Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA MECANICA
CURSO : DISEÑO DE SISTEMAS DE PRODUCCION
DOCENTE : DR. VÍCTOR MANUEL ALCÁNTARA ALZA
ALUMNOS : BAUTISTA ORTIZ EDUARDO
CRUZADO ARAUJO JAVIER
HERRERA MARRUFO ANDERSON
QUEZADA FAJARDO ORLANDO
RAMOS SPARROW OSWALDO
MECANIZADO ULTRASONIC
O
Introducción
En los procesos no tradicionales se clasifican de acuerdo con la forma principal de energía que usan para remover materiales. En esta clasificación hay cuatro tipos: Mecánicos Eléctricos Térmicos Químicos
Introducción
PROCESOS MECÁNICOS
En estos procesos no tradicionales se usa energía mecánica en alguna forma diferente a la acción de una herramienta de corte convencional. La forma común de acción mecánica en los procesos es el trabajo mediante una corriente de alta velocidad de abrasivos o fluidos (o ambos).
TIPOS : maquinado ultrasónico. Procesos con chorro de agua y chorro
abrasivo.
Introducción
Los procesos no tradicionales se han desarrollado como respuesta a los requerimientos nuevos y singulares que no pueden cumplirse mediante procesos convencionales.
El maquinado ultrasónico se desarrollo por la necesidad de maquinar materiales de trabajo duros y frágiles, tales como la cerámica, el vidrio y los carburos. también se usa con éxito en los aceros inoxidables y titanio
Historia del USMLas perspectivas del uso de ondas sonoras de alta frecuencia para el mecanizado se observó ya en 1927 por Wood y Loomis.
Cuando un líquido está expuesto a las ondas de ultrasonidos burbujas son creadas, lo que se conoce como cavitación.
Las ondas sonoras hacen hincapié en estas burbujas, haciendo que crezcan, contraigan y finalmente implosionan. Con la implosión, se producen gran calor y presión, que crean micro picaduras.
Historia del USMLas primeras patentes sobre USM apareció en 1945, presentadas por Balamuth.
Mientras investigaba la picadura ultrasónica de polvos abrasivos, Balamuth encontró que la superficie de un recipiente que contenía la suspensión abrasiva se desintegró cuando la punta de un transductor de vibración ultrasónica se colocó cerca de ella.
Por otra parte, la forma de la cavidad así producida reprodujo con exactitud la de la punta del transductor.
Historia del USM
Una amplia gama de materiales frágiles, incluyendo el vidrio, cerámica y diamante, podría ser tratado eficazmente de esta manera.
Los beneficios para la industria de este descubrimiento fueron reconocidos rápidamente, y en la década de 1950 comenzó la producción de máquinas-herramientas ultrasónicas.
SISTEMA DE MECANIZADO
Componentes del sistema USM
Elementos Principales de USM
Transductor(energía magnética en energía mecánica)
Zona amplificadora
Zona de mecanizado
lFluido abrasivo
lPieza de trabajoHerramienta
Concentrador
Transductor Magnetoestrictor
Energía eléctrica de
alta frecuencia
Transductor Magnetoestrictor
Transductor Magnetoestrictor
Efecto de la magnetoestriccion fue descubierto en 1874 por Joule.
Con este fenómeno, un campo magnético sometido a una variación de frecuencias ultrasónicas (18 a 20 KHz) provoca cambios correspondientes en la longitud de un objeto ferromagnético colocado en su región de influencia.
Se hace uso de este fenómeno para oscilar la herramienta de la USM.
Método Operación del Magnetoestrictor
El coeficiente de magnetoestriccion es la elongación del material:
Donde:
= Variación de longitud del magnetoestrictor
= Longitud inicial del magnetoestrictor
Método Operación del Magnetoestrictor
Si se excita el magnetoestrictor con un campo magnético variable de frecuencia ultrasónica:
La elongación máxima obtenida será igual al doble de la frecuencia del campo magnético.
Método Operación del Magnetoestrictor
Si al transductor se le agrega un campo magnético de corriente directa (Ho+), el campo magnético inicial variable se polarizara.
Se obtendrá un cambio sinusoidal en la onda de elongación (Oscilara en ambas direcciones).
Y la máxima amplitud obtenida en el la onda de elongación será igual a la mitad de longitud de onda del campo magnético aplicado al magnetoestrictor.
