Procesos de Mecanizado No Convencionales: Una Exploración Detallada

Mecanizado Químico (CHM)

El mecanizado químico (CHM) consiste en la aplicación de productos químicos que atacan el metal, eliminando pequeñas cantidades de material de la superficie mediante una disolución química controlada. Se utilizan reactivos como ácidos y soluciones alcalinas.

Proceso de Mecanizado Químico

Eliminación de tensiones residuales: Preparación del material.
Limpieza de superficie: Asegura la correcta adhesión de la máscara protectora.
Aplicación de la máscara: Se utiliza un material protector (caucho, neopreno, polietileno, PE, PVC).
Aplicación del agente químico: Puede ser hidróxido de sodio (para aluminio), ácido nítrico o cloruro de hidrógeno (para aceros).
Lavado de superficies: Eliminación de residuos químicos.
Eliminación de la máscara: Retiro del material protector.
Operaciones de acabado adicionales: Si son necesarias.

Mecanizado Electroquímico (ECM)

El mecanizado electroquímico (ECM) es un proceso de electrólisis donde la herramienta actúa como cátodo y la pieza como ánodo. Una alta intensidad de corriente pasa entre la herramienta y la pieza, mientras que un electrolito a alta velocidad arrastra los iones metálicos de la pieza, evitando que se depositen en la herramienta.

Aplicaciones:

Álabes de turbinas.
Industria aeroespacial y aeronáutica.

Componentes y Características del ECM

Herramienta: Cobre, latón, acero inoxidable, grafito recubierto de cobre, aleaciones de wolframio-cobre. Debe ser inerte a las reacciones químicas.
Electrolito: Soluciones altamente conductoras de sales inorgánicas en agua (NaCl, KCl, NaNO3).
Pieza: Debe ser conductora. Ideal para metales de gran dureza, dejando una superficie libre de tensiones residuales y rebabas.
Condiciones de operación:
- Temperatura: 30-50 ºC
- Velocidad de flujo: 15 a 60 m/s
- Presión: 15 bares
- Tensión: Continua, de 6 a 35 V
- Intensidad: De 10 a 20.000 A
- Tolerancias: ±0,025 mm

Aplicación Específica: Implante de Rodilla

Un ejemplo de aplicación es el mecanizado de un inserto de polietileno de peso molecular ultraelevado (UHMWPE) para implantes de rodilla. El polietileno ofrece alta resistencia al desgaste y baja fricción en combinación con el implante femoral (aleación Cr-Co).

Proceso convencional: Rectificado de la superficie interior, un proceso complejo con baja repetitividad y calidad.
Electrodo en ECM: Cu-Tg.
Electrolito: Nitrato de sodio y agua.
Parámetros: 10 V – 225 A.
Optimización: Ajuste del flujo del electrolito para mejorar la calidad superficial.

Rectificado Electroquímico (ECG)

El rectificado electroquímico (ECG) combina el ECM con el rectificado convencional, pero con menor remoción de material y menor tiempo de ciclo.

Funciones del abrasivo:

Separar la rueda y la pieza.
Extraer los productos de la electrólisis del área de trabajo.

Características:

Rueda con adhesiones de metal y abrasivos (diamante, óxido de aluminio).
Desgaste muy pequeño de la rueda.
Velocidades de rotación: 1200 – 2000 m/min.
Densidades de corriente: 1 – 3 A/mm².

Mecanizado por Electroerosión (EDM, EWM)

EDM (Electroerosión por Penetración)

Es un proceso de eliminación de material en piezas conductoras de electricidad. Se aplica una