Guía Procesos U-III PDF

Guia Procesos U-[III] o I. Maquinado por Chorro de Agua (WJC) También llamado maquinado hidrodinámico. Utilizado en operaciones de corte y rebabeo. El chorro de agua actúa como una sierra y corta una estrecha ranura en el material. Presión para obtener una operación eficiente: 400 MPa (60 ksi)....

Guia Procesos U-[III] o I. Maquinado por Chorro de Agua (WJC) También llamado maquinado hidrodinámico. Utilizado en operaciones de corte y rebabeo. El chorro de agua actúa como una sierra y corta una estrecha ranura en el material. Presión para obtener una operación eficiente: 400 MPa (60 ksi). Presión límite: 1400 MPa (200 ksi). Diámetro de boquilla varía entre 0.05 mm y 1 mm (0.002 a 0.04 in). Velocidad del chorro de agua: 900 m/s (3000 ft/s). La unidad de boquilla consiste en un soporte de acero inoxidable y una boquilla de zafiro, rubí o diamante. Materiales que pueden ser cortados por WJC: ▪ Plástico. ▪ Textiles. ▪ Hule. ▪ Madera. ▪ Papel. ▪ Piel. ▪ Materiales aislantes. ▪ Ladrillos. ▪ Materiales compuestos. ▪ Mosaicos para pisos. Los fluidos de corte son soluciones poliméricas, debido a que tienden a producir un chorro consistente. Los parámetros importantes en el proceso son: a) Distancia de separación. b) Diámetro de abertura de la boquilla. c) Presión de agua. d) Velocidad de avance de corte. a) Distancia de separación: Distancia entre la boquilla y la superficie de trabajo. Se prefiere que esta distancia sea mínima para reducir la dispersión del chorro de fluido antes de que golpee la superficie. Una distancia de separación normal es de 3.2 mm (0.125 in). b) Diámetro de abertura de la boquilla: El tamaño del orificio de la boquilla afecta la precisión del corte; las aberturas más pequeñas se usan para cortes más finos sobre materiales más delgados. c) Presión de agua: Para cortar materia prima más gruesa se requieren chorros de fluidos más densos y mayores presiones. d) Velocidad de avance de corte: Se refiere a la velocidad a la que se mueve la boquilla a lo largo de la trayectoria de corte. La velocidad de avance típica varía desde 5 mm/s (12 in/min), dependiendo del material de trabajo y su grosor  Por lo general, el WJC se realiza en forma automática usando un control numérico computarizado o robots industriales para manipular la unidad de boquilla a lo largo de la trayectoria deseada.  Pueden realizarse cortes de 25 mm o más, dependiendo de los materiales.  Es utilizado en la industria de procesamiento de alimentos por ser operaciones eficaces y limpias.  Se puede utilizar robots para seguir patrones tridimensionales de corte irregular, ejemplo, para el corte de tableros de automóviles. o Ventajas: ✓Los cortes se pueden iniciar en cualquier lugar, sin necesidad de orificios taladrados previamente. ✓No se produce calor. ✓No ocurre la deflexión del resto de la pieza de trabajo, por lo que el proceso es adecuado para materiales flexibles. ✓La pieza de trabajo sólo se moja ligeramente. ✓Las rebabas producidas son mínimas. ✓Es un proceso de manufactura ambientalmente seguro. ✓Se reduce la contaminación ambiental. ✓Existe la facilidad de automatizar el proceso usando control numérico o robots industriales. o Desventaja: ❖No es conveniente para cortar materiales frágiles (ejemplo, vidrio). pg. 1  o II. Maquinado por Chorro de Agua Abrasivo (AWJC) La adición de partículas abrasivas complica el proceso por el número de parámetros a controlar. ▪Parámetros: ▪ Tipo de abrasivo. ▪ Tamaño de grano. ▪ Proporción de abrasivo en el flujo. Parámetros para WJC. a) Tipo de abrasivo: El chorro de agua contiene partículas abrasivas como carburo de silicio (SiC), óxido de aluminio (Al2O3), granate (mineral silicato). b) Tamaño de grano: Los tamaños de grano varían entre 60 y 120 micras (μm). c) Proporción de abrasivo en el flujo: Las partículas abrasivas se agregan al chorro de agua a aproximadamente 0.25 kg/min (0.5 lb/min) después de que salen de la boquilla para el WJC d) Distancia de separación de boquilla: Son menores para reducir el efecto de la dispersión del fluido de corte, el cual contiene partículas abrasivas. Las distancias típicas están entre una cuarta parte y la mitad de las usadas en WJC. e) Diámetro de abertura de la boquilla: Varían de 0.25 a 0.63 mm (0.010 a 0.025 in), el tamaño es más grande que en WJC y permite que el chorro sea más denso y con mayor energía antes de la adición de abrasivos. f) Presión de agua: Son semejantes a WJC. g) Velocidad de avance de corte: Pueden ser de hasta 7.5 m/min (25 ft/min) para plásticos reforzados, aunque muchos menores para metales. Proceso adecuado para materiales sensibles al calor que no pueden maquinarse mediante procesos que generen calor. Puede no ser aceptable cuando se requieren grandes capacidades de producción. Maquinado de partes tridimensionales con máquinas de ejes múltiples controladas por robots. El nivel óptimo de abrasivos es controlado automáticamente. Materiales de boquilla: rubí, zafiro, materiales compuestos a base de carburos. pg. 2  o III. Maquinado por Chorro de Abrasivo (AJM) Maquinado con chorro abrasivo (AJM) es un proceso de remoción de materiales que se produce por la acción de un flujo de gas a alta velocidad que contiene pequeñas partículas abrasivas, contra la superficie de la pieza de trabajo en condiciones controladas. ▪ Normalmente se usa como proceso de acabado y no como proceso de corte en la producción. ▪ El proceso lo realiza un operador en forma manual, quien dirige la boquilla hacia el trabajo. ▪ Las distancias típicas entre la punta de la boquilla y la superficie de trabajo varían entre 3 y 75 mm (0.125 y 3 in). ▪ El gas es seco y se usan presiones de 0.2 a 1.4 MPa (25 a 200 psi). ▪ Los orificios de la boquilla tienen un diámetro de 0.075 a 1 mm (0.003 a 0.040 in). ▪ Las boquillas se fabrican con WC o zafiro, los cuales tienen alta resistencia al desgaste abrasivo. ▪ Velocidad de chorro de 300 m/s (1000 ft/s). ▪ Los