Tecnologas avanzadas de mecanizado Diego Torrejn Martn MUI

Tecnologías avanzadas de mecanizado Diego Torrejón Martín MUI en Ingeniería y Arquitectura Universidad de Extremadura

Índice 1. Introducción 2. Mecanizado con láser 3. Corte por plasma 4. Mecanizado con chorro de agua 5. Mecanizado por corte abrasivo 6. Mecanizado electroquímico 7. Mecanizado químico 8. Electroerosión 9. Mecanizado por ultrasonido

1. Introducción Las tecnologías avanzadas de fabricación nacen de la necesidad de buscar nuevos procesos de mecanizado para solventar aquellas limitaciones que podemos encontrar en los procesos de fabricación convencionales. • • Mayor precisión Mecanizado de geometrías complejas

2. Mecanizado con láser Propiedades: • Luz monocromática λ concreta en cada gama • Luz coherente ondas en fase • Luz direccional Focaliza toda su potencia en una pequeña región local fusión y evaporación del material. incremento de la temperatura

2. Mecanizado con láser • • • Dirigido contra la pieza mediante un sistema de espejos de alta precisión Elevada densidad de potencia que produce la volatilización del material Erosiona el material en múltiples capas (geometría y profundidad requeridas) v Componentes: • Medio activo que suele ser un cristal de Nd: YAG • Medio de excitación (lámpara) • Óptica del resonador

2. Mecanizado con láser v Aplicaciones: • Microproductos (corte, soldadura, taladrado, marcado, ablación y conformado) • Cavidades de moldes técnicos de precisión, medida, electrónica y moldes de semiconductores, microtecnología, construcción de prototipos. v Alternativa a procesos de fabricación como: • Corte de planchas de material • Taladrado de agujeros pequeños • Soldadura y marcado de piezas

2. Mecanizado con láser

3. Corte por plasma • • • Gas a alta velocidad sometido a una diferencia de potencial gas ionizado Gas ionizado estrangulado + arco piloto Plasma alta Tª (10000 -30000 ºC) Material a cortar polo + y electrodo polo arco transferido v Equipo necesario: • Generador de alta frecuencia de energía eléctrica • Gas plasmágeno (argón, hidrógeno, nitrógeno) • Electrodo (tungsteno o circonio)

3. Corte por plasma v Ventajas • • Velocidades de corte > que M. Láser para espesores de altos y medios Altas posibilidades de automatización No necesita precalentamiento Riesgo bajo de deformaciones v Desventajas • • • Más costoso que otros procesos de corte Presenta más peligro que los métodos mecánicos Solo utilizable en materiales conductores

4. Mecanizado con chorro de agua • • Fuerza debido al cambio de cantidad de movimiento del chorro en operaciones de corte y desbastado. Maderas, alimentos, telas, ladrillo, cuero y papel hasta de 25 mm de espesor. Bomba de ultra alta presión Presión = multiplicador de presión en un cilindro hidráulico de doble efecto (210 bar de presión de aceite) y transmite el movimiento a los pistones que comprimen el agua por encima de 4100 bar. Cabezal de corte + atenuador de presión que garantiza la estabilidad del haz de agua Taladro menor al del tamaño de un cabello El agua alcanza velocidades de hasta 3 mach

4. Mecanizado con chorro de agua

5. Mecanizado por corte abrasivo • • • Agua + abrasivo = corte de materiales más duros Igual funcionamiento salvo que cuenta con una cámara de mezcla en la que se produce el efecto venturi para el material abrasivo sea succionado y se mezcle con el haz de agua Corte frío, no deforma el material Zonas de corte no térmicamente afectadas Buen nivel de acabado y mecanizado posterior de piezas Utilizable en máquinas de cinco ejes

6. Mecanizado electroquímico • • • Materiales difíciles de conformar, contornos complicados Arranque del material por el proceso de disolución gracias al cual la pieza no sufre ningún tipo de estrés residual (la herramienta no sufre desgaste) Proceso: Corriente eléctrica desde la pieza (ánodo) Herramienta (cátodo) Solución electrolítica (Na. Cl o Na. NO 3) • • Consigue eliminar el material sobrante por disolución molecular del mismo Las partículas son posteriormente filtradas para conservar las características del electrolito Aplicación: industria aeroespacial, industria del moldeo, operaciones de acabado superficial (sistemas de frenos ABS, ruedas dentadas, componentes sistemas diesel, etc)

6. Mecanizado electroquímico • • • Grado de arranque del material composición química del material (*NO de sus propiedades mecánicas) Este tipo de mecanizado hace posible que el arranque de materia sea a nivel de tamaño micrométrico. A la hora de fabricar, pueden utilizarse varias piezas a la vez. Evita daños superficiales, puesto que se realiza sin ningún tipo de acción mecánica evitando que las piezas entren en contacto entre sí o con otro material. Perfecto para mecanizados complejos (fácil de usar y programar) Puede ser usado de forma independiente o integrado en una línea de producción.

