Mecanizado no Tradicional

Procesos De Manufactura II

Presentado a:

Ing. Mec. Msc. Julián Miguel Salas Siado

Presentado por:

702102547 Diaz Martínez Edgar

702101013 Orozco De La Cruz Luis

702111249 Terraza García Oriana Carolina

Valencia Juan Jose

Universidad del Atlántico

Facultad de ingeniería

Ingeniería mecánica

2015-2

Barranquilla-Atlántico

Introducción.

El maquinado no tradicional nace de la necesidad de trabajar con materiales frágiles qué no podían mecanizarse mediante los procesos convencionales, sin embargo algunos de ellos son aplicados a materiales dúctiles donde se requirieren formas especiales en el corte, pues estos procesos facilitan la obtención de complicadas formas y mediante el uso del control numérico computarizado se logran mejores resultados. Estos procesos de maquinado no convencional utilizan la energía del tipo mecánica, eléctrica, térmica o química. Según la energía de corte utilizada así se le llama al proceso.

Figura 1 Clasificación del maquinado no tradicional (Schey, 2000)

Maquinado ultrasónico

Ilustración de mecanizado por ultra sonidos.

El mecanizado es un proceso de índole mecánica en el que se remueve material de la pieza dejando una forma específica en ella. Para ello la herramienta vibra a 20 kHz y gira a unos 5 krpm, todo ello en acompañado por un líquido abrasivo que además sirve para refrigerar la pieza, los materiales normalmente usados son el Acero, acero inox, y molibdeno, etc. La forma de la herramienta es importante para que no recoja energía, la punta nunca toca la pieza que suele ser de materiales dúctiles, el material abrasivo (contenido en una pasta) es el que realmente se come el material, normalmente las partículas de abrasivo suelen ser duras, como por ejemplo diamante, nitruro cúbico de boro, carburo de boro, carburo de silicio y óxido de aluminio, de esto el más usado es el carburo de boro. El equipo puede ser usado en distintas variantes, ya sea en un torno para mejorar la versatilidad de la máquina. La potencia de estos equipos oscila entre los 200 y los 2400 W, la potencia influye en el material removido. La fuente de vibración convierte potencia de baja frecuencia (60 Hz) en potencia de alta frecuencia (20 KHz). Las partes más importantes del transductor son un electro magneto y una pila de placas de níquel.En este proceso se obtiene en la pieza una forma inversa a la de la herramienta y con una medida el doble del tamaño del gránulo del abrasivo mayor que las dimensiones de la herramienta.

Aplicaciones: Materiales blandos y duros de todo tipo, metálicos, no

metálicos, cerámicos o compuestos. Producir hoyos, huecos y formas irregulares limitado solo por las formas

disponibles para las herramientas. La razón de profundidad-diámetro es baja, generalmente de 3:1.

Dependiendo del abrasivo se pueden procesar materiales como el carburo de tungsteno, cerámicas de alta densidad, duros compuestos sinterizados, piedras preciosas, minerales, etc..

Mecanizado por ultrasonidos rotatorio

El mecanizado por ultrasonidos rotatorio (Rotary Ultrasonic Machining) (RUM) se usa para mejorar el trabajo del taladrado, corte, fresado o roscado de materiales que son difíciles con el mecanizado tradicional. A diferencia del mecanizado ultrasónico, en el RUM se usan herramientas de diamante que tienen contacto directo con la pieza. No requiere sistema de recirculamiento del abrasivo.Permite mecanizar materiales que con otros sistemas son prácticamente imposibles, es un proceso no convencional. Se basa en el empleo de herramientas de diamante que eliminan el material por la combinación de un giro y de una vibración ultrasónica en dirección axial.La separación continua entre herramienta y pieza consigue que las fuerzas de corte se reduzcan y que el calor sea menor. Lo que conlleva una protección de la herramienta y de la pieza aumentando la productividad en hasta 5 veces y con unos acabados superficiales de 0,2 µm.

Aplicaciones: Industria del automóvil: discos de freno, toberas de inyección, insertos de

moldes de inyección…; en materiales como Nitruro de Silicio, Alúmina, metal duro, acero templado ...

Industria de los semiconductores: elementos de refrigeración…en materiales como Silicio, Cuarzo hialino…

Industria óptica: lentes cóncavas y convexas, espejos… en materiales como Zafiro, Silicio, y vidrios varios.

Industria médica: articulaciones, coronas dentales…; en materiales cerámicos varios como Zirconia, Alúmina…

Varios: guías anti desgaste, pirometría, boquillas de soldadura, aisladores térmicos…; también en materiales cerámicos.

Se puede observar que todas las aplicaciones tienen en común propiedades de alta dureza, resistencia mecánica al desgaste, baja densidad, resistencia a la abrasión a altas temperatura, capacidades ópticas, etc. Se puede crear geometrías que difícilmente podrían conseguirse con otros procesos de fabricación.

Las ventajas de la tecnología RUM: Reducción de los esfuerzos de corte, de la carga térmica a la pieza y

desgaste de la herramienta. La mezcla de rotación y giro, consigue mayores tasas de arranque que en

los mecanizados tradicionales. Gran acabado superficial que depende del tamaño del gránulo de abrasivo,

siendo menor cuanto más fino sea éste. Ra obtiene unos valores comprendidos habitualmente entre 0.4 y 1.6 µm.

El movimiento ultrasónico junto con el refrigerante interno y externo crea un efecto de auto limpieza en la herramienta haciendo que esta no sufra de embotamiento

Aumenta la vida a fatiga. Se pueden tratar materiales duros y frágiles llevando a cabo pequeñas

operaciones de corte, desde 0.5 mm. Se tienen en cuenta: El tipo de abrasivo para las descripciones de calidad pedidas La herramienta tiene la forma determinada

Corte Abrasivo (WJC)

Es un proceso de índole mecánica, mediante el cual se consigue cortar cualquier material, haciendo impactar sobre éste un chorro de agua a gran velocidad que produce el acabado deseado.

Es un proceso revolucionario que hoy en día es de máxima utilidad y comienza a ser un recurso habitual a la hora de mecanizar piezas, es bastante simple pero a la vez muy complejo. Resulta una herramienta muy versátil y cuya aplicación es extensible a prácticamente todos los trabajos industriales.Al ser un procedimiento de corte en frío resulta especialmente interesante, ya que esta demandado en todas las aplicaciones en las que el material no se pueda ver afectado por el calor. Existen numerosas ventajas que hacen de éste un producto destacado en el mundo industrial, respecto a otros métodos más limitados.