gases incluyen aire seco,N, CO2 y He. ▪ Los abrasivos usados en AJM incluyen Al2O3 (para aluminio y latón), SiC (para acero inoxidable y cerámica), y perlas de vidrio (para pulido). ▪ El tamaño del abrasivo se encuentra en el intervalo de 10 a 50 μm (400 a 2000 μin). ▪ Su tamaño debe ser uniforme para determinadas aplicaciones. ▪ Los cortes se llevan a cabo sobre materiales duros y frágiles (ejemplo, vidrio, silicio, mica y cerámica) que están en forma de materias primas planas y delgadas. Incovenientes: ▪ El flujo de abrasivos tiende a redondear las esquinas, por lo tanto, deben evitarse las esquinas agudas en los diseños por este método. ▪ Los orificios producidos en partes metálicas tienden a conificarse. ▪ Existe riesgo de partículas suspendidas en el aire. Este problema se puede evitar mediante el proceso de maquinado por chorro abrasivo de agua. ▪ La estación de trabajo debe contar con ventilación apropiada para el operador. Aplicaciones: ▪ Rebabeado. ▪ Retiro de virutas de cizallado. ▪ Retiro de excedentes de material de forjado. ▪ Limpieza. ▪ Pulido. ▪Nota: ▪ Es importante no reciclar los abrasivos debido a que los granos usados se fracturan (lo cual reduce su tamaño), se gastan y contaminan. pg. 3  o IV. Maquinado Quimico (CHM o CM) Proceso no tradicional en el que ocurre una remoción de materiales mediante el contacto con sustancias de acción química fuerte. Afecta a la mayoría de los metales, piedras y algunos cerámicos. Se efectúa mediante la disolución química y el uso de reactivos o atacantes, como las soluciones ácidas y alcalinas. CHM es el más antiguo de los procesos de maquinado avanzado y se utiliza en: Grabado de piedras y metales. Rebabeo. Producción de tableros para circuitos impresos y dispositivos microelectrónicos. MECÁNICA Y QUÍMICA DEL MAQUINADO QUÍMICO ▪ El CHM consta de varios pasos. Las diferencias en las aplicaciones y en las formas de realización de las etapas establecen las formas del CHM. Los pasos son: ▪ Limpieza. Operación de limpieza para asegurar que el material se remueva en forma uniforme de las superficies que se van a atacar. ▪ Enmascarado. Aplicación de recubrimiento protector en ciertas zonas de la pieza. El protector resiste el ataque químico, sólo se aplica a aquellas porciones de la superficie de trabajo que no se van a atacar. ▪ Ataque químico. Es la remoción de material. La pieza de trabajo se sumerge en una sustancia química que afecta a aquellas porciones no protegidas. El material de trabajo se convierte en una sal que se disuelve dentro del material de ataque químico, y posteriormente se remueve de la superficie. Cuando se ha removido la cantidad deseada de material, se retira la pieza y se enjuaga para detener el proceso. ▪ Desenmascarado. El protector se retira de la pieza. En el CHM, los pasos que implican variaciones significativas en los métodos son el enmascarado y el ataque químico (pasos 2 y 3). Materiales protectores: Neopreno o Cloropreno (CR). Cloruro de polivinilo (PVC). Polietileno (PE). Otros polímeros. La protección se consigue de tres maneras: Corte y desprendimiento. Resistencia fotográfica. Resistencia de pantalla. 1. Corte y desprendimiento. pg. 4  Implica la aplicación del protector sobre toda la pieza, ya sea por inmersión, recubrimiento o rocío. El espesor del protector es de 0.025 – 0.125 mm (0.001 – 0.005 in). Después del endurecimiento del protector, se corta y se desprende de las áreas de la superficie de trabajo que se van a atacar. La operación de corte del protector generalmente se realiza a mano. Este método se usa para la manufactura de piezas grandes, cantidades bajas de producción y donde la precisión no sea un factor crítico. Este método no se aplica para tolerancias más estrechas de ±0.125 mm (±0.005 in), excepto que la técnica se ejecute con mucho cuidado. 2. Resistencia fotográfica (fotorresistencia). Usa técnicas fotográficas para realizar el enmascarado. Los materiales enmascarados contienen químicos fotosensibles. Se aplican a la superficie de trabajo, la pieza recubierta se expone a la luz a través de una imagen en negativo de las áreas que se van a atacar. Después, las áreas protegidas se retiran de la superficie mediante técnicas de revelado fotográfico. Este método deja con protección las áreas en las que no se desea ataque químico. El enmascarado fotorresistente se aplica a la producción de piezas pequeñas en grandes cantidades. Esta técnica se aplica para tolerancias más estrechas que ±0.0125 mm (±0.0005 in). 3. Resistencia de pantalla. Se aplica el protector mediante métodos de serigrafía. El protector se aplica sobre la superficie de las piezas de trabajo por medio de una malla de seda o acero inoxidable. La malla tiene incrustado un esténcil que protege la aplicación con barniz protector y deja expuestas las áreas que se van a atacar. El barniz protector recubre las áreas que no se van a atacar. Este método se usa en aplicaciones que se encuentran entre los otros dos métodos de enmascarado, en términos de precisión, tamaño de piezas y cantidades de producción. Pueden obtenerse tolerancias de ±0.075 mm (±0.003 in). ▪ La elección del material de ataque químico depende del material de trabajo que se va a atacar, la profundidad y la velocidad de remoción de material, así como los requerimientos de acabado superficial. ▪ Las profundidades de corte en el maquinado químico son de hasta 12.5 mm (0.5 in) para paneles de aeronaves hechas de placas metálicas, otras aplicaciones requieren cortes de centésimas de milímetro. ▪ Socavado: ataque químico en las regiones laterales situadas bajo el protector. Este efecto debe considerarse durante el diseño de la máscara. pg. 5  o V. Fresado Quimico Primer proceso de CHM que se comercializó. Se emplea el método de corte y desprendimiento del protector. Se usa una plantilla que toma en cuenta el socavado que se producirá con el ataque químico. El método es aplicable a piezas grandes. El acabado superficial depende del material de trabajo y de la profundidad de penetración (empeora con el aumento de la profundidad). Aplicaciones: 1. Usado para la remoción de metal de componentes en aeronaves de Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial. 2. En la industria aeronáutica para la reducción de peso en paneles de alas y fuselaje. 