Tema 63 – Mecanizados especiales: electroerosión, chorro de agua, láser, ultrasonidos y plasma. Fundamento. Líquido dieléctrico. Valores característicos de una máquina de electroerosión. Máquinas empleadas. Herramientas. Aplicaciones.

INDICE.

1. INTRODUCCION

2. MECANIZADOS ESPECIALES

3. ELECTROEROSIÓN

3.1 Fundamento

3.2 Tipos de electroerosión. Aplicaciones

3.3 Líquidos dieléctricos

3.4 Máquinas utilizadas. Valores característicos

4. CHORRO DE AGUA. Características y aplicaciones

5. ULTRASONIDOS. Características y aplicaciones

6. PLASMA. Características y aplicaciones

7. LÁSER. Características y aplicaciones

8. CONCLUSIÓN

1. INTRODUCCIÓN

En la fabricación por arranque de viruta existen circunstancias donde los procedimientos de mecanizado habituales resultan imposibles o muy difíciles de ejecutar. Este es el caso, por ejemplo, del mecanizado de materiales de altísima dureza o cuando se pretenden realizar formas microscópicas en piezas muy pequeñas.

Durante la segunda mitad del siglo pasado se desarrollaron sistemas que permiten salvar dichos problemas, son los denominados mecanizados especiales.

Se caracterizan porque que no existe formación de viruta (al menos en su concepto más clásico), tampoco existe contacto directo entre la herramienta y el material y además, no es mecánica la energía principal que interviene directamente en el corte.

Los más destacados son el mecanizado por electroerosión, el chorro de agua, los ultrasonidos, el láser y el plasma. Veámoslos:

2. ELECTROEROSIÓN.

2.1 Fundamento

El proceso de electroerosión consiste en la generación de un arco eléctrico o chisporreteo entre una pieza y un electrodo en un medio dieléctrico. Estas descargas repentinas y breves provocan el arranque de partículas de la pieza hasta conseguir reproducir en ella la forma deseada. Ambos, pieza y electrodo, deben ser conductores eléctricos para que pueda establecerse el arco eléctrico, por lo que la electroerosión estará limitada al mecanizado de piezas metálicas.

Independientemente del tipo de electrodo utilizado, la generación de las chispas se basa en un esquema general que consta de tres partes:

1. Una fuente de energía que suministra corriente de alta frecuencia siendo posteriormente rectificada.
2. Un circuito de carga, formado por un una resistencia junto con un condensador, que se carga y descarga para producir cada microarco.
3. El electrodo (la herramienta) que permitirá la descarga cada muy breve intervalo de tiempo, alcanzándose temperaturas de hasta 20000ºC y produciendo el arranque de material.

2.2 Tipos de electroerosión. Herramientas utilizadas

Dependiendo de la forma de la herramienta y forma de trabajo se distinguen dos tipos: la electroerosión con herramientas de forma (EDM) y la electroerosión por hilo (WEDM).

· Los electrodos de forma reproducen físicamente el perfil que se quiere mecanizar, ya sean estas formas negativas o positivas. El electrodo, actuando como cátodo o como ánodo, se sitúa muy próximo a la pieza, dejando un hueco ( 0,01 a 0,05 mm), por el que circula un líquido dieléctrico. Se producen así las descargas y el arranque de material con la forma dictada por el electroútil. El movimiento de avance y profundidad de pasada lo realizará el electrodo por desplazamiento vertical.

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.

El material más común para la fabricación del electrodo es el grafito, pues este, por tener una elevada temperatura de vaporización, es más resistente al desgaste. También el aluminio y cobre, son muy comunes, por su alta conductividad, aunque su desgaste es más rápido.

· Un método más moderno es el que sustituye el electroútil por un electrodo de hilo metálico. Aquí por tanto no se deberá preparar una herramienta específica para cada tipo de pieza, además el caudal de material arrancado es mucho mayor, de hasta 350 cm³/h. Presenta el problema de que no se podrán realizar formas tan complejas como con las herramientas de forma.

