UNIDAD Vll “Procesos no convencionales”

GENERAL:

 Planear y aplicar los procesos de manufactura y seleccionar el óptimo para

la fabricación de productos de clase mundial e implementar esta tecnología
en la industria.

ESPECIFICO:

 Presentar los conceptos de los procesos no convencionales

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Los procesos de mecanizado tienen una gran importancia en la actividad

productiva, tanto de forma directa para la fabricación de componentes como de
forma indirecta para la fabricación de elementos auxiliares, como por ejemplo los
útiles y utillajes para la fabricación de componentes por otros procesos de
inyección o conformado. La tecnología relacionada con el mecanizado ha
evolucionado mucho en los últimos años con mejoras que afectan a múltiples
campos como las herramientas de corte, la tecnología del mecanizado, los medios
de producción, el CAD/CAM o la sensórica. Sin embargo, aún existe margen de
mejora en los procesos de mecanizado a través del aprovechamiento de las
nuevas tecnologías y la optimización en base a un mayor conocimiento del
proceso.

Debido a la flexibilidad de los procesos de mecanizado para dar forma a los

componentes mecánicos, su importancia industrial es muy elevada tanto desde un
punto de vista económico como técnico. Actualmente es de suma importancia
aumentar el rendimiento en los procesos de fabricación para mantener la
competitividad de las empresas y su posición de mercado. La necesidad de esta
mejora es consecuencia de dos factores: por un lado, el económico asociado a la
reducción de costes por la entrada de competidores ubicados en países donde los
costes salariales son más bajos; y por otro lado, el tecnológico con los retos para
la fabricación de productos con mayor valor añadido que incrementan la
complejidad de los procesos de mecanizado (nuevos materiales, geometrías
complejas, requisitos de calidad y precisión…). En definitiva, la supervivencia se
reduce a la mejora de los procesos para fabricar más rápido, mejor y más barato
para cumplir con las exigencias de costes, plazo y calidad que exigen los clientes.

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El empleo de materiales duros y difíciles de mecanizar (superaleaciones,

materiales compuestos y cerámicas), debido a sus excepcionales propiedades
tecnológicas, se encuentra muy extendido dentro de diversos sectores como el
moldista, el aeronáutico o el médico. Debido a sus buenas propiedades y
comportamiento en las aplicaciones más exigentes, su transformación y
procesado presentan problemas que limitan la precisión y elevan los costes de
producción. Por esta razón, en los últimos años, el mecanizado de este tipo de
materiales de una manera eficiente se enmarca dentro de los objetivos planteados
por las empresas en el campo de la innovación tecnológica., sin olvidar la
obtención de procesos más ecológicos para cumplir las normativas
medioambientales cada vez más estrictas.

A continuación se presentan 3 procesos de mecanizado alternativo: el micro

mecanizado láser (+Mecanizado a alta velocidad) donde lo que se busca es
obtener una elevada precisión en el mecanizado de geometrías complejas con alta
calidad superficial; el mecanizado rotatorio por ultrasonidos adecuado para el
mecanizado de geometrías complejas en materiales duros y frágiles; y el
mecanizado electroquímico que ofrece rapidez de proceso para geometrías
complejas en materiales conductores.

Figura 1: Tipos de maquinados no convencionales

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MICROMECANIZADO LÁSER

En el caso del micromecanizado de precisión la mejora de la eficiencia se orienta

hacia la consecución de un coste competitivo dentro de los sectores objetivos.

El micromecanizado láser compite con tecnologías como el mecanizado de alta

velocidad (MAV) o la electroerosión por penetración (EDM), siendo su principal
ventaja frente a éstos que al ser una radiación electromagnética la que incide en el
material, no existe contacto físico alguno entre la herramienta de trabajo y el
material, siendo los esfuerzos generados sobre el sistema (de naturaleza térmica)
mucho menores al corte por herramienta.

