Proceso Corte Termico (Autoguardado)
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Contenido CORTE TÉRMICO.................................................... 3 PROCESO DE OXICORTE.............................................3 PRINCIPIOS BÁSICOS..............................................4 CARACTERÍSTICAS GENERALES.......................................6 BOQUILLAS DE CORTE..............................................8 BOTELLAS DE GASES..............................................10 PARÁMETROS DEL PROCESO. LA LLAMA DE PRECALENTAMIENTO...........10 MÁQUINAS DE OXICORTE...........................................13 CORTE POR PLASMA................................................ 13 FUNDAMENTOS FÍSICO-QUÍMICOS....................................14 FUNDAMENTOS FÍSICO-QUÍMICOS....................................15 PROCESO DE MECANIZADO CON PLASMA...............................15 CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO....................................17 EQUIPO NECESARIO...............................................17 VARIABLES DEL PROCESO..........................................18 GAS-PLASMA.....................................................19 ARCO ELÉCTRICO.................................................19 CORTE CON LÁSER................................................. 23 La Calidad del Corte...........................................25 CRITERIOS MEDIBLES:............................................25 CRITERIOS ÓPTICOS:.............................................26 PROCESOS NO TRADICIONALES.......................................27 PROCESOS DE MANUFACTURA........................................27 CORTES CON CHORRO DE AGUA......................................28 DISTANCIA DE SEPARACIÓN........................................29 VELOCIDAD DE AVANCE............................................30 APLICACIONES...................................................30 1
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ContenidoCORTE TÉRMICO............................................................................................................................3
PROCESO DE OXICORTE..........................................................................................................3
PRINCIPIOS BÁSICOS................................................................................................................4
CARACTERÍSTICAS GENERALES............................................................................................6
BOQUILLAS DE CORTE.............................................................................................................8
BOTELLAS DE GASES..............................................................................................................10
PARÁMETROS DEL PROCESO. LA LLAMA DE PRECALENTAMIENTO.........................10
MÁQUINAS DE OXICORTE.....................................................................................................13
CORTE POR PLASMA...................................................................................................................13
FUNDAMENTOS FÍSICO-QUÍMICOS.....................................................................................14
FUNDAMENTOS FÍSICO-QUÍMICOS.....................................................................................15
PROCESO DE MECANIZADO CON PLASMA........................................................................15
CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO......................................................................................17
EQUIPO NECESARIO................................................................................................................17
VARIABLES DEL PROCESO....................................................................................................18
GAS-PLASMA............................................................................................................................19
ARCO ELÉCTRICO....................................................................................................................19
CORTE CON LÁSER......................................................................................................................23
La Calidad del Corte....................................................................................................................25
CRITERIOS MEDIBLES:...........................................................................................................25
CRITERIOS ÓPTICOS:...............................................................................................................26
PROCESOS NO TRADICIONALES........................................................................................................27
PROCESOS DE MANUFACTURA....................................................................................................27
CORTES CON CHORRO DE AGUA..................................................................................................28
DISTANCIA DE SEPARACIÓN.........................................................................................................29
VELOCIDAD DE AVANCE...............................................................................................................30
APLICACIONES..............................................................................................................................30
NO CONVENCIONALES.................................................................................................................31
ESMERILADO ELECTROLÍTICO.......................................................................................................33
PROCESO DE ESMERILADO ELECTROLÍTICO..................................................................................33
1
VENTAJAS DEL ESMERILADO ELECTROLÍTICO...............................................................................34
MAQUINADO POR ELECTRODESCARGA.......................................................................................35
PRINCIPIOS DEL EDM................................................................................................................35
VENTAJAS DEL PROCESO EDM..................................................................................................37
MAQUINADO ELECTROQUIMICO.................................................................................................38
EL PROCESO..............................................................................................................................38
VENTAJAS DEL ECM..................................................................................................................41
EL MECANIZADO POR ULTRASONIDOS ROTATORIO Y EL MECANIZADO MIXTO FRESADO/LÁSER.....................................................................................................................................................42
MECANIZADO MIXTO FRESADO/LÁSER: TECNOLOGÍA QUE POSIBILITA NUEVOS RETOS.............48
MAQUINADO HIDRODINÁMICO...................................................................................................51
MAQUINADOS CON CHORRO ABRASIVO.....................................................................................53
2
INTRODUCCIÓN
El corte de metales puede realizarse de tres modos:
Con herramientas (corte mecánico-físico).
Corte térmico (oxicorte-combustión, plasma-fusión).
Corte abrasivo (chorro de agua).
El oxicorte consiste en separar o dividir un metal mediante la combustión del mismo en
presencia de oxígeno. El oxicorte es un proceso de corte térmico, junto con el corte láser o
el plasma.
Mientras que en el láser y el plasma la fuente de calor es de tipo eléctrico, en el oxicorte es
de tipo químico. El calor se trasmite desde la llama hacia la pieza por convección y
3
radiación. La herramienta se sitúa en dirección perpendicular a la superficie de la chapa, el
chorro incide en esta dirección y corta la chapa.
La mayoría de los procesos tradicionales de maquinado quitan material formando virutas, o
lo hacen por abrasión. No obstante, existen numerosos casos en que estosprocesos no son
satisfactorios o simplemente no son posibles por alguna de las siguientes razones:
El material tiene dureza o resistencia muy elevada, o el mismo es demasiado frágil
La pieza es demasiado flexible o resulta difícil sujetar las partes
La forma de la pieza es compleja
El acabado superficial y la tolerancia dimensional son muy rigurosos.
CORTE TÉRMICO
PROCESO DE OXICORTEEl proceso de oxicorte no consiste en una fusión del metal, sino que el corte se produce por
combustión. Al cortar, se está quemando el metal a medida que se avanza con el soplete.
Algunos aspectos a tener en cuenta son:
Es requisito que la temperatura de ignición esté por debajo de la temperatura de
fusión.
Capas de óxido en el metal puede tener temperatura de fusión menor a la del metal a
cortar dificultando el proceso de corte.
La conductividad térmica del metal no debe ser demasiado elevada.
La presencia de aleante se hace crítica, ya que merman la capacidad del acero a ser
quemado.
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El corte se produce por el flujo del chorro de O2 a presión que quema el metal y
retira la escoria liquida formada.
Las condiciones de oxicorte solo las cumplen el hierro, el acero al carbono y el
acero de baja aleación ( Estrems Amestoy, 2007).
PRINCIPIOS BÁSICOSEn una reacción de combustión son necesarios tres elementos: el combustible (a su
temperatura de ignición), el comburente (en una mínima proporción), y un agente iniciador.
En oxicorte, el combustible es el Fe, el comburente el O2 y el agente iniciador la llama del
soplete. En condiciones normales, aunque apliquemos un agente iniciador a una pieza de
acero, ésta no arde espontáneamente; el Fe contenido no está a su temperatura de ignición
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Figura 1: máquina de oxicorte
(aproximadamente 870°C) y el O2 atmosférico no es lo suficientemente puro (se necesita
un 99.5% de O2 para quemar el Fe).
Así, el soplete tiene tres funciones: precalentar el Fe contenido en el acero a su temperatura
de ignición, aportar una atmósfera envolvente con una proporción adecuada de O2 y
generar el agente iniciador.
Se pueden realizar con distintos gases e hidrocarburos, los más usados en la industria son
las mezclas oxígeno-acetileno u oxígeno-hidrógeno. También es común el uso de la mezcla
oxígeno-propano en las industrias españolas.
El acetileno e hidrógeno se denominan combustibles, son los responsables de producir la
llama de precalentamiento junto al oxígeno. A este último se le denomina comburente, y
debe ser siempre el oxígeno que permite la oxidación del metal.
Las boquillas de oxicorte presentan dos salidas:
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Figura 2: Llama de precalentamiento
Un orificio central por el que sale oxígeno de alta pureza a una determinada presión
(Oxígeno de Corte).
Un orificio circular, concéntrico al anterior, por el que sale la mezcla de oxígeno y
acetileno que producen la llama de precalentamiento.
La llama de precalentamiento (con el ajuste adecuado de la presión y caudal de los gases)
tiene como finalidad el elevar la temperatura de la pieza (en un punto localizado) hasta
alcanzar su temperatura de ignición.