3. Fabricación de dispositivos microelectrónicos. Inconvenientes: ▪ Es posible que el fresado químico cause algún daño superficial debido al ataque preferencial y al ataque intragranular, afectando las propiedades de la superficie. ▪ El daño metalúrgico es muy pequeño, alrededor de 0.005 mm (0.0002 in) dentro de la superficie de trabajo. ▪ En estructuras soldadas puede producir una remoción desequilibrada del material. ▪ En fundiciones puede ocasionar superficies desniveladas, por la porosidad y falta de uniformidad del material. ▪ Secuencia de pasos: 1) Limpieza de la materia prima. 2) Aplicación del protector. 3) Marcado, corte y desprendimiento del protector de las áreas que se van a atacar. 4) Ataque con material químico. 5) Remoción del protector y limpieza para obtener una pieza acabada. pg. 6  o VI. Preformado Quimico Usa la erosión química para cortar piezas de láminas metálicas muy delgadas, con espesores de hasta 0.025 mm (0.001 in), para patrones de corte muy complicados. ▪ Los métodos convencionales para perforado y troquelado no funcionan, debido a que las fuerzas de troquelado pueden dañar las láminas metálicas, o el costo de las herramientas es muy alto. ▪ Este proceso produce piezas sin rebaba. ▪ Los métodos empleados para aplicar el protector es la fotorresistencia o la resistencia de pantalla. ▪ Para patrones de corte pequeños o complicados, así como tolerancias estrechas, se usa el método de fotorresistencia, de lo contrario, se usa el método de resistencia de pantalla. ▪ La siguiente figura muestra los pasos del proceso mediante el método de resistencia de pantalla. ▪ El ataque químico ocurre en ambos lados de la pieza. pg. 7 Secuencia de pasos: 1) Limpieza de la materia prima. 2) Aplicación del protector a través de la pantalla. 3) Ataque químico (parcialmente terminado). 4) Ataque químico (terminado). 5) Remoción del protector y limpieza para obtener la parte acabada. ▪ La aplicación de este proceso se limita a materiales delgados o con patrones complicados. ▪ Grosor máximo de la materia prima es alrededor de 0.75 mm ( 0.030 in). ▪ Es posible procesar materiales endurecidos o materiales frágiles mediante preformado químico / troquelado fotoquímico , lo cual sería imposible por métodos mecánicos porque provocaría la fractura de la pieza. ▪ Para enmascarar por fotorresistencia se pueden mantener tolerancias reducidas como ± 0.0025 mm ( ± 0.0001 in) sobre materiales con grosor de hasta 0.025 mm ( 0.001 in). ▪ El método de enmascarado con resistencia de pantalla no es tan preciso como el de fotorresistencia. Aplicaciones: Pantallas finas. Tarjetas de circuitos impresos. Laminados para motores eléctricos. Resortes planos. Pantallas para televisores a color. Ventajas: Costos del herramental bajos. Se puede automatizar el proceso. Económico para volúmenes de producción de medio a alto. Desventajas: Requiere mano de obra altamente calificada. o VII. Grabado Quimico Proceso de maquinado químico para hacer placas con nombres y otros paneles planos que tienen letras o dibujos en un lado. De otra forma, se haría usando una máquina convencional de grabado o un proceso similar. También se usa para hacer paneles con letras bajo relieve o alto relieve, con sólo invertir las partes del enmascarado a las que se aplicará el ataque químico. Enmascarado por fotorresistencia o por resistencia de pantalla. Los pasos son similares a los otros procesos de CHM, excepto después del ataque químico ya que se realiza una operación de rellenado. El propósito del rellenado es aplicar pintura u otra protección en las áreas hundidas formadas por el ataque químico. Después, la pieza se sumerge en una solución que disuelve el protector pero no el recubrimiento. Cuando se retira el protector, el recubrimiento permanece en las áreas atacadas, con lo que el patrón resalta. pg. 8  o VIII. Maquinado Fotoquimico (PCM) Características ✓Se usa el método de fotorresistencia para enmascarar. ✓El PCM se emplea en el procesamiento de metales cuando se requieren tolerancias cerradas o patrones complicados sobre piezas planas. ✓Los procesos fotoquímicos también se usan en la industria electrónica para diseño de circuitos complicados sobre tarjetas de semiconductores. ✓La figura muestra el negativo en contacto con la superficie de la resistencia durante la exposición. Ésta es una impresión de contacto. ✓La exposición puede realizarse por medio de lentes para ampliar o reducir el patrón impreso sobre la superficie del protector. ✓Los materiales fotoprotectores actuales son sensibles a la luz UV, pero no en otras longitudes de onda. Por lo tanto, con la luz adecuada (generalmente luz amarilla), no es necesario un procesamiento en un cuarto oscuro. ✓Una vez realizado el enmascaramiento, los pasos restantes son similares a los demás procesos de CHM. Consideraciones finales 1. El manejo de los reactivos químicos requiere precauciones y consideraciones especiales de seguridad para proteger a los trabajadores contra la exposición a los productos químicos líquidos y volátiles. 2. La disposición de los subproductos químicos de este proceso es una desventaja importante, aunque algunos de ellos pueden reciclarse. 3. Ya que el reactivo ataca todas las superficies expuestas de manera continua, deben evitarse los diseños que comprendan esquinas agudas, cavidades profundas y estrechas, conos severos, costuras plegadas o materiales porosos en las piezas de trabajo. 4. Debido a que el reactivo ataca el material tanto en la dirección vertical como en la horizontal, se pueden desarrollar socavaciones. Por lo común, en el troquelado químico se pueden mantener tolerancias de 10% del espesor del material. 