PROCESO DE MANUFACTURA NO CONVENCIONAL

1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA
FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
MECANIZADO
ULTRASÓNICO
Curso : Manufactura Asistida por
Computadora.
Profesor : Roxani Keewong Zapata.
Alumno : Seminario Beltrán Edwin.
Silva Litano Miguel.
-2015-

2. MECANIZADO ULTRASÓNICO (USM)
1. INTRODUCCIÓN
Los procesos para la remoción del material por acción de una herramienta, como
torneado, fresado y taladrado, han sido utilizados de manera activa en la industria
metalmecánica durante años, lo que a permitió un perfeccionamiento en cuanto a su
técnica y maquinaria se refiere, contribuyendo así al mejoramiento en los tiempos de
producción en el sector.
Pero debido a la creciente demanda de piezas con ángulos 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 diseños con altos
grados de dificultad, y que además no presentaran un impacto negativo en las
propiedades físicas de las piezas.
Por esta razón, la remoción de material mediante herramientas de corte, evolucionó y
permitió la creación de nuevos métodos de trabajo, conocidos como mecanizados no
convencionales, son utilizados habitualmente en países como Alemania, Estados
Unidos, Suecia, Italia, España y Corea, que pueden ser acogidos por la industria
peruana, 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.
2. DEFINICIÓN
La mecanización ultrasónica (USM, del inglés ultrasonic machining) utiliza vibraciones
de alta frecuencia y baja amplitud para crear orificios y otras cavidades en materiales
de alta dureza. El mecanizado se logra mediante la oscilación muy rápida de una
herramienta de forma especial sumergida en un abrasivo, la cual también está en
contacto con la pieza de trabajo. Lanza las partículas de abrasivo contra la pieza,
cortándola poco a poco hasta lograr una cavidad de la misma configuración que la
herramienta. Para (Sarachu, 2005) nos dice: “Un abrasivo es todo aquel material o
producto químico cuya dureza es mayor que la del objeto que se va a pulir, desgastar
o alisar.” Un ejemplo de abrasivo son: carburo de silicio, oxido de alumnio, nitruro de
boro, diamante artificial.
El maquinado ultrasónico se desarrolló por la necesidad de maquinar materiales de
trabajo duros y frágiles, tales como la cerámica, el vidrio y los carburos. También se
usa con éxito en los aceros inoxidables y titanio.
Es un proceso de maquinado no tradicional en el cual se utilizan abrasivos a alta
velocidad contenidos en una pasta fluida sobre un trabajo, Para (Groover, 2007) nos
dice: “Se usa una herramienta vibratoria en amplitud baja, alrededor de 0.075 mm
(0.003 in) y en una alta frecuencia, aproximadamente 20 000 Hz. La herramienta oscila
en una dirección perpendicular a la superficie de trabajo y avanza lentamente hacia el
trabajo para que la pieza adopte a forma deseada. Sin embargo, la acción de los
abrasivos es lo que ejecuta el corte, al chocar contra la superficie de trabajo.”

3. 3. HISTORIA
Las perspectivas del uso de ondas sonoras de alta
frecuencia para el mecanizado se observó ya en
1927 por Wood y Loomis. Cuando un líquido está
expuesto a las ondas de ultrasonidos burbujas son
creadas, lo que se conoce como cavitación.
Las ondas sonoras hacen hincapié en estas
burbujas, haciendo que crezcan, contraigan y
finalmente implosionan. Con la implosión, se
producen gran calor y presión, que crean micro
picaduras.
Las primeras patentes sobre USM aparecieron en 1945, presentadas por Balamuth,
mientras investigaba la picadura ultrasónica de polvos abrasivos, Balamuth encontró
que la superficie de un recipiente que contenía la suspensión abrasiva se desintegró
cuando la punta de un transductor de vibración ultrasónica se colocó cerca de ella. Por
otra parte, la forma de la cavidad así producida reprodujo con exactitud la de la punta
del transductor.
4. PROCESO
El mecanizado ultrasónico es una tasa de eliminación de material de baja, suelto
proceso de mecanizado abrasivo en el que la imagen especular de una herramienta en
forma se puede crear en materiales duros, quebradizos. La eliminación de material se
consigue mediante el martilleo directo e indirecta de partículas abrasivas contra una
pieza de trabajo por medio de una herramienta de vibración ultrasónica. Esto es
contrastable con (R. K. Singal, 2008) que nos dice, “El mecanizado ultrasónico se
utiliza para el mecanizado de precisión de materiales duros y quebradizos. Una
suspensión de grano cargado se hace circular entre la pieza y la herramienta. La
herramienta vibra a frecuencia ultrasónica de 20 a 40 KHz y se alimenta gradualmente
a la pieza de trabajo. El material se elimina por la acción abrasiva de la fuerza de
suspensión y el impacto debido a la vibración de la herramienta. La herramienta tiene
la misma forma que la ranura a mecanizar.”
En este proceso el lodo abrasivo se sustituye por una herramienta con abrasivos de
diamantes aglutinados con metal, impregnada o electrodepositada en la superficie de
la herramienta. Esta herramienta se hace girar y vibrar ultrasónicamente, y contra ella
se recarga la pieza con una presión constante, el proceso se parece a una operación
de fresadora.
Los materiales de herramienta comunes que se usan en el USM incluyen el acero
suave y el acero inoxidable. Los materiales abrasivos incluyen el nitrato de boro, el
carburo de boro, el óxido de aluminio, el carburo de silicio y el diamante. El tamaño de
los granos varía entre 100 y 2 000. La amplitud de vibración debe establecerse
aproximadamente igual al tamaño del grano y el tamaño del espaciamiento debe
mantenerse en alrededor de dos veces el del grano. En un grado significativo, el
tamaño del grano determina el acabado superficial en la nueva superficie de trabajo.