Método Operación del Magnetoestrictor
Definimos la longitud de onda del campo magnético:
Cs = Velocidad del sonido en el magnetoestrictor
f = frecuencia de onda del campo magnético
Método Operación del Magnetoestrictor
Sabemos que:
E = Modulo de Young (MPa)
P = Densidad del magnetoestrictor (kg/m3)
Por tanto:
Método Operación del Magnetoestrictor
Método Operación del Magnetoestrictor
Para una máxima eficiencia y amplificación de la onda obtenida, es necesario que la frecuencia del campo magnético excitador sea igual a la frecuencia de natural de resonancia del magnetoestrictor.
Método Operación del Magnetoestrictor
Una medida de la eficiencia con que se convierte energía magnética en mecánica, es el coeficiente de acople magnetomecanico (Km).
Ew = Energía mecánica
Em = Energía magnética
Método Operación del Magnetoestrictor
Amplificador Mecánico
La elongación obtenida a la frecuencia de resonancia esta usualmente entre 0,001 µm y 0,1 µm, que es muy pequeña para usos prácticos de mecanizado.
Es por esto, que se incrementa la amplitud de vibración, con un amplificador que se acopla en la parte inferior del transductor.
Así se logra amplitudes desde 40 µm a 50 µm, se pueden usar 1 o mas amplificadores dependiendo del corte.
Amplificador Mecánico
Amplificador Mecánico
Para determinar la longitud del amplificador se determina la longitud de onda de la velocidad del sonido en el material , y se calcula de la siguiente manera:
Donde:
Longitud del amplificador
n = numero determinado para una amplificación especifica
Amplificador Mecánico
Amplificador Mecánico
El material de los amplificadores tiene que ser económico y altamente resistente a la fatiga. Las aleaciones de Aluminio – Bronce y bronce marino, tienen 185 Mpa y 150 MPa respectivamente.
Algunas desventajas de estos materiales son: Un calentamiento alto Una eficiencia de 55 %
Herramientas
Alta resistencia a la fatiga y esfuerzo, se fabrican de acuerdo a la forma del maquinado que se desea obtener.
Ejemplos de materiales de piezas y herramientas:
Maquinar Material Herramienta
Vidrio
Carburo Tungsteno Acero
Cobre
Plata-cromo
Carburos sinterizados Plata, Níquel – cromo
Fluido Abrasivo
Esta usualmente compuesto en un 50 % de granos abrasivos (100 – 800 de numero grano), de carburo de boro (B4C), oxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC) y en un 50 % agua.
Fluido AbrasivoSe aplica una fuerza estática a la herramienta, lo que origina que las partículas abrasivas golpeen la superficie de trabajo y arranquen material.
Este fluido es bombeado a través de una boquilla directamente a la zona de mecanizado a un ritmo de 25 l/min.
Fluido Abrasivo
Métodos de inyección del fluido abrasivo.
PROCESO DE REMOCION DE
MATERIAL
Mecanismos de remoción de material en USM
Compuesto acuoso
Compuesto acuoso
Carga estática y vibración
Herramienta
Separación lateral
Pieza de trabajo
Martilleo localizadoImpacto libre
Erosión por cavitación
Desgaste inferior
Desgaste frontal
Brecha frontal
Mecanismos de remoción de material en USM
1. Abrasión mecánica por martilleo de los granos abrasivos entre la herramienta vibrante y la superficie adyacente de la pieza de trabajo.
2. El micro picado por impactos libres de partículas que vuelan a través de la brecha del mecanizado y golpean la pieza de trabajo en lugares al azar.
Mecanismos de remoción de material en USM
3. La erosión de la superficie de trabajo por cavitación en el flujo acuoso. El efecto de la cavitación contribuye a la remoción de material tan solo en un 5%.
4. El mecanismo dominante es el martilleo directo, materiales elásticos y suaves son usualmente deformados plásticamente para luego remover material lentamente.
Mecanismos de remoción de material en USM
En caso de los materiales duros y frágiles, la velocidad de mecanización es alta y va depender de: Frecuencia de vibración de la
herramienta. Presión estática y área de maquinado. Fluido abrasivo Pieza de trabajo.
Mecanismos de remoción de material en USM
Para 2 materiales de igual dureza, uno podría ser mas maquineable dependiendo de los valores anteriores.
VidrioLatón
TungstenoTitanioAcero
Acero al cromo
Vidrio
Tasa de remoción relativaMaterial de trabajo
Mecanismos de remoción de material en USM
Donde:
F = Frecuencia de oscilación
S = Presión estática en la herramienta (kg/mm2)
Ho = Fuerza de fractura en la superficie (BHN)
R = Radio de cascajo (mm)
Y = Amplitud de vibración (mm)
La velocidad de remoción de material (MRR), puede ser calculada con la siguiente formula empírica:
FACTORES QUE AFECTAN LA
VELOCIDAD DE REMOCION DE
MATERIAL
Oscilación de la Herramienta
La amplitud de la oscilación de la herramienta tiene el mayor efecto en todas las variables del proceso.