El metal se torna en un color naranja brillante y pueden verse algunas chispas saltar de la
superficie. Posteriormente, se activa el aporte extra de oxígeno a presión por la boquilla
central (Oxígeno de Corte), consiguiendo dos efectos: la oxidación del metal y la retirada
del material fundido y oxidado fuera de la pieza.
Una vez iniciado el corte, la reacción de oxidación del Fe es altamente exotérmica, y esa
enorme cantidad de energía desprendida en la reacción ayuda a llevar las zonas colindantes
a la temperatura de ignición, y poder así progresar en la acción del corte.
La producción de calor se basa en la siguiente reacción:
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Figura 3: Vista frontal de una boquilla de oxicorte
C2 H 2+O2↔ 2CO+H 2+106 cal
La molécula de acetileno se compone de dos átomos de carbono unidos por un triple enlace
y dos átomos de hidrógenos dispuestos de forma simétrica (C2H2). Esta reacción aporta:
Gran cantidad de energía liberada.
Llama de alta temperatura.
Velocidad de ignición.
Esto hace que el proceso tenga un elevado rendimiento (Castro, 2008).
CARACTERÍSTICAS GENERALESLos factores que se deben controlar en el proceso de corte son:
Presión de los gases (oxígeno de precalentamiento, oxígeno de corte y acetileno).
Volumen de mezcla de gases: la válvula del oxígeno de corte se abre
completamente; la apertura de las válvulas del oxígeno de precalentamiento y del
acetileno se deben regular para cada tipo de boquilla y según el espesor del material
a cortar.
Distancia entre boquilla y pieza (parámetro que se regula al instalar la máquina y
rara vez se modifica).
Tiempo de precalentamiento – activación oxígeno de corte: es el tiempo que
necesita la llama de precalentamiento para que el material a cortar alcance la
temperatura de ignición (depende del tipo de boquilla, del tipo de material y del
espesor del material).
Tipo de boquilla de corte (depende del espesor del material a cortar).
8
Velocidad de corte (velocidad lineal del soplete durante el corte): depende del tipo
de boquilla, material a cortar y de la regulación de los gases.
Ancho de corte o sangría (kerft): antes de realizar el corte de cualquier pieza se debe
conocer la ranura que el soplete provoca en el material al cortarlo. Esta ranura se
debe tener en cuenta (sobre todo cuando trabajamos en modo automático) para que
las dimensiones de la pieza final sean las deseadas. En el panel de control de la
máquina se introduce el valor de la sangría de corte.
Cuando la máquina funciona en modo automático, ésta desplaza el soplete hacia el exterior
o el interior de la línea de corte (depende del lado que sea nuestra pieza) la mitad del valor
introducido como sangría de corte (Fig. 4).
Los equipos
suelen estar equipados con un ordenador para controlar todo el proceso.
En general, los equipos con forma de pórtico permiten trabajar piezas de dimensiones entre
1.5 y 3 metros (pudiendo ser muy superiores). Se pueden montar hasta 6 sopletes a la vez,
con velocidades de corte de hasta 6000 mm/min. Los espesores de corte varían entre 3 y
300 mm. No son equipos muy sofisticados (Castro, 2008).
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Figura 4: representación del desplazamiento del soplete en función de la ranura de corte (kerft)
BOQUILLAS DE CORTESon el componente fundamental del proceso de oxicorte. Se deben seleccionar según los
espesores a cortar y determinaran la velocidad de corte, presión del O2 de corte, Kerf o
sangría y consumo de gases.
Suele estar formada por dos salidas concéntricas de gas:
Zona central: oxígeno de corte a presión.
Zona periférica: envolviendo a la anterior, salida de la mezcla oxígeno acetileno
o mezcla de calentamiento.
Tipos de sopletes:
Porta-sopletes
con sopletes de corte vertical: permiten cortar cualquier geometría con
flancos de corte perpendiculares a la superficie de la pieza. Están equipados
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Figura 5: boquilla acetileno
con guías que permiten su desplazamiento en altura y sensores eléctricos que
mantienen una distancia constante con la pieza.
Sopletes equipados con tres sopletes para corte en bisel.
BOTELLAS DE GASESMantienen el gas a 150 atm aprox., para que el gas llegue a las boquillas de los sopletes a la
presión adecuado se usan reductores de la presión de salida, que permiten regular dicha
presión hasta los 1-10 bares dependiendo del gas (López Martínez , 2008)
PARÁMETROS DEL PROCESO. LA LLAMA DE PRECALENTAMIENTO.La misión de la llama es el precalentamiento hasta la temperatura de ignición del acero
(870 ºC). Se recomiendan relaciones 1:1.5 entre el acetileno (1) y el oxígeno (1.5).
La máxima temperatura en la llama se alcanza en la llama primaria, zona donde tiene
lugar la reacción química. Envolviendo a ésta se está la llama de dispersión. El calor útil
es sólo el de la llama primaria, que nos permite el calentamiento de la pieza. El calor de la
llama de disipación no es utilizable.
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Figura 6: corta – sopletes para corte en bisel
Otras funciones de la llama de precalentamiento son:
Limpiar la superficie de la pieza a cortar de cualquier sustancia extraña
(óxidos, escorias superficiales…), durante el precalentamiento y el corte.
Ayudar a alcanzar la temperatura de ignición a medida que se avanza con el
corte.
Mantener un entorno de protección alrededor del chorro de O2 de corte.
Precalentar el O2 contenido en el chorro de corte haciéndolo más reactivo.
Ayudar a mantener las escorias producidas en la ranura del corte en estado
fluido para que puedan ser expulsadas.
Uno de los parámetros a controlar en el proceso es la distancia entre la boquilla y la pieza
para asegurar el correcto uso del calor de la llama primaria.
La llama es un factor crítico para el correcto funcionamiento del soplete, se pueden obtener
3 tipos de llama según las proporciones de los gases utilizados:
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Figura 7: distribución de temperatura en llama precalentamiento
Oxidante: con mayor cantidad de oxígeno, se utilizada normalmente
para realizar precalentamientos forzados (para acelerar el proceso de
precalentamiento y acortar los tiempos muertos), cortes en chaflán y
cortes a alta velocidad con baja calidad.
Ca
rburante: con mayor cantidad de gas combustible, se utiliza para
obtener buenos acabados, corte de chapas de espesores delgados y
chapas apiladas
Neutra: balance
adecuado de gas combustible y Oxigeno (1:1.5 para acetileno), se utilizada
para la mayoría
de las aplicaciones
en oxicorte.
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Figura 8: llama oxidante
Figura 9: llama carburante
Figura 10: llama neutra
Kerf o sangría: se denomina así al ancho de corte, espacio vacío que queda en la chapa en
la zona de corte ocasionado por la combustión y expulsión de los restos producidos. Este
parámetro debe tenerse en cuenta en el diseño del corte a ejecutar para obtener las
dimensiones finales deseadas en las piezas (López Martínez , 2008).
MÁQUINAS DE OXICORTELa máquina de oxicorte consta de un pórtico sobre el que se montan los sopletes. Su
velocidad de movimiento se mantiene constante y la altura e inclinación invariables.
La mayoría de la máquina-herramienta de este tipo incorporan la posibilidad de utilizar
también sopletes de plasma, los cuales se montan sobre el pórtico de igual forma que los de
oxicorte, pero acoplándolos a los distintos gases que requiere el plasma.
Hay muchos modelos de máquinas de oxicorte, desde portátiles, que se apoyan y se
desplazan sobre la chapa, hasta máquina fijas, con una o varias cabezas de corte, capaces de
cortar chapas de espesores muy diversos.
Son muy comunes las máquinas que utilizan un dispositivo de lectura o copiador óptico que
va siguiendo el contorno de las piezas a cortar dibujadas sobre un plano fijado en una mesa
de a la máquina.
Actualmente se incrementa la incorporación del control numérico (CN) a la máquina de
oxicorte, de tal forma que la geometría y los parámetros tecnológicos se introducen en el
CN con un programa codificado.
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CORTE POR PLASMALa tecnología de uniones de piezas metálicas por arco eléctrico vio sus éxitos en 1930 al
construir un barco totalmente soldado en Carolina del Sur en Estados Unidos, años después
se introdujo mejoras en el proceso como corriente alterna, y se utilizó protección como
fundente granulado.