Para realizar cortes internos será necesario realizar primero un taladro y una vez dentro el hilo, sujeto por sus extremos, se mueve hasta crear la forma deseada. En el corte externo el hilo puede empezar el movimiento desde el exterior del perímetro. Los hilos están fabricados de latón o zinc y sus diámetros oscilan entre 0.25 y 0.30 mm.

2.3 Aplicaciones

Como algunos ejemplos de piezas confeccionadas por electroerosión nos encontramos:

Mediante electroútiles de forma: Coquillas para moldeo, mecanizado de piezas difíciles como taladros muy estrechos y profundos, punzones y estampas…etc.

Mediante mecanizado por hilo hileras para operaciones de trefilado, matrices para extrusión, preformas, perfilados…etc.

2.4 Líquidos dieléctricos

Como hemos comentado, entre la pieza y el electrodo se sitúa un líquido electrolítico. La misión del líquido es modificar la intensidad de campo ya que la distancia entre los electrodos será función de la tensión, el campo y la constante dieléctrica del líquido. Por tanto su presencia facilita la aparición de la descarga y el arranque de material. Del líquido dieléctrico se exige:

1. Baja viscosidad.
2. Facilidad de transporte de las partículas erosionadas.
3. Buena conducción del calor liberado.
4. Alta temperatura de inflamación.
5. Formación de vapores no nocivos.

Se utilizan en la práctica hidrocarburos de distinto contenido aromático: petróleos, benzinas, aceites, kerosenos…etc.

2.5 Máquinas para electroerosión. Valores característicos

Tanto de un tipo o de otro, las máquinas de electroerosión contarán con:

1. Bancada, sobre la que descansan el resto de elementos. En ella se encuentran alojados el generador y los elementos eléctricos y electrónicos para la producción de las descargas.

2. La mesa, con tornillos micrométricos para producir los desplazamientos longitudinales y transversales de la pieza a la que queda fijada por medios mecánicos o magnéticos.

3. El depósito de trabajo, en cuyo interior se sumerge la mesa. Contiene el líquido dieléctrico que cubre la pieza y debe poder llenarse y vaciarse con este para realizar operaciones de sujeción y retirada de la pieza.

4. El Soporte del cabezal y cabezal del electroútil, en caso de electrodos de forma. Si se usa electroerosión por hilo deberá disponer dos rodillos enfrentados por donde circule el electrodo verticalmente.

En cuanto a los valores característicos de cualquier máquina los principales serán:

a. El caudal de arranque, que será proporcional a la tensión y la fracción de chisporroteo e inversamente proporcional a la distancia entre polos. También depende del material del electrodo y el material a mecanizar (por ejemplo el acero es erosionado 8 veces más rápidamente que el metal duro). La potencia de las máquinas normales varía entre los 5 y los 50 KVA.

b. El desgaste de los electrodos, que oscila entre un 5% y 25% referido a 1 cm³ de caudal. El desgaste del útil viene determinado por su temperatura de fusión y ebullición, el calor de fusión, la conductividad térmica, la microestructura…etc.

c.La exactitud en la reproducción, que está íntimamente ligada con el desgaste. Depende sobretodo de factores mecánicos, como son, aparte de la solidez de la máquina, buena sujeción de electrodos y pieza así como buena exacta preparación de aquellos.

d. La rugosidad superficial obtenida, (~3μm) que se debe a la aparición de cráteres de diferentes tamaños según el proceso seguido. Estas rugosidades serán menores en el corte con hilo, pero aún así serán muy superiores a las obtenidas en otros procesos que pasamos a ver ahora.

4. MECANIZADO POR ULTRASONIDOS

Los ultrasonidos son vibraciones elásticas de muy alta frecuencia (>20KHz) que se desplazan en cualquier medio. En la fabricación mecánica encuentran gran aplicación en ensayos no destructivos, en procesos de soldadura y por supuesto en procesos de mecanizado.