Al aumentar la amplitud de vibración, aumentara la velocidad de eliminación de material, esto significa que las partículas abrasión aumentan su velocidad en la región entre la herramienta y la superficie de trabajo.
Oscilación de la Herramienta
Esto aumenta la energía cinética, en amplitudes largas, incrementando el efecto de picado del material y por tanto la velocidad de remoción del material.
Una muy alta amplitud de vibración causaría salpicaduras, que reducirían el numero de granos abrasivos y daría como resultado una disminución en la velocidad de remoción del materia
Oscilación de la Herramienta
Kaczmark (1976), estableció un rango practico de amplitud de oscilación entre los limites de 0,04 a 0,08 mm.
McGeogh (1988), reporto que aumentar la frecuencia de vibración reduce la velocidad de remoción, esto se debe a que cada grano no tiene tiempo suficiente para arrancar el material adecuado, disminuyendo la velocidad de remoción de material.
Granos Abrasivos
McGeough (1988), llego a la conclusión de que la velocidad de reacción, aumenta con el tamaño del grano hasta que este alcanza la amplitud de vibración, punto en el cual disminuye.
Al trabajar un mismo material usualmente los granos abrasivos con mas dureza remueven mas material, por ejemplo al trabajar sobre vidrio tenemos:
Granos Abrasivos
Efecto de remoción de material por dureza de grano abrasivo sobre vidrio:
Carburo boro B4C Mas alto MRR
Carburo de silicio SiC 15 % menos
Acero Fe – C 33 % menos
Carburo Sinterizado 35 % menos
Granos Abrasivos
Agua es usada comúnmente como transportador de los granos abrasivos, otros alternativas son benceno, glicerina y aceites especiales, mientras mas alta sea la densidad, menos será la velocidad de remoción.
La concentración de granos en un fluido abrasivo en practica esta entre 30 % y 35 %, pudiendo aumentar hasta 40 % en casos especiales.
Dureza de Impacto de la Pieza de Trabajo
La velocidad de mecanización se ve afectada por la relación de la dureza de la herramienta a la dureza de la pieza de trabajo.
En este sentido, cuanto mayor sea la relación, más baja será la tasa de eliminación de material.
Por esta razón se recomiendan usar materiales parecidos a la pieza de trabajo, en las herramientas del USM.
Forma de la Herramienta
Un incremento de la área de la herramienta, decrece la velocidad de maquinado esta debido a la distribución de fluido abrasivo en la superficie de trabajo.
El aumento de la presión estática en la herramienta aumenta la velocidad de maquinado hasta un punto limite al partir del cual decrece, esto debido a que una fuerza muy grande en la herramienta la hará vibrar horizontalmente.
Forma de la Herramienta
Kaczmark (1976), demostro que a presiones menores que el optimo presione el grano en menor medida lo que disminuye el volumen removido del material.
Mas alta que la presión optima, haría saltar la herramienta exageradamente lo que impediría cambiar de posición.
Forma de la Herramienta
La velocidad de remoción disminuye con el incremento de la profundidad del maquinado esto debido a que mientras mas profundo maquine, es mas difícil la circulación del fluido abrasivo.
PRECISION DIMENSIONAL Y
CALIDAD SUPERFICIAL
Precisión Dimensional
La precisión de la pieza maquinada se ve afectada por: Desgaste lateral de la herramienta. Desgaste abrasivo. Imprecisión en la sujeción de la herramienta. Forma errática de la herramienta. Flujo abrasivo inestable y intermitente
alrededor de la herramienta oscilante.
Precisión Dimensional
Corte Descendiente
La precisión del proceso se mide a través de corte descendiente producido durante la perforación de los agujeros.
La sobredimensión del agujero se mide con la diferencia del diámetro del agujero en la superficie y el diámetro de la herramienta.
Precisión Dimensional
Esta diferencia es necesaria para permitir que los granos abrasivos fluyan hacia la zona de mecanizado debajo de la herramienta.
El tamaño del grano de los abrasivos representa el factor principal, esta se considera alrededor de 2 a 4 veces mas grande que el grano principal, generalmente los niveles de precisión del USM están limitados a ± 0,05 mm.
