abrasivo hasta el cabezal. Esto se consigue a través de diferentes sistemas, el más avanzado consiste en una tolva del entorno de los 200 Kg. de capacidad en la que se deposita el abrasivo. Esta está comunicada con un depósito presurizado, que es el responsable de enviar el abrasivo hasta la cabeza de corte. En ese punto se encuentra un dosificador de abrasivo que garantiza el aporte óptimo por unidad de tiempo al cabezal.
Una herramienta muy útil para el cabezal de corte, es lo que se denomina "sistema de asistencia de vacío en perforación Paser 3". Este sistema permite asegurar un proceso de perforación seguro y consistente, incluso en materiales muy frágiles como el cristal, la piedra o la cerámica. Así se evita la necesidad de pretaladrar mecánicamente las piezas.
Corte de distintos materiales
Partiendo de una energía fija en la boquilla de corte, la velocidad y la calidad de corte en los materiales son función de su índice de mecanizabilidad y del espesor que se pretenda cortar, así pues, cuanto menor es el índice de mecanizabilidad, más lento se hace el corte, y cuanto mayor espesor también se reduce la velocidad de corte.
Aunque los espesores de corte más comunes en esta tecnología oscilan entre los 0,5mm y los 120mm para materiales duros, en ocasiones los usuarios de corte con agua y abrasivo llegan a cortar hasta 350 mm de materiales como el acero inoxidable. En el corte de espesores reducidos, esta tecnología permite la colocación de varias capas una encima de otra para cortarlas a la vez manteniendo las calidades de corte con cierta homogeneidad, aumentando así en gran medida la productividad del proceso.
A pesar de que esta tecnología puede cortar todo tipo de materiales, hay algunos que por sus características intrínsecas son especialmente agradecidos a este tipo de corte. Por ejemplo el aluminio, acero inoxidable, latón, cobre, piedra, cerámica, entre otros.
La principal característica de esta técnica es que estamos ante un corte frío que no deforma el material, en el que las zonas de corte no quedan térmicamente afectadas. Esto permite obtener piezas terminadas, con muy buen nivel de acabado y facilita enormemente la realización de operaciones de mecanizado posteriores si fuera necesario. En el 90% de los casos las piezas cortadas por agua pueden tomarse como piezas terminadas. Cortando a menor velocidad es posible obtener una pieza totalmente terminada que no requiere mecanizado posterior. Es posible también aumentar la velocidad a cambio de obtener un peor acabado.
Para corte de vidrio y materiales frágiles se dispone de un sistema denominado "Asistencia de vacío en perforación", que evita que el material se rompa cuando el agua impacta sobre el mismo, pues tiene tendencia a romperse. Con un proceso en el que se hace circular el abrasivo dentro de la cabeza de corte antes de que pase el agua, se consigue que el agua llegue con abrasivo, por lo tanto erosiona el material y no deteriora la perforación.
Así pues, la posibilidad de cortar materiales es espectacular. Casi todos los materiales de la naturaleza pueden ser cortados con esta tecnología, tanto con agua como con agua con abrasivo.
Mecanizado Por Ultrasonido Y Láser
Mecanizado por ultrasonidos rotatorios
El término “ultrasonidos” es debido a que la vibración se produce a una frecuencia próxima a los 20kHz (vibra unas 20.000 veces por segundo), frecuencia que está en el rango de los ultrasonidos
El mecanizado por ultrasonidos rotatorio (RUM) es un proceso no convencional, indicado para el mecanizado de materiales duros y frágiles como son las cerámicas técnicas, metales duros, vidrios, silicio, piedras preciosas, etc.
Se basa en el empleo de herramientas de diamante que eliminan el material por la combinación de un giro y de una vibración ultrasónica en dirección axial. Esta herramienta vibra unas 20.000 veces por segundo gracias a un piezoeléctrico incorporado en el cabezal.
La separación continua entre herramienta y pieza gracias a esa vibración ultrasónica hace que, en comparación con los métodos tradicionales, las fuerzas de corte se reduzcan y que la generación de calor sea menor. Esto se traduce en una protección de la herramienta y de la pieza aumentando la productividad en hasta 5 veces la de dichos procesos convencionales, y la obtención de unos acabados superficiales incluso menores que 0,2mm.
Así mismo, la presencia de una serie de algoritmos de control inteligentes ayudan a optimizar por completo el proceso de corte, así el ADR monitoriza el par (se protege la herramienta) y el ACC controla la fuerza en dirección axial mediante señales acústicas (se protege el piezoeléctrico).
Aplicaciones
- Industria del automóvil: discos de freno, toberas de inyección, insertos de moldes de inyección; en materiales como Nitruro de Silicio, Alúmina, metal duro, acero templado (55HRc)...