6. Mecanizado electroquímico • • • Rectificado electroquímico: Mecanizado electrolítico + rectificado convencional Rectificadora = cátodo giratorio embebido en partículas abrasivas (aislante entre la herramienta y la pieza) 95% del material eliminado se produce debido al electrolito Más rápido y duradero que el rectificado convencional (incluso en materiales de elevada dureza) Problemas relacionados con el carácter corrosivo del electrolito (las piezas deben ser lavadas inmediatamente después de ser procesadas)

6. Mecanizado electroquímico

6. Mecanizado electroquímico

7. Mecanizado químico v Disolución química usando sustancias reactivas (ácidas o alcalinas) como: • Hidróxido de sodio (material = aluminio). • Soluciones de ácidos clorhídrico y nítrico (material = acero). • Soluciones de cloruro de hierro (material = acero inoxidable). v Fresado químico: • Eliminación por disolución selectiva y controlada de una aleación metálica por medio de los agentes químicos anteriormente nombrados. • Eliminación del metal = inmersión de la pieza en una solución de ataque o por proyección de la pieza sobre la superficie a tratar (máscara protectora). • Ventajas: posibilidad de fresado de una o varias superficies a la vez, contornos complejos y texturas de acabado superficial muy finas. • Aplicación: industria aeroespacial (eliminar capas someras de material en partes grandes de aviones, cubiertas de misiles y partes extruidas de amazones) y fabricación de dispositivos microelectrónicos.

8. Mecanizado por descarga eléctrica (Electroerosión) • • Arco eléctrico entre pieza y electrodo Fluido dieléctrico Pieza y electrodo conductores Fuente de alimentación pulsada

8. Mecanizado por descarga eléctrica (Electroerosión) v Funcionamiento • Fuente alimentación pulsada controla I, t y movimiento del electrodo/pieza (siempre separadas). • Se genera un campo eléctrico E • Dieléctrico (aislante) conductor • Debido a la rugosidad E es más intenso en los puntos más cercanos • E provoca que los iones + y los e- se aceleren • columna ionizada que conduce electricidad Produce una chispa que provoca más colisiones entre las partículas

8. Mecanizado por descarga eléctrica (Electroerosión) • • Se forma una burbuja de gas, cuya P se eleva hasta formar una zona de plasma Temperaturas 8000 -12000 ºC vaporización del material La chispa se apaga, el dieléctrico vuelve a ser aislante descenso repentino Tª lo que provoca la implosión de la burbuja nube material vaporizado La nube se enfría dejando virutas esféricas de material El proceso deja cráteres en la pieza y el electrodo

9. Mecanizado por ultrasonido • • • Herramienta y abrasivos sueltos Se hace vibrar a la herramienta a una frecuencia ultrasónica y ésta arrastra a los abrasivos generando una rotura frágil en la superficie de la pieza. Arranque del material producido por una rotura frágil = método adecuado para mecanizar materiales frágiles y duros (vidrio, silicio, grafito, etc). El mecanizado por ultrasonidos rotatorio: Se basa en la eliminación de material mediante la combinación de giro y vibración ultrasónica en la dirección axial de la herramienta (diamante, generalmente). Elemento característico: transductor (acoplado al cabezal, contiene una serie de piezoeléctricos que transforman la energía eléctrica de alta frecuencia en vibración mecánica a esa misma frecuencia).

9. Mecanizado por ultrasonido v Ventajas: • Reducción de los esfuerzos de corte y de la carga térmica de la pieza reducción del desgaste de la herramienta • Superposición de movimientos, vibración y giro (mayor tasa de arranque de material) • Gran acabado superficial (menor fuerza del proceso) • Movimiento ultrasónico + refrigerante interno y externo = la herramienta experimenta un proceso de autolimpieza • El proceso crea una capa superficial de tensiones residuales de compresión que aumenta la vida a fatiga de la pieza. v Aplicaciones: • Industria del automóvil: discos de freno, toberas de inyección, insertos de moldes de inyección en materiales como Nitruro de Silicio, Alúmina, acero templado (55 HRc) • Industria de los semiconductores: placas de elementos de refrigeración • Industria óptica: lentes cóncavas y convexas, espejos. • Industria médica: articulaciones, coronas dentales en materiales cerámicos (circonio)

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