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MACHINING
ULTRASONIC
MECANIZADO POR ULTRASONIDO
(USM)
El USM (Ultra Sonic Machining), también conocido como
rectificado por impacto ultrasónico, es un método en el que se
emplea una herramienta y abrasivos sueltos. Se hace vibrar la
herramienta a una frecuencia ultrasónica y ésta arrastra a los
abrasivos generando una rotura frágil en la superficie de la
pieza.
La forma y dimensiones de la pieza están en función de la
herramienta. Como el arranque del material está basado en la
rotura frágil, este método es adecuado para mecanizar
materiales tan frágiles como el vidrio, los materiales
cerámicos, el silicio ó el grafito, y prácticamente cualquier
material duro.
MECANIZADO POR ULTRASONIDO
(USM)
MECANIZADO POR ULTRASONIDO
(USM)
En este proceso se utiliza una solución líquida, contenida en un
recipiente, que es una mezcla de agua y partículas de nitrato y
carburo de boro, óxido de aluminio, carburo de silicio y
diamante, con una concentración en el agua, la cual varía del
20 al 60 por ciento, que circula constantemente 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.
“La técnica USM se desarrolló
por la necesidad de maquinar
de manera precisa, materiales
como cerámica, vidrio, carburos,
piedras preciosas, aluminio y
acero templado.”
MECANIZADO POR ULTRASONIDO
(USM)
Dentro de este líquido abrasivo, se sumergen la pieza metálica
a trabajar y una herramienta de trabajo que tiene la forma de
la cavidad a formar en el metal, elaborada en acero inoxidable
o molibdeno, que vibra y se desplaza perpendicularmente sobre
la pieza de trabajo, con una distancia constante de 0,1 mm,
entre la herramienta y la superficie metálica.
El movimiento de la herramienta vibratoria, hace que las
partículas abrasivas choquen con la pieza metálica, lo que
genera el desprendimiento del metal, gracias a las altas
tensiones producidas por la vibración, y las partículas
contenidas en el líquido abrasivo.
Para controlar la cantidad de material removido, se regula la
potencia de la máquina, que debe oscilar entre los 200 y
2400w. (Ver gráfica 1).
MECANIZADO POR ULTRASONIDO
(USM)
MECANIZADO POR ULTRASONIDO
(USM)
TIPOS DE MECANIZADO POR ULTRASONIDO
+ USM + RUM (Rotatory)
MECANIZADO POR ULTRASONIDO
(USM)
ABRASIVOS EMPLEADOS
Partículas microscópicas de diamante, nitruro de boro,
carburo de boro…
Tamaño y forma homogéneos, no superiores a la amplitud de
vibración.
MECANIZADO POR ULTRASONIDO
(USM)
Es utilizado en procesos de tecnología electrónica, procesamiento de
materiales para reactores nucleares, perforado de materiales
compuestos para la aviación, boquillas de soldadura, y también, en el
desarrollo de lentes cóncavos, convexos y espejos, de zafiro, zilicio y
vidrio, para la industria óptica.
Además, la industria automotriz la utiliza para se desarrollan
componentes como discos de freno, en nitruro de silicio, y acero
templado.
APLICACIONES
MECANIZADO POR ULTRASONIDO
(USM)
MEDICINA
Articulaciones, coronas
dentales en materiales
ceramicos varios como
Zirconio, Alumina.
SEMICONDUCTORES
Plaquitas (Wafer), elementos
de refigeracion en materiales
como Silicio, Cuarzo, Hialino.
APLICACIONES
MECANIZADO POR ULTRASONIDO
(USM)
VENTAJAS
Reducción de los esfuerzos
de corte, de la carga
térmica a la pieza
Gran acabado superficial,
puliéndose hasta suprimir
el pulido
La herramienta
experimenta un proceso de
auto limpieza
Aumenta la vida a fatiga
Mayores tasas de arranque
que en el caso de los
proceso convencionales
DESVENTAJAS
Cuando la profundidad de
corte axial es muy baja, la
rugosidad no es
significativa
Es mas costoso que los
procesos de mecanizado
convencionales
Rotary ultrasonic machining of potassium
dihydrogen phosphate (KDP) crystal: An
experimental investigation on surface roughness
• Dihidrógeno fosfato de potasio (KDP) de cristal, ampliamente utilizado
para las piezas electro-ópticos importantes, es un material difícil de
máquina típica debido a sus propiedades suaves, frágiles, y anisotrópicos.