La primera fase del proceso tiene lugar en el momento en que el pedido entra en oficina técnica, se diseña la pieza con el oportuno programa de diseño asistid por ordenador (CAD) mediante el cual se asignan las medidas del objeto, el espesor y el tipo de material a cortar.Una vez diseñada la pieza a mecanizar, se referencia, y esta se vincula con el programa particular de la máquina del corte por chorro de agua.Una vez este ha sido almacenado en la base de datos, el paso siguiente es dirigirse directamente a la máquina, y mediante el ordenador de la propia máquina se busca el archivo guardado, puede ser posible añadirle determinados datos como sean la dureza o características del material, a la vez cabe tener en cuenta el tipo de corte que se desea obtener ya que puede variar desde el más bruto, al más definido, ya que los bordes del corte son limpios y sin imperfecciones. Todo esto dependerá de la utilidad que se le quiera dar a la pieza, la importancia que tenga la misma o el precio que esté dispuesto a pagar el cliente.

Características del proceso. El dispositivo consiste en un chorro de agua a presión, cuyo diámetro de la boquilla oscila entre 0,08 mm a 0,45 mm de diámetro, por el cual, sale una mezcla de agua y abrasivo lanzado a una presión muy elevada, capaz de cortar cualquier tipo de material.Uno de los elementos más importantes es la boquilla por la que sale el chorro, de ella depende la cohesión del chorro que condiciona en gran medida la viabilidad técnica de la aplicación, pues si el chorro es cónico se pierde poder de corte, precisión, calidad y las características de corte en seco.

La velocidad de corte.Es de máxima importancia, y esta dependerá de factores como la presión de la bomba y la capacidad del intensificador, diámetro de la tobera, cantidad y calidad de abrasivo y del espesor de la pieza. En referencia a valores de velocidad encontramos que todo este sistema de aporte de presión permite que el líquido salga por el orificio a una velocidad de 1000 metros por segundo.El motivo de añadirle abrasivo al agua es debido a que un simple chorro de agua no sería capaz de desarrollar cortes como los actuales en los materiales más duros, por ello se le aporta este abrasivo, mezcla de arcillas y vidrios, que dota al sistema de un aumento de posibilidades de corte infinito.

En relación al espesor de la pieza a cortar cabe decir que sirve desde 5 mm, que es cuando empezaría a ser rentable usar este método, hasta espesores de 200 mm en cualquier material, llegando incluso a los 400 mm usando eso sí, aplicaciones especiales. Pero como se ha comentado antes, esto va en función del tipo de material, pudiéndose dar el caso que con un chorro a 4000 bares y con abrasivo, se puede cortar fácilmente corcho de dos metros de espesor.

Este chorro de agua puede cortar todo tipo de materiales, desde metálicos hasta blandos como un pastel, incluso se utiliza para preparación de superficies como

limpiezas de barcos, pintura automovilística o industria aeroespacial. Es un proceso en el cual la generación de partículas contaminantes es mínima, no aporta oxidación superficial y la generación de viruta no es un problema en este caso.

Ventajas:

1. No hay herramienta de corte evitando el desgaste de la misma.2. En la mayoría de los casos la calidad del corte no hace necesario acabados

posteriores3. versatilidad de materiales por cortar4. Proceso sin exfoliación ni desgarros.5. Apta para mecanizar perfiles intrincados.6. Proceso sin aporte de calor.7. Inexistencia de tensiones residuales debido a que el proceso no genera

esfuerzos de corte.8. No genera contaminación ni gases.9. El mecanizado lo puede realizar el mismo ingeniero que ha diseñado la

pieza, ya que no requiere de trabajo manual bruto, simplemente programar la máquina, ubicar la pieza y recogerla una vez terminada.

10.Reutilización de piezas procedentes de otros trabajos, abaratando de esta manera los costes finales.

11.Si se compara con los sistemas de plasma, oxicorte y láser, al ser estos tres con aporte de calor, y el agua no, el corte por agua permite un trabajo sin afectar a ninguna zona del material sobre el cual trabaja.

12.Si se compara únicamente con el láser, el chorro por agua permite cortar espesores mucho mayor.

Desventajas:

1. Corte mucho más lento en comparación del corte por plasma

Corte mediante Chorro de Agua - Abrasivo

Este método trabaja forzando un cierto caudal de agua altamente presurizado a través de un orificio de un diámetro muy pequeño (tobera), formando de esta forma un delgado chorro de altísima velocidad. Este chorro impacta el material con una gran fuerza en un área muy reducida, lo que provoca pequeñas grietas que con la persistencia del impacto del chorro “erosiona” el material, por lo que se habla de “micro-erosión”.

Existen dos sistemas que emplean el principio antes descrito, el que emplea

sólo agua y que es empleado para cortar todo tipo de materiales blandos, como por ejemplo: madera, alimentos, plásticos, etc. Y el otro sistema de similares características pero que sólo difiere en el ingreso de un abrasivo al chorro, para permitir el corte de materiales duros como: aceros, titanio, aleaciones, etc.

Fig. 1. Inyector agua - abrasivo

Algunas de las principales ventajas de este método por sobre los métodos convencionales son: corte frío (no existe calor que pueda afectar al material), es multi direccional (puede cortar en cualquier dirección), perfora la mayoría de los materiales en el corte (sin necesidad de hacerlo previamente), no existe agrietamiento, ambientalmente amistosos (no existen: gases peligrosos, humos, radiaciones UV), ahorro de material por ancho de corte reducido.

Las principales desventajas de este método, radican en que en algunos casos de materiales de grandes espesores y de gran dureza, el tiempo requerido para ser cortado puede ser muy largo y elevar en gran medida sus costos. Además en grandes espesores la forma vertical “ideal” del corte tiende a distorsionarse, incrementado en ocasiones por una incorrecta velocidad de corte.

MÉTODO

Los investigadores de esta materia, se han basado en las leyes fundamentales de la física y la mecánica de los fluidos para interpretar los fenómenos que aquí ocurren. Por ejemplo, el chorro impacta el material con una cierta energía cinética y abandona el material con una energía la cual debe ser menor que la inicial para que se produzca el corte. La diferencia de estas dos energías es la

energía disipada producto del impacto, la fricción, etc., en el corte.

La energía cinética depende directamente de los flujos másicos de agua y abrasivo, así como también de la velocidad del chorro agua-abrasivo que depende de la presión de agua generada por la bomba y de la eficiencia del inyector.

