Presentación 6 maquinado no convensional [Modo de compatibilidad]

TECNOLOGIA PARA LA
FABRICACION II
INDUSTRIAS I
MAQUINADOS NO TRADICIONALES
MAQUINADO NO TRADICIONAL
• Desde la segunda Guerra Mundial se han
desarrollado procesos no tradicionales por la
necesidad de:
- Maquinar metales recién desarrollados, con
propiedades especiales a los que no se aplican
métodos convencionales por su tenacidad y
su alta resistencia.
- Geometrías complejas, que no se obtienen
por maquinado convencional
- Evitar daños externos en la zona del
maquinado por tensiones originadas por el
arranque de viruta, etc.
- Estos requerimientos han acompañado el
desarrollo de industrias como la Aeronáutica,
Electrónica y Espacial.
Procesos no tradicionales.
• Se clasifican según la forma principal energía
que usan para remover material.
- MECANICOS: No se usan herramientas de
corte convencionales, trabajo por corriente
abrasiva (CHORRO) y/o fluidos
- ELECTRICOS: Usan energía electroquímica
para remover el material (opuesto al electro
chapeado).
- TERMICOS: Se aplica energía térmica a una
parte muy pequeña de la superficie a trabajar,
remoción por fusión o vaporización del metal
(conversión de energía eléctrica)
- QUIMICOS: Los metales son susceptibles de
ataques químicos por medio de ácidos y otras
sustancias; en el maquinado químico las zonas
que no deben alterarse se protegen con una
mascarilla.
*MECANICOS*
1. Ultrasónico:
(Pasta fluida)
herramienta
vibratoria
baja amplitud
(0,07 mm)
alta frecuencia
(20000 Hz)
2 .Chorro H2O
3 .Chorro H2O abrasivo
4. Chorro abrasivo (corriente de gas)
1) Ultrasónico:
- Herramientas: acero suave y acero inoxidable
- Abrasivos: H2O + Partículas (nitrato de Boro,
oxido de Aluminio, Carburo de Silicio,
Diamante).
Parte removida vs Herramienta = 100:1
(usado en cerámicos, vidrio y carburos) Corte de
metales. Ideal para acero inox.y titanio ( 1:1)
HIDRODINAMICO
2) Hidrodinámico
Chorro H2O
- Diámetro de la boquilla: 0,1a 0,4mm
(zafiro,
rubí o diamante)
- Presión: 60000lb/in² ( 400Mpa)
- Velocidad del chorro: 900m/seg
- Fluido de corte: solución de polímeros
- Separación e/boquilla y sup.: 1/8 in ó 3,2mm
- Velocidad de corte: 5mm/seg hasta 500 mm/seg
- Plásticos, textiles, mosaicos, alfombras, pieles,
papelería, corte 3D (tableros de automóviles)
No es apto para materiales frágiles
3) Chorro H2O abrasivo
- Generalmente se usa para metales
-
Abrasivo: oxido de aluminio, Dióxido de silicio
Diámetro de la boquilla: 0,25 a 0,63mm
Presión: 400Mpa
Distancia: ¼ a ½ la del chorro de agua
Velocidad de corte: 5 mm / seg.
4) Chorro de Gas Abrasivo
Gas seco: aire, helio, nitrógeno
Diámetro de la boquilla: 0,075 a 1mm
Presión: 200lb/in² ( 1,4Mpa)
Velocidad del chorro: 2,5 a 5m/seg
Distancia: mínimo 1/8 in
Abrasivos: oxido de aluminio, carburo de
silicio, perlas de vidrio (pulido)
- Diámetro de partículas: 15 a 40μm
-
No apto para metales
Apto para: vidrio, mica, cerámicas
*ELECTRICOS*
• Electroquímicos: Retira material de la pieza
(conductora) a trabajar por disolución anódica. La
herramienta es el electrodo, están separados por un
electrolito, el rápido flujo del baño va limpiando.
• Electrodos: bronce, cobre, aceros inox.
• Esta basado en la ley de Faraday V=C.I.t
V=volumen de metal removido (cm³)
I= corriente (amperios)
t= tiempo (seg)
C= cte (velocidad especifica de remocion cm³/A)
*TERMICOS*
•
•
•
•
•
Se remueve el material mediante fusión o
vaporización por temperaturas muy altas
localizadas.