De alta calidad por lo general se requiere para las superficies mecanizadas
en las partes del PDK. Métodos de mecanizado referidos del cristal KDP
incluyen torneado con diamante, pulido, acabado magneto, y el pulido.
Cada uno de estos métodos tiene sus limitaciones. Por lo tanto, es
deseable desarrollar nuevos métodos de mecanizado para cristal PDK. Este
artículo presenta una investigación experimental sobre la rugosidad
superficial en el mecanizado por ultrasonidos rotatorio (RUM) de KDP. Se
encontró que la rugosidad de la superficie obtenida cuando se utiliza una
herramienta con un chaflán fue menor que la obtenida usando
herramientas con las esquinas en ángulo recto. Otras variables del proceso
(velocidad de giro, velocidad de avance, y el poder de ultrasonido)
también afectaron a la rugosidad de la superficie obtenida.
INVESTIGACION 1
LA INVESTIGACIÓN Y LA MODELIZACIÓN TASA
HERRAMIENTA DE DESGASTE EN EL MECANIZADO POR
ULTRASONIDOS DE TITANIO
• El titanio se conoce como el metal del futuro debido a su excelente combinación de
propiedades tales como alta resistencia específica, baja conductividad térmica, y
resistencia a la corrosión. Hay una necesidad crítica para el desarrollo y el
establecimiento de métodos rentables para el mecanizado de titanio,
especialmente en términos de optimización de herramientas de desgaste.Este
documento aborda la aplicación de mecanizado de ultrasonidos, un proceso de
mecanizado de impacto para el mecanizado rentable de titanio comercialmente
puro (ASTM Grado-I) y la evaluación de la tasa de herramienta-desgaste bajo el
efecto de diferentes parámetros de proceso. Material de herramienta, material
abrasivo, concentración de la suspensión, el tamaño del grano abrasivo, y potencia
de la máquina de ultrasonidos se incluyeron como los factores de entrada en esta
investigación. Los valores óptimos de estos parámetros se determinaron a través de
experimentos planificados, realizados y analizados utilizando el método de
Taguchi. Los parámetros importantes que contribuyen más a la variación en la tasa
de desgaste de herramientas fueron identificados y los resultados obtenidos fueron
validados mediante la realización de los experimentos de confirmación.A partir de
entonces, el resultado del modelo de Taguchi ha sido utilizado para el desarrollo de
una micro-modelo para la tasa de desgaste de la herramienta-(RTM); usando pastel
teorema de Buckingham. Una comparación de los resultados experimentales
obtenidos asistencias en la validación del modelo.
INVESTIGACION 2
POSIBILIDADES DEL MECANIZADO POR
ULTRASONIDOS ROTATORIO PARA FOMENTAR EL USO
DE LAS CERÁMICAS TÉCNICAS EN EL MERCADO
ESPAÑOL ACTUAL
Las propiedades mecánicas de las cerámicas técnicas son adecuadas para aplicaciones en
diferentes sectores como la medicina (prótesis,...), automóvil (rodamientos,….),
aeroespacial (loseta,…), óptica (láser,…), etc. donde se requieren características como la
gran resistencia al desgaste, alta dureza y estabilidad termoquímica. Sin embargo, la
fabricación de estos materiales es difícil y costosa, en algunos casos alcanzando el 90% del
coste final, por lo que su aplicación está limitada. Este trabajo presenta el mecanizado por
ultrasonidos rotatorio (RUM) como un proceso no convencional que permite la fabricación de
piezas cerámicas con geometrías 3D complejas de manera ecológica y económica. Este
método consiste en la eliminación de material utilizando una herramienta superabrasiva
dotada de 3 movimientos: rotación, vibración axial ultrasónica (20 KHz) y avance contra la
pieza fija. Este proceso combina el rectificado convencional y el mecanizado por ultrasonidos
logrando mayores volúmenes de material evacuado manteniendo las fuerzas de corte bajas.
De esta manera, se superan las limitaciones de los métodos convencionales utilizados
actualmente, obteniendo procesos más precisos, flexibles y económicos.
En definitiva, el RUM es un proceso prometedor para las operaciones de mecanizado de
cerámicas estructurales. Sus características permitirán fomentar el uso de las cerámicas en
un mayor número de aplicaciones industriales.