Para conocer su modo de actuación analizaremos las máquinas de ultrasonidos. Estarán formadas por:

Un generador de alta frecuencia (20 y 25 KHz) que se aplica a un transductor piezoeléctrico transformando la corriente eléctrica en vibración mecánica. Dicha vibración es transmitida a un sonotrodo (herramienta) que refuerza las amplitudes de las oscilaciones utilizando en su punta un contenedor cónico.

Entre la herramienta y la pieza se coloca un abrasivo de grano fino por lo que el ataque no lo realiza directamente la herramienta sino, los granos de abrasivo a los que se transmiten la energía vibratoria de la herramienta.

El caudal de arranque aumenta conforme lo hace la concentración del material abrasivo, su tamaño de grano y su dureza. Sin embargo la calidad superficial y la exactitud mejoran conforme disminuye el tamaño de grano. Se usa generalmente polvo de alúmina o carborumdun en suspensión en líquidos o en pasta.

Al igual que la electroerosión, los ultrasonidos se utilizan para mecanizar materiales duros y frágiles, así como cuando se trate de orificios con forma complicada. Presentan la ventaja con respecto a estos de conseguir muy estrechas tolerancias dimensionales y buenas calidades superficiales. Además pueden mecanizar tanto materiales conductores como no conductores: Carburo de Wolframio, estellita, aleaciones especiales de Aluminio y Titanio, cuarzo, cristales, fibras termoplásticas, piedras preciosas, materiales cerámicos…etc.

5. MECANIZADO POR CHORRO DE AGUA

En el mecanizado por chorro de agua, el material de la pieza es arrancado gracias al impacto de un flujo de agua a una altísima velocidad. Analizando los componentes básicos de cualquier máquina de este estilo comprenderemos el funcionamiento. Contarán con:

· Un circuito de alimentación de agua, previamente filtrada y tratada.

· Una bomba de pistones multietapa que aumenta la presión del agua hasta más de 400 Mpa.

· Un tubo vertical de alta presión comandado por una válvula automática de corte.

· La boquilla por donde sale el fluido.

· La mesa sobre la que se disponen las piezas fijadas firmemente. En las máquinas más antiguas era la pieza la que se movía mediante guías longitudinales y transversales de la mesa. En las máquinas actuales es el cabezal junto con la boquilla el que sigue el perfil a mecanizar de forma automática.

Gracias a la reducción de sección en la boquilla, la alta energía de presión del fluido es convertida en energía cinética siendo expulsada el agua a más de 1000 m/s lo que le permite realizar el corte. La geometría de la boquilla, por tanto, será muy importante pues de ella depende la concentración y estabilidad lateral del chorro y por ende la calidad del corte.

El mecanizado mediante chorro de agua es aplicable a cualquier tipo de material, encontrando gran aplicación en las industrias del mármol, vidrio, metacrilato, madera…etc. Además mediante la adición de partículas abrasivas al chorro se consigue aumentar el poder de corte, siendo posible el corte de metales relativamente duros y conseguir profundidades de hasta 200 mm en chapa de acero (gran ventaja con respecto otros mecanizados especiales).

Presenta las ventajas además de que se eliminan los efectos térmicos sobre la pieza y de que no se producen gases ni vapores. Sin embargo, es un proceso muy lento, de muy bajo rendimiento en el corte de metales comparado con el Láser o el Plasma. Su aplicación en una industria dependerá de los materiales en ella trabajados.

6. MECANIZADO POR PLASMA

Las necesidades de utilizar materiales de muy difícil mecanizado, como son los utilizados en la industria aeroespacial, aeronáutica, centrales de producción de energía…etc. exigió el desarrollo de medios más potentes y rápidos que los descritos hasta ahora. Se desarrollaron entonces el Plasma y el Láser. En ambos casos se produce un rayo concentrado de muy alta temperatura pero de distintas características.

El plasma es un estado de la materia conseguido mediante la ionización de un gas, haciéndolo así conductor. Para producir esta ionización las máquinas de plasma generan un arco eléctrico entre un electrodo de Wolframio y la pieza que se quiere mecanizar.