Electroerosión
Haz de electrones
Rayo láser
Plasma
Convencionales
1) Electroerosión:
Maquinado por descarga eléctrica, Bombardeo de
descargas eléctricas discontinuas (chispas), en
presencia de un fluido dieléctrico que crea la
trayectoria para cada descarga conforme se
ioniza el fluido en la separación de los
electrodos.
Herramientas: electrodos y alambre
Electrodos: grafito, cobre, bronce, tungsteno,
plata
• Las descargas se
generan mediante
un transformador de
corriente directa
pulsante conectado
a los electrodos y a
la pieza
Miles de descargas por segundo
generan una erosión gradual
Dos variables importantes:
• Electroerosión:
- Variables: corriente de descarga
frecuencia
- Si ambos aumentan también lo hace la
velocidad de remoción de material
- Si opera a altas frecuencias y corrientes de
descarga bajas se obtiene un mejor acabado.
- El excedente de corte es función de la corriente
y la frecuencia.
• Desgaste de la herramienta (100 a 1)
• Elección de electrodos: es función del circuito
del “trafo”, material de trabajo y terminación
superficial
• Mayormente el grafito rinde mas por una razón
de desgaste alta.
• Maquinado por alambre:
-
Diámetro del alambre: 0,07 a 0,3mm
Material: latón, cobre, tungsteno y molibdeno
Dieléctrico: H2O desionizada, aceite, hidrocarburos
Aplicación: por boquilla dirigida a la interface
herramienta-trabajo o inmersión.
• Al igual que con los electrodos existe el exceso
de corte cuyo rango es: 0,02 a 0,05mm
• Ideal para matrices de extrusión, trefilacion
• Alambres para
electroerosión
• 1943 LAZARENKO Hnos
En el dieléctrico hay iones libres que bajo la
tensión aplicada a los electrodos se desplazan
hacia los polos opuestos formando un canal
ionizado, que es conductor y origina un pasaje
masivo de corriente. Se origina un plasma que
por elevada temperatura se disocia.
El plasma esta formado por átomos metálicos (de
los electrodos). Los iones y electrones chocan
con los átomos del dieléctrico (energía cinética
genera calor)
• La electroerosión sobre los electrodos es
asimétrica, si todo esta correcto el 99,5%
de la erosión ocurre en la pieza y el 0,5%
sobre el electrodo-herramienta
• Tensión de descarga: 15 a 25V (función
de los electrodos y el dieléctrico)
• La descarga se produce por generadores
cuyas funciones esenciales son:
- Generar una tensión suficientemente alta
para el comienzo y mantenimiento de las
descargas.
- Limitar la corriente de descarga
- Limitar la duración de la descarga
- Imponer la frecuencia de repetición de
las descargas
El primer circuito utilizado (RC)
Cuando C alcanza la tensión de ruptura entre
electrodo-pieza el liquido se ioniza y C se descarga
bruscamente por el canal ionizado, la descarga es
oscilante y la tensión y corriente se invierten
periódicamente hasta agotar la energía de C
• La duración de la descarga es fijada por la
frecuencia de oscilación del circuito
• CONTRAS:
- aplicación restringida, desgaste considerable
del electrodo- herramienta
- Oscilación de la descarga
• En 1952 Charmilles duplico la frecuencia
máxima de las descargas del RC usando una
bobina de autoinducción de gran inductancia L
Para solucionar las variaciones en la distancia de las
chispas y en la rugosidad Charmilles agrego un
diodo limitador D para nivelar los picos de la
tensión de carga del condensador C. Crea el RCLD.
Circuito de relajamiento.
• Este desarrollo fue necesario para:
- Aumentar la velocidad máxima de erosión
- Aumentar la velocidad de mecanizado,
aumentando la frecuencia de las descargas
• Para interrumpir las corrientes de carga luego de
cada descarga, para asegurar la desionizacion
eficaz del canal de descarga, y poder recargar el
“C” con una corriente muy elevada; surgió: pulsar
la corriente de carga de los circuitos a través de
“tubos de vacio” o “alternadores”
- El tercer objetivo fue: descargas controladas
electrónicamente desde un mando
independiente
• En 1956 Charmilles creo el generador de
impulsos controlados (comandados) gracias al
transistor de potencia naciendo los impulsos
rectangulares regulables, pero las
evacuaciones de material se reducían,
descargas incompletas y variaba la distancia
de la chispa y la calidad superficial. Por lo
tanto continuo con el desarrollo e
investigación y se llego a un GENERADOR DE
IMPULSOS ISOENERGÉTICOS.