INVESTIGACION 3
ESTUDIO DEL MECANIZADO DE
MATERIALES COMPUESTOS
La idea de realizar el siguiente proyecto surge debido al gran
desconocimiento que se tiene sobre el comportamiento de los
materiales compuestos reforzados con fibras al ser mecanizados y al
gran incremento que están teniendo hoy en día estos materiales en la
industria.
Hasta ahora, se cuenta con una escasa bibliografía sobre su
comportamiento al ser mecanizados y no pueden ser comparados con
otros materiales como los metales. Por ello, en este trabajo se
tienen como objetivos validar el modelo propuesto para materiales
compuestos reforzados con fibras de vidrio (GFRP) y analizar cómo se
comportan los materiales compuestos reforzados con fibras de
carbono (CFRP). Por último, se hace una comparación del
comportamiento de estos dos tipos de materiales, para sacar
conclusiones del comportamiento de un material dúctil como el vidrio
y otro frágil como el carbono.
INVESTIGACION 4
SURFACE MODIFICATIONS OF AL–ZN–MG ALLOY USING
COMBINED EDM WITH ULTRASONIC MACHINING AND
ADDITION OF TIC PARTICLES INTO THE DIELECTRIC
• Este estudio propone un nuevo procedimiento combinado que integra
mecanizado por electroerosión (EDM) y el mecanizado ultrasónico (USM)
para investigar el rendimiento de mecanizado y modificación de la
superficie de la aleación Al-Zn-Mg. En el experimento, se añadieron
partículas de TiC en el dieléctrico para explorar la influencia del proceso
combinado de la velocidad de eliminación de material (MRR), la relación
de desgaste del electrodo relativa (rewr), la rugosidad de la superficie y la
expansión del agujero mecanizado. Las distribuciones elementales de
titanio y el carbono en la sección transversal se determinaron
cuantitativamente usando un electrón sonda de micro-analizador (EPMA).
La microdureza y el desgaste de las pruebas de resistencia se llevaron a
cabo para evaluar las modificaciones en la superficie mecanizada causado
por el proceso combinado. Los resultados experimentales muestran que el
proceso combinado se asoció con un mejor rendimiento de mecanizado.
La combinación de la electroerosión con USM produjo una capa de
aleación que la mejora de la dureza y la resistencia al desgaste de la
superficie mecanizada
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  • 2. MECANIZADO POR ULTRASONIDO (USM) El USM (Ultra Sonic Machining), también conocido como rectificado por impacto ultrasónico, es un método en el que se emplea una herramienta y abrasivos sueltos. Se hace vibrar la herramienta a una frecuencia ultrasónica y ésta arrastra a los abrasivos generando una rotura frágil en la superficie de la pieza. La forma y dimensiones de la pieza están en función de la herramienta. Como el arranque del material está basado en la rotura frágil, este método es adecuado para mecanizar materiales tan frágiles como el vidrio, los materiales cerámicos, el silicio ó el grafito, y prácticamente cualquier material duro.
  • 4. MECANIZADO POR ULTRASONIDO (USM) En este proceso se utiliza una solución líquida, contenida en un recipiente, que es una mezcla de agua y partículas de nitrato y carburo de boro, óxido de aluminio, carburo de silicio y diamante, con una concentración en el agua, la cual varía del 20 al 60 por ciento, que circula constantemente 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. “La técnica USM se desarrolló por la necesidad de maquinar de manera precisa, materiales como cerámica, vidrio, carburos, piedras preciosas, aluminio y acero templado.”
  • 5. MECANIZADO POR ULTRASONIDO (USM) Dentro de este líquido abrasivo, se sumergen la pieza metálica a trabajar y una herramienta de trabajo que tiene la forma de la cavidad a formar en el metal, elaborada en acero inoxidable o molibdeno, que vibra y se desplaza perpendicularmente sobre la pieza de trabajo, con una distancia constante de 0,1 mm, entre la herramienta y la superficie metálica. El movimiento de la herramienta vibratoria, hace que las partículas abrasivas choquen con la pieza metálica, lo que genera el desprendimiento del metal, gracias a las altas tensiones producidas por la vibración, y las partículas contenidas en el líquido abrasivo. Para controlar la cantidad de material removido, se regula la potencia de la máquina, que debe oscilar entre los 200 y 2400w. (Ver gráfica 1).