5. Para mejorar la capacidad de producción, la pieza de trabajo debe ser formada mediante otros procesos (como maquinado) antes del maquinado químico. 6. Pueden presentarse variaciones dimensionales por los cambios de tamaño en el boceto debido a la humedad y la temperatura. Esta variación se puede minimizar seleccionando de manera pg. 9  apropiada el medio del boceto y controlando el medio ambiente en la generación del mismo y en el área de producción de la planta. 7. En la actualidad, el diseño de muchos productos se realiza con sistemas de diseño asistidos por computadora. Sin embargo, los planos del producto deben traducirse a un protocolo que sea compatible con el equipo para la generación de los bocetos fotoquímicos o IX. Maquinado Electroquimico (ECM) El maquinado electroquímico retira metal de una pieza de trabajo conductora de electricidad por medio de disolución anódica. La forma de la pieza de trabajo se obtiene a través de una herramienta formada por electrodos, muy próxima al trabajo, pero al mismo tiempo separada de él mediante un electrólito que fluye con rapidez. La pieza de trabajo es el ánodo y la herramienta es el cátodo. Proceso inverso a la electrodeposición. Un electrolito actúa como portador de corriente y la alta velocidad de movimiento del electrolito en el espacio entre la pieza de trabajo y la herramienta (por lo común de 0.1 mm a 0.6 mm) arranca y arrastra los iones metálicos de la pieza (ánodo) antes de que tengan oportunidad de depositarse en la herramienta (cátodo). La cavidad producida es la imagen hembra coincidente de la forma de la herramienta. Herramienta Sólido o tubular. Latón, cobre,bronce o acero inoxidable. Electrolito Fluido inorgánico altamente conductor. Solución acuosa de nitrato de sodio. El electrolito se bombea a través de los canales de la herramienta a una velocidad de 10 – 16 m/s (30 – 50 ft/s). ❑Una fuente de potencia de CD en el intervalo de 10 – 25 V mantiene las densidades de corriente, que para la mayoría de las aplicaciones es de 20 – 200 A/cm² (130 – 1300 A/in²) de la superficie activa maquinada. pg. 10 ✓La velocidad de remoción del metal se determina por medio de la primera ley de Faraday, la cual establece que la cantidad de cambio químico que produce una corriente eléctrica (esto es, la cantidad de metal disuelto) es proporcional a la cantidad de electricidad trasmitida (corriente × tiempo) : V = Cit ✓donde V = volumen de metal removido , mm³ (in³) ; C = una constante llamada velocidad de remoción específica , dependiente del peso atómico, valencia y densidad del material de trabajo, mm³/A - s (in³/A - min ) ; i = corriente , A ; y t = tiempo , s (min ). ✓ Existen máquinas que tienen capacidades de corriente tan elevadas como 40 000 A y tan bajas como 5 A. ✓ La rapidez de penetración de la herramienta es proporcional a la densidad de corriente. ✓ La velocidad de remoción de material se encuentra comúnmente en el intervalo de 1.5 a 4 mm³ por Amin. ✓ Como la velocidad de remoción de material es sólo una función de la velocidad de intercambio iónico, no la afecta la resistencia, dureza o tenacidad de la pieza de trabajo. Además de retirar los materiales removidos de la pieza de trabajo, el flujo electrolítico también sirve para retirar el calor y las burbujas de hidrógeno que se crean en las reacciones químicas del proceso. El material de trabajo removido está en forma de partículas microscópicas que deben separarse del material electrolítico mediante centrifugado, sedimentación u otros métodos. Las partículas separadas forman una gruesa capa cuya disposición es un problema ambiental asociado con el ECM. ECM requiere grandes cantidades de potencia eléctrica. Aplicaciones: oAquellas donde el metal de trabajo sea muy duro o difícil de maquinar o donde sea difícil (o imposible) obtener una geometría de piezas de trabajo mediante métodos de maquinado convencionales. 1) Cavidades de troqueles. 2) Barrenado de orificios múltiples. 3) Orificios que no son redondos. 4) Remoción de rebabas. Ventajas: Poco daño superficial a la pieza de trabajo. No hay rebabas como en el maquinado convencional. Un bajo desgaste de la herramienta (producido por el flujo electrolítico). Velocidades de remoción de metal relativamente altas para metales duros y difíciles de maquinar. Desventajas: Un costo significativo en el consumo de energía eléctrica necesaria para ejecutar la operación. Problemas de disposición de la masa electrolítica de desecho. Consideraciones de diseño para el maquinado electrolítico I. Debido a la tendencia del electrolito a erosionar los perfiles agudos, el maquinado electroquímico no es adecuado para producir esquinas agudas o fondos planos. II. Tal vez sea difícil controlar el flujo del electrolito, por lo que no se pueden producir cavidades irregulares para que adquieran la forma deseada con una precisión dimensional aceptable. III. Los diseños deben considerar pequeños ángulos de salida para maquinar los orificios y cavidades. o X. Remoción electroquímica de virutas – ECD. Caracteristicas: Es una adaptación del ECM diseñada para retirar las virutas o para redondear las esquinas agudas de piezas de trabajo metálico mediante disolución anódica. El orificio de la pieza de trabajo tiene una rebaba o viruta filosa del tipo que se produce en una operación de taladrado convencional a través pg. 11 de un orificio. La herramienta de electrodos está diseñada para concentrar la acción de remoción de metal en la viruta. Se aíslan las partes de la herramienta que no se usan para el maquinado. El material electrolítico fluye por el orificio para desalojar las partículas de la viruta. En la ECD se aplican los mismos principios de la operación de ECM. Sin embargo, dado que se retira mucho menos material en una ECD, los ciclos de tiempo son mucho más breves. Un ciclo de tiempo típico en la remoción electroquímica