Generador de impulsos.
Impulsos Iso-energeticos:
- igual corriente
- igual duración
- Mejoras:
• Extracción de material
bien definida
• mecanizado mas rápido
y controlado
• distancia de chispas
uniformes
• mejor calidad
superficial
•
•
•
•
•
•
•
(1) Detecta la circulación de corriente entre
electrodo y la pieza
Los transistores de (4) se vuelven conductores
La tensión Uo es aplicada a través de la
impedancia (6) al electrodo-pieza
Comienza la descarga
Brusca caída de potencial entre electrodo-pieza
Detector da señal a la (2)
Envío a través de (5) señal de corte de corriente
2) Haz de electrones
• Corriente de electrones a alta velocidad
• Velocidad de la corriente ¾ velocidad de la luz,
enfocan a través de una lente
electromagnética. Se enfoca sobre la
superficie de trabajo
• Diámetro del haz de electrones: 0,025mm
• La energía cinética de los e¯=> energía térmica
• Funde o vaporiza el metal en área localizada
• Se efectúa en cámara de vacio
• Orificios muy pequeños: φ0,05mm
• Ranuras de 0,025mm
• Equipo costoso
Prestaciones:
-
Maquinado
Tratamiento térmico
Soldadura
Alta precisión en cualquier material
Micromaquinado
Corte hasta 6,3 mm
LASER
3) Rayo LASER
(light amplification of simulated emissioned of radiation)
• Es un transductor óptico que convierte energía
eléctrica en un haz luminoso, es monocromático
y sus rayos son paralelos y a través de un lente
óptico convencional concentra sobre un punto
muy pequeño. Pueden ser de gas (dióxido de
carbono) y de estado solido.
• Remueve el material mediante la vaporización y
desgaste
• Taladra orificios de φ0,02mm
• Mayor control para orificios mayores, para corte
de los contornos.
• Punto de focalización entre 0,15 a 0,5mm
• Densidad de potencia 1x10^6vatios/cm²
Factores que influyen en el proceso
-
Material vs espesor
Características del haz incidente
Vel. De avance
Lentes de focalización
Posición del punto focal
Gas de asistencia
Sistema de movimiento relativo
Corte por laser
Medio activo: Amplificador óptico (haz de luz coherente)
que se amplifica por la emisión estimulada, obteniéndose
un haz de gran intensidad. Puede ser un gas, un liquido,
un sólido o un semiconductor.
• GAS: (CO2, N2,He) Excitación por corriente eléctrica que
atraviesa la mezcla gaseosa, líder en aplicación industrial.
Potencia:5000vatios- 75 KVA.
• ESTADO SOLIDO: (YAG-Nd) Este medio es un cristal con
iones de impurezas; cristal de granate (G), itrio (Y) y
aluminio (A). Diversidad de aplicaciones: corte soldadura,
taladrado etc. Relevancia en aplicaciones científicas y
medicinales.
• Mecanismo de excitación: fuente que excita o
“bombea” átomos del medio activo, desde estados de
baja energía a estados excitados (mayor energ)
Láseres de: gas y semiconductor, excitación eléctrica
estado sólido y liquido, excitación óptica
(lámparas tipo flash)
• Resonador óptico: par de espejos en cada extremo del
medio activo para hacer rebotar la radiación a través
del medio activo, dejando salir parte de la energía a
través de unos de los espejos parcial transparente.
• POTENCIA DE SALIDA:
A mayor potencia, mayor será la velocidad de
procesado y la capacidad de cortar secciones mas
gruesas de material.
• POLARIZACION: el frente de corte en el material
tiene un haz con un ángulo de incidencia grande,
casi rasante, la absorción de la energía LASER
influye en la calidad, ya que existe gran diferencia
de reflectancia. El haz se polariza
circunstancialmente para que se comporte
uniforme en todas las direcciones de corte.
VENTAJAS
DESVENTAJAS
• Proceso sin contacto mecánico • Costo elevado
con la pieza
• Limitaciones según el espesor
• Fácil automatización
(15/20mm)
• Reducido surco de corte
• A mayor espesor menor
(0.1/0.5mm)
calidad
• Reducida zona afectada por
calor en el borde del corte
• Alta velocidad de corte
• Posibles corte de perfiles muy
agudos
• Corta gran diversidad de
materiales independiente de
la dureza
automatización
(4)PLASMA
Plasma
• El plasma es un gas supercalentado
eléctricamente e ionizado en forma de
corriente, que opera a temperaturas de 10000
a 14000°C y corta por fusión
• Plasma: Gas ionizado (cuarto estado de la
materia)
• El arco del plasma se genera entre un
electrodo de tungsteno (-) dentro de la torcha
y la pieza de trabajo (+). La boquilla es
enfriada por gases,los usados son N2, Argón
con N2 y CO2-N2 , O Agua arriba de 150 A.