  • 7. MECANIZADO POR ULTRASONIDO (USM) TIPOS DE MECANIZADO POR ULTRASONIDO + USM + RUM (Rotatory)
  • 8. MECANIZADO POR ULTRASONIDO (USM) ABRASIVOS EMPLEADOS Partículas microscópicas de diamante, nitruro de boro, carburo de boro… Tamaño y forma homogéneos, no superiores a la amplitud de vibración.
  • 9. MECANIZADO POR ULTRASONIDO (USM) Es utilizado en procesos de tecnología electrónica, procesamiento de materiales para reactores nucleares, perforado de materiales compuestos para la aviación, boquillas de soldadura, y también, en el desarrollo de lentes cóncavos, convexos y espejos, de zafiro, zilicio y vidrio, para la industria óptica. Además, la industria automotriz la utiliza para se desarrollan componentes como discos de freno, en nitruro de silicio, y acero templado. APLICACIONES
  • 10. MECANIZADO POR ULTRASONIDO (USM) MEDICINA Articulaciones, coronas dentales en materiales ceramicos varios como Zirconio, Alumina. SEMICONDUCTORES Plaquitas (Wafer), elementos de refigeracion en materiales como Silicio, Cuarzo, Hialino. APLICACIONES
  • 11. MECANIZADO POR ULTRASONIDO (USM) VENTAJAS Reducción de los esfuerzos de corte, de la carga térmica a la pieza Gran acabado superficial, puliéndose hasta suprimir el pulido La herramienta experimenta un proceso de auto limpieza Aumenta la vida a fatiga Mayores tasas de arranque que en el caso de los proceso convencionales DESVENTAJAS Cuando la profundidad de corte axial es muy baja, la rugosidad no es significativa Es mas costoso que los procesos de mecanizado convencionales
  • 12. Rotary ultrasonic machining of potassium dihydrogen phosphate (KDP) crystal: An experimental investigation on surface roughness • Dihidrógeno fosfato de potasio (KDP) de cristal, ampliamente utilizado para las piezas electro-ópticos importantes, es un material difícil de máquina típica debido a sus propiedades suaves, frágiles, y anisotrópicos. De alta calidad por lo general se requiere para las superficies mecanizadas en las partes del PDK. Métodos de mecanizado referidos del cristal KDP incluyen torneado con diamante, pulido, acabado magneto, y el pulido. Cada uno de estos métodos tiene sus limitaciones. Por lo tanto, es deseable desarrollar nuevos métodos de mecanizado para cristal PDK. Este artículo presenta una investigación experimental sobre la rugosidad superficial en el mecanizado por ultrasonidos rotatorio (RUM) de KDP. Se encontró que la rugosidad de la superficie obtenida cuando se utiliza una herramienta con un chaflán fue menor que la obtenida usando herramientas con las esquinas en ángulo recto. Otras variables del proceso (velocidad de giro, velocidad de avance, y el poder de ultrasonido) también afectaron a la rugosidad de la superficie obtenida. INVESTIGACION 1
  • 13. LA INVESTIGACIÓN Y LA MODELIZACIÓN TASA HERRAMIENTA DE DESGASTE EN EL MECANIZADO POR ULTRASONIDOS DE TITANIO • El titanio se conoce como el metal del futuro debido a su excelente combinación de propiedades tales como alta resistencia específica, baja conductividad térmica, y resistencia a la corrosión. Hay una necesidad crítica para el desarrollo y el establecimiento de métodos rentables para el mecanizado de titanio, especialmente en términos de optimización de herramientas de desgaste.Este documento aborda la aplicación de mecanizado de ultrasonidos, un proceso de mecanizado de impacto para el mecanizado rentable de titanio comercialmente puro (ASTM Grado-I) y la evaluación de la tasa de herramienta-desgaste bajo el efecto de diferentes parámetros de proceso. Material de herramienta, material abrasivo, concentración de la suspensión, el tamaño del grano abrasivo, y potencia de la máquina de ultrasonidos se incluyeron como los factores de entrada en esta investigación. Los valores óptimos de estos parámetros se determinaron a través de experimentos planificados, realizados y analizados utilizando el método de Taguchi. Los parámetros importantes que contribuyen más a la variación en la tasa de desgaste de herramientas fueron identificados y los resultados obtenidos fueron validados mediante la realización de los experimentos de confirmación.A partir de entonces, el resultado del modelo de Taguchi ha sido utilizado para el desarrollo de una micro-modelo para la tasa de desgaste de la herramienta-(RTM); usando pastel teorema de Buckingham. Una comparación de los resultados experimentales obtenidos asistencias en la validación del modelo. INVESTIGACION 2