En los años 40 se introdujo el primer proceso con protección gaseosa empleando un
electrodo no consumible de wolframio y helio como gas protector, recibió el nombre de
TIG (Tungsten Inert Gas).
En 1954, científicos descubren que al aumentar el flujo del gas y reducir la abertura de la
boquilla utilizada en la soldadura TIG, se obtiene un chorro de plasma. Este chorro es
capaz de cortar metales, lo que dio lugar al proceso de corte por plasma conocido hoy en
día (Torres Alpízar, 2004).
FUNDAMENTOS FÍSICO-QUÍMICOS En la naturaleza la materia se encuentras en forma sólida, líquida o vapor
15
Figura 11: Antorcha para el corte por plasma
El plasma es el cuarto estado de la materia.
A muy elevadas temperaturas, los electrones tienen suficiente energía como para
salir de su órbita del núcleo del átomo, generando iones de carga positiva.
Calentando un gas a temperaturas cercanas a 50.000 ºC los átomos pierden
electrones.
Estos electrones libres se colocan en los núcleos que han perdido sus propios
electrones, convirtiéndose así en iones.
FUNDAMENTOS FÍSICO-QUÍMICOSEn la naturaleza podemos encontrar materia en forma sólida, líquida o vapor, el plasma es
el cuarto estado de la materia.
A muy elevadas temperaturas, los electrones tienen suficiente energía como para escapar de
su órbita alrededor del núcleo del átomo, generando iones de carga positiva.
El plasma es el estado en el que se encuentran las estrellas por su elevada temperatura. En
la atmósfera terrestre solo podemos conseguir el plasma por medios artificiales.
Al calentar un gas a temperaturas del orden de 50.000 ºC los átomos pierden electrones.
Estos electrones libres se colocan en los núcleos que han perdido sus propios electrones,
convirtiéndose así en iones. De esta forma el gas se convierte en plasma y por consecuencia
tendremos un conductor eléctrico gaseoso con alta densidad de energía (Torres Alpízar,
2004)
PROCESO DE MECANIZADO CON PLASMA
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El fundamento del corte por plasma se basa en elevar la temperatura del material a cortar de
una forma muy localizada y por encima de los 20.000 °C, llevando el gas utilizado hasta el
cuarto estado de la materia, el plasma, estado en el que los electrones se disocian del átomo
y el gas se ioniza (se vuelve conductor).
El procedimiento consiste en provocar un arco eléctrico estrangulado a través de la sección
de la boquilla del soplete, sumamente pequeña, lo que concentra extraordinariamente
la energía cinética del gas empleado, ionizándolo, y por polaridad adquiere la propiedad de
cortar.
Resumiendo, el corte por plasma se basa en la acción térmica y mecánica de un chorro de
gas calentado por un arco eléctrico de corriente continua establecido entre un electrodo
ubicado en la antorcha y la pieza a mecanizar. El chorro de plasma lanzado contra la pieza
penetra la totalidad del espesor a cortar, fundiendo y expulsando el material.
La ventaja principal de este sistema radica en su reducido riesgo de deformaciones debido a
la compactación calorífica de la zona de corte. También es valorable la economía de los
gases aplicables, ya que a priori es viable cualquiera, si bien es cierto que no debe de atacar
al electrodo ni a la pieza.
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No es recomendable el uso de la cortadora de plasma en piezas pequeñas debido a que la
temperatura es tan elevada que la pieza llega a deformarse (Ramirez Viquez, 1998).
CARACTERÍSTICAS DEL PROCESOEsta moderna tecnología es usable para el corte de cualquier material metálico conductor, y
más especialmente en acero estructural, inoxidables y metales no férricos.
El corte por plasma puede ser un proceso complementario para trabajos especiales, como
pueden ser la producción de pequeñas series, la consecución de tolerancias muy ajustadas o
la mejora de acabados.
También se produce una baja afectación térmica del material gracias a la alta concentración
energética del arco-plasma. El comienzo del corte es prácticamente instantáneo y produce
una deformación mínima de la pieza.
Este proceso permite mecanizar a altas velocidades de corte y produce menos tiempos
muertos, (no se necesita precalentamiento para la perforación).
Permite espesores de corte de 0.5 a 160 milímetros, con unidades de plasma de hasta 1000
amperios.
El corte por plasma también posibilita mecanizados en acero estructural con posibilidad de
biselados hasta en 30 milímetros.
Una de las características más reseñables es que se consiguen cortes de alta calidad y muy
buen acabado.
EQUIPO NECESARIO
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Corte por plasma mediante centro de mecanizado CNC.
El equipo necesario para aportar esta energía consiste en un generador de alta frecuencia
alimentado por energía eléctrica, gas para generar la llama de calentamiento, y que más
tarde se ionizará (argón, hidrógeno, nitrógeno), un electrodo y porta electrodo que
dependiendo del gas puede ser de tungsteno, hafnio o circonio, y por supuesto la pieza a
mecanizar.
VARIABLES DEL PROCESOLas variables del proceso son:
Gases empleados.
El caudal y la presión de los mismos.
Distancia boquilla pieza.
Velocidad del corte.
Energía empleada o intensidad del arco.
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Las variables como el caudal, la presión del gas-plasma, la distancia boquilla-pieza y la
velocidad del corte se pueden ajustar en las máquinas de corte por plasma existentes en el
mercado según cada pieza a cortar. Su calidad varía en función del control de esos
parámetros para conseguir mejor acabado de las piezas y mayor productividad (Ramirez
Viquez, 1998).
GAS-PLASMALos principales gases que se utilizan como gases plasmágenos son, argón, nitrógeno y aire,
o mezcla de estos gases, en general se utiliza el nitrógeno por su mejor comportamiento
respecto a la calidad del corte y garantiza una durabilidad de la boquilla. El chorro del gas–
plasma utilizado en el proceso se compone de dos zonas:
Zona envolvente, que es una capa anular fría sin ionizar que envuelve la zona
central. Al ser fría conseguimos refrigerar la boquilla, aislarla eléctricamente y
confinar el arco de la región de la columna-plasma.
La zona central, que se compone por dos capas, una periférica constituida por
un anillo de gas caliente no suficientemente conductor y la columna de plasma o
el núcleo donde el gas-plasma presenta su más alta conductividad térmica, la
mayor densidad de partículas ionizadas y las más altas temperaturas, entre
10.000 y 30.000 ºC.
ARCO ELÉCTRICOEl arco generado en el proceso de corte por plasma se denomina arco transferido. Como su
propio nombre lo indica, el arco se genera en una zona y es transferido a otra.
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Por medio de un generador de alta frecuencia conseguimos generar un arco entre el
electrodo y la boquilla, este arco calienta el gas plasmágeno que hay en su alrededor y lo
ioniza estableciendo un arco-plasma.
Gracias a la conductividad eléctrica es transferido hasta la zona de corte, mientras que el
arco generado inicialmente, denominado arco piloto, se apaga automáticamente.
Una vez el arco-plasma está establecido, la pieza se carga positivamente mientras el
electrodo se carga negativamente, lo que hace mantener elarco-plasma y cortar la pieza.
En ocasiones podemos generar el arco-plasma acercando la boquilla a la pieza. Este arco se
denomina 'arco no transferido' y se genera entre el electrodo y la boquilla que está
conectada al lado positivo de la fuente de corriente a través de una resistencia.
Este tipo de arco se emplea más en procesos de soldadura.
Tipos de corte por plasma
Corte por plasma por aire: En el año 1963 se introduce el corte por plasma por
aire. El oxígeno del aire aumenta las velocidades de corte en un 25 por ciento en
relación con el corte tradicional por plasma seco, sin embargo, también conlleva una
superficie de corte muy oxidada y una rápida erosión del electrodo que está dentro
de la boquilla de corte.
Corte con inyección de agua: En 1968, Dick Couch, presidente de Hypertherm,
inventa el corte con inyección de agua, un proceso que implicaba inyectar
radialmente agua en la boquilla. El resultado final fue corte mejor y más rápido, así
21
como con menos escoria. Este proceso también utiliza como gas nitrógeno pero
como protector utiliza una capa de agua.
Corte con inyección de oxigeno: En 1983 se desarrolla una nueva técnica que
implica la utilización de oxígeno como gas de corte y la introducción de agua por la
punta de la boquilla. Este proceso denominado “corte por plasma con inyección de
oxígeno” ayuda a solucionar los problemas del rápido deterioro de los electrodos y
la oxidación del metal.