Corte por plasma
(Plasma arc cutting)
• Es un proceso de corte térmico, utiliza in
intenso calor que proviene de un arco
eléctrico para fundir virtualmente cualquier
metal; el metal fundido es arrastrado por el
flujo de gases a alta velocidad a través del
canal originado. El haz de plasma debe
penetrar totalmente en la pieza, razón que
obliga a usar altas intensidades de corriente.
• El estado del plasma puede encontrarse en
fenómenos naturales como:
-
Radiación estelar
Capa ionosfera
Descargas eléctricas en gases
Reacciones termonucleares (núcleo solar)
Ondas de choque
Tubos fluorescentes.
POTENCIA EN LOS EQUIPOS
Baja potencia: menor a 30 A
Mediana potencia: 30/100 A
Alta potencia: 100/1000 A
Detalles de el “soplete y la pieza de trabajo”
• La REFRIGERACION de la antorcha por encima de
150 A es siempre por H2O. El gas secundario
rodea al chorro de plasma para confinar el “arco”
y limpiar el canal de metal fundido
• Gases utilizados
Son importantes por aspecto técnico y por costo
para la operación; influyen en el tipo de
electrodo a utilizar, energía calórica,
transferencia de la misma, estabilidad del arco,
longitud, intensidad, material a cortar, tipo de
equipo (seco o en agua).
• Para plasmas secos, los gases que se emplean
son:
- Aire comprimido: el mas barato, pero hay que cuidar
la oxidación
- Oxigeno: es el mas recomendado para el acero al
carbono
- Nitrógeno: muy apropiado para inoxidables y
aluminio
- Argón+hidrogeno: (70%+30%) Gran capacidad de
corte para altos espesores es lo mejor para ac.inox.,
en espesores superiores a 12/15mm. Produce menos
humos y favorece el medio ambiente, pero es 3 veces
mas caro que el N2.
Los consumos de gas están comprendidos entre 47 y
120 lts/min
Gas Plasmágeno
Aire Comprimido
Oxigeno
Nitrógeno
Argón + Hidrogeno
Gas Protector
Aire comprimido
Aire comprimido
Aire ó CO2
Nitrógeno
Espesor vs precisión
EFECTOS METALURGICOS
- Se origina una zona afectada por el calor del
corte que en muchos casos obliga a un
maquinado posterior
- Si el material que se corta debe ser precalentado
para soldar
debe precalentarse para cortar
- En 25 mm de esp. Ac.inox.,afecta 0,13mm
pero en condiciones no adecuadas llega a
2 ó 5 mm.
• Calidad del corte
- Sangría: 1,5 a 2 veces el diámetro del orificio
de la boquilla y se relaciona con el espesor de
la chapa
- Acero inox. Austenitico de 25mm
sangría
de 5mm
180mm sangría de 25mm
• Angulo del bisel
Angulo de 4/8° en antorcha de flujo laminar
Angulo de 1/3° en antorcha de flujo turbulento
• REDONDEO:
Se debe a la alta concentración de calor. Se minimiza con
procesos duales o uso de agua; velocidad de corte mayor
por potencia excesiva ó distancia de la boquilla a la pieza
muy larga, este efecto es mayor en espesores menores a
6mm
• ACABADO SUPERFICIAL:
Depende de la puesta apunto del proceso ya que influyen:
flujo de gas, velocidades, intensidades, distancia entre
boquilla y pieza.
- Plasma argón-hidrogeno: mejor terminación
- Plasma bajo H2O: mejor que plasma al aire
- GOTAS: velocidades muy altas ó muy bajas
•
•
•
•
•
VENTAJAS
INCONVENIENTES
Alta velocidad de corte • Calidad del acabado
• Ruidoso por encima
Gran facilidad de
de los 200 A en aire,
manejo
mayor a 100db.
Inversión madia/baja
• Producciones de
Precio por corte= ½
humo, polvo y
precio oxicorte
radiación luminosa
(en aire) pero se
Proceso
eliminan trabajando
perfectamente
en inmersión
contrastado
• APLICACIONES:
- Industria naval: equipos bajo el agua de 600 A;
1200mt lineales por día, espesor promedio
15mm
- Industria automotriz- industrias de chapas:
hasta 10mm de espesor, sustituyó cizallas y
matrices
- Calderería (CAD/CAM) desarrollos de conductos
de ventilación.
- Aceros inoxidables: el mejor
*QUIMICOS*
CHM (CHEMICAL MACHINING)
• Es un proceso por el que se produce una remoción
de material, mediante contacto con sustancias de
ataque químico fuerte. Se inicio poco después de la
segunda Guerra Mundial en las aeronaves
• Se aplica en varias formas:
- Fresado químico
- Suajado químico (extendido o estampado)
- Grabado
- Maquinado fotoquímico
• Estos procesos consisten de los siguientes pasos:
- Limpieza: (desengrasado)
- Enmascarillado: se cubre lo que no se debe atacar,
con un material resistente a la sustancia de ataque
- Ataque químico: afecta la zona que no esta
protegida en los metales, la zona atacada se
convierte en una sal que se disuelve en el baño.
Una vez removido el material se enjuaga para
detener el ataque.
- Desenmascarillado: se quita el elemento protector
• Protectores:
neopreno
cloruro de polivinilo
polietileno y otros polímeros
• Métodos
(1) cortar y desprender
De protección: (2) fotorresistente
(3) resistente de pantalla
(serigrafía).
• (1) La aplicación a toda la parte ya sea por
inmersión, recubrimiento o spray (rocío). Se
cortan las aéreas y se desprenden las que se
van a atacar, se hace generalmente a mano
con una plantilla.
- Tolerancia ±0,12mm
- Partes de trabajo grandes
- Pequeñas cantidades
• (2) Llamado fotorresistente, usa técnicas
fotográficas, químicos fotosensibles aplicados en
la zona de trabajo, luego la pieza recubierta se
expone a la luz a través de imágenes en negativo
de las áreas que se van a atacar, posteriormente,
las áreas protegidas, se retiran usando técnicas
de revelado fotográfico, quedando con material
protector la superficie deseada y sin protección
las restantes que son atacadas por el químico.
- Se aplica a partes pequeñas en grandes
cantidades
- Tolerancia ±0,0005in
• (3) se aplica el protector por métodos de serigrafía o sea
una malla de seda o acero inoxidable, esta malla tiene
incorporado un esténcil que protege la aplicación con un
barniz y deja expuesta las áreas que se atacaran.
- se obtienen tolerancia de ± 0,075mm
- El material de ataque químico es función del material a atacar,
profundidad, velocidad de remoción y acabado)
- La velocidad de penetración (mm/min) es función del agente de
ataque químico
- Profundidad de corte (mm) hasta 12,5mm en paneles de aero.
- También ocurre el excedente de corte
Fe= factor de ataque (tablas)
u=excedente
d=profundidad
Procesos de maquinado químico
• Fresado químico: durante la segunda Guerra
se comercializo en EEUU, para quitar material
de las alas y fuselaje de aeronaves, para
reducir peso
- Se usa en piezas grandes se aplica “corte y
desprendimiento”
- A mayor profundidad peor acabado superficial
• Suajado químico: usado en laminas metálicas
muy delgadas, de espesores hasta 0,025mm.
También se usa para posturas de corte
complicados, pues los métodos de perforado y
troquelado convencionales no funcionan.
- Los métodos usados para aplicar el protector
son el fotorresistente o el resistente de
pantalla.
- Tolerancias +/- 0,002 mm
• Grabado químico: se usa para hacer placas
y/o paneles con impresiones sobre o bajo
relieves. El enmascarillado se hace con el
método fotorresistente o resistente de
pantalla, la secuencia es similar a los otros
procesos excepto que después del ataque se
aplica una pintura, u otra protección, a las
áreas formadas por el ataque químico; luego
se sumerge en una solución para disolver el
protector sin alterar la pintura o terminación
aplicada como recubrimiento.
• Maquinado fotoquimico: usa el método
fotorresistente para enmascarillar.
- Se emplea en el procesamiento de metales
cuando se requiere tolerancias mínimas o
patrones complicados sobre partes planas.
Ampliamente usados en la industria de la
electrónica para el diseño de circuitos sobre
plantillas de semiconductores y en la
microelectrónica
Valores tabulados para maquinado químico
Comparación de aplicabilidad entre procesos
convencionales y no convencionales
Características