Precisión Dimensional
Conicidad
El corte es usualmente mas grande a la entrada que a la salida, debido a la acumulación abrasiva del grano entrante, esto resulta en un agujero cónico de aproximadamente 0,2 °, cuando se perfora un agujero de 20 mm de diámetro y 10 mm de profundidad en grafito.
Precisión DimensionalLa precisión dimensional puede ser mejorada por:
Inyección directa del fluido abrasivo dentro de la zona de mecanizado.
El uso de herramientas que tienen paredes estrechas negativamente (forma cónica).
El uso de alta presión estática que produce granos mas finos. El uso de materiales para herramientas resistentes al desgaste. El uso de una herramienta de corte primario de menor tamaño, y
una herramienta del tamaño y forma final como segundo corte, que se hará mas rápido y con menos conicidad.
Precisión Dimensional
Falta de redondeo
Surge de la vibraciones laterales de la herramienta, esto sucede debido al mal alineamiento entre la superficie de trabajo y el centro de cara de la herramienta, errores típicos de redondeo están entre de 40 µm a 140 µm y 20 µm a 60 µm, para el vidrio y el grafito respectivamente.
Calidad Superficial
Mientras mas grande el largo del grano, mas rápido cortara, pero la superficie tendrá un acabado regular.
La tabla siguiente muestra la relaciones ente numero de grano, tamaño de grano y acabado superficial.
Calidad Superficial
Otros factores que afectan la calidad superficial es la amplitud de vibración de la herramienta y el material que esta siendo mecanizado.
La amplitud de vibración de la herramienta, tiene muy poco efecto sobre el acabado superficial, así como presión estática aplicada.
Mejores acabados se obtienen cuando el liquido abrasivo disminuye su viscosidad.
Calidad Superficial
El efecto de la cavitación hace que los granos penetran demasiado en el material, dificultando el ingreso de nuevos granos, afectando de esta manera la rugosidad de la superficie.
APLICACIONES
Taladrado
Es similar a un taladro convencional, la herramienta oscilante se hace girar, llamándose maquinado ultrasónico rotativo (RUM), y es usado para maquinar materiales como:
Vidrio, aluminio, cerámico, ferrita, cuarzo, oxido de circonio, rubí, zafiro, oxido de berilio, etc.
Taladrado
Taladrado
El proceso permite taladrados ininterrumpidos de pequeños agujero, lo contrario a un maquinado de taladrado convencional.
Taladrar estos pequeños agujeros requieren mas tiempo de maquinado, debido a la dificultad de ingreso del fluido abrasivo a la zona de trabajo.
Vaciado Ultrasónico y Mecanizado de Contornos
En el vaciado, la remoción de material es dificultoso cuando la profundidad excede los 7 mm, mas allá de este punto el mecanizado se vuelve lento y la remoción de material es casi imposible.
Otro problema es la manufactura de la herramienta que es en general costosa y compleja.
Vaciado Ultrasónico y Mecanizado de Contornos
El contorneado USM, emplea herramientas simples que se mueven en concordancia con el contorno requerido.
Producción de electrodos EDM
Gilmore (1995), usa USM para producir electrodos EDM de grafito.
Obtiene velocidades de mecanizado de 0,4 a 1,4 cm/min.
La rugosidad superficial desde 0,2 a 1,5 µm y una precisión de ±10 µm.
Pulido Ultrasónico
Se obtiene por la vibración de la herramienta sobre material frágil tal como el grafito o vidrio, en una frecuencia ultrasónica y de baja amplitud.
Este proceso limita las crestas de rugosidad de la superficie hasta 0,012 mm o menos.
Pulido Ultrasónico
Gilmore (1995), logro acabados de 0,3 µm.
Mecanizado Micro – Ultrasónico (MUSM)
MUSM, a diferencia del método tradicional, es la pieza de trabajo la que vibra.
Según Egushiro y Masuzawa (1999), esto simplifica el trabajo al cambiar el diseño a uno mas simple.
Mecanizado Micro – Ultrasónico (MUSM)
Es sistema completo es mas simple y mas compacto que un convencional USM.
Usando este método, micro agujeros de 5 µm de diámetro pueden ser maquinados en cuarzo, vidrio y silicio, usando carburos de tungsteno (WC) como micro herramientas.
Otras Aplicaciones
Corte de piezas hechas de semiconductores, por su alta velocidad de mecanizado comparado con los métodos tradicionales.
Grabado en vidrio, así como acero templado y carburo sinterizado.
Tronzado y mecanizado de piedras preciosas incluyendo diamantes.