Corte con doble flujo: Este es el sistema convencional o estándar, de alta velocidad
que utiliza como gas-plasma nitrógeno y como gas protector puede
emplearse dióxido de carbono o bien oxígeno.
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Figura 14: aplicación de corte por plasma
Ventajas respecto al proceso de oxicorte:
El corte con plasma a diferencia del oxicorte, tiene un espectro de aplicación sobre
materiales más amplio.
Su costo operativo es sensiblemente inferior al oxicorte y la facilidad de su operación hace
posible trabajar en corte manual con plantillas de chapa con un acabado de la pieza
prácticamente definitivo.
Especialmente se puede destacar la versatilidad para cortar metales de espesores delgados,
lo cual con oxicorte no sería posible.
Otras desventajas del oxicorte son la baja calidad de corte y el efecto negativo sobre la
estructura molecular, al verse afectada por las altas temperaturas y metales ferrosos
al cromo-niquel (aceros inoxidables), además del aluminio y el cobre.
Adicionalmente, el corte con plasma es un proceso que brinda mayor productividad toda
vez que la velocidad de corte es mayor, dependiendo del espesor del material hasta 6 veces
mayor, lo cual entrega una razón de coste-beneficio mejor que el oxicorte.
Además, con el corte por plasma conseguimos una mayor precisión y limpieza en la zona
de corte que con el oxicorte convencional (Millán Gómez, 2006)
23
CORTE CON LÁSERAunque es, relativamente una nueva tecnología, el láser es actualmente una de las herramientas
más usadas a nivel industrial gracias a que facilita y optimiza los procesos de corte, perforado o
ranurado. Sus aplicaciones se extienden también a los campos de la medicina, telecomunicaciones
y electrónica.
Muchas de las técnicas para seccionar el metal laminado recurren a herramientas o maquinaria
encargadas de ejercer fuerza mecánica sobre el material, para obtener el resultado deseado. En
esta clasificación, también entra el rayo láser, pero a diferencia de las demás, éste se distingue
porque puede cortar las láminas de metal sin ni siquiera tener contacto con ella, gracias a que las
24
ondas de luz son absorbidas por el material y convertidas en calor para fundir, vaporizar o
quemar.
No obstante, el rayo láser por sí sólo, no es capaz de realizar labor alguna. Por eso, antes de
ser usado como una herramienta, éste tiene que ser dirigido, formado y enfocado; acciones
fáciles de efectuar gracias a que, como cualquier otro rayo de luz, posee propiedades
ideales para este tipo de manipulación, entre ellas:
Longitud de onda: a diferencia de la luz convencional, el rayo láser es
monocromático, es decir que todos los fotones tienen la misma longitud de onda lo
que les permite agruparse y concentrar su energía en una sola dirección y en un solo
punto.
Coherencia: Las ondas de luz en el rayo láser están todas“en fase” o al compás de
cada una de las otras.
Baja divergencia: Las ondas de luz están casi perfectamente paralelas. Esto quiere
decir que el rayo láser tiene un margen de error mínimo.
Poder de densidad: El poder de densidad del rayo láser sobrepasa enormemente
otras fuentes de luz convencional.
Estructura Interna (Modo): El poder de densidad en el rayo láser puede ser
distintamente estructurado.
El corte generalmente involucra el uso de un rayo de cualquier poder, concentrado en el
centro a través de la sección, y disminuye gradualmente hacia los bordes, lo que se conoce
como Distribución Gaussian.
25
La Calidad del CorteLos cortes efectuados con láser deben ser perfectos de manera tal que se pueda dar inicio en
el proceso, inmediatamente a la labor de soldadura, sin ningún otro trabajo extra.
Por eso para determinar la calidad del corte se adelantan dos procesos técnicos: el medible
que incluye la verificación física de la aspereza, perpendicularidad y ancho de la
perforación dejado por el láser, y el criterio óptico en el que se observa ésta y se describe su
apariencia, teniendo en cuenta la formación de rebaba, estrías, erosión y la zona del
material afectada por el calor (Romero Subirón, 2005).
CRITERIOS MEDIBLES: Aspereza: cuando el rayo láser corta el contorno, se forman estrías verticales en la
superficie del corte, deformaciones que se denominan asperezas y afectan la
apariencia del borde y su función. Por esta razón, se debe minimizar el grado de
aspereza–teniendo en cuenta que éste aumenta con el grosor de la lámina–
especialmente, si los bordes visibles no serán pulidos después del corte o si el corte
de la superficie servirá para ensamblar otro componente para formar el producto
acabado.
26
Figuran 15: corte con uso de un rayo
Perpendicularidad de la pared del corte: dado que la parte superior de la lámina
está mayor tiempo bajo el calor del láser, se funde mayor cantidad de material que
en la parte inferior provocando una pendiente (menor de un grado) en la pared del
corte. Esta falla es especialmente importante en partes con un grosor de lámina
superior a los 10mm, pues determina el grado por el cual el corte de la pared se debe
desviar del corte vertical.
Anchura del orificio: ésta usualmente no afecta la calidad de la parte cortada, sin
embargo, cuando los contornos o hendiduras interiores son irregulares o presentan
curvas muy cerradas, es un factor sensible: a mayor grosor de la lámina, mayor
anchura del orificio. En materiales de pocos milímetros de ancho, el espesor del
orificio debe ser de 0.15mm; en láminas de 20mm, puede crecer hasta la mitad de
un milímetro.
Estriación: Cuando se trabajan láminas gruesas a altas velocidades de corte, la
escoria es expulsada ligeramente detrás del rayo y como resultado aparecen
estriaciones curveadas, que son literalmente dejadas en la estela del rayo láser y que
causan problemas durante el corte. Cuando se realiza una fi gura redonda de poco
diámetro, por ejemplo, la escoria puede adherirse por la parte más baja del corte y
para corregir este problema, el índice alimentador debe ser reducido disminuyendo
el poder del rayo al final del corte para eliminar estriaciones (Millán Gómez, 2006).
CRITERIOS ÓPTICOS: Formación de rebaba: es uno de los factores problema que afectan la calidad del
corte láser hasta el punto que, al formarse se requiere de un ciclo de trabajo
adicional para eliminarlos. El corte láser puede producir varios tipos de rebaba,
27
desde la escoria quebradiza, muy fácil de remover, hasta las agudas puntas del metal
firmemente adheridos al fondo del corte.
Marcas y erosión: son signos que pueden afectar la apariencia de la superficie del
corte de los bordes, incluso, están entre los principales problemas a corregir. El tipo
de lámina juega un importante papel en este aspecto, pues las de grado más bajo
pueden contener sustancias tales como sulfuro, que pueden quemarse
incontrolablemente, causando marcas y erosión.
Zona Afectada por el calor: Durante el proceso de corte, en caliente, algunas partes
de las piezas trabajadas pueden calentarse demasiado y decolorarse o deformarse.
En el corte láser, sin embargo, esta zona esta solamente a pocos décimos de un
milímetro en tamaño y normalmente no juega un papel en la función de la pieza que
se corta.
PROCESOS NO TRADICIONALES
PROCESOS DE MANUFACTURAAunque la mayor parte del maquinado se realiza eliminando material en forma de viruta
más o menos definidas, existen también otros tipos de procesos que ofrecen capacidades
únicas. Estos métodos son los llamados: Procesos no tradicionales o no convencionales de
maquinado.
Estos procesos no usan un instrumento afilado de corte en el sentido convencional. Ellos
se han usado como respuesta a los requerimientos nuevos y singulares que no pueden
cumplirse mediante los métodos convencionales.
28
Los maquinados no tradicionales se refieren a aquel grupo de procesos, los cuales
remueven el exceso de material mediante diversas técnicas que incluyen la energía
mecánica, térmica, eléctrica, o química (o combinación de ellas).
Se clasifican de acuerdo con la forma principal de energía que usan para remover el
material excedente. En esta clasificación hay cuatro tipos:
MECÁNICOS:
Se usa energía mecánica en alguna forma diferente a la acción de una herramienta
de corte convencional, y se usa una acción de trabajo mediante una corriente de
alta velocidad de abrasivos y fluidos.