de virutas es menor de un minuto. El tiempo aumenta si se pretende redondear una esquina además de remover la viruta. o XI. Esmerilado electroquímico – ECG. Es una forma especial de ECM, en el cual se usa una rueda de esmeril rotatoria con un material de enlace conductivo para aumentar la disolución anódica de la superficie metálica de la pieza de trabajo. Los abrasivos usados en el ECG incluyen el óxido de aluminio y el diamante. El material de enlace es metálico (para abrasivos de diamante) o es resina impregnada con partículas metálicas para hacerlo eléctricamente conductivo (para el óxido de aluminio). Los granos abrasivos que sobresalen de la rueda de esmeril y entran en contacto con la pieza de trabajo establecen la distancia de separación. La acción electroquímica es responsable de 95% o más de la remoción de metal en el esmerilado electroquímico, y la acción abrasiva de la rueda de esmeril elimina 5% restante o menos. Una rueda de esmeril en este proceso dura mucho más que una rueda en el esmerilado convencional. El resultado es una velocidad de esmerilado mucho más alta. Ventaja: El aderezado de la rueda de esmeril se requiere con mucha menor frecuencia. Aplicaciones: Afilado de herramientas de carburo cementado. Esmerilado de agujas quirúrgicas. Corte de tubos de pared delgada. Corte de piezas frágiles. pg. 12 Consideraciones de diseño para el esmerilado electrolítico Los diseños deben evitar los radios internos agudos. Si se van a producir superficies planas, la superficie rectificada electroquímicamente debe ser más angosta que el disco de rectificado. PROCESOS DE ENERGÍA TÉRMICA LOS DE REMOCIÓN DE MATERIAL BASADOS EN ENERGPROCESOSÍA TÉRMICA SE CARACTERIZAN POR: 1) Temperaturas locales muy altas, con calor suficiente para remover material mediante fusión o vaporización. 2) Pueden provocar daños físicos o metalúrgicos en la nueva superficie de trabajo. 3) El acabado resultante es tan deficiente que se requiere un procesamiento posterior para alisar la superficie. pg. 13  o XII. Procesos con descarga eléctrica o Electroerosión – EDM. ❖Maquinado por descarga eléctrica, electroerosionado, maquinado por electrodescarga o por erosión por chispa, se basa en la erosión de los metales mediante descargas por chispa. ❖Consiste en una herramienta con forma (electrodo de penetración) y la pieza de trabajo conectada a una fuente de potencia de CD, colocada en un fluido dieléctrico (que no conduce electricidad). ❖Cuando la diferencia de potencial entre la herramienta y la pieza de trabajo es lo suficientemente elevada, el dieléctrico es vencido y se descarga una chispa transitoria a través del fluido, retirando una cantidad muy pequeña de metal de la superficie de la pieza. ❖La descarga del capacitor se repite a velocidades de entre 200 y 500 kHz , con voltajes que por lo común se encuentran entre 50 y 380 V y corrientes de 0. 1 a 500 A. En general, el volumen de material retirado por chispa de descarga está en el intervalo de 𝟏𝟎 − 𝟔 a 𝟏𝟎 − 𝟒 mm³ (10 −10 a 10 − 8 pulg³). ❖El proceso EDM sólo se puede utilizar en cualquier material que sea conductor eléctrico. ❖El punto de fusión y el calor latente de fusión son propiedades físicas importantes que determinan el volumen de metal retirado por descarga. ❖Al aumentar estas cantidades disminuye la velocidad de remoción de material, la cual se puede estimar a partir de la siguiente fórmula empírica aproximada: 𝑀𝑅𝑅 = 4 × 104 𝐼𝑇𝑤 −1.23 ❖donde MRR está en mm³/min, I es la corriente en amperios y 𝑻𝒘 el punto de fusión de la pieza de trabajo en °C. ❖La pieza de trabajo se sujeta dentro del tanque que contiene el fluido dieléctrico y sus movimientos se controlan mediante sistemas controlados numéricamente PROCESO ❖La separación entre la herramienta y la pieza es crítica. Por ello, el avance descendente de la herramienta se controla por medio de un servomecanismo, que mantiene una separación constante de manera automática. ❖Debido a que el proceso no comprende energía mecánica, la dureza, resistencia y tenacidad del material de la pieza de trabajo no afecta necesariamente la rapidez de remoción. pg. 14 ❖Por lo común, para controlar la rapidez de remoción se varía la frecuencia de descarga, o la energía por descarga, el voltaje y la corriente. ❖La rapidez de remoción y la rugosidad aumentan con: (a) el incremento de la densidad de corriente, y (b) la disminución de la frecuencia de las chispas. ❖Socavado: distancia por la que la cavidad maquinada rebasa el tamaño de la herramienta en cada lado de la misma. Las descargas ocurren en la parte frontal como en los costados de la herramienta. ❖El socavado es una función de la corriente y la frecuencia. Fluidos dieléctricos 1.- Actuar como aislante hasta que el potencial sea lo suficientemente alto. 2.- Proporcionar un medio de enfriamiento. 3.- Actuar como medio de limpieza y retiro de los desechos en el espacio entre electrodo y pieza. Ejemplos: aceites minerales, queroseno, agua destilada, agua desionizada, otros fluidos de baja viscosidad y alta claridad. Aditamentos: bombas y sistemas de filtrado. ELECTRODOS oMateriales: grafito, latón, cobre, aleaciones cobre-tungsteno. oFormado de herramienta: moldeado, fundición, metalurgia de polvos, maquinado CNC. pg. 15 oExisten electrodos tan pequeños como 0.1 mm (0.005 in) de diámetro. oEl proceso (chispa) también afecta y desgasta al electrodo, cambiando su geometría y afectando la forma producida y la precisión dimensional. ❖Aplicaciones: ✓Producción de matrices para forja, extrusión, fundición a presión, moldeo por inyección y grandes componentes de láminas metálicas para carrocerías automotrices (centros de maquinado de estampado de matrices CNC). ✓Orificios profundos de diámetros pequeños que utilizan alambre de tungsteno como electrodo. ✓Ranuras estrechas en partes. ✓Orificios de enfriamiento en álabes para turbinas de superaleaciones. ✓Diversas formas intrincadas. ✓Producción de cavidades