Para obtener un grado de ionización suficientemente grande se obliga a pasar la corriente gaseosa por una boquilla o tobera a cuyo paso se alcanza el estado de plasma y con él temperaturas superiores a los 25000ºC (será esencial que la boquilla esté refrigerada por un circuito de agua o fluido). El estrechamiento de la sección provoca la salida hacia la pieza a altas velocidades, que provocan la fusión del material y el arrastre de la escoria.

Como gas ionizable, teóricamente, se puede usar cualquiera si bien este no debe atacar ni al electrodo ni a la boquilla. De forma general se usan Ar, N₂ o H₂.

Si el electrodo de Wolframio hace de cátodo y la pieza de ánodo se tiene el llamado arco transferido o arco directo, utilizado para materiales eléctricamente conductores. En el arco indirecto, el estado de plasma es creado por un arco eléctrico auxiliar haciendo ahora el electrodo de W de ánodo y siendo posible el corte de materiales no conductores.

Por tanto las ventajas principales de este sistema radican en su versatilidad y el reducido riesgo de deformaciones (en comparación con el oxicorte o medios mecánicos) debido a la compactación calorífica de la zona de corte. Además también permite su automatización y adaptabilidad a producción en serie.

La principal aplicación del plasma será el corte de chapa de acero hasta espesores no mayores 100 mm. Además, mediante el uso de plasma se realizan operaciones de:

Soldadura, gracias a la concentración del chorro y las altas temperaturas es ideal para soldar piezas de cualquier grosor y material, utilizando tanto arco directo como indirecto. En este caso aparte del gas del plasma se utiliza otro gas inerte para proteger el baño de fusión.

Metalización superficial, el calor generado por el plasma es utilizado para fundir alambre o polvos metálicos y recubrir por proyección las superficies de piezas metálicas. Se aumenta así la resistencia a la corrosión o al desgaste, alargando su vida útil.

7. MECANIZADO POR LÁSER

Un rayo láser es una radiación electromagnética luminosa de la misma fase y de igual frecuencia, la cual se focaliza mediante el uso de espejos paralelos. Variando la longitud de onda de dicha radiación podemos controlar la densidad de energía del haz. Gracias a esto, el láser encuentra una enorme aplicación en distintos campos como la medicina, electrónica, tecnología militar y un largo etc.

En el campo de la fabricación mecánica los rayos láser se utilizan en aparatos de medida de gran precisión, en ensayos no destructivos, en soldadura y por supuesto en operaciones de mecanizado:

En este caso, en la zona de incidencia del rayo sobre las piezas se consigue una elevada densidad de potencia en régimen continuo que puede ser aumentada hasta varios (Mw/mm²) en régimen pulsado. Dicha concentración producirá la volatilización del material y gracias a la reducida dimensión del rayo láser (30μm) se pueden realizar micromecanizados imposibles de conseguir por otras tecnologías.

Mediante régimen pulsado se realizan operaciones de corte (las más comunes), metalización de superficies, endurecimiento superficial… Un gran punto a favor del láser es taladrado de pequeños agujeros, mucho más rápidos que por arranque de viruta clásico.

Mediante el uso de densidades medias de emergía se aplica el láser para operaciones temple superficial así como de grabados sobre piezas.

El sistema láser es muy adaptable a la automatización, pudiendo ser la mesa la que se mueva sobre guías o más frecuentemente el cabezal láser el que lo haga sobre la pieza girando esta si es necesario. Permite trabajar sobre cualquier tipo de material metálico, cerámico, composites…etc. sin la necesidad de fabricación de electrodos y a mayores velocidades que el corte por ultrasonidos o plasma (y con menor distorsión térmica).

8. CONCLUSIÓN

Terminaremos la exposición resaltando los excelentes resultados que se pueden obtener con las técnicas descritas. Sin embargo un factor común a todas ellas es su elevado precio de adquisición y mantenimiento. Por esto su implantación sólo será viable económicamente para la fabricación continua de series muy largas o cuando se trabajen materiales que sólo se puedan cortar por estos procedimientos.