Para que se logre el corte, los investigadores han podido comprobar, que existe una presión límite entre el éxito del corte y el fracaso de éste, que se puede denominar “presión crítica”, la que varía para los diferentes materiales y espesores. Pero también influyen otros parámetros en el éxito del corte como: la cantidad de abrasivo, tipo de éste, cantidad de agua, diámetros de tobera/tubo colector.

Corte de materiales gruesos:Cuando se corta un material de menos de 0,100 pulgadas de grosor, poco se gana utilizando cabezales de corte medianos (50 HP) o grandes (60 a 80 HP). Utilice una combinación de parámetros pequeños (25 HP) y evalúe utilizar varios cabezales para incrementar la producción si es necesario.

Corte a través de brechas de aire:Evite realizar cortes a través de brechas de aire de más de 0,020 pulgadas. El chorro tiende a abrirse en la brecha y cortar la capa inferior en forma despareja. Cuando se realizan cortes en pilas, mantenga unidas las hojas.

Granos abrasivos más pequeños:Los granos abrasivos más pequeños (grano 120 o menor) producen una velocidad levemente inferior pero una superficie levemente más lisa (en comparación con el grano 80 o 50).

La productividad es el costo por pulgada:La productividad es el costo por pulgada, no el costo por hora. Importa muy poco cuánto cuesta hacer funcionar un chorro de agua abrasivo por hora. Lo que importa es cuántas piezas usted obtiene en un período de tiempo determinado. Algunos usuarios cometen el error de intentar reducir el costo de funcionamiento minimizando el caudal de material abrasivo. Incluso aunque el material abrasivo representa las 2/3 partes del costo de funcionamiento del chorro de agua abrasivo, usted debe producir piezas rápidamente para consumir los gastos generales (mano de obra, instalaciones, pago de arrendamiento). Corte tan rápido como sea posible, utilizando todos los caballos de fuerza disponibles y el máximo caudal de material abrasivo.

El controlador reduce y aumenta la presión del agua:Si tiene pensado perforar periódicamente materiales compuestos, vidrio y

piedra, asegúrese de que el sistema tenga la capacidad de que el controlador reduzca y aumente la presión del agua. Asimismo, debería investigar el asistente de vacío u otras técnicas para mejorar la probabilidad de perforar con éxito estos materiales quebradizos o laminados.

Sistemas de control específicamente diseñados para un proceso:Los sistemas de control específicamente diseñados para un proceso generalmente son más eficaces y fáciles de utilizar que los controles multiproceso genéricos.

Automatización de la manipulación de materiales:La mayoría de las máquinas no utilizan automatización de la manipulación de materiales, tales como lanzaderas. Sólo cuando la manipulación de materiales constituye una parte significativa del costo de producción de la pieza se debe tener en cuenta la automatización. 90% de todas las máquinas de chorro de agua abrasivo se cargan y descargan ya sea manualmente o con la ayuda de grúas puente simples, grúas de pluma o carretillas elevadoras.

  Agua común del grifo: Se utiliza agua común del grifo para alimentar los sistemas de chorro de agua. 90% de todos los usuarios de chorros de agua y de chorros de agua abrasivos requieren solamente ablandamiento del agua antes de enviar esa agua a través de los filtros de entrada de agua de la bomba y luego a la intensificadora. La ósmosis inversa (RO: Reverse Osmosis) y los desionizadores tienden a hacer que el agua sea tan pura que se vuelve “escasa de iones”. Esta agua agresiva busca satisfacer su falta de iones captando iones de los materiales circundantes, tales como los metales de la bomba y las tuberías de alta presión. La ósmosis inversa (RO) y la deionización pueden prolongar en gran medida la vida útil del orificio, y al mismo tiempo provocar un daño muy costoso en la intensificadora y las tuberías. Los orificios son bastante baratos. El daño en los cilindros de alta presión, las válvulas de retención y la tapa del extremo pesará más, y por mucho, que las mejoras en la vida útil del orificio.

Lengüetas de corte: Las lengüetas de corte pueden resultar eficaces cuando se cortan materiales de menos de 0,3 pulgadas de grosor. Aunque las lengüetas de corte generalmente garantizan que usted necesitará una operación secundaria de amolado de las lengüetas, su uso permite que la manipulación de materiales se realice más rápidamente: simplemente descargue una hoja de corte con las piezas de corte todavía intactas. Cuanto más duro sea el material, más pequeña debe ser la lengüeta de corte. Consulte al fabricante para obtener sugerencias detalladas.

Corte bajo agua:El corte bajo agua reduce el empañamiento de la superficie o “hazing” (neblina) que se encuentra en el borde superior de un corte realizado por chorro de agua abrasivo. El corte bajo agua también reduce en gran medida el ruido del chorro de agua y el desorden en el lugar de trabajo. El único aspecto negativo es que los operadores no pueden ver el chorro de agua con claridad durante el corte. Si el operador se opone al corte bajo agua, evalúe la posibilidad de utilizar un monitor de rendimiento electrónico. Estos monitores detectan la desviación del desempeño de corte óptimo y detienen el sistema antes de que la pieza se dañe.Distintos tamaños de grano del material abrasivoSi tiene pensado utilizar distintos tamaños de grano del material abrasivo para distintos trabajos, evalúe la posibilidad de agregar una transferencia a granel pequeña (100 libras) o grande (500 a 2 000 libras). Si no tiene una tolva de transferencia a granel para cada tamaño de grano de los que utiliza habitualmente, es posible que se produzcan interrupciones y molestias junto con su producción.

Sistemas Generadores de Presión.

Existen dos sistemas principales para generar la presión necesaria, las bombas de émbolos y el llamado “intensificador de presión”. Las primeras poseen generalmente tres émbolos conectados a un cigüeñal e impulsado por un motor eléctrico. Pueden llegar a generar presiones bajas y medias (hasta 344 Mpa en últimos diseños) sin problemas. La principal ventaja de estas bombas es que es muy eficiente en las presiones mencionadas y su principal desventaja es que sobre estas presiones se torna insegura y produce importante variabilidad en el caudal de entrega.

Bomba de émbolos

El “intensificador de presión” consiste principalmente en un cilindro con diferencia de diámetros y un pistón con igual diferencia. La sección del pistón con mayor diámetro es impulsado por un fluido hidráulico, produciendo una presión mucho mayor sobre el agua debido a la diferencia de diámetros (en una relación sección pistón-aumento de presión de 1:10 a 1:25). Las presiones normales que pueden generar son por sobre los 400Mpa y se ha llegado a los 690Mpa en algunos equipos modernos.Su principal ventaja radica en la alta presión que puede generar y que puede alimentar a varios inyectores simultáneamente, y en contra, su baja eficiencia debido al sistema hidráulico que posee, ya que pierde potencia por el calor que necesita disipar mediante un sistema intercambiador, además de necesitar un acumulador de presión debido a su gran variabilidad de entrega.