escalonadas. CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA EL EDM I. Las partes deben diseñarse de manera que a los electrodos se les pueda dar forma apropiada y económica. II. Deben evitarse las ranuras profundas y las aberturas estrechas. III. Para obtener una producción económica, el acabado superficial especificado no debe ser demasiado fino. IV. Para lograr una alta capacidad de producción, la remoción de grandes volúmenes de material debe realizarse por procesos convencionales (operaciones de desbaste). o XIII. Corte por descarga eléctrica con alambre – EDWC. ❖También conocido como EDM con alambre. ❖Un alambre de movimiento lento se desplaza a lo largo de una trayectoria prescrita, cortando la pieza de trabajo. ❖Este proceso se utiliza para cortar placas hasta de 300 mm (12 pulgadas) de espesor y para fabricar punzones, herramientas y matrices a partir de metales duros. ❖También puede cortar componentes intrincados para la industria electrónica. ❖La pieza de trabajo avanza en forma continua y lenta a través del alambre para obtener la trayectoria de corte deseada, de un modo parecido a una operación con sierra caladora. ❖El control numérico se usa para fijar los movimientos de la pieza de trabajo durante el corte. ❖Conforme se realiza el corte, el alambre avanza en forma continua entre un carrete de alimentación y uno de recuperación para presentar un electrodo nuevo de diámetro constante para el trabajo.Esto ayuda a mantener una ranura de corte constante durante el proceso. CARACTERÍSTICAS pg. 16 ❖Al igual que en el EDM, el EDM con alambre debe realizarse en presencia de un material dieléctrico. Éste puede aplicarse ya sea mediante boquillas dirigidas a la intersección herramienta trabajo, como en la figura, o por inmersión de la pieza de trabajo en un baño dieléctrico. ❖El alambre se fabrica con latón, cobre, tungsteno o molibdeno; también se utilizan alambres recubiertos con zinc o latón y con recubrimientos múltiples. ❖El diámetro del alambre es de alrededor de 0.30 mm (0.012 pulgada) para cortes de desbaste y 0.20 mm (0.008 pulgada) para cortes de acabado. El alambre debe tener una alta conductividad eléctrica y resistencia a la tensión, ya que el esfuerzo que actúa sobre él es por lo regular de 60% de su resistencia a la tensión. Al igual que en el EDM, en el EDWC existe una distancia entre el alambre y la pieza de trabajo, que provoca que el corte producido sea mayor que el diámetro del alambre. Una vez establecidas las condiciones de corte para una operación determinada, la distancia de separación entre el alambre y la pieza permanecen bastante constantes y predecibles. Es posible hacer más agudas las esquinas. Las fuerzas de corte en contra del trabajo son nulas. La dureza y la resistencia del material de trabajo no afectan el rendimiento del corte. El único requisito es que el material de trabajo debe ser eléctricamente conductivo. Aplicaciones I. Fabricación de componentes para matrices de corte para troqueles. II. Fabricación de punzones y matrices en un solo corte. III. Manufactura de otras herramientas y piezas con formas de contornos complicados. IV. Herramientas de formado para torneado. V. Dados para extrusión. VI. Plantillas planas. o XIV. Maquinado con haz de electrones - (EBM). pg. 17 CARACTERÍSTICAS El maquinado con haz de electrones (EBM) es uno de los varios procesos industriales que usan haces de electrones. Consiste en electrones de alta velocidad, que golpean la superficie de la pieza de trabajo, generan calor para remover material mediante fusión y vaporización. Las máquinas utilizan voltajes en el intervalo de 50 a 200 kV para acelerar los electrones a un promedio de entre 50% y 80% de la velocidad de la luz. Se enfocan a través de un lente electromagnético sobre la superficie de trabajo. El lente es capaz de reducir el área del haz a un diámetro tan pequeño como 0.025 mm (0.001 in). Al chocar contra la superficie, la energía cinética de los electrones se convierte en energía térmica de una densidad muy alta, la cual funde o vaporiza el material en un área localizada. VENTAJAS ❑El maquinado por haz de electrones puede utilizarse para cortar con mucha precisión una amplia variedad de metales. ❑El acabado superficial es mejor y la anchura de corte es mucho más estrecha que la de otros procesos de corte térmico. APLICACIONES ❑Taladrado de orificios de diámetro muy pequeño, hasta 0.05 mm (0.002 in) de diámetro. ❑Taladrado de orificios cuya relación entre profundidad y diámetro sea muy alta, mayores que 100:1. ❑Corte de ranuras con una anchura de 0.001 in (0.025 mm). Estos cortes pueden hacerse con tolerancias muy pequeñas sin fuerzas de corte ni desgaste de las herramientas. ▪ El proceso es ideal para el nanomaquinado y por lo general se limita a operaciones de corte en piezas delgadas, en el rango de 0.25 a 6.3 mm (0.010 a 0.250 in) de grosor. CONSIDERACIONES ESPECIALES 1. La interacción del haz de electrones con la superficie de la pieza de trabajo produce peligrosos rayos X. Por lo tanto, el equipo sólo debe ser usado por personal altamente capacitado. 2. El EBM debe realizarse en una cámara de vacío para eliminar la colisión de los electrones con las moléculas de la atmósfera. 3. Se requiere de alta energía para su utilización. 4. Equipo costoso. 