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Los procesos para la remoción del material por acción de una herramienta, como torneado, fresado y taladra-do, han sido utilizados de manera activa en la industria metalmecánica durante años, lo que a permitió un per-feccionamiento en cuanto a su técnica y maquinaria se refiere, contribuyendo así al mejoramiento en los tiem-pos de producción en el sector.
Pero debido a la creciente demanda de piezas con án-gulos y cavidades difíciles de diseñar, las cuales no se podían alcanzar con los métodos convencionales, la industria evidenció la necesidad de desarrollar nuevas técnicas para la remoción de material, con las cuales se facilitara la manipulación de los metales y crear di-seños con altos grados de dificultad, y que además no presentaran un impacto negativo en las propiedades físicas de las piezas.
Foto: i1.ytimg.com
Nuevas Tendencias de MecanizadoJose Luis Ordóñez JiménezPeriodista Metal Actual
Procesos que dejan de lado las afiladas herramientas de corte
Además de los procesos tradicionales de mecanizado como torneado, taladrado y fresado, nuevos métodos para remover material en piezas de metal, se abren camino mediante técnicas que se basan en el manejo de la energía mecánica, térmica y química, para dar paso a una nueva opción en los procesos de maquinado.
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Por esta razón, la remoción de mate-rial mediante herramientas de corte, evolucionó y permitió la creación de nuevos métodos de trabajo, conoci-dos como mecanizados no conven-cionales, los cuales se caracterizan por realizar una remoción de material, sin tener un contacto directo de la he-rramienta sobre la parte a mecanizar, para así obtener piezas con formas y ángulos más definidos, sin afectar la dureza y tenacidad del metal.
Estos procesos de mecanizado no convencional, se pueden clasificar en tres grupos, de acuerdo al tipo de energía a utilizar, ya sea mecá-nica, térmica o química, con los que actualmente se obtienen piezas de gran calidad, en industrias como la electrónica, militar y aeroespacial.
En la actualidad, los procesos no con-vencionales dejaron la fase experi-mental para llegar a ser utilizados habitualmente en países como Ale-mania, Estados Unidos, Suecia, Italia, España y Corea, lo que les vale para ser países referentes en la implemen-tación de nuevos métodos de mecani-zado, que pueden ser acogidos por la industria colombiana, para impulsar una nueva forma de producción, con la cual se pueda cumplir con todas las exigencias en costos, plazo y calidad que exige el mercado.
Ultrasonic MachiningUna de estas nuevas técnicas, es co-nocida por sus siglas en inglés, como USM –Ultrasonic Machining–, o meca-nizado ultrasónico, el cual es utilizado en procesos de tecnología electrónica, procesamiento de materiales para re-actores nucleares, perforado de ma-teriales compuestos para la aviación, boquillas de soldadura, y también, en el desarrollo de lentes cóncavos,
La vibración que se produce en el mecanizado ultrasónico, tiene una frecuencia próxima a los 20kHz, una vibración de unas 20.000 veces por segundo.
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Mecanizados No Convencionales
Mecánico Térmico Químico
Ultrasonido Hazdeelectrones Electro-químico
Chorroabrasivo¹ Electroerosión²
convexos y espejos, de zafiro, zilicio y vidrio, para la industria óptica.
Además, la industria automotriz la utiliza para se desarrollan compo-nentes como discos de freno, en ni-truro de silicio, y acero templado.
“La técnica USM se desarrolló por la necesidad de maquinar de manera precisa, materiales
como cerámica, vidrio, carburos, piedras preciosas, aluminio y
acero templado.”
En este proceso se utiliza una solu-ción líquida, contenida en un reci-piente, que es una mezcla de agua y partículas de nitrato y carburo de boro, óxido de aluminio, carburo de silicio y diamante, con una concen-tración en el agua, la cual varía del 20 al 60 por ciento, que circula cons-tantemente a lo largo del proceso de mecanizado, con el propósito de desprender el material, y además, retirar la viruta y restos del material producido durante el proceso.
Dentro de este líquido abrasivo, se sumergen la pieza metálica a traba-jar y una herramienta de trabajo que tiene la forma de la cavidad a for-mar en el metal, elaborada en acero inoxidable o molibdeno, que vibra y se desplaza perpendicularmente
sobre la pieza de trabajo, con una dis-tancia constante de 0,1 mm, entre la herramienta y la superficie metálica.
El movimiento de la herramienta vi-bratoria, hace que las partículas abra-sivas choquen con la pieza metálica, lo que genera el desprendimiento del metal, gracias a las altas tensiones producidas por la vibración, y las par-tículas contenidas en el líquido abrasi-vo. Para controlar la cantidad de ma-terial removido, se regula la potencia de la máquina, que debe oscilar entre los 200 y 2400w. (Ver gráfica 1).
Gráfica 1
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Una variación de esta técnica, es co-nocida como mecanizado por ultra-sonidos rotatorio, en donde no se requiere de un sistema de almacena-miento del líquido abrasivo, sino una manguera que direcciona el fluido a medida que la herramienta se mueve.