  • 14. POSIBILIDADES DEL MECANIZADO POR ULTRASONIDOS ROTATORIO PARA FOMENTAR EL USO DE LAS CERÁMICAS TÉCNICAS EN EL MERCADO ESPAÑOL ACTUAL Las propiedades mecánicas de las cerámicas técnicas son adecuadas para aplicaciones en diferentes sectores como la medicina (prótesis,...), automóvil (rodamientos,….), aeroespacial (loseta,…), óptica (láser,…), etc. donde se requieren características como la gran resistencia al desgaste, alta dureza y estabilidad termoquímica. Sin embargo, la fabricación de estos materiales es difícil y costosa, en algunos casos alcanzando el 90% del coste final, por lo que su aplicación está limitada. Este trabajo presenta el mecanizado por ultrasonidos rotatorio (RUM) como un proceso no convencional que permite la fabricación de piezas cerámicas con geometrías 3D complejas de manera ecológica y económica. Este método consiste en la eliminación de material utilizando una herramienta superabrasiva dotada de 3 movimientos: rotación, vibración axial ultrasónica (20 KHz) y avance contra la pieza fija. Este proceso combina el rectificado convencional y el mecanizado por ultrasonidos logrando mayores volúmenes de material evacuado manteniendo las fuerzas de corte bajas. De esta manera, se superan las limitaciones de los métodos convencionales utilizados actualmente, obteniendo procesos más precisos, flexibles y económicos. En definitiva, el RUM es un proceso prometedor para las operaciones de mecanizado de cerámicas estructurales. Sus características permitirán fomentar el uso de las cerámicas en un mayor número de aplicaciones industriales. INVESTIGACION 3
  • 15. ESTUDIO DEL MECANIZADO DE MATERIALES COMPUESTOS La idea de realizar el siguiente proyecto surge debido al gran desconocimiento que se tiene sobre el comportamiento de los materiales compuestos reforzados con fibras al ser mecanizados y al gran incremento que están teniendo hoy en día estos materiales en la industria. Hasta ahora, se cuenta con una escasa bibliografía sobre su comportamiento al ser mecanizados y no pueden ser comparados con otros materiales como los metales. Por ello, en este trabajo se tienen como objetivos validar el modelo propuesto para materiales compuestos reforzados con fibras de vidrio (GFRP) y analizar cómo se comportan los materiales compuestos reforzados con fibras de carbono (CFRP). Por último, se hace una comparación del comportamiento de estos dos tipos de materiales, para sacar conclusiones del comportamiento de un material dúctil como el vidrio y otro frágil como el carbono. INVESTIGACION 4
  • 16. SURFACE MODIFICATIONS OF AL–ZN–MG ALLOY USING COMBINED EDM WITH ULTRASONIC MACHINING AND ADDITION OF TIC PARTICLES INTO THE DIELECTRIC • Este estudio propone un nuevo procedimiento combinado que integra mecanizado por electroerosión (EDM) y el mecanizado ultrasónico (USM) para investigar el rendimiento de mecanizado y modificación de la superficie de la aleación Al-Zn-Mg. En el experimento, se añadieron partículas de TiC en el dieléctrico para explorar la influencia del proceso combinado de la velocidad de eliminación de material (MRR), la relación de desgaste del electrodo relativa (rewr), la rugosidad de la superficie y la expansión del agujero mecanizado. Las distribuciones elementales de titanio y el carbono en la sección transversal se determinaron cuantitativamente usando un electrón sonda de micro-analizador (EPMA). La microdureza y el desgaste de las pruebas de resistencia se llevaron a cabo para evaluar las modificaciones en la superficie mecanizada causado por el proceso combinado. Los resultados experimentales muestran que el proceso combinado se asoció con un mejor rendimiento de mecanizado. La combinación de la electroerosión con USM produjo una capa de aleación que la mejora de la dureza y la resistencia al desgaste de la superficie mecanizada INVESTIGACION 5