5. Como las cámaras de vacío tienen capacidad limitada, las partes o los lotes deben coincidir lo más posible con el tamaño de la cámara para obtener una alta capacidad de producción por ciclo. pg. 18 6. Si una parte requiere maquinado por haz de electrones sólo en una pequeña porción de la pieza de trabajo, debe considerarse manufacturarla como los componentes más pequeños y ensamblarlos después del maquinado por haz de electrones. o XV. Maquinado por Rayo Laser - (LBM). ▪ En el maquinado por rayo láser (LBM) la fuente de energía es un láser, que concentra energía óptica sobre la superficie de la pieza de trabajo. ▪ La palabra láser es un acrónimo compuesto por las siglas: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificación de la luz por emisión de radiación estimulada). ▪ La fuente de energía de alta densidad altamente concentrada funde y evapora porciones de la pieza de manera controlada. Este proceso no requiere vacío. Se utiliza para maquinar varios materiales metálicos y no metálicos. Un láser es un transductor óptico que convierte energía eléctrica en un haz luminoso altamente consistente. Un haz láser tiene varias propiedades que lo distinguen de otras formas de luz. ▪ Es monocromático (en teoría, la luz tiene una longitud de onda única) y muy alineado (los rayos de luz en el haz son casi perfectamente paralelos). ▪ Estas propiedades permiten enfocar la luz generada por un láser, mediante lentes ópticos convencionales, sobre un punto muy pequeño, produciendo densidades muy potentes. ▪ Dependiendo de la cantidad de energía que contiene el haz de luz y su grado de concentración en el punto, pueden realizarse los diversos procesos con láser. ▪ Tipos de láseres utilizados en operaciones de manufactura : CO 2 (por pulsos u onda continua). Nd : YAG (neodimio : itrio - aluminio -granate). Nd (vidrio,rubí). Láseres excimer (de las palabras excitado y dinero, que significa dos meros o dos moléculas de la misma composición química). ▪ En el LBM, la reflectividad, conductividad térmica de la superficie de la pieza de trabajo, calor específico y calor latente de fusión y evaporación, son parámetros físicos importantes. Cuanto menores sean estas cantidades, más eficiente será el proceso. pg. 19 ▪ La profundidad de corte se puede expresar como: ▪ donde t es la profundidad, C una constante para el proceso, P la entrada de potencia, ν la velocidad de corte y d el diámetro del punto del láser. ▪ Los picos de densidad de energía de los rayos láser se encuentran en el intervalo de 5 a 200 kW/mm². ▪ La superficie producida por el LBM es rugosa y tiene una zona afectada por el calor. El LBM se usa para ejecutar diferentes tipos de operaciones de taladrado, corte en tiras, ranurado, grabado y marcado de metales, materiales no metálicos, cerámicos y materiales compósitos. El rango de materiales de trabajo que se pueden maquinar mediante este proceso es virtualmente ilimitado. Se pueden producir orificios tan pequeños como los de 0.005 mm (0.0002 pulgada) con una relación de profundidad a diámetro de 50:1 en diversos materiales, aunque un mínimo más práctico es 0.025 mm (0.001 pulgada). Con los rayos láser se pueden cortar placas de acero tan gruesas como las de 32 mm (1.25 pulgadas). Las propiedades ideales de un material para LBM incluyen una alta absorción de energía luminosa, baja reflectividad, buena conductividad térmica, bajo calor específico, bajo calor de fusión y bajo calor de evaporación. Por supuesto, ningún material tiene esta combinación ideal de propiedades. La lista real de materiales de trabajo procesados mediante LBM incluye metales con alta dureza y resistencia, metales suaves, cerámica, vidrio y cristal epóxicos, plástico, caucho, textiles y madera. APLICACIONES 1. Industrias electrónica y automotriz. 2. Taladrando con láser los orificios de purga para cubiertas de bombas de combustible. 3. Orificios de lubricación en los cubos de transmisión. 4. Orificios de enfriamiento de los álabes, en la primera etapa de producción de los motores de propulsión del Boeing 747. VENTAJAS I. El maquinado por láser se han obtenidos ahorros significativos de costos, de modo que el proceso está compitiendo con el maquinado por descarga eléctrica. II. Flexibilidad inherente del proceso de corte. III. Aplicación del rayo con fibra óptica. IV. Simplicidad de los soportes. V. Bajos tiempos de configuración. VI. Disponibilidad de máquinas con capacidades eléctricas múltiples y sistemas robóticos tridimensionales de corte con láser controlados por computadora. DESVENTAJAS ❖Se debe tener extrema precaución con los rayos láser. Incluso los de baja potencia pueden provocar daños a la retina si no se siguen las precauciones apropiadas. CONSIDERACIONES DE DISEÑO Deben evitarse los diseños con esquinas agudas, ya que es difícil producirlas. Los cortes profundos producen paredes cónicas. La reflectividad de la superficie de la pieza de trabajo es un factor que debe considerarse en el maquinado por rayo láser; se prefieren las superficies mate y sin pulir, ya que reflejan pg. 20 menos. Debe investigarse cualquier efecto adverso en las propiedades de los materiales maquinados que haya sido provocado por las altas temperaturas locales y la zona afectada por el calor. o XVI. Corte por arco de plasma - (PAC). ▪ En el corte por arco de plasma (PAC), se utilizan haces de plasma (gas ionizado) para cortar con rapidez láminas y placas ferrosas y no ferrosas. ▪ Las temperaturas generadas son muy elevadas, en el rango de 10 000 a 14 000 °C (18 000 a 25 000 °F) en el soplete con oxígeno como gas de plasma. APLICACIONES a) Corte de láminas de metal y placas planas. b) Barrenado y el corte a lo largo de una trayectoria definida. c) La trayectoria deseada se corta ya sea mediante un soplete manual controlado por una persona o dirigiendo la trayectoria de corte del soplete mediante control numérico (CNC). d) El corte con arco de plasma puede usarse para cortar casi cualquier metal eléctricamente conductivo. PROCESO I. En la acción de corte se dirige la corriente de plasma a alta velocidad hacia el trabajo. II. II. Ésta misma acción funde e impulsa el metal fundido por la ranura. III. III. El arco de plasma se genera entre un electrodo dentro del soplete y la pieza de trabajo (ánodo). IV. IV. El plasma fluye a través de una boquilla enfriada con agua, que controla y dirige la corriente a la posición deseada del trabajo. V. V. El chorro de plasma resultante es una corriente de alta velocidad bien alineada con temperaturas extremadamente altas en su centro, y con el calor suficiente para cortar a