- Industria de los semiconductores: plaquitas (Wafer), elementos de refrigeración…en materiales como Silicio, Cuarzo Hialino…
- Industria óptica: lentes cóncavas y convexas, espejos…; en materiales como Zafiro, Silicio, Zerodur y vidrios varios.
- Industria médica: articulaciones, coronas dentales…; en materiales cerámicos varios como Zirconio, Alúmina…
- Varios: guías antidesgaste, pirometría, boquillas de soldadura, aisladores térmicos; también en materiales cerámicos.
Mecanizado por láser
La tecnología del Mecanizado Láser se basa en la generación de un rayo láser de alta potencia que es dirigido contra la pieza mediante un sistema de espejos de alta precisión.
En la zona de incidencia del rayo se consigue una elevada densidad de potencia que produce la volatilización del material. El rayo láser erosiona el material en múltiples capas obteniendo, de este modo, la geometría y profundidad requerida.
El mecanizado por láser es un proceso no convencional que permite obtener mecanizados de formas complejas y de pequeño tamaño. La gran ventaja de esta tecnología es la posibilidad de mecanizar casi todo tipo de materiales independientemente de su dureza o maquinabilidad, desde aceros, aleaciones termo resistentes, cerámicas hasta metal duro, silicio, etc.
Se dispone de un láser en estado sólido, compuesto por un cristal de Nd:YAG que permite una potencia media de láser de 100W, siendo los picos de potencia de 20Kw.
La alta densidad de energía del haz láser en el punto de enfoque permite que se produzca el proceso de ablación, haciendo que el material se vaporice. El diámetro del haz en el punto de enfoque puede ser de 30mm o de 100mm.
Si a la tecnología del láser le añadimos la tecnología de fabricación a alta velocidad, se dispone de un equipamiento más completo que permite el mecanizado de moldes que presenten detalles complejos y precisos, a la vez que se pueden obtener paredes verticales y acabados de esquinas vivas.
Una de las grandes ventajas de esta tecnología es que al ser una fuente de energía la que incide sobre el material, no se producen desgastes, roturas ni colisiones de la herramienta de corte, lo que supone una gran ventaja al proceso de arranque de viruta tradicional.
Aplicaciones
La tecnología del mecanizado por láser posibilita el mecanizado de figuras y piezas de pequeñas dimensiones, permitiendo obtener esquinas vivas y agujeros de pequeño diámetro, es decir, formas geométricas que no es posible o es muy costoso obtener mediante procesos convencionales.
Permite la creación de cavidades para aplicaciones tan diversas como moldes técnicos de precisión, técnica médica, electrónica y moldes de semiconductores, micro tecnología, construcción de prototipos.
La creación de cavidades para moldes de microinyección, micro postizos para la matricería, grabados superficiales y profundos, y sustituir operaciones de electro erosión en casos concretos.
Mecanizado Por Plasma
El fundamento del corte por plasma se basa en elevar la temperatura del material a cortar de una forma muy localizada y por encima de los 30.000 ºC, llevando el material hasta el cuarto estado de la materia, el plasma, estado en el que los electrones se disocian del átomo.
El procedimiento consiste en provocar un arco eléctrico estrangulado a través de la sección de la boquilla del soplete, sumamente pequeña, lo que concentra extraordinariamente la energía cinética del gas empleado, ionizándolo, y por polaridad adquiere la propiedad de cortar. La ventaja principal de este sistema radica en su reducido riesgo de deformaciones debido a la compactación calorífica de la zona de corte. También es valorable la economía de los gases aplicables, ya que a priori es viable cualquiera, si bien es cierto que no debe de atacar al electrodo ni a la pieza.
El equipo necesario para aportar esta energía consiste en un generador de alta frecuencia alimentado de energía eléctrica, gas para generar la llama de calentamiento (argón, hidrógeno, nitrógeno), y un porta electrodos, que dependiendo del gas puede ser de tungsteno, hafnio o circonio.
Por la vertiente eléctrica del equipo, la normas de seguridad aplicables son las correspondientes a esta maquinaria, considerando adicionalmente los gases que puedan desprenderse en el proceso por suciedad de la pieza.
Aplicaciones
El acero al Carbón, acero inoxidable, y aluminio puede ser cortado por arriba de 5181.6 mm. ancho y el largo es casi ilimitado. El resonador láser esta especialmente diseñado y montado, y se mueve con la maquina en dirección longitudinal, mientras que en la dirección transversa un sencillo flying optic guía el láser a la pieza de trabajo. Este diseño elimina divergencias en la viga a lo largo del eje longitudinal, asegurando la intensidad del láser y la calidad del corte constantemente se recuerda.
Procedimientos especiales de mecanizado
