MECANIZACIÓN DE MATERIALES CERÁMICOS DUROS
La tecnología de mecanizado ultrasónico puede ayudar a los fabricantes a mejorar el rendimiento de componentes cerámicos avanzados.
Desde las cúpulas de misiles de próxima generación para sistemas de defensa hasta los componentes de implantes de cadera para la industria médica, las propiedades mecánicas de los materiales cerámicos los hacen ideales para una amplia gama de aplicaciones. Los materiales cerámicos como el óxido de aluminio (alúmina) y el nitruro de silicio poseen muchas cualidades beneficiosas: resistencia extrema, la capacidad de soportar altas temperaturas y resistencia a la corrosión química, solo por mencionar algunos. Estas y otras propiedades hacen que la cerámica sea atractiva para los diseñadores que necesitan componentes con una durabilidad excepcional. Desafortunadamente, esas mismas propiedades también presentan desafíos de fabricación que pueden ser difíciles de superar sin la tecnología adecuada.
Los componentes fabricados con vidrio óptico más suave se pueden fabricar de manera efectiva con máquinas herramienta de control numérico por computadora (CNC) utilizando una herramienta de corte giratoria impregnada de diamantes. Sin embargo, al aplicar este método a la cerámica, las herramientas de corte se desgastan a un ritmo mucho más rápido, ya que la herramienta y la pieza de trabajo soportan mayores fuerzas debido a la dureza del material. Para compensar el aumento de la fuerza, los operadores de la máquina deben aumentar la velocidad del husillo de la herramienta mientras disminuyen la velocidad de avance del corte (la velocidad a la que la herramienta se mueve hacia la parte). En última instancia, esto resulta en tiempos de ciclo más largos y menos eficiencia.
Mecanizado ultrasonico
Una técnica conocida como mecanizado asistido por ultrasonidos puede ayudar a superar los desafíos asociados con el mecanizado CNC tradicional. Los centros de mecanizado ultrasónico * incorporan tecnología para mecanizar componentes cerámicos a máquina. El mecanizado ultrasónico implica agregar una oscilación hacia arriba y hacia abajo a la herramienta giratoria, lo que permite un corte más libre de estos materiales muy duros.
La amplitud de las oscilaciones es pequeña (micrómetros) pero efectiva para eliminar material cuando la herramienta está oscilando en su frecuencia ideal. El mantenimiento de la frecuencia ideal, medida en kilohertz (kHz), garantiza que la máquina funcione con la mayor eficiencia y produzca resultados predecibles.
El software patentado ** determina la frecuencia de oscilación ideal para cada herramienta al realizar un barrido de frecuencia durante la configuración inicial. El barrido de frecuencia identifica la frecuencia óptima (normalmente entre 20 y 40 kHz) al analizar el tamaño, la forma y la masa de la herramienta que se utiliza para el trabajo. Una vez que se determina la frecuencia ideal y comienza el ciclo, el software ajusta automáticamente la frecuencia mientras la pieza se está mecanizando para mantener el máximo rendimiento del mecanizado ultrasónico. El cambio en la frecuencia puede variar desde unos pocos hercios hasta cientos de hercios, dependiendo del cambio en las condiciones de mecanizado cuando la herramienta está en contacto con la pieza.
Los procesos de mecanizado avanzados para materiales cerámicos duros proporcionan los siguientes beneficios:
Fuerzas significativamente reducidas en la pieza de trabajo y la herramienta durante el mecanizado, lo que permite a los operadores aumentar la velocidad de procesamiento y las velocidades de avance de corte
Tiempos de ciclo reducidos, en comparación con las máquinas de rectificado / fresado estándar
Mínimo desgaste de la herramienta y mayor vida útil de la herramienta como resultado de una fuerza reducida en la pieza y la herramienta
Mayor precisión de los componentes mecanizados debido a una vida útil más predecible de la herramienta.
Costos reducidos de herramientas
Velocidades reducidas del husillo, especialmente para agujeros tan pequeños como .007 pulg.
Además, el mecanizado ultrasónico ha mostrado una mejor calidad de la superficie en comparación con el rectificado / fresado CNC estándar. Esto es especialmente importante cuando se requiere un proceso de pulido posterior para lograr las especificaciones de piezas necesarias. Cuanto más precisa sea la forma de la superficie y la rugosidad de la pieza después del proceso de rectificado, menos tiempo llevará pulir.
* Como la serie OptiSonic ™, desarrollada por OptiPro Systems. ** IntelliSonic ™, desarrollado por OptiPro Systems.
Pruebas y resultados
Pruebas exhaustivas han demostrado cómo el uso de la tecnología de mecanizado ultrasónico puede aumentar la eficiencia de fabricación de los materiales cerámicos. En algunos casos, los tiempos de ciclo se redujeron en un 50% o más en comparación con el mecanizado CNC estándar. Recientemente se realizaron dos pruebas para evaluar las capacidades del mecanizado ultrasónico en diferentes escenarios de corte.
La primera prueba consistió en el mecanizado ultrasónico de alúmina. La familia de cerámicas técnicas de alúmina se agrupa de acuerdo con los niveles de pureza. La alúmina de mayor pureza es ideal para aplicaciones más exigentes.1 Para medir el beneficio del maquinado por ultrasonidos, se mecanizaron bolsillos circulares que tenían un diámetro de 16 mm y una profundidad de 50 mm. Al agregar asistencia ultrasónica a una herramienta de diamante de 12,7 mm de diámetro, el husillo se ajustó a 8,511 RPM con una velocidad de avance programada de 1,650 mm / min. Cada bolsillo se completó en un tiempo de ciclo de 6 minutos y 30 segundos. En comparación, el mecanizado de uno de estos orificios con una fresadora CNC convencional llevó más de 1 hora y requirió que la herramienta fuera reemplazada después de cada orificio debido al desgaste excesivo. La herramienta de diamante utilizada en la máquina ultrasónica mostró muy poco desgaste después de producir 12 agujeros.
La segunda prueba se realizó para determinar la efectividad del mecanizado ultrasónico en nitruro de silicio. El nitruro de silicio tiene una estructura de grano única que no solo le permite tener una resistencia extremadamente alta, sino también una resistencia al choque térmico excepcionalmente alta. Agujero con una profundidad de 13 mm. Con asistencia ultrasónica, los parámetros de perforación del núcleo incluían una velocidad de husillo de 6,511 RPM y una velocidad de avance de 1 mm / min. Aunque una velocidad de alimentación de 1 mm / min parece pequeña, es ideal dada la extrema dureza del nitruro de silicio. En estos parámetros, el tiempo total del ciclo para completar el orificio fue de 15 minutos, tres veces más rápido que el mecanizado CNC estándar.
Capacidades ampliadas
A medida que el mercado de componentes cerámicos continúa creciendo, es importante que los fabricantes estén equipados con la última tecnología. Los centros de mecanizado ultrasónico ofrecen más capacidades que las máquinas de rectificado / fresado CNC estándar y son ideales para una variedad de aplicaciones. Ya sea que la necesidad implique una parte ponderada por la luz, núcleos largos, agujeros pequeños o características geométricas complejas, agregar vibración ultrasónica a una herramienta de esmerilado de diamante mejora la eficiencia y aumenta la vida útil de la herramienta. Los fabricantes que utilizan centros de mecanizado por ultrasonidos pueden experimentar un mayor rendimiento de componentes cerámicos mientras gastan menos tiempo y dinero comprando nuevas herramientas.
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