través de un metal, que en algunos casos tiene un espesor de 150 mm (6 in). GASES oNitrógeno, argón, hidrógeno o una mezcla de éstos (gases primarios). oCon frecuencia se dirigen gases secundarios o agua para rodear el chorro de plasma, a fin de ayudar a confinar el arco y limpiar la ranura de metal que se forma. pg. 21 VENTAJAS ✓El proceso es rápido. ✓La anchura de corte es pequeña. ✓El acabado superficial es bueno. ✓Las velocidades de remoción de material son mucho más altas que las asociadas con los procesos EDM y LBM. ✓Se pueden maquinar partes con gran reproducibilidad. ✓El corte con arco de plasma está muy automatizado y usa controladores programables. ✓Alta productividad (CNC). DESVENTAJAS La superficie de corte es áspera El daño metalúrgico en la superficie es el más severo entre los procesos metalúrgicos no tradicionales. MATERIALES PARA CORTE ❑Aceros al carbono simple. ❑Acero inoxidable. ❑Aluminio. o XVII. Corte con oxígeno y gas combustible – OFC. CARACTERISTICAS ▪ El corte con flama usa el calor de combustión de ciertos gases combinado con la reacción exotérmica del metal con el oxígeno. ▪ El soplete de corte está diseñado para proporcionar una mezcla de gas combustible y oxígeno en las cantidades correctas y dirigir una corriente de oxígeno a la región de corte. ▪ El mecanismo principal de la remoción de material en el corte con oxígeno y gas combustible (OFC) es la reacción química del oxígeno con el metal base. ▪ El propósito de la combustión del oxígeno y el gas es elevar la temperatura en la región de corte para soportar la reacción. ▪ Por lo general, estos procesos se usan para cortar placas metálicas ferrosas, en las cuales ocurre una rápida oxidación del hierro de acuerdo con las reacciones siguientes: pg. 22  Mas Importante MECANISMO DE CORTE PARA MATERIALES NO FERROSOS o Se caracterizan por temperaturas de fusión más bajas que los metales ferrosos y hay más resistencia a la oxidación. o El calor de la combustión de la mezcla de oxígeno y gas combustible tiene una función más importante en la creación de la ranura. o Para promover la reacción oxidante del metal, con frecuencia se añaden flujos químicos o polvos metálicos a la corriente de oxígeno. COMBUSTIBLES Propileno (C3H6) - MAPP (metilacetileno-propadieno-C3H4) - Propano (C3H8) - Acetileno (C2H2) ▪ El acetileno se quema a la máxima temperatura de flama y es el combustible de mayor uso para soldar con autógena y cortar. ▪ Los procesos de OFC se realizan en forma manual o con máquina. ▪ Los sopletes operados en forma manual se usan para trabajo de reparación, corte de metal desechado, desbastado de protuberancias de fundición en arena y en operaciones similares que generalmente requieren una mínima precisión. ▪ Para trabajo de producción, el corte con una flama de máquina permite velocidades mayores y una mejor precisión. o XVIII. Maquinado ultrasónico – USM. pg. 23 ▪ En el maquinado ultrasónico (UM o USM), se retira material de una superficie mediante microastillado y erosión con granos abrasivos, finos, sueltos en lodo de agua. HERRAMIENTAS La punta de la herramienta (sonótrodo) vibra a una frecuencia de 20 kHz y a una baja amplitud de 0.0125 mm a 0.075 mm ( 0.0005 a 0.003 pulgada). Materiales comunes de la herramienta incluyen acero suave y acero inoxidable. La acción de corte en el USM afecta tanto a la herramienta como a la pieza de trabajo. Conforme las partículas abrasivas erosionan la superficie de trabajo, también desgastan la herramienta y afectan su forma. ABRASIVO El esfuerzo producido por el impacto de las partículas abrasivas sobre la superficie de la pieza es alto porque (a) el tiempo de contacto entre la partícula y la superficie es muy corto (10 a 100 μs), y (b) el área de contacto es muy pequeña. Materiales abrasivos incluyen nitruro de boro, carburo de boro, óxido de aluminio, carburo de silicio y diamante. El tamaño de los granos varían entre 100 y 2000. La amplitud de vibración debe establecerse aproximadamente igual al tamaño del grano y el tamaño del espaciamiento debe mantenerse en alrededor de dos veces el tamaño de grano. El tamaño del grano determina el acabado superficial en la nueva superficie de trabajo. ▪ La velocidad de remoción en el USM aumenta, al incrementar la frecuencia y la amplitud de vibración. ▪ La relación de materia prima removida por desgaste de la herramienta varía para los diferentes materiales de trabajo, en proporciones que van desde 100:1 para cortar vidrio, hasta 1:1 para cortar acero de herramienta. ▪ La pasta fluida en el USM consiste en una mezcla de agua y partículas abrasivas. pg. 24 La concentración de abrasivos en el agua varía de 20% a 60%. La pasta debe circular en forma continua para que entren en acción los granos frescos en el espaciamiento entre la herramienta y el trabajo. También sirve para retirar las rebabas y los restos de esmeril producidos por el proceso de corte. MATERIALES DE TRABAJO En materiales frágiles, los esfuerzos de impacto son suficientemente altos para causar microastillado y erosión de la superficie de la pieza de trabajo. El maquinado ultrasónico se creó por la necesidad de maquinar materiales de trabajo duros y frágiles, tales como cerámica, vidrio, piedras preciosas, aceros endurecidos y carburos. También se usa con éxito sobre ciertos materiales, tales como el acero inoxidable y el titanio. APLICACIONES ✓Orificios no redondeados. ✓Orificios a lo largo de un eje curvo. ✓Operaciones de acuñado en las cuales se imparte un patrón de imágenes en la herramienta para una superficie de trabajo plana. CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA EL USM Evitar perfiles, esquinas y radios agudos, porque se erosionan con el lodo abrasivo. Los orificios producidos tienen cierta conicidad. Dada la tendencia de los materiales frágiles a astillarse en el extremo de salida de los orificios maquinados, la parte inferior de las partes debe tener una placa de respaldo. pg. 25