La herramienta vibratoria de perfo-ración, es notoriamente más peque-ña que la utilizada en USM, la cual a medida que vibra, gira con una velo-cidad de 5000 rpm sobre el material a trabajar, para conseguir geome-trías difícilmente alcanzables con el mecanizado tradicional.
Electron Beam MeltingEl haz de electrones o EBM –por su nombre en inglés, Electron Beam Melting–, es utilizado en la industria electrónica, para grabar circuitos de microprocesadores, en la biomedi-cina, bioingeniería, automoción y aeroespacial, en países como Suecia, Italia y Estados Unidos, para la ela-boración de prototipos y piezas de alto rendimiento.
“El primer trabajo que se adelantó con la técnica EBM, se
realizó con un prototipo de la máquina de haz de electrones,
desarrollada en Alemania, a mediados de 1947.”
Este método se lleva a cabo dentro de una máquina que cuenta con un sistema de vacío, con el propósito de proteger el metal de la atmósfera, para producir acabados de super-ficie finas, gracias a la ausencia de oxígeno, con resultados más precisos que otros procesos de mecanizado.
En el EBM se genera el desprendi-miento de metal, mediante un haz fo-calizado de electrones que vaporiza el material. Este proceso se inicia cuando un filamento de tungsteno, situado en la parte superior de la máquina, produce un haz con 3.000 vatios de potencia, que es dirigido a la pieza a mecanizar, mediante la ayuda de cam-pos electromagnéticos y bobinas, los
cuales lo focalizan para fundir el ma-terial de manera controlada.
Otro de los mecanizados no conven-cionales que utiliza la energía tér-mica, es conocido como LBM, Laser Beam Machining, este mecanizado con rayo láser, utiliza la energía tér-mica, sin contacto, focalizando un haz de láser para crear agujeros o perfiles con geometrías complejas, con el mismo principio del EBM.
Esta remoción se puede adelantar en superficies metálicas y sustratos de vidrio, cerámica, teflón, PVC, y materiales que absorban la radia-ción láser y no la reflejen, ya que los rayos producidos en el proceso son perjudiciales para el operario.
Electrochemical MachiningDe los tipos de mecanizado no con-vencional, este es el más antiguo, puesto que se desarrolló a media-dos de 1950, con el propósito de hacer grabados decorativos. Pero su aplicación en la industria metalme-cánica se produjo años más tarde, cuando fue probado con éxito en la resolución de los problemas de peso en carcasas de misiles, al eliminar
una parte de la superficie metálica por medio de disolución con reacti-vos químicos.
Actualmente, este proceso es utiliza-do en piezas que requieren mecani-zados de precisión, como microcom-ponentes o metales con cavidades profundas y difíciles de alcanzar.
Este tipo de mecanizado tiene nu-merosas aplicaciones en la industria electrónica y automotriz, además, es utilizado frecuentemente en la industria aeroespacial, gracias a que permite eliminar grandes cantidades de metal, y obtener piezas que no pueden ser mecanizadas fácilmente a través de los métodos tradicionales.
El proceso inicia con una limpieza del metal a mecanizar, para que la reacción química presente los resul-tados deseados. Posteriormente, el área que no requiere de desbaste, debe ser protegida con cintas, mate-riales poliméricos o máscaras conoci-das como resist, para así sumergir la pieza en la solución química y gene-rar el proceso de desgaste en puntos focalizados.
La cantidad de material eliminado, se controla por medio de la concentración
El proceso EBM debe ser dirigido por personal capacitado, debido a que el haz de electrones, produce rayos X perjudiciales para el ser humano.
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en la solución química, el tiempo de permanencia en el tanque y la tempe-ratura en el proceso, según el material a mecanizar. (Ver tabla 2).
Una de las variaciones que presenta el mecanizado químico, se conoce como ECM, –por su nombre en inglés Electrochemical Machining–, un pro-ceso en donde se controla la disolu-ción a nivel atómico de la pieza de trabajo, eléctricamente conducida por una herramienta a través de un
(Tabla 2) Tasas de Penetración en Materiales con Mecanizado QuímicoMaterial Químico Tasa de penetración mm/minuto
Aluminio FeCl3 0.020AleacionesdeAluminio NaOH 0.020Cobre FeCl3 0.050Aleacionesdecobre FeCl3 0.050Magnesio H2SO4 0.038Aleacionesdemagnesio H2SO4 0.038Silicio HNO3:HN:H2O 0.001Acero HCI:HNO3FeCl3 0.020Titanio HF 0.025Aleacionesdetitanio HF:HNO3 0.025
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electrolito, el cual a menudo es nitra-to o cloruro sódico. (Ver gráfica 2).
En el proceso del ECM, se genera el paso de una corriente continua con alta densidad y baja tensión, entre la pieza a trabajar –ánodo– y la herramienta de trabajo –cátodo–, para disolver el metal por acción de una fuente de corriente continua, que fluye a través de una so-lución de electrolitos, con una tempe-ratura y conductibilidad constante, que garantiza la calidad del trabajo.