El mecanizado láser se fundamenta en la eliminación de material en el intervalo de

tiempo que dura el pulso, y dependiendo de la duración de éste, los procesos
físicos que se generan en el material son de distinta naturaleza. Para el caso
particular de considerar tiempos de pulso mayores que 1 nanosegundo, los
procesos térmicos son los que dominan la interacción radiación–materia,
invirtiéndose la energía en el paso de los átomos desde el estado sólido al
gaseoso, pasando por el estado fundido. Este proceso térmico genera una
dinámica del material fundido que, debido a la tensión superficial de la superficie,
provoca la acumulación de material en torno a la cavidad generada por el láser
(‘recast layer’) y la existencia de una zona afectada térmicamente (‘Heat Affected
Zone’ (HAZ)), microgrietas y ondas de choque. Mientras, el mecanizado láser con
pulsos ultracortos se caracteriza por una elevada calidad superficial, efecto
asociado al aumento de energía por pulso y número de fotones por unidad de
tiempo provocando la ablación fría del material, que reduce los inconvenientes que
existen con pulsos más cortos.

Figura 2: Micromecanizado híbrido MAV – Láser en la obtención de moldes de

inyección.

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MECANIZADO ROTATORIO POR ULTRASONIDOS

El reciente crecimiento del uso de materiales de alta dureza, gran resistencia

mecánica y resistencia a la abrasión a altas temperatura, ha introducido la
necesidad del procesado de los mismos. De este modo, el mecanizado de
materiales duros y frágiles se ha convertido en un problema tecnológico y
económico, y aún hoy en día se presenta como un reto importante. Las
propiedades avanzadas de materiales como las cerámicas técnicas, vidrios,
carburos sinterizados, piedra, etc. dificultan en gran medida su transformación.

El mecanizado de este tipo de componentes se realiza habitualmente empleando

procesos de rectificado o electroerosión, y en promedio suponen entre el 30-60%
del coste total de producción. A pesar de la importancia de estos procesos, debido
a sus capacidades, existen limitaciones técnicas a la hora de conseguir
geometrías complicadas, tolerancias ajustadas y costes reducidos.

El mecanizado rotatorio por ultrasonidos (RUM, por Rotary Ultrasonic Machining)

se enmarca dentro de los procesos no convencionales de mecanizado que
permiten el mecanizado de materiales duros y frágiles de una manera eficiente
con costes moderados.

El RUM es un proceso que consiste en la eliminación de material utilizando una

herramienta de superabrasivo mediante la combinación de tres movimientos:
rotación, vibración axial ultrasónica (frecuencia 20 kHz y amplitud de 5-50 micras)
y avance contra la pieza. Por otro lado, el proceso utiliza taladrina bombeada a
través de la herramienta para eliminar las virutas de la zona de corte, evitando el
embotamiento y refrigerando el proceso.

Figura 3: Imagen esquemática del proceso de RUM.

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MECANIZADO ELECTROQUÍMICO

La tecnología de mecanizado electroquímico (ECM) se encuentra dentro del grupo

de procesos de mecanizado no tradicionales o no convencionales. El ECM utiliza
la acción química para el arranque del material, y el proceso consiste en colocar la
pieza a mecanizar sumergida en una cuba con líquido electrolítico (eléctricamente
conductor) enfrentada con el electrodo (útil o herramienta) que tendrá la ‘forma
negativa’ de la que se desea obtener en la pieza, estando ambos conectados a un
generador de corriente continua, cerrando el circuito eléctrico a través del fluido
electrolítico.

Figura 4: Imagen esquemática del proceso de ECM.

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PROCESOS DE MECANIZADO POR ARRANQUE DE VIRUTA

Los procesos de mecanizado son muy conocidos y existen multitud de empresas

dedicadas a la fabricación de componentes por este tipo de procesos. Este hecho
hace que sea un proceso fácilmente asimilable por empresas de países menos
industrializados y con costes más bajos. En esta situación, la fabricación por
arranque de viruta se centra en la obtención de productos de mayor valor añadido
y calidad, con costes y tiempos reducidos en materiales cada vez más exigentes
que permitan competir contra la oferta de costes reducidos de otros países. Para
lograr este objetivo se trabaja en la innovación en diversos aspectos de los
procesos de mecanizado y en el desarrollo de nuevos sistemas de mecanizado
que permitan aumentar las capacidades de los procesos convencionales, en
definitiva se busca mejorar el rendimiento de los procesos.

Figura 5: Procesos de mecanizado por arranque de viruta

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PROCESOS DE MECANIZADO EN DURO

El uso de materiales de alta dureza está indicado para componentes de alto

rendimiento funcionando bajo altas cargas, en los que el proceso de acabado
influye de manera muy importante en el comportamiento funcional; por este
motivo, el acabado debe proporcionar componentes de alta calidad, tanto desde el
punto de vista de las propiedades termo mecánicas del material como del acabado
e integridad superficial conseguida. Los procesos de acabado deben asegurar que
el material mantiene sus propiedades mecánicas para soportar las cargas en uso,
y al mismo tiempo no afectar a la integridad que pueda llevar a la aparición de
problemas de fatiga o corrosión.

El creciente uso de materiales de altas prestaciones, como los aceros endurecidos

y los carburos cementados (metal duro), ha planteado la necesidad de encontrar
nuevos procesos de fabricación, que mejoren los utilizados habitualmente.

El principal problema en la fabricación de componentes de materiales de cierta

dureza se centra en los procesos de acabado que se realizan habitualmente
mediante operaciones lentas y costosas como mediante procesos de rectificado y
electroerosión. Como alternativa a éstos, en los últimos años se ha trabajado en el
desarrollo de los procesos de fresado y torneado en duro que permiten
transformar materiales de alta dureza (por encima de 55 HRC) obteniendo los
acabados superficiales y tolerancias requeridos, con reducciones de tiempos en
relación 1 a 3, y costes de maquinaría 3 veces más bajos frente a los procesos de
rectificado y electroerosión. Los centros de mecanizado permiten dotar al proceso
de mayor flexibilidad en relación con la capacidad de desarrollar múltiples
operaciones, sin las restricciones que imponen otro tipo de máquinas como las de
rectificado o de electroerosión. Además, la posibilidad de utilizar estrategias de
mecanizado en seco permite reducir el uso de lubricantes consiguiendo una
mejora medioambiental del proceso.

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Los problemas que se presentan en el mecanizado de materiales de alta dureza y

elevadas propiedades mecánicas, se centran en el material de la herramienta, el
acabado superficial requerido y la productividad. Los últimos logros en el
desarrollo de materiales de corte permiten disponer de herramientas
suficientemente rígidas para el corte del material endurecido, y a la vez
suficientemente tenaces para soportar las altas cargas mecánicas del proceso.
Por otro lado, teniendo en cuenta la naturaleza del tipo de materiales a
transformar, estas herramientas deben ofrecer la suficiente capacidad para
soportar el desgaste y las elevadas temperaturas que se originan en este proceso.
Los últimos desarrollos en herramientas, como el PCD y el PCBN, permiten
obtener este tipo de características.

En el caso concreto del torneado en duro los problemas suelen estar relacionados
con la obtención de la calidad y la integridad superficial requeridas que están
asociados principalmente con el desgaste de la herramienta, las vibraciones y la
rigidez de la máquina. Para el correcto desarrollo de un proceso de torneado en
duro es necesaria la utilización de una máquina adecuada, principalmente de alta
rigidez y potencia, pero normalmente se utilizan las máquinas disponibles por lo
que la mejora del rendimiento del proceso pasa por seleccionar adecuadamente
otros aspectos como las herramientas y las condiciones de corte.

Figura 7: Desgaste típico de las herramientas en

Figura 6: Capa blanca en el mecanizado en el torneado en duro de aceros.
duro.

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SIMULACIÓN DE PROCESOS DE MECANIZADO

Desde un punto de vista industrial o de aplicación el objetivo de mejora todo
proceso de fabricación mecánica va encaminada a tres aspectos, por un lado a la
mejora de aspectos tecnológicos (Precisión, calidad…), por otro a la mejora de los
aspectos económicos de los procesos (tiempos, costes…), y en un tercer lugar se
sitúan los aspectos medioambientales y las condiciones de trabajo. Los procesos
de mecanizado son una actividad productiva y se rige fundamentalmente por
criterios económicos y de competitividad, así que la optimización de los procesos
está principalmente dirigida a la mejora de los aspectos tecnológicos y los
aspectos económicos.

La optimización de los procesos de mecanizado en general se convierte en un

problema complicado por la existencia de una gran cantidad de aspectos a
considerar y la existencia de fenómenos físicos de diferente naturaleza
(materiales, mecánica, tribología, química...) con interacciones entre ellos. Estas
dificultades se ven incrementadas por el desconocimiento de los mecanismos
básicos que rigen el proceso, y por las condiciones extremas en las que se
desarrolla el proceso que no se producen en ningún otro proceso de fabricación
(altas temperaturas y gradientes térmicos, grandes deformaciones plásticas a altas
velocidades de deformación, escalas temporales y dimensionales variadas en el
proceso…) y algunas de estas no son reproducibles por los métodos de ensayos
actuales. En estas condiciones, lo normal es realizar la optimización del proceso
mediante ensayos de prueba-error buscando nuevas condiciones basadas en
parte en la experiencia previa y en la capacidad y tiempo disponible para realizar
ensayos. Antes estos problemas, en todos los campos de la tecnología están
emergiendo las técnicas de modelizado y simulación que se presentan como
herramientas clave en el soporte de la fabricación en el siglo XXI. Ninguna otra
tecnología ofrece un potencial mayor para la mejora de productos, el
perfeccionamiento de los procesos, la reducción del tiempo de salida a mercado y
el abaratamiento de los costes de fabricación.

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El modelizado y la simulación mediante el desarrollo de modelos predictivos se

presenta como una alternativa a los ensayos experimentales en forma de
herramientas de decisión industrial. Los objetivos que se buscan en los procesos
de mecanizado son la mejora de las herramientas de corte, las estructuras de las
máquinas, los accionamientos y la ingeniería de los procesos de fabricación. La
mayor parte de los modelos desarrollados se centran en el estudio de alguno o
varios de los aspectos implicados en el proceso de corte, por la complejidad del
estudio global del mismo. En este aspecto Tekniker trabaja con dos tipos de
modelos que permiten obtener información de diferente naturaleza: Los modelos
numéricos basados en elementos finitos y los modelos semiempíricos o
mecanísticos.

Figura 8: Optimización de herramientas de corte para torneado en duro mediante modelos

numéricos.

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PROCESOS DE MECANIZADO ASISTIDO: ULTRASONIDOS, LÁSER…

La utilización de fuentes de energía externas como asistencia a los procesos de

mecanizado se presenta como una posibilidad de mejorar los procesos de
mecanizado. En este aspecto en Tekniker se está trabajando en el desarrollo de
procesos de mecanizado asistidos por ultrasonidos en operaciones de torneado y
taladrado. La aplicación de los ultrasonidos consiste en la introducción de una
vibración de entre 5-30 micras a 20 KHz superpuesta a la acción de corte propia
del proceso.

El trabajo incluye el desarrollo de los sistemas necesarios para la realización de

las operaciones de mecanizado y la evaluación de las capacidades de los
procesos asistidos.

En lo referente al torneado asistido los objetivos buscados son la fragmentación de

la viruta para evitar la acumulación en la zona de trabajo y la reducción de fuerzas
de corte. Mientras que en el caso del taladrado se busca fragmentar la viruta para
facilitar la evacuación a través del agujero, reducir las fuerzas de corte y mejorar la
precisión del agujero.

Figura 9: Fragmentación de viruta en el torneado asistido por Figura 10: Fragmentación de viruta en el taladrado asistido por
ultrasonidos de acero. ultrasonidos de aluminio.

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MAQUINADOS CON CHORRO DE AGUA

El maquinado con chorro de agua o fluido es un proceso que utiliza una corriente
de agua de alta velocidad como agente de corte. Estos chorros tienen
aproximadamente un diámetro de .25 mm y operan a velocidades de 36000 a
54000 m/min. A tales velocidades, los chorros pueden cortar madera, plásticos,
telas y en algunos casos cerámica. Una desventaja de este proceso es la falta de
equipo de bombeo adecuado.

PROCESO:

En este método se utiliza la fuerza debida al cambio de la cantidad de movimiento

del chorro en operaciones de corte y desbarbado. El chorro funciona como una
sierra y corta una ranura angosta en la pieza.

Figura 11: Esquema del proceso de maquinado con chorro de agua

 Se pueden cortar materiales como madera, telas, ladrillos, cuero y papel de

hasta 25 mm de espesor.
 Se usa para cortar tableros de instrumentación en automóviles, y algunas
láminas de carrocería.

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 Es una operación eficiente y limpia, y por eso se utiliza en la industria de

alimentos para cortar productos alimenticios.
 Este procedimiento muestra numerosas ventajas.

 Es adecuado para materiales flexibles (ya que no se producen flexiones) y

las rebabas producidas son muy pequeñas.

 La pieza se humedece muy poco y puede iniciarse el corte en cualquier

lugar sin necesidad de un hueco pre taladrado.

 Por último, no produce calor, y es un proceso seguro para el ambiente

(aunque es muy ruidoso).

Si al chorro de agua se le agregan partículas abrasivas, se puede aumentar

notablemente la velocidad de remoción del material. Recordemos que un abrasivo
es una partícula dura, pequeña y no metálica que tiene aristas agudas y forma
irregular. Este procedimiento es adecuado en especial con los materiales
sensibles al calor que no se pueden maquinar con procesos que involucren
generación de calor.

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MAQUINADOS CON CHORRO ABRASIVO

Este maquinado es un proceso mecánico para el corte de materiales duros y

quebradizos. Esto es similar a una ráfaga de arena, utilizando pequeñas partículas
de abrasivo muy finas y control de cierre a baja velocidad. Por medio el aire se
llevan partículas abrasivas que chocan en la pieza a velocidades alrededor de 900
a 18000 m/min. Se utilizan para el corte, polvos de óxido de aluminio o carburo de
silicio mientras que los polvos ligeros como la dolomita o bicarbonato de sodio se
usan para limpieza, grabado o pulido. Los polvos no son recirculados a causa de
posible contaminación lo cual es apto a la obstrucción del sistema. Este
maquinado, corta materiales frágiles sin dañarlos. Otros usos incluyen vidrio
escarchado, remoción de óxidos en superficies metálicas, rebabeado, grabado de
modelos, taladrado y corte de secciones finas de metal, corte y moldeo de
materiales cristalinos. Este no es adecuado para el corte de materiales blandos
porque las partículas abrasivas tienden a embutirse. Comparado con procesos
convencionales, la relación de remoción de material es lenta.

PROCESO:

 Se apunta un chorro de alta velocidad de aire seco (o nitrógeno) con

partículas abrasivas a la superficie de la pieza. El choque genera una
fuerza concentrada apta para cortar materiales metálicos y no metálicos,
para desbarbar o eliminar esquirlas, o para limpiar una pieza con superficie
irregular.

 Esquema del proceso de maquinado con chorro abrasivo

 El método de maquinado con chorro abrasivo tiende a redondear las aristas

agudas en esquinas. Otra desventaja que presenta es el riesgo causado
por las partículas abrasivas suspendidas en el aire.

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Después de haber realizado la anterior investigación, puedo concluir que los

procesos de manufactura no convencionales dan respuesta a los nuevos
problemas planteados en el mecanizado de materiales de baja maquinabilidad y
especificaciones extremas de forma, tolerancias y acabados.

Los diferentes procesos de mecanizado no convencionales no involucran

solamente herramientas de punto a punto o multipunto, sino que involucran
fuentes de energía química, eléctrica y de alta potencia. Las propiedades
mecánicas del material no tienen ahora tanta importancia como sus propiedades
físicas, químicas y eléctricas. La necesidad de encontrar nuevas formas de
mecanizado, reduciendo los costos involucrados, adecuándose al desarrollo de
nuevos materiales sigue impulsando la investigación en esta área, que ya ha
creado múltiples sistemas que son cada vez más usados en la industria moderna,
estos sistemas se han creado en interrelación con tecnologías de control
computacional y robots, mejorando continuamente la productividad.

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CONCLUSION: Daniel Celestino Lara Rojas
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CONCLUSION: Luis Fernando Islas Mayorga
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CONCLUSION: Yaritza Oliver Flores
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