Lección 6.9CortarCapítulo 6 · Corte y mecanizado no convencional

Mecanizado ultrasónico

Una herramienta que vibra martillea granos abrasivos contra la superficie

El mecanizado ultrasónico hace vibrar una herramienta con forma unas 20.000 veces por segundo contra un material duro y quebradizo, a través de una pasta de granos abrasivos. Cada golpe arranca microscópicas escamas, así que la forma de la herramienta se hunde despacio en el vidrio o la cerámica sin agrietarlos. Hace los agujeros cuadrados, en forma de estrella y ranurados en vidrio y cerámica que una broca haría añicos.

Foto: Public domain, vía Wikimedia Commons

Mecanizado ultrasónico · la máquina y un detalle ampliado de la punta de la herramientaLos números en círculo coinciden con los pasos de abajo; el detalle de la derecha amplía la punta de la herramienta.

Cómo funciona

Genera la señal. Un generador produce una señal eléctrica normalmente de 18–40 kHz (miles de ciclos por segundo), justo por encima del rango del oído humano.
Conviértela en vibración. Un transductor piezoeléctrico (una pila de cristales que crece y se encoge con la tensión) convierte la señal en vibración mecánica.
Amplifícala. La bocina, o sonotrodo (una barra metálica cónica), amplía el movimiento hasta unas pocas centésimas de milímetro en la punta de la herramienta.
Aporta la suspensión. Una suspensión (agua mezclada con granos abrasivos como carburo de boro, carburo de silicio o alúmina) fluye entre la herramienta y la pieza.
Astilla. Cada golpe de la herramienta clava granos en la superficie. El material quebradizo salta en microscópicas astillas; la herramienta en sí nunca corta directamente.
Avanza y copia. Una fuerza suave y constante empuja la herramienta hacia abajo, así que su forma exacta en negativo se hunde en la pieza. La suspensión fresca arrastra los residuos.

Datos clave

Materiales: Materiales duros y quebradizos: vidrio, cuarzo, zafiro, cerámicas de alúmina y circonia, carburo de silicio, ferrita, carburos. Poco apto para metales blandos y dúctiles.
Piezas típicas: Agujeros redondos y de formas raras, ranuras, cavidades poco profundas y grabado en piezas quebradizas
Tamaño de pieza: Detalles desde unos 0,1 mm hasta unas pocas decenas de milímetros; la cara de la herramienta suele ser pequeña
Precisión: Normalmente unas pocas centésimas de milímetro
Acabado superficial: Fina y mate, sin daños por calor ni rebabas; más lisa con granos más finos, a menudo Ra (altura media de las irregularidades de la superficie) por debajo de 1 µm
Tamaño de lote adecuado: De prototipos a grandes series (de una pieza a 100.000 o más)
Coste de utillaje y máquina: Las herramientas son sencillas y blandas (a menudo de acero de bajo carbono) pero se desgastan rápido; máquinas desde decenas de miles de dólares, más en las versiones rotativas CNC
Velocidad: Lento: la herramienta suele avanzar de una fracción de milímetro a aproximadamente un milímetro por minuto

Ventajas y límites

Ventajas

Corta vidrio, cerámicas y gemas sin agrietarlos
Cualquier forma de agujero, no solo redonda
Sin calor, sin cambio químico, sin rebabas
Funciona con aislantes eléctricos, a diferencia de la EDM y la ECM

Límites

Lento, sobre todo en agujeros profundos
La herramienta se desgasta y hay que sustituirla o reformarla
Poco apto para metales blandos y dúctiles, que se abollan en lugar de astillarse
Los agujeros profundos se estrechan y a la suspensión le cuesta llegar al fondo

Dónde se usa

ElectrónicaAgujeros y ranuras en sustratos cerámicos, ferrita y piezas de cuarzo
ÓpticaAgujeros con forma en ventanas de vidrio, cuarzo y zafiro
AeroespacialDetalles en cerámicas técnicas y materiales compuestos cerámicos
Relojería y joyeríaTaladrado de gemas y piezas de zafiro
LaboratoriosPiezas de vidrio y cuarzo para instrumentos científicos

Cómo reconocerlo

Agujeros no redondos (cuadrados, estrellas, ranuras) cortados en vidrio o cerámica.
Paredes de agujero con una textura fina, mate y esmerilada, y sin marcas de calor.
Una ligera conicidad en los agujeros profundos y diminutas astillas en el borde de salida.

Compáralo con

Electroerosión por penetración6.6también copia una herramienta con forma en la pieza, pero con chispas, así que solo funciona con materiales conductores.Corte por chorro de agua6.4también usa granos abrasivos, pero los transporta un chorro, que corta perfiles pasantes en lugar de cavidades ciegas.Rectificado5.7también abrasivo, pero los granos están aglomerados en una muela giratoria en lugar de martillearse sueltos.

Míralo

ADTW Study · Una animación de la herramienta vibrante, la suspensión y la cavidad

Innovative learning of Engineering By MuthuKumar · El transductor, la bocina, la herramienta y la alimentación de suspensión explicados

Berkness Company · Imágenes reales de un taller de mecanizado

DMG MORI · La variante rotativa moderna: una herramienta de diamante que gira y además vibra

Ver fotos reales

Wikipedia: Mecanizado ultrasónico — principio, frecuencias, abrasivos y variantes (sobre todo texto)
Búsqueda de fotos en Wikimedia Commons

Recuerda

Una herramienta que vibra unas 20.000 veces por segundo martillea granos abrasivos que arrancan astillas de material quebradizo.
Es el método de agujeros con forma para vidrio, cerámicas y gemas, que las brocas y las chispas no pueden tratar.
Busca agujeros de formas raras en vidrio o cerámica con la pared esmerilada.