4. Además del acabado superficial, la velocidad de remoción de materiales es una
importante variable de rendimiento en el maquinado ultrasónico. Para determinado
material de trabajo, la velocidad de remoción en el USM aumenta, al incrementar la
frecuencia y la amplitud de vibración.
La acción de corte en el USM afecta tanto a la herramienta como al trabajo. Conforme
las partículas abrasivas erosionan la superficie de trabajo, también desgastan la
herramienta y afectan su forma. Por lo tanto, es importante conocer los volúmenes
relativos que se remueven del material de trabajo y de la herramienta durante el
proceso.
Para (Molera Solà, 1989) nos relata el proceso como: “El mecanizado por ultrasonidos
consiste en alimentar a una bobina de devanado con una corriente alterna de 25 KHz.
El campo magnético alterno creado y continuo, debido al imán permanente, actúa
sobre el magnetoestrictor o transductor y este se alarga y contrae 25.000 veces por
segundo con una amplitud de 0.01 mm emitiendo ondas ultrasónicas de igual
frecuencia que la corriente alterna inicial. Las vibraciones del magnetoestrictor se
transmiten al soporte resonante que, a su vez, las transmite a la herramienta a través
de la fuente de perfil. Las dimensiones del soporte suelen ser tales que benefician la
posibilidad de existencia de resonancia entre las vibraciones eléctricas aplicadas junto
con las oscilaciones. Cuando la cabeza de la herramienta contacta con la superficie a
mecanizar la somete al martilleo de frecuencia ultrasónica y penetra en ella,
inyectando una capa de polvo abrasivo entre la herramienta y la pieza, la penetración
es más rápida porque las vibraciones aceleran las partículas abrasivas.”
Generalmente la herramienta se presiona hacia abajo con una fuerza F, entre la
herramienta y el trabajo se inunda con partículas abrasivas duras generalmente en
forma de suspensión a base de agua. Para (Jagadeesha, 2006) nos dice:” La razón
principal para el uso de frecuencias ultrasónicas es el rendimiento”
Para (Bartsch, 1978), “Un magnetoestrictor es una barra ferromagnética que se alarga
la meterla en un campo magnético ”

5. 5. EQUIPO
En este trabajo de investigación se toma en cuenta el grafico de explicativo de
(Jagadeesha, 2006) .
Los principales elementos para (R. K. Singal, 2008) son:
a) Entrada de voltaje y frecuencia ultrasónicos: tambien se le conoce como
generador, convierte la potencia eléctrica disponible de baja frecuencia (50Hz)
a alta potencia de frecuencia del orden de 20 Hz. Este se suministra al
transductor.
b) Transductor: convierte la energía eléctrica en movimiento mecánico
 Transductor magnetoestrictivo: Los materiales ferromagnéticos como el
níquel son magnetizados y la aplicación de corriente a las bobinas que
rodean el material provoca vibraciones.
ENTRADA DE
VOLTAJE Y
FRECUENCIA
ULTRASÓNICAS
AGUA DE
REFRIGERACION
TRANSDUCTOR
BOBINA DE EXITACION
UNIÓN DE SOLDADURA DE
PLATA
TRANSDUCTOR DE CONO
APOYO RESONANTE
Jagadeesha
AGUA DE
REFRIGERACION
HERRAMIENTA EN MOVIMIENTO
FLUIDO ABRASIVO
PUNTA DE LA HERRAMIENTA
PIEZA DE
TRABAJO
HERRAMIENTA
DE CONO

6. 6. VENTAJAS – DESVENTAJAS - APLICACIONES
Puede ser utilizado en materiales duros, frágiles; no genera calor por lo tanto no hay
cambios significativos en la estructura física de la pieza; puede ser adaptada en
nuevas tecnologías; se utiliza para modelados difíciles; el inconveniente es el desgaste
de la herramienta por el líquido abrasivo. Es aplicado en el mecanizado en
componentes auto-motor; en el mecanizado, trefilado, punzonado y troquelado de
pequeños troqueles; mecanizado de componentes cerámicos para perforar agujeros
en vidrio borosilicato para los sensores utilizados en la industria electrónica; la
perforación agujeros muy finos en helicóptero ejes de transmisión de potencia y
engranajes.
7. CLASIFICACIÓN
8. CONCLUSIÓN
La mecanización ultrasónica utiliza vibraciones de alta frecuencia y baja amplitud para
crear orificios y otras cavidades en materiales de alta dureza, la herramienta se
presiona hacia abajo con una fuerza F, entre la herramienta y el trabajo se inunda con
partículas abrasivas duras generalmente en forma de suspensión a base de agua
mediante las frecuencias del ultrasonido.
9. BIBLIOGRAFÍA
Bartsch, W. (1978). Herramientas , Maquinas, Trabajo. Barcelona: Editorial Reverté.
Groover, M. P. (2007). Fundamentos de Manufactura Moderna. Mexico: McGRAW-
HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A.
Jagadeesha, T. (2006). Ultrasonic machining. Calicut: National Institute of Technology.
Leonardo Acevedo Velandia, l. G. Análisis de los procesos de manufactura enfocado al
diseño de partes. Multimedia de capacitación. Universidad industrial de santander,
Bucaramanga.
Molera Solá, P. (1989). Electromecanizado: electroerosión y mecanizado
electroquímico. Barcelona: Productica.
R. K. Singal, M. S. (2008). Fundamentals of Machining and Machine Tools. New Dheli:
I. K. International Pvt Ltd.
Sarachu, H. (2005). Diamantados, Abrasivos. ROC MAQUINA, 120.