ELÉCTRICOS:
Usan energía electroquímica para remover el material, el mecanismo es lo opuesto
al chapeado.
TÉRMICOS:
Usan energía térmica para cortar o dar forma a una parte del trabajo, y esa parte
se remueve por vaporización del material. Esta energía es la conversión de la
energía eléctrica.
QUÍMICOS:
La mayoría de los materiales (en especial los metales) son susceptibles a los
ataques químicos por medios de ciertos ácidos y otras sustancias abrasivas
(Guivernau, 2001).
29
CORTES CON CHORRO DE AGUA El corte con chorro de agua usa una corriente fina de agua a alta presión y velocidad
dirigida hacia la superficie de trabajo para producir un corte. Para éste proceso también se
utiliza el nombre maquinado hidrodinámico.
El chorro funciona como una sierra y corta una ranura angosta en la pieza.
Este haz de agua es capaz de cortar una gran variedad de materiales. Los materiales
blandos como las gomas, espumas, compuestos para las juntas de automoción, fibras de
pañales e incluso los alimentos se pueden cortar solamente con agua a alta presión. En
este caso solo utilizamos la energía cinética del agua para producir el corte
Para obtener un chorro fino de agua se utiliza una pequeña abertura de boquilla con
diámetro de 0.1 a 0.4 mm. Para proporcionar al chorro una energía suficiente para poder
cortar, se usan presiones hasta de 400 MPa y el chorro alcanza velocidades hasta de 900
m/s. en una bomba hidráulica que presuriza el fluído al nivel deseado.
La unidad de boquilla consiste en un soporte hecho de acero inoxidable y una boquilla de
zafiro, rubí o diamante. El diamante dura más, pero es el más costoso
En el maquinado deben usarse sistemas de filtración para separar las virutas producidas
durante el proceso. Los fluidos de corte en ese sistema son soluciones de polímeros, las
cuales se prefieren debido a que tienden a producir una corriente coherente.
DISTANCIA DE SEPARACIÓN La distancia de separación es a distancia entre la boquilla y la superficie de trabajo. En
general, se prefiere que esta distancia sea mínima para reducir la dispersión de la
30
corriente del fluido antes de que golpee la superficie. Una distancia de separación normal
es de 1/8 de In. (3.2 mm).
El tamaño del orificio de la boquilla afecta la precisión del corte; las aberturas más
pequeñas se usan para cortes más finos sobre materiales más delgados. Para cortar
materia prima más gruesa se requieren corrientes de chorro más densas y mayores
presiones.
Esta tecnología permite la colocación de varias capas una encima de otra para cortarlas a
la vez manteniendo las calidades de corte con cierta homogeneidad, aumentando así en
gran medida la productividad del proceso.
VELOCIDAD DE AVANCE La velocidad de avance del corte se refiere a la velocidad a la que se mueve la boquilla a lo
largo de la trayectoria de corte.
La velocidad de avance típica varía desde 12 in/min (5mm/seg) hasta 1200 in/min
(500mm/seg), dependiendo del material de trabajo y su grosor.
Cuanto menor es el índice de mecanizabilidad, más lento se hace el corte, y cuanto mayor
espesor también se reduce la velocidad de corte.
Por lo general, se hace en forma automática usando un control numérico computarizado o
robots industriales para manipulación de la unidad de boquilla a lo largo de la trayectoria
deseada.
31
APLICACIONESSe usa en forma eficaz para obtener tiras de materia prima plana, como plásticos, textiles,
materiales compuestos, mosaicos para pisos, alfombras, piel y cartulinas.
Se han instalado celdas robóticas con boquillas para maquinado con chorro de agua
ensambladas como herramienta de un robot para seguir patrones tridimencionales de
corte irregular, por ejemplo para cortar y recortar tableros de automóvil antes del
ensamble.
En estas aplicaciones, la ventaja es que la superficie de trabajo no se tritura ni quema
como en otros procesos mecánicos o térmicos, en consecuencia, la pérdida de material es
mínima porque la ranura de corte es estrecha, esto reduce la contaminación ambiental y
existe la facilidad de automatizar el proceso usando controles numéricos o robots
industriales.
Una limitación es que no es conveniente para cortar materiales frágiles (por ejemplo,
vidrio), porque tiende a resquebrajarlos durante el proceso (Ordóñez Jiménez, 2003)..
NO CONVENCIONALES Electroerosión, las máquinas de electroerosión desgastan el material mediante
chispas eléctricas que van fundiendo partes minúsculas del mismo. Hay dos tipos
de máquinas de electroerosión, las de electrodos, que realizan agujeros de la
forma del electrodo o bien desgaste superficiales con la forma inversa de la que
tiene el electrodo, hace grabaciones y las de hilo que, mediante la utilización de un
hilo conductor del que saltan las chispas que desgastan el material, van cortando
32
las pieza según convenga. En ambos casos durante todo el proceso, tanto el útil
como la pieza están inmersos en un líquido no conductor.
Arco de plasma, se utiliza un chorro de gas a gran temperatura y presión para el
corte del material.
Láser, en este caso es un potente y preciso rayo láser el que realiza el corte
vaporizando el material a eliminar.
Ultrasónica, haciendo vibrar un útil a velocidades ultrasónicas, por encima de los
20.000 Hz y utilizando un material abrasivo y agua se van realizando el mecanizado
de la pieza por la fricción de las partículas abrasivas. Se usa para trabajar
materiales muy duros como el vidrio y el diamante y las aleaciones de carburos.
Con la introducción de aparatos y materiales y materiales totalmente nuevos, en los
recientes, se ha hecho necesario desarrollar nuevos métodos para el maquinado eficiente
de materiales.
Las piezas hechas con carburo cementado o con metales difíciles de maquinar se
conformaban con el costoso proceso de esmerilado con ruedas de diamante. El
maquinado electroquímico, maquinado por electro descarga y esmerilado electrolítico son
tres métodos perfeccionados hace pocos años. En todos ellos la remoción del metal se
logra con algún tipo de descarga eléctrica.
En la actualidad se ha hecho necesario desarrollar nuevos métodos para el maquinado
eficiente de materiales. las piezas hechas con carburo cementado o con metales difíciles
de maquinar se conformaban con el costoso proceso de esmerilado con ruedas de
diamante. el maquinado electroquímico, maquinado por electro descarga y esmerilado
33
electrolítico son tres métodos perfeccionados hace pocos años. en todos ellos la remoción
del metal se logra con algún tipo de descarga eléctrica".
ESMERILADO ELECTROLÍTICO El esmerilado electrolítico ha venido a facilitar mucho el maquinado de piezas de trabajo
de metal delgado y frágil y las modernas aleaciones de la era espacial. En el esmerilado
electrolítico, se remueve el material de la superficie de la pieza de trabajo con una
combinación de la acción electroquímica y una rueda abrasiva con aglutinación metálica
(en el proceso se remueve metal por una combinación de energía eléctrica y química).
Alrededor del 90% del metal se desprende de la superficie de la pieza con la acción
electroquímica y el 10% restante lo “barre” la rueda abrasiva. El proceso de esmerilado
electrolítico es similar al de maquinado electroquímico (Castro, 2008)
PROCESO DE ESMERILADO ELECTROLÍTICOLa rueda abrasiva, con aglutinación metálica y conductora de la electricidad, y la pieza de
trabajo que también es conductora se conectan a un suministro de corriente continua y
quedan separadas por las partículas abrasivas que sobresalen de la rueda. Se inyecta un
electrólito en el espacio entre la rueda y la pieza de trabajo, que complementa la acción
de desprendimiento que descompone el material de la pieza de trabajo (la solución
electrolítica suele ser muy corrosiva: hay que proteger las piezas de la maquina contra la
corrosion). Este material desprendido se elimina con la acción de la rueda de abrasiva
nunca hace contacto con la pieza de trabajo.
34
VENTAJAS DEL ESMERILADO ELECTROLÍTICOEl esmerilado electrolítico tiene muchas ventajas sobre los métodos convencionales.
Reduce los costos de las ruedas abrasivas; en especial las de diamante con
aglutinación metálica porque solo remueve un 10% del material con la rueda.
Se elimina una elevada proporción del material en relación con el desgaste de la
rueda.
No se genera calor durante el esmerilado durante el esmerilado; por lo tanto, la
pieza no se quema ni sufre deformación.
No se producen rebabas, que se deban eliminar con operaciones adicionales.
Se pueden cortar piezas de trabajo delgadas y frágiles porque la rueda nunca toca
la pieza de trabajo.
35
Figura 16: proceso de esmerilado electrolítico
Se pueden esmerilar con rapidez y facilidad el carburo de tungsteno y las
aleaciones superduras.
Se pueden cortar metales raros, como el circonio, berilio y otros, sin que importe
su dureza, fragilidad o sensibilidad térmica.
No se crean esfuerzos en la pieza de trabajo.
No ocurre endurecimiento de la pieza de trabajo durante este proceso.
MAQUINADO POR ELECTRODESCARGA El maquinado por electrodescarga (EDM) es un proceso para remoción de metal por la
acción de una descarga eléctrica de corta duración y alta densidad de corriente (amperaje)
entre las herramientas y la pieza de trabajo. El proceso EDM se podría comparar con un
rayo diminuto que choca contra una superficie, crea un intenso calor local y funde la
superficie de la pieza de trabajo. El maquinado por electrodescarga es de especial utilidad
para maquinar las aleaciones súper duras y conductoras de la era espacial que abría sido
muy difícil de trabajar con métodos convencionales. El EDM ha facilitado el corte de
formas complejas, lo cual resultaría imposible con herramientas de corte convencionales.
36
Figura 17: máquina de electro descarga
PRINCIPIOS DEL EDMEl maquinado por electrodescarga (EDM) es un proceso para la remoción controlada de un
metal, en el cual se usa una chispa para cortar o erosionar la pieza de trabajo, por medio
de un electrodo que es la “herramienta” de corte.
El electrodo se hace con material
conductor de electricidad, por lo general con carbón. Tanto el electrodo, que tiene la
forma de cavidad requerida, como la pieza de trabajo se sumergen en un líquido
dieléctrico que suele ser un aceite delgado. El liquido dieléctrico debe ser no conductor o
mal conductor de la electricidad (para el maquinado por electrodescarga se requiere un
electrodo (“herramienta”) conductor y un liquido dieléctrico no conductor). Un
servomecanismo mantiene una separación de más o menos 0,001 pulgadas (0,002
milímetros) entre el electrodo y la pieza de trabajo para que no se toquen. Se aplica una
corriente continua de bajo voltaje y alto amperaje al electrodo a razón de 20.000 impulsos
eléctricos por segundo mediante un capacitor (condensador). Estos impulsos de corriente
37
Figura 18: proceso de electro descarga
conducen chispas que saltan la abertura, entre el electrodo y la pieza de trabajo, a través
del dieléctrico. En el sitio en donde choca la chispa se produce un calor intenso, se funde
el metal y se desprende una partícula de metal de la superficie de la pieza de trabajo (el
metal se remueve por la erosión de la chispa eléctrica). El liquido dieléctrico que está en
circulación constante, arrastra las partículas erosionadas en el metal y también ayuda a
disipar el calor ocasionado por la chispa (Ordóñez Jiménez, 2003)
VENTAJAS DEL PROCESO EDMEl maquinado por la electrodescarga tiene muchas ventajas sobre los procesos
convencionales.
Se puede cortar cualquier material conductor de electricidad cualquiera que sea su
dureza. Es de especial utilidad para carburos cementados y las nuevas aleaciones
extra duras que son sumamente difíciles de cortar con metros convencionales.
Se pueden trabajar materiales endurecidos, con lo cual se elimina la deformación
ocasionada por el proceso de endurecimiento.
Las brocas o machuelos rotos se pueden extraer con facilidad de las piezas de
trabajo.
No produce esfuerzo en la pieza de trabajo porque el electrodo nunca hace
contacto con ella.
Este proceso no deja rebabas.
Se pueden maquinar secciones delgadas y frágiles sin deformación.
Por lo general, se eliminan las operaciones secundarias de acabado en muchos
tipos de piezas de trabajo.
38
Se pueden cortar formas complicadas en la pieza de trabajo que son imposibles de
lograr con métodos convencionales.
Se pueden producir mejores troqueles y moldes a menor costo.
Se puede utilizar un dado o troquel de punzar para reproducir su forma en la placa
de troquel correlativa y dejar la holgura necesaria.
MAQUINADO ELECTROQUIMICO Maquinado electroquímico (ECM) difiere de las técnicas convencionales para cortes de
metales en que se utilizan energía eléctrica y química como herramientas de corte. Con
este proceso se remueve el metal con facilidad, sin que importe su dureza, y se caracteriza
porque no deja virutas.
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).
39
EL PROCESODesde hace muchos años se han utilizado los balos galvanoplásticos o electrodeposición
para aplicar un metal que está en solución en otro metal que se sumerge en el baño.
Dado que el ECM surgió de este proceso es conveniente conocer el proceso de
electrodeposición.
Se sumergen dos barras de metales desiguales en una solución de electrolito.
Se conecta una barra al conductor o terminal negativo de una fuente de corriente
continua. La segunda barra se conecta a la terminal positiva.
Cuando se cierra el circuito circula corriente continua (CC) a través del electrolito
entre las dos barras de metal.
La reacción química produce la transferencia de metal de una barra a la otra.
El maquinado electroquímico difiere de la electrodeposición en que una reacción
electroquímica disuelve el metal de la pieza de trabajo en una solución de electrolito.
Se pasa una corriente continua a través de una solución de electrolito entre el electrodo,
que es la “herramienta” y tiene la forma de la cavidad deseada, que tiene carga negativa y
40
Figura 19: proceso de electrodeposición
la pieza de trabajo que tiene carga positiva. Esto ocasiona la remoción del metal delante
del electrodo al avanzarlo hacia la pieza de trabajo. La reacción química ocasionada por la
corriente continua en el electrolito disuelve el metal de la pieza de trabajo.
El electrodo para SM no es una simple varilla de metal, sino una herramienta de precisión
aislada hecha a la forma y tamaño exactos necesarios y a lo largo del cual se hace pasar el
electrolito.
El electrodo y la pieza de trabajo, aunque están separados apenas 0,002 a 0,003 pulgadas
(0,005 a 0,007 milímetros) nunca se topan entre sí.
La solución de electrolito esta en circulación constante y controlada y es conductora de la
corriente (el electrolito suele ser una solución salina muy corrosiva). La corriente continua,
a veces, puede ser de 10.000 A/pulgada2 (1550 A/centimetro2) según el material de la
pieza: la cantidad de remoción del metal esta en proporción directa con la corriente que
41
Figura 20: proceso de maquinado electroquimico
pasa entre el electrodo y la pieza de trabajo. Una corriente elevada producirá remoción
rápida del metal y a la inversa con una corriente baja.
VENTAJAS DEL ECMEl maquinado electroquímico ha sido uno de los procesos para trabajar metales que ha
permitido maquinar los de la era espacial.
Algunas de sus características y ventajas son:
Se puede maquinar un metal de cualquier dureza.
No se genera calor durante el maquinado y, por lo tanto, no hay deformación de la
pieza de trabajo.
En el ECM no hay rotación de la “herramienta”.
El desgaste del electrodo (herramienta) es insignificante porque nunca toca la
pieza de trabajo.
Debido a que el electrodo nunca toca la pieza de trabajo se pueden maquinar
secciones delgadas y frágiles sin deformación.
La pieza de trabajo queda libre de rebabas.
Es fácil producir piezas de trabajo, las formas complejas, cuyo maquinado es difícil
con otros procesos.
El ECM es adecuado para trabajo de producción en donde hay que hacer agujeros
o cavidades múltiples al mismo tiempo.
o necesario desarrollar nuevos métodos para el maquinado eficiente de materiales. Las
piezas hechas con carburo cementado o con metales difíciles de maquinar se
conformaban con el costoso proceso de esmerilado con ruedas de diamante. El
42
maquinado electroquímico, maquinado por electro descarga y esmerilado electrolítico son
tres métodos perfeccionados hace pocos años. En todos ellos la remoción del metal se
logra con algún tipo de descarga eléctrica"
EL MECANIZADO POR ULTRASONIDOS ROTATORIO Y EL MECANIZADO MIXTO FRESADO/LÁSEREl mercado actual exige el lanzamiento de productos cada vez más novedosos y
competitivos, por lo que se necesita realizar un esfuerzo añadido para fabricar productos
tecnológicos avanzados mediante procesos de fabricación “tradicionales”, lo que no
siempre permite obtener el resultado esperado. Por otra parte, la introducción de
“materiales avanzados” en sectores como la medicina, óptica, aerospacial o automoción
está suponiendo un obligado desarrollo de procesos de fabricación alternativos para dar
respuesta a las nuevas necesidades. El coste considerablemente superior de estas técnicas
limita su uso exclusivamente a los casos en los que no se puedan emplear los métodos
tradicionales.
43Figura 21: centro de mecanizado por
ultrasonido DMS 35
Los procesos no convencionales de mecanizado utilizan diversas fuentes de energía para
la eliminación de material. Así, se puede hablar de procesos mecánicos como puede ser el
caso del mecanizado por ultrasonidos, y procesos electrotérmicos como es el caso del
mecanizado por haz láser.
El mecanizado por ultrasonidos rotatorio ante el reto de los materiales duros y frágiles
El creciente desarrollo de los materiales avanzados con propiedades superiores como alta
dureza, gran resistencia mecánica al desgaste, baja densidad y resistencia a la abrasión a
altas temperatura, como es el caso de las cerámicas técnicas, ha introducido la necesidad
de su procesado. Sin embargo, el alto coste de mecanizado, que oscila entre el 30-60% e
incluso el 90% del coste de producción, ha frenado claramente su expansión comercial.
En este punto, cabe subrayar que sólo los comúnmente denominados procesos no
convencionales de mecanizado, como el mecanizado por ultrasonidos rotatorio, pueden
llegar a ser útiles, aparte de algún proceso abrasivo convencional.
Para alcanzar este reto Tekniker ha adquirido un centro de mecanizado por ultrasonidos
DMS 35 Ultrasonic de la casa Sauer integrada en Deckel Maho Gildemeister. Dicha
máquina incorpora la tecnología RUM (Rotary Ultrasonic Machining) para el mecanizado
de materiales duros y frágiles.
44
El proceso del mecanizado por ultrasonidos rotatorio (Rotary Ultrasonic Machining-RUM)
es un avance tecnológico del clásico mecanizado por ultrasonidos (Ultrasonic Machining-
USM). Se basa en la eliminación de material mediante la combinación de giro y vibración
en dirección axial de una herramienta, generalmente de diamante que, a su vez, se
alimenta con una corriente interna-externa de fluido de corte.
El término “ultrasonidos” es debido a que la vibración se produce a una frecuencia
próxima a los 20kHz (vibra unas 20.000 veces por segundo), frecuencia que está en el
rango de los ultrasonidos. Se emplean regímenes de giro de entre 1000 y 6000rpm, y la
vibración axial tiene unas pocas µm de amplitud (1-35µm). ( Dans, 1998)
El equipo disponible en Tekniker que incluye esta tecnología consta de los elementos
básicos de toda máquina herramienta (control, cabezal, ejes, mesa, filtros…), pero además
incorpora un elemento característico de este tipo de tecnologías, llamado transductor. El
transductor, acoplado al cabezal, contiene una serie de piezoeléctricos que transforman la
45
Figura 22: herramienta típica y del proceso de mecanizado RMU.
energía eléctrica de alta frecuencia en vibración mecánica a esa misma frecuencia. Esta
vibración se transfiere desde el transductor hasta la herramienta (también conocida como
horn).
Así mismo, la máquina de Tekniker incorpora una serie de algoritmos de control que
mejoran aún más la efectividad del proceso preservando la integridad de la herramienta y
de la pieza; así, el control ADC (Adaptive Control) monitoriza el par y el ACC (Acoustic
Control) monitoriza la fuerza en dirección axial.
El ámbito de aplicación del RUM está dirigido fundamentalmente al mecanizado de
materiales duros y frágiles como las cerámicas técnicas, los vidrios, metales endurecidos,
Silicio, piedras preciosas, etc.
Todo ello aplicado a:
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 (55HRc)...
Industria de los semiconductores: plaquitas (Wafer), elementos de refrigeración…
en materiales como Silicio, Cuarzo Hialino…
Industria óptica: lentes cóncavas y convexas, espejos…; en materiales como Zafiro,
Silicio, Zerodur y vidrios varios.
Industria médica: articulaciones, coronas dentales…; en materiales cerámicos
varios como Zirconia, Alúmina…
46
Varios: guías antidesgaste, pirometría, boquillas de soldadura, aisladores
térmicos…; también en materiales cerámicos.
Todas estas aplicaciones tienen
un elemento en común: las superiores propiedades de alta dureza, resistencia mecánica al
desgaste, baja densidad, resistencia a la abrasión a altas temperatura, capacidades
Mediante RUM se pueden mecanizar geometrías que difícilmente podrían conseguirse con
otros procesos de fabricación como por ejemplo agujeros de Ø0.5 y 10mm de profundidad
en Silicio, roscado interior en metal duro calidad H6, etc.
Dado que los procesos abrasivos como el rectificado procesan este tipo de materiales, se
deben subrayar los avances que supone la tecnología RUM:
47
Figura 23: mecanismo de vidrio zeradur
Reducción de los esfuerzos de corte, de la carga térmica a la pieza y con ello el
desgaste de la herramienta debido al menor tiempo de contacto de cada grano
abrasivo con el material de pieza, inherente al movimiento ultrasónico.
La superposición de movimientos, rotación y giro, hace que se obtengan mayores
tasas de arranque que en el caso de los procesos convencionales como el
rectificado (hasta 5 veces mayores).
Gran acabado superficial debido a las menores fuerzas del proceso, pudiéndose
obtener superficies con rugosidades menores que 0.2 µm Ra hasta suprimir el
pulido.
El movimiento ultrasónico junto con el refrigerante interno y externo hace que la
herramienta experimente un proceso de autolimpieza, evitando así el fenómeno
de embotamiento y facilitando el regenerado de la misma.
El proceso produce una capa superficial de tensiones residuales de compresión por
lo que se aumenta la vida a fatiga.
Se pueden tratar materiales duros y frágiles llevando a cabo pequeñas operaciones
de corte, desde 0.5mm así como diversas operaciones en una sola máquina, a
saber taladrado y fresado: agujeros de gran profundidad, contorneados,
ranurados, planeados o superficies complejas.
Con todo ello, hay que concluir remarcando que el mecanizado por ultrasonidos rotatorio
aparece como una clara solución para el procesado óptimo de materiales avanzados como
cerámicas, metales endurecidos, vidrios, etc. (Romero Subirón, 2005)
48
MECANIZADO MIXTO FRESADO/LÁSER: TECNOLOGÍA QUE POSIBILITA NUEVOS RETOSEn el ámbito de los nuevos sistemas de fabricación, para poder satisfacer las exigencias de
fabricación en los diferentes sectores industriales, día a día se están estudiando y
aplicando nuevas tecnologías y procesos. Una de las tecnologías en constante evolución y
considerada como uno de los mayores exponentes en la fabricación avanzada es el
mecanizado por láser ya que permite el mecanizado de formas complejas y de pequeño
tamaño de todo tipo de materiales.A su vez, en el caso de los problemas concretos de
piezas de geometría compleja y de reducido tamaño el uso de un proceso mixto
“fresado/láser” abre posibilidades completamente nuevas en el mecanizado. El fresado
aporta un elevado volumen de material eliminado, mientras el láser permite crear
geometrías complejas, de reducido tamaño y en zonas poco accesibles.
La necesidad de crear productos cada vez más precisos, y con un amplio rango de
materiales, exige nuevas técnicas de procesado, para ir más allá de las actuales técnicas de
procesado por arranque de viruta.
Con el objetivo de alcanzar este reto, Tekniker dispone de una máquina fresadora-láser
DMU60L del fabricante DECKEL MAHO, que además de ser una fresadora de alta velocidad
con un husillo que puede alcanzar las 18.000 rpm, dispone de un cabezal láser de Nd:YAG
de 100 Wattios. La máquina adquirida por Tekniker incorpora la tecnología del
mecanizado por láser.
Dicho centro de mecanizado incluye nuevas posibilidades en el mecanizado completo de
las piezas más diversas. La innovadora combinación de las modernas tecnologías de
49
fresado y láser permite mecanizar en una sola sujeción tanto desbastes de intenso
arranque de viruta como acabados de filigrana. La tecnología mixta fresado/láser permite
obtener la pieza acabada directamente del plano 3D, convirtiéndose en un proceso casi
automático que en comparación con la fabricación convencional por electroerosión
reduce los tiempos de mecanizado.
La tecnología del mecanizado por láser posibilita el mecanizado de figuras y piezas de
pequeñas dimensiones, permitiendo obtener esquinas vivas y agujeros de pequeño
diámetro, es decir, formas geométricas que no es posible o es muy costoso obtener
mediante procesos convencionales.
El mecanizado por láser permite el procesado de casi todo tipo de materiales,
independientemente de su dureza o maquinabilidad. Los resultados obtenidos varían de
un material a otro debido a sus propiedades físicas, pero en principio no se encuentra el
obstáculo de la dureza. Se pueden obtener piezas a partir de fotografías, es decir,
partiendo de una imagen se consigue un proceso parecido al grabado.
Es posible realizar texturizaciones de tamaño reducido, y obtener formas complejas que
son mecanizados reales, y no grabados.
La alta densidad de energía que se obtiene en el punto de enfoque del haz láser permite
llevar a cabo el proceso de ablación, es decir, el material es vaporizado directamente. Por
otra parte, al ser una fuente de energía la que incide sobre el material, no se producen
desgastes, roturas, ni colisiones de la herramienta de corte, lo que supone una gran
50
ventaja al proceso de arranque de viruta tradicional. El valor del diámetro de haz en el
punto de enfoque puede ser de 40 micras o de 100 micras.
El láser, es una fuente de luz coherente de alta energía cuyo significado es Amplificación
de luz por Emisión de Radiación Estimulada, que en inglés forman las siglas LASER (Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation). El sistema láser principalmente consta
de tres componentes:
Un medio activo que en nuestro caso es un cristal de Nd:YAG.
Un medio de excitación que en nuestro caso es una lámpara.
La óptica del resonador.
En la máquina disponible en Tekniker el sistema láser consta de una lámpara de 6000W
que irradia una luz que tiene como propiedades que es divergente, multicolor e
incoherente. Dicha luz excita el medio activo (cristal de Nd:YAG) produciendo un haz láser
que en comparación con la bombilla tiene propiedades direccionales, monocromáticas y
coherentes, siendo su longitud de onda l=1.064 micras, y una potencia media de 100W.
Este haz láser es reflejado al 100% por un espejo, y sólo parcialmente por otro espejo. El
haz láser que no es reflejado es el que se utiliza para procesar el material. El haz láser
esencialmente paralelo es fácil de transportar a largas distancias para llevarlo al sitio
donde se necesita. En el área de procesado, el haz láser enfocado en un punto pequeño
está provisto de la energía necesaria para calentar, fundir o hasta evaporar metales.
El dispositivo Q-Switch permite aumentar la potencia del haz, siendo la frecuencia de
trabajo entre 5 y 50 kHz.
51
Al cerrar el Q-switch, se interrumpe la trayectoria del rayo en el resonador, no
formándose ninguna onda estacionaria, por lo que no se genera ningún rayo láser. Ello
implica que no se retira ninguna energía de la barra YAG, por lo que se acumula energía,
obteniéndose picos de potencia de hasta 20kW ( Escobar Salinas, 1992)
Antes de empezar a mecanizar un componente, es necesario realizar una búsqueda de
tecnología, lo que implica definir los parámetros adecuados para mecanizar un material
concreto. Se ajustan los parámetros de frecuencia de apertura del Q-Switch, y porcentaje
de intensidad que se quiere tenga el haz. Ello implica que es necesaria una búsqueda de
tecnología continua, cada vez que se vaya a mecanizar un material nuevo o cambien las
condiciones de mecanizado.
Con todo ello, hay que concluir remarcando que el mecanizado mixto fresado láser
aparece como una clara solución para el procesado óptimo de piezas precisas de pequeño
tamaño, como son los moldes de inyección de plástico. (Millán Gómez, 2006).
MAQUINADO HIDRODINÁMICO El maquinado Hidrodinámico utiliza la fuerza debida al cambio de la cantidad de
movimiento del chorro en operaciones de corte y desbarbado. El chorro funciona como
una sierra y corta una ranura angosta en la pieza,
52
También es conocido este proceso como "corte con chorro de agua" (en inglés WJC) ,
debido a que usa una corriente fina de agua a alta presión y velocidad dirigida hacia la
superficie de trabajo para producir un corte. También se emplea el nombre de maquinado
hidrodinámico para este proceso, pero el corte por chorro de agua es el término de uso
más frecuente en la industria.
Para obtener una fina corriente de agua, se usa una pequeña abertura de boquilla de un
diámetro de 0.004 a 0.016 In (0.1 a 0.4 mm). A fin de que la corriente tenga la energía
suficiente para cortar se usan presiones hasta de 60 000 lb/in (400 Mpa), y el chorro
alcanza velocidades hasta de 3000 pies/seg (900 m/seg). Una bomba hidráulica presuriza
el fluido al nivel deseado. La unidad de boquilla consiste en un soporte y una boquilla de
joya. El soporte está hecho de acero inoxidable y la boquilla de Zafiro, rubí o diamante. El
diamante dura más, pero es el de mayor costo.
En el WJC deben usarse sistemas de filtración para separar las virutas producidas durante
el proceso. Los fluidos de corte en ese sistema son soluciones de polímeros, las cuales se
prefieren debido a que tienden a producir una corriente coherente.
53
Tabla 1: velocidades de corte
MAQUINADOS CON CHORRO ABRASIVOCuando se usa un WJC sobre partes metálicas, por lo general deben agregarse partículas
abrasivas a la corriente a chorro para facilitar el corte. Por tanto este proceso se denomina
corte con chorro de agua abrasiva (en inglés AWJ). La incorporación de las partículas
abrasivas al flujo complica el proceso porque aumenta la cantidad de parámetros que
deben controlarse. Entre los parámetros de proceso adicionales están el tipo de abrasivo,
el tamaño del esmeril y la velocidad de flujo. Entre los materiales abrasivos comunes están
el óxido de aluminio, el dióxido de silicio y el granate (un mineral de silicato); los tamaños
del esmeril varían entre 60 y 120. Las partículas abrasivas se agregan a la corriente de
agua a aproximadamente 0.5 lb/min (.23 Kg/min) después de que salen de la boquilla para
el WJC.
Los parámetros de proceso restantes incluyen algunos que son comunes para el WJC; el
diámetro de abertura de la boquilla, la presión del agua y la distancia de separación. Los
diámetros del orificio de la boquilla varían de 0.010 a 0.0250 In (0.25 a 0.63 mm), este
rango es más grande que en el WJC y permite que la corriente contenga velocidades de
flujo más altas y mayor energía antes de la eyección de los abrasivos. Las presiones del
agua son similares a las del WJC. Las distancias de separación son menores para reducir el
efecto de la dispersión del fluido de corte, el cuál contiene partículas abrasivas en esta
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etapa. Las distancias de separación comunes están entre una cuarta parte y la mitad de las
que se usan en el WJC (Romero Subirón, 2005).
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CONCLUSIÓN
El proceso de soldadura fuerte es un medio efectivo de crear uniones resistentes, dúctiles,
conductoras tantas térmicas como eléctricamente, además de ofrecer gran resistencia a las
fugas siempre y cuando se conozcan y se aplique adecuadamente los fundamentos del
proceso.
En la operación de corte por láser se divide un material en forma de placa mediante un rayo
láser dirigido. Distinguimos básicamente entre corte láser por fusión y corte láser por
sublimación. En el corte láser por fusión se funde o se evapora el material, por ejemplo, un
material acrílico. En el corte láser por sublimación se evapora el material, por ejemplo, la
madera, saltándose la fase de licuefacción.
El maquinado con chorro de agua es un método no convencional especialmente para usos
donde el calor ejemplo el papel, no es conveniente el uso de un plasma o laser, muy
comúnmente usado para la industria alimenticia ya que es muy limpio y no deja residuos,
además de la diversidad de formas complejas que se pueden realizar además de que las
piezas casi no necesitan un reacabado final.
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BIBLIOGRAFÍA
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ANEXOS
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