Gráfica 2
De esta manera, el material a meca-nizar no es expuesto a estrés, ya sea térmico o mecánico, lo que permite que este proceso sea ideal para el mecanizado de piezas frágiles, ade-más, no existe contacto entre la he-rramienta y pieza de trabajo, lo que permite crear formas en tres dimen-siones, al igual que troqueles, mol-des, cavidades, agujeros y ranuras, sobre todo tipo de material, siem-pre y cuando este sea conductor de electricidad.
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Tendencia a Nivel MundialEl direccionamiento que presentan las nuevas tecnologías de manun-factura no convencional, para ha-cer más productivo los procesos de mecanizado a nivel mundial, se en-foca hacia la creación de procesos híbridos, en donde el concepto de máquina herramienta, permite utili-zar dos tipos de mecanizado en un mismo sistema, con el propósito de optimizar los tiempos de trabajo.
Además, esta tendencia proyecta el futuro de los mecanizados hacia el manejo óptimo de los recursos, des-de la perspectiva de la eficiencia en el uso de insumos y energía, para desarrollar procesos y equipos que se caractericen por tener un mínimo desperdicio de recursos, con el uso de menos energía.
Otra de las tendencias que se visuali-zan en el horizonte del mecanizado no convencional, es el micro mecani-zado, en donde el fresado, taladra-do y la electroerosión, permitirán trabajar ángulos que el mecanizado convencional no puede alcanzar, con ventajas como el poder cortar mate-riales compuestos, de alta dureza, y lograr en estos mayores niveles de
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precisión, con geometrías complejas a una escala micro.
Mecanizado No Convencional en ColombiaDesde la década de los 80, Colom-bia adoptó la tecnología de la elec-troerosión, como una de las prin-cipales técnicas de mecanizados no tradicionales, para desarrollar
trabajos de alta calidad en diferen-tes campos de la industria nacional.
Por esta misma época, países como Portugal, Brasil y China, además de la electroerosión, acogieron nuevas tecnologías de mecanizado no con-vencional, como ultrasonido y quí-mico, lo que les permitió impulsar estos procesos de una etapa expe-rimental a una industrial, y de esta manera, adoptar una nueva forma de implementación y reorganización en sus industrias, que involucró te-mas como la logística de producción, los tiempos de respuestas, y mecani-zados de alta velocidad, brindándo-les gran competitividad en el sector.
Para el Ingeniero y PhD Carlos Julio Cortés, profesor de la Universidad Nacional de Colombia, “actualmente Colombia no tiene un papel competi-tivo en el mundo del mecanizado, por la falta de adopción de nuevos tipos de mecanizado no convencional”.
Además, agrega Cortés, “implemen-tar un mecanizado no convencional, en empresas que trabajan con pro-cesos tradicionales, para remover material en piezas de metal, supone cambios en cuanto a maquinaria y herramientas se refiere, al igual que una renovación en los pasos de pro-ducción, para capacitar a trabajado-res y adaptar diferentes procesos a
Empresas alemanas y japonesas, fabrican maquinaria híbrida a pedido, para realizar mecanizados a escala micro.
Por diseño modular, las máquinas diseñadas para el mecanizado ECM, permite numerosas posibilidades de configuración, para diferentes tipos de empresas.
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los nuevos y mejorados tiempos de trabajo, que brinda la implementación de una nueva tecnología, que puede beneficiar al dinamismo en el sector”.
Por su parte, Milton Mauricio Herrera Ramírez, líder del Grupo Innovación y Gestión IG, de la Universidad Piloto de Colombia opina que, “los procesos, y programas (soft-ware) con capacidad de gestionar mejorados métodos de producción al interior de las empresas, se manejan en Colombia, pero no de manera cotidiana”, un punto que realza la necesidad de implementar estos programas, a lo largo de todas las empresas colombianas dedicadas al mecanizado, para así posicionar la industria nacional, en niveles de competitividad internacional.
Por tanto, conocer y adoptar de forma activa los sistemas de mecanizado no convencional, apoyados de una efectiva nivelación en temas técnicos en el país, permitirá un nue-vo impulso al mercado del mecanizado en Colombia, con miras a una competitividad internacional, que genere be-neficios tanto a las empresas, como a clientes por igual.
Citas
1. Para leer más sobre el Corte por Chorro de Agua, consulte el artículo Equipos de Corte por Chorro de Agua, publicado en la edición número 9, de Metal Actual, o consulte la página www.metalactual.com/revis-ta/9/herramientas_de_corte.pdf
2. Para leer más sobre la Electroerosión, consulte el artículo Electroero-sionadoras, para quienes buscan exactitud y precisión, publicado en la edición número 11, de Metal Actual, o consulte la página www.metalactual.com/revista/11/procesoselectro.pdf
Fuentes
• Carlos Julio Cortés, Docente del Posgrado de Materiales de la Univer-sidad Nacional de Colombia, [email protected]
• Milton Mauricio Herrera Ramírez, Líder Grupo Innovación y Gestión IG, Universidad Piloto de Colombia [email protected]
• www.virtual.unal.edu.co, www. prezi.com, www.ehu.es, www.turnxon.com, micromanufacturing.net, ceramicindustry-com, kennametal.com, kern-microtechnic.com, margune.org
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