Intensificador de presión doble.

Abrasivos empleados

En general los abrasivos que se emplean o que dan buenos resultados en el corte deben poseer ciertas características adecuadas como: buena estructura, una dureza adecuada, un buen comportamiento mecánico y tener un grano de forma y distribución adecuadas. Para cortar materiales, como acero por ejemplo, son adecuados abrasivos con granos duros y de formas afiladas y para materiales como aluminio son preferibles los de granos más blandos y no de gran calidad, lo que lo hace más económico.Los abrasivos más utilizados son: Granate, Oxido de Aluminio, Olivino, Arena Silica, entre otros. Siendo el Granate tipo “Almandino” el que presenta

características más estables y que permite ser empleado sobre gran cantidad de materiales, por lo que es el más popular a nivel mundial.

Introducción del Abrasivo

Una vez que el chorro de agua pasa por la tobera, su velocidad se incrementa de gran manera, entrando luego a una zona de un diámetro bastante mayor o zona de mezcla. Debido a la altísima velocidad con que ingresa a esta zona, se produce un fenómeno llamado “depresión” o “efecto Venturi”, el que es aprovechado para succionar las partículas de abrasivo y agregarlas al chorro.Normalmente la alimentación del abrasivo hacia el inyector se realiza por medio de un pequeño recipiente cercano a este y que a su vez es surtido neumáticamente desde un recipiente de mayor tamaño. También existen otros sistemas, como por ejemplo: el que parte del agua de alta presión es desviada hacia un estanque donde se mezcla con el abrasivo y es conducida al inyector, o bien otro sistema el cual el agua y el abrasivo, previamente mezclados, son impulsados al inyector por una membrana accionada por parte del fluido hidráulico que impulsa al intensificador de presión y conducido al inyector para la descarga.

Ventajas del corte por chorro de agua frente a otros procedimientos de corte

Cada procedimiento de corte requiere en mayor o menor medida un esfuerzo de energía. En este caso, el corte por chorro de agua es uno de los procedimientos más económicos. La energía potencial, que transmite una presión de hasta 6.200 bares al agua, se convierte en energía cinética a través de un orificio de piedra preciosa del tamaño de décimas de milímetro. El agua adquiere una velocidad de chorro de unas 3 veces la velocidad del sonido. Este chorro de energía altamente concentrado representa, como chorro de agua pura o bien como mezcla de agua y abrasivo, la herramienta de este proceso de micro mecanizado

En el corte de metales el chorro de agua compite directamente con procedimientos alternativos de corte como el láser o el plasma. El chorro de agua puede procesar espesores de material más gruesos que el láser y corta con más precisión que el procedimiento de plasma. El corte por chorro de agua es un sistema de corte en frío y por eso resulta especialmente interesante en las aplicaciones en las que el material no puede verse afectado por el calor. En la industria aeroespacial o en la fabricación de vehículos este requerimiento es típico.

No hay deformación de material por calor. No hay incremento de dureza del material a lo largo del canto del corte. No hay modificación metalúrgica del material. No se da ninguna zona de influencia de calor. No se desarrollan humo ni vapores nocivos para la salud.

c

Maquinado Electro químico.

Maquinado electroquímico (ECM) difiere de las técnicas convencionales para cortes de metales en que se utilizan energía eléctrica y química como herramientas en el proceso de corte o mecanizado. Con este proceso se remueve el metal con facilidad, sin que importe su dureza.

La herramienta de corte es un electrodo fijo que tiene la forma de cavidad requerida en la pieza de trabajo; por lo tanto, se pueden producir formas escuadradas o difíciles de cortar. Además, el desgaste de la herramienta es insignificante porque nunca toca la pieza de trabajo. El maquinado electromecánico es adecuado para producir agujeros redondos pasantes, cuadrados pasantes, ciegos redondos o cuadrados, cavidades sencillas con lados rectos y paralelos y para operaciones de cepillo. Su utilidad es mucho mayor en metales cuya dureza es mayor de 42 rockwell C (400 Brinell). Con este proceso es difícil mantener aristas agudas, secciones inferiores planas o curvaturas exactas debido al ligero exceso de corte que produce. Una ventaja importante del ECM es que no se deforman las superficies y cantos de las piezas de trabajo y quedan libres de rebatas (El electrodo (“herramienta) nunca hace contacto con la pieza de trabajo).

Funcionamiento.

Para conseguir la remoción de metal, se hace avanzar el electrodo hacia el trabajo a una velocidad igual a la velocidad de remoción del metal de trabajo. 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 (26.1)V = volumen de metal removido, mm3 (in3).C = constante llamada la velocidades remoción específica, que depende del peso atómico, la valencia y la densidad del material de trabajo, mm3/amp-s (in3/amp-min).I = corriente, amps; y t = tiempo, s (min).Con base en la ley de Ohm, la corriente I = E/R, donde E = voltaje y R = resistencia. Bajo las condiciones de la operación de ECM, la resistencia está dada por:

R=grA

g = separación entre el electrodo y el trabajo, mm (in).r = resistividad del electrolito, ohm-mm (ohm-in).A = área de superficie entre el trabajo y la herramienta en la separación frontal del trabajo, mm2 (in2). Al sustituir esta expresión para R en la ley de Ohm, se obtiene:

I= EAgr

Al sustituir la expresión anterior en la ecuación que define la ley de Faraday,

V=C (EAt )gr

(1)

Resulta conveniente convertir esta ecuación a una expresión para velocidad de avance, que es la velocidad a la cual el electrodo (la herramienta) puede avanzar hacia el trabajo.Esta conversión puede conseguirse en dos pasos. Primero, se divide la ecuación (1) por At (área × tiempo) para convertir el volumen de metal removido a una velocidad de desplazamiento lineal:

VAt

=fr=CEgr

(2)

Fr. = velocidad de avance, en mm/s (in/min).

Segundo, se sustituye I/A en lugar de E/ (gr), como se da en la ecuación (2). Por lo tanto, la velocidad de avance en el ECM es:

fr=CIA

A = área frontal del electrodo, mm2 (in2).

Ésta es el área proyectada de la herramienta en la dirección del avance hacia el trabajo. Los valores de la velocidad de remoción específica C se presentan en la tabla 26.1 para diferentes materiales de trabajo. Debe observarse que esta ecuación supone una eficiencia de 100% en la remoción de metal. La eficiencia real está entre 90 y 100% y depende de la forma de la herramienta, el voltaje y la densidad de corriente, así como de otros factores.

Las ecuaciones anteriores indican que los parámetros de proceso más importantes para determinar la velocidad de remoción de metal y la velocidad de avance en el maquinado electroquímico son: la distancia de separación g, la resistividad electrolítica r, la corriente r y el área frontal de electrodos A. La distancia de separación necesita controlarse con mucha atención. Si g se hace demasiado grande, el proceso electroquímico se vuelve lento. Sin embargo, si el electrodo toca el trabajo, ocurre un cortocircuito que detiene todo el proceso. Como una cuestión práctica, la distancia de separación por lo general se mantiene dentro de un rango de 0.075 a 0.75 mm (0.003 a 0.030 in).

El agua se utiliza como base para el material electrolítico en el ECM. Para reducir la resistividad del material electrolítico se añaden sales a la solución, tales como NaCl o NaNO3. 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 medios. Las partículas separadas forman una gruesa capa cuya disposición es un problema ambiental asociado con el ECM.

Para realizar un ECM, se requieren grandes cantidades de potencia eléctrica. Como indican las ecuaciones, la potencia eléctrica determina la velocidad de remoción de metal, específicamente la densidad de corriente que se proporciona para la operación. El voltaje en un ECM se conserva relativamente bajo para minimizar la generación de arcos a través de la separación.

Remoción Electroquímica de Viruta.

Es una adaptación del ECM diseñada para retirar las virutas o para redondear las esquinas agudas de piezas de trabajo metálico mediante disolución anódica. En la figura 26.6 se muestra una disposición posible para la ECD. El orificio en la pieza de trabajo tiene una rebaba o viruta filosa del tipo que se produce en una operación de taladrado convencional a través 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.

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 en el ECG. Los electrólitos fluyen por la separación entre los granos para cumplir su función en la electrólisis. 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, sobre todo en forma de películas salinas que se producen en la superficie de trabajo durante las reacciones electroquímicas.

Ventajas:

Poco daño en superficial en la pieza de trabajo. No hay rebabas. Bajo desgaste en la herramienta. Velocidades de remoción de material relativamente altas para metales

duros y difíciles de maquinar.

Desventajas:

Costo significativo en el consumo de energía eléctrica necesaria para ejecutar la operación.

Problemas de disposición de la masa electrolítica del proceso.

Proceso de maquinado químico.

El maquinado químico (CHM, por sus siglas en inglés) es un proceso no tradicional en el que ocurre una remoción de materiales mediante el contacto con sustancias de acción química fuerte, soluciones acidas para aceros y soluciones alcalinas para aluminio. Las profundidades de corte en el maquinado químico tienen hasta 0.5 pulg (12.5 mm), la constante de proporcionalidad Para el material se llama factor de ataque químico, y se define como

F e=ud

u= excedente de corte en pulg. (Mm)d= profundidad de corte

En este mecanizado se incluyen el fresado químico, el preformado químico, el grabado químico y el maquinado fotoquímica (PCM). Todos emplean el mismo mecanismo de remoción de material y es conveniente analizar las características generales del maquinado químico antes de definir los procesos individuales.

El proceso de maquinado químico consta de varios pasos. Las diferencias en las aplicaciones y las formas en que se realizan las etapas establecen las diferentes formas del CHM. Los pasos son:

1. Limpieza. El primer paso es una operación de limpieza para asegurar que el material se remueva en forma uniforme de las superficies que se van a atacar.

2. Enmascarado. Un recubrimiento protector se aplica a ciertas zonas de la pieza. Este protector está hecho de material químicamente resistente al material de ataque químico (el término resistir se usa para el material protector). Por lo tanto, sólo se aplica a aquellas porciones de la superficie de trabajo que no se van a atacar.

3. Ataque químico. Éste es el paso de remoción de material. La pieza de trabajo se sumerge en un material de ataque químico que afecta aquellas porciones de la superficie de la pieza que no están protegidas. En el método normal de ataque, el material de trabajo (por ejemplo, un metal) 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 parte del material de ataque químico y se enjuaga para detener el proceso.

4. Desenmascarado. El protector se retira de la pieza.Los materiales protectores incluyen el neopreno, el cloruro de polivinilo, el polietileno y otros polímeros. La protección se consigue por alguno de estos tres métodos: 1) corte y desprendimiento, 2) resistencia fotográfica y 3) resistencia de pantalla. El método de corte y desprendimiento implica la aplicación del protector sobre toda la pieza, ya sea por inmersión, recubrimiento o rocío. El grosor del protector resultante es de 0.025 a 0.125 mm (0.001 a 0.005 in). Después de que el protector endurece, se corta mediante una navaja para marcar y se desprende de las áreas de la superficie de trabajo que se van a atacar. La operación de corte del protector se realiza a mano, generalmente guiando la navaja con una plantilla. El método de corte y desprendimiento se usa para la manufactura de piezas de trabajo grandes, cantidades de producción bajas y donde la precisión no es 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.

Como su nombre lo indica, el método de resistencia fotográfica (que se abrevia como fotorresistencia) usa técnicas fotográficas para realizar el paso de enmascarado. Los materiales enmascarados contienen químicos fotosensibles. Éstos se aplican a la superficie de trabajo y la pieza recubierta se expone a la luz a través de una imagen en negativo de las áreas que se van a atacar. Después, estas áreas protegidas se retiran de la superficie mediante técnicas de revelado fotográfico. Dicho procedimiento deja con material protector la superficie deseada de la pieza y sin protección las áreas restantes que son vulnerables al ataque químico. Por lo general, las técnicas de enmascarado foto resistente se aplican donde se producen piezas pequeñas en grandes cantidades y se requieren tolerancias estrechas. Esta técnica se aplica para tolerancias más estrechas que ±0.0125 mm (±0.0005 in).

En la técnica resistencia de pantalla se aplica el protector mediante métodos de serigrafía. En estos métodos, 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. Así, el protector recubre las áreas de trabajo que no se van a atacar. En general, el método resistencia de pantalla 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. Con este método de enmascarado 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 deseadas, así como los requerimientos de acabado superficial. El material de ataque químico también debe combinarse con un protector que asegure que dicho agente no afecte al protector.

En la siguiente tabla se observa diferentes materiales y materiales de ataque químico respectivos.

Fresado químico.

El fresado químico fue el primer proceso de CHM que se comercializó. Durante la Segunda Guerra Mundial, una compañía de aeronaves en Estados Unidos empezó a usar dicho proceso para remover el metal de algunos componentes de las aeronaves. En la actualidad, el fresado químico todavía se utiliza ampliamente en la industria aeronáutica para retirar material de paneles de las alas y el fuselaje, con el propósito de reducir el peso. El método es aplicable a piezas grandes, de las cuales se retiran cantidades sustanciales de metal durante el proceso. Se emplea el método de corte y desprendimiento del protector. Por lo general se usa una plantilla, que toma en cuenta el socavado que se producirá durante el ataque químico.

Preformado químico.

El preformado químico usa la erosión química para cortar piezas de láminas metálicas muy delgadas, con un espesor de hasta 0.025 mm (0.001 in), o para patrones de corte complicados. En ambos ejemplos, 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. El preformado químico produce piezas sin rebabas y aventaja a otras operaciones convencionales de corte.Los métodos que se usan para aplicar el protector en el preformado químico son la fotorresistencia o la resistencia de pantalla. Para patrones de cortes pequeños o complicados, así como para tolerancias estrechas, se usa el método de fotorresistencia; de lo contrario, se usa el método de resistencia de pantalla. Cuando el tamaño de la pieza de trabajo es pequeño, el preformado químico excluye el método de corte y desprendimiento del protector.

Grabado químico.

El grabado químico es un proceso de maquinado químico para hacer placas con nombres y otros paneles planos que tienen letras o dibujos en un lado. De otra forma, estas placas y paneles se harían usando una máquina convencional de grabado o un proceso similar. El grabado químico se usa para hacer paneles con las letras bajo relieve o alto relieve, con sólo invertir las partes del enmascarado a las que se va a aplicar el ataque químico. El enmascarado se hace mediante el método de fotorresistencia o por medio de la resistencia de pantalla. La sucesión de pasos para el grabado químico es similar a la de otros procesos de CHM, excepto porque después del ataque con material químico se hace una operación de rellenado.

Maquinado fotoquímico.

En el maquinado fotoquímico (PCM, por sus siglas en inglés), se usa el método de fotorresistencia para enmascarar. Por lo tanto, el término se aplica correctamente al preformado químico y al grabado químico cuando estos métodos usan el método de resistencia fotográfica. 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 ampliamente en la industria de la electrónica para producir diseños de circuitos complicados sobre tarjetas de semiconductores.

Maquinado por Descarga Eléctrica (EDM).

Es un proceso de erosión1 térmica en el cual el metal es removido por una serie de descargas eléctricas recurrentes entre una herramienta actuando como electrodo y una pieza de trabajo conductora, en la presencia de un fluido dieléctrico (Stanford University, 2003).

Las descargas se presentan en los lugares donde las superficies de la herramienta y de trabajo están más próximas. La acción del alto voltaje entre las terminales produce la ionización del dieléctrico y la subsecuente descarga. La fuente de poder se encarga de enviar pulsos de corriente a frecuencias entre 200 y 500.000 Hz y luego de cada pulso una minúscula cantidad de material es removido. La temperatura alcanzada es de aproximadamente 11000 °C.

1 Desgaste de la superficie.

Variables y parámetros del proceso

Dieléctrico:

El dieléctrico debe ser un fluido capaz de aislar evitar el corto circuito entre la pieza de trabajo y la herramienta, pero a la vez debe poder ionizarse para que se produzcan las descargas, así mismo debe ser resistente a las altas temperaturas para mantener continuidad.

Las funciones del dieléctrico incluyen la remoción de las partículas metálicas desprendidas, y el control de la temperatura del proceso. Dos sustancias que cumplen las características son el keroseno y el agua de ionizada.

Material del electrodo:

Las características buscadas en un electrodo y sus razones son:

Alta conductividad eléctrica: los electrones se emiten más fácilmente a bajas temperaturas, evitando el recalentamiento de la herramienta.

Alta conductividad térmica: Así el electrodo disipa rápidamente el calor de la punta hacia otras regiones. Y a una misma carga térmica la temperatura local se eleva menos.

Alta densidad: Bajo una misma carga térmica y tasa másica de desgaste la tasa de desgaste volumétrica es inferior y las tolerancias se mantienen estables por más tiempo.

Punto de fusión elevado: Se tiene menos pérdida de materia por fusión en la herramienta.

Bajo costo.

Los materiales de electrodos más utilizados en la industria son:

Grafito. Cobre electrolítico libre de oxígeno. 99% Cobre – 0.5% Telurio. Latón.

Onda de corriente.

• Voltaje de circuito abierto - Vo• Voltaje de trabajo- Vw• Corriente maxima - Io• Tiempo de alta – ton• Tiempo de baja - toff• Distancia entre la pieza y la herramienta - δ• La polaridad (-ve) • El medio dieléctrico. • Remoción de “viruta”

Figura 2. Forma de la onda eléctrica básica utilizada (Stanford University, 2003).

Velocidad de avance.

En la electroerosión, los valores de dureza y resistencia de los materiales no son determinantes en el proceso, en cambio, el punto los puntos de fusión de la herramienta y de la pieza determinan la tasa de remoción de material posible

Socavado y Acabado Superficial.

A partir de las variables ajustadas

Modelado físico de la electroerosión2.

Se considera que la remoción de material es producida por una fuente de calor casi puntual. La forma de esta remoción es semiesférica y se produce en un tiempo corto, conduciendo al derretimiento y evaporación del material.

2 Es un modelo pedagógico, las relaciones lineales no se representan en la realidad, pero el modelo captura la esencia de las relaciones.

Figura 3. Representación esquemática de la formación del cráter (IIT Kharagpur,2011).

Al considerarse semiesférica, el volumen sustraído es:

Considerando que la energía aportada es:

Debido a la disipación de energía en el calentamiento del dieléctrico y la ionización de éste, se considera que la energía calórica aportada es una fracción:

Se puede afirmar que el material removido es proporcional, de alguna manera, a la energía aportada.

Al introducir el tiempo, se tiene que la tasa de remoción de material (MRR) es:

Las relaciones anteriores no modelan fidedignamente el proceso, pero, a partir de ella se puede concluir que la TRM:

Aumenta con el aumento del voltaje y la corriente. Aumenta a mayor tiempo de alta. Disminuye con el aumento del tiempo de baja.

Funcionamiento básico del equipo.

Reservorio de dieléctrico, bomba y Sistema de recirculación.Fuente de poder y unidad de control.Tanque de trabajo y dispositivo.Tabla X-YServo-sistema de alimentación.

Geometrías varias en EDM

El funcionamiento EDM puede ser aplicado a diferentes naturalezas mecánicas del electrodo, para conseguir formas de mecanizar de geometría variada

EDM con cable de corte.

En este caso el electrodo es un alambre de metal3. El funcionamiento es similar a una sierra de cinta: el alambre posee una estable y la pieza de trabajo se hace mover para generar el corte. La ranura que se forma es un poco más ancha (en cerca de 25 ¡lm) que el alambre.

bobina de suministro bajo tensión controlada (cerca de 60% de su resistencia a la tensión rapidez de entre 2.5 y 150 mm/s. expulsión del material, utilizar densidades de corriente más elevadas alambre de latón se recubre con Zn, el cual hierve antes que el núcleo pierda su resistencia. Así, es factible.

3latón, cobre, tungsteno o molibdeno de 0.08 a 0.3 mm de diámetro

El electrolito es aceite o agua con aditivos; el crecimiento de bacterias se evita por medio de un tratamiento con ozono, puesto que los bactericidas destruyen las propiedades dieléctricas. Uno o más cortes superficiales menos profundos (usualmente de 0.04 mm) se pueden realizar con corriente ca de alta frecuencia para remover la superficie dañada. El control de ejes múltiples hace posible cortar formas 3-D, por ejemplo, matrices para extrusión con entrada ahusada. Los controles CNC con retroalimentación se utilizan para monitorear las condiciones del entrehierro, ajustar las velocidades de corte, y para volver a enhebrar en caso de fractura del alambre. Muchas piezas tienen agujeros para los que se debe hacer un agujero piloto por medio de algún proceso; luego el alambre se enhebra y el desperdicio se retira manual o automáticamente. Pueden cortarse esquinas muy agudas y la calidad del corte es adecuada para muchas matrices de trabajo de lámina de metal y otras aplicaciones, incluyendo matrices de We. Se han cortado espesores de hasta 400 mm de esta forma (Schey, 2000).

Taladrado por EDM.

Se usa alambre de tungsteno como electrodo en conjunto con un dieléctrico acuoso para hacer agujeros de diámetro pequeño (entre 0.05 y 1 mm) y grandes profundidades, como agujeros de enfriamiento en álabes de turbinas fabricadas de súper aleaciones. Al bombear el electrolito a través de un electrodo giratorio se eleva la tasa de remoción, pero a costa de las tolerancias.

Maquinado por Haz de Electrones (EBM)4.

Esta metodología de manufactura usa un haz de electrones enfocado en la pieza de trabajo, para así conseguir la fusión y vaporización de material. Un sistema ánodo cátodo acelera electrones a velocidades de 75% la velocidad de la luz, esto, con la ayuda de filtros magnéticos, produce un haz de electrones concentrados5 de alta energía, capaz de generar gran cantidad de calor al chocar con la superficie de trabajo.

4 Electron Beam Machining.5 0.025 mm de diametric.

Mecanizado por Rayo láser (LBM).

El uso de la tecnología láser en el mecanizado de materiales ha sido estudiado

durante la última década y se presenta, a día de hoy, como una tecnología

ampliamente insertada en el mundo industrial.

El mecanizado con láser es un proceso especial o proceso no convencional de

mecanizado de índole térmica, que no genera viruta, en el que la eliminación del

material se provoca por la fusión y vaporización del mismo al concentrar en zonas

localizadas elevadas temperaturas.

'LASER' son las siglas del inglés 'Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation', lo que en castellano significa Amplificación de luz mediante emisión

estimulada de radiación. El mecanizado con láser, comparado con los procesos

convencionales de arranque de viruta, presenta una mejor precisión y acabado

superficial (rugosidad), siempre y cuando no lo comparemos con los procesos de

super acabado.

Otros aspectos importantes son que se pueden obtener determinadas formas

complejas no obtenibles por procesos convencionales, y que se pueden mecanizar

materiales muy duros.

Característica del proceso

La tecnología del mecanizado con láser se basa en la generación de un haz láser

de elevada potencia que es dirigido hasta a la pieza a mecanizar mediante un

sistema de espejos de reflexión de alta precisión y una lente de enfoque

convergente. En la zona de incidencia del rayo se consigue una elevada densidad

de energía térmica concentrada que produce la volatilización del material.

La tasa de eliminación del material no es masiva, y se produce una zona afectada

por el calor que puede alterar la estructura cristalina, perjudicando así las

propiedades resistentes del material. Una de las ventajas que aporta este proceso

es la de poder mecanizar micro orificios con relaciones de profundidad-diámetro

de 20:1 a 10:1, siendo el diámetro mínimo alcanzable de unos 0,1 milímetros.

Otra característica de esta tecnología es que al ser una fuente de energía la que

incide sobre el material a mecanizar, no se producen desgastes, roturas ni

colisiones de la herramienta de corte.

Es fundamental para la mecanización por láser la absorción de la radiación del

láser en el material de base o en una capa de recubrimiento. La absorción

depende de la longitud de onda, del tipo de láser y del material.

La importancia del software de control en esta tecnología es básica, ya que se

puede controlar desde los parámetros del haz de luz como velocidad y frecuencia,

hasta los movimientos del mismo cabezal o pieza (según que desplacemos),

mediante el control numérico (CNC).

Proceso de mecanizado

El láser refuerza la luz mediante absorción e irradiación de energía. Se dirige

energía a una barra de cristal (cuerpo del láser) o a una mezcla de gas especial

(gas del láser). Esta energía se produce a través de la luz (lámparas de rayos

o diodo láser), o mediante una descarga eléctrica.

De esta forma, la barra de cristal o el gas, anteriormente activado por el láser, son

dirigidos entre dos espejos, produciendo un resonador de luz. Este fenómeno

proporciona al haz láser una dirección determinada. Una proporción de la luz del

láser pasa por un espejo parcialmente traslúcido y se queda a disposición de la

mecanización del material. El haz láser erosiona el material en varias capas,

obteniendo de este modo, la geometría y profundidad requeridas.

La alta densidad de energía y la alta temperatura del rayo en el punto de enfoque

o punto focal, permiten que se produzca la eliminación, haciendo que el material

se fusione y se vaporice, siendo casi siempre necesaria la protección de la zona

de mecanizado con un gas inerte de aporte.

Equipo necesario

Esquema de un equipo de mecanización láser.

Obviamente, es necesario un equipo de rayos láser, dotado de una fuente de

alimentación y de un sistema de refrigeración.

Los láseres empleados habitualmente son el deCO2, entre los gaseosos (gas

láser), y el láser Nd-YAG (láser de neodimio con un cristal de granate

(mineral) de ytrio y aluminio de cuerpo fijo bombeado por diodos), entre los de

estado sólido. Éstos permiten una potencia media de láser de 100 vatios, siendo

los picos de potencia de 20 kilovatios.

También es necesario acompañar el mecanizado mediante haz láser con un flujo

de gas que elimina el material sobrante y protege las lentes focalizadoras.

Normalmente este gas suele ser aire, para materiales no metálicos, ya que no

existe peligro de oxidación. Para materiales metálicos se suelen emplear gases

inertes como por ejemplo el argón.

El mecanizado con láser se emplea para mecanizar cualquier tipo de material

independientemente de su dureza o maquinabilidad, como por ejemplo: metales

duros y blandos, aleaciones termorresistentes, cerámicas, silicio, composite,

cueros, cartón, tejidos, madera, plásticos, etc…

Algunos materiales absorben la radiación del haz excepcionalmente bien, pero

otros mucho peor.

El aluminio o el latón sin recubrimiento tienen un grado de absorción débil. En

estos casos es necesario por lo tanto un potente sistema láser.

También es muy habitual utilizar este proceso para el mecanizado de materiales

compuestos de matriz polimérica.

Ventajas

Este mecanizado es rápido y productivo.

Las cortaduras por láser son de aplicación flexible. Los trabajos grandes de corte se pueden realizar de forma fácil y rentable, como producciones en masa.

Son adecuadas para el corte con láser tanto piezas muy pequeñas como objetos de grandes dimensiones.

El mecanizado por láser es muy seguro, el material no necesita ser fijado ni enderezado. Los usuarios no entran nunca en contacto con piezas móviles o abiertas de máquinas.

El corte por láser es especialmente sencillo, los principiantes en este proceso pueden conseguir un corte perfecto.

Esta técnica es muy limpia, con ella se consiguen rebordes agudos sin deshilachamientos.

En el mecanizado por láser no hay contacto entre herramienta y pieza, así se evita que se produzcan fallos, roturas y desgastes.

Con este proceso se pueden obtener paredes verticales y acabados de esquinas vivas.

MECANIZADO POR CORTE DE PLASMA

El sistema de corte de plasma es una tecnología desarrollada en 1954 para cortar acero y otros metales utilizando una antorcha de plasma.

Esta tecnología es útil para cortar cualquier material metálico conductor, especialmente acero estructural, acero inoxidable y metales no férricos que el oxicorte no puede trabajar. Puede cortar aluminio, acero inoxidable, cobre, latón y cualquier metal conductor.

El plasma es un estado de la materia compuesta de átomos ionizados y electrones libres interactuando entre sí con una altísima conducción electromagnética y una

alta densidad de energía, normalmente sostenida por temperaturas elevadas mayores a 30 mil °C.

El concepto de un corte de plasma consiste en la aplicación de calor para elevar la temperatura del material a cortar de una forma focalizada por encima de los 30,000 °C, provocando que el gas utilizado se ionice convirtiéndolo en plasma con conducción electromagnética.

Esto se logra formando un arco eléctrico extremadamente pequeño con una gran cantidad de energía concentrada que será ionizado, en la sección de la boquilla del soplete, produciendo un calor altamente compacto en la zona del corte.

Los cortadores de plasma envían gas presurizado como nitrógeno, argón u oxígeno a través de un canal muy pequeño.

En el centro de este canal, se encuentra un electrodo cargado negativamente. Al aplicar electricidad al electrodo negativo y tocar la punta del metal, la conexión crea un circuito. Una chispa poderosa se genera entre el electrodo y el metal.

El gas  inerte que pasará por este arco eléctrico a altas velocidades, se ionizará conformándose un plasma muy caliente que fluirá directamente a 6 km/segundo con más de 16000 °C

En el plasma, la energía comienza a descomponer las moléculas de gas y los átomos comienzan a separarse de sus electrones, los cuáles se mueven rápidamente y provocando la colisión con otros electrones e iones, liberando vastas cantidades de energía.

Cuando el plasma entra en contacto con la superficie a cortar la penetrará, fundirá y expulsará el material desprendido.

El plasma conduce electricidad. El ciclo de creación del arco es continuo siempre y cuando haya energía en el electrodo y el plasma se mantenga en contacto con el material que se corta para establecer un circuito eléctrico.

Para asegurar el contacto, proteger el corte de la oxidación y regular la naturaleza del plasma, la boquilla del cortador tiene canales secundarios que liberan un flujo constante de gas protector alrededor del área de corte a presiones que controlan el radio del plasma.

La calidad del plasma producido está en función de la densidad (presión), la temperatura y la potencia de la antorcha.

El plasma corta con eficiencia materiales delgados (de 0.5 milímetros) y gruesos (de hasta  160 milímetros ó 6 pulgadas), pero si la pieza es muy pequeña, ésta se deformará debido a las elevadas temperaturas.

El sistema del corte con plasma está compuesto por:

un generador de alta frecuencia alimentado por energía eléctrica, gas para generar la llama de calentamiento que se ionizará (argón,

hidrógeno, aire o nitrógeno), aunque generalmente se utiliza el nitrógeno. un electrodo, un porta electrodo (tungsteno, hafnio, circonio dependiendo del gas) la pieza a mecanizar.

Las variables en el proceso serán los “gases empleados”, el “caudal y la presión de los gases”, las distintas boquillas, la velocidad del corte y la intensidad del arco.

Existen dos tipos de antorchas de corriente directa: las “transferidas” (un electrodo está fuera, usualmente el material a trabajar, permitiendo la formación del arco a una mayor distancia) y las “no-transferidas” (donde los electrodos están dentro del cuerpo de la antorcha creando el arco ahí, pudiendo existir hasta 50% de eficiencia por pérdidas de transferencia de energía eléctrica a térmica).

La temperatura aumenta significativamente al aumentar la velocidad del flujo del gas y reduciendo al máximo la boquilla.

El corte con plasma emite radiación ultravioleta por lo que se requiere protección para los ojos, un vestuario y una ventilación adecuados y evitar la presencia de materiales inflamables en los alrededores.

El corte de plasma tiene una mayor velocidad de corte en espesores más comunes que son menores a 25 milímetros (menos de 1 pulgada) con hasta 70 centímetros por minuto con cortes suaves y menor escoria que el oxicorte.

Conclusión

Finalizamos este trabajo resaltando la importancia de los mecanizados modernos y de su gran aplicabilidad en todos los materiales pese al costo de las maquinas, se ve ampliamente recompensada la inversión por el acabado final y el mayor rendimiento de material al momento de hacer el corte del mismo

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Escola Técnica Superior d´Enginyeria Industrial de Barcelona. Universidad

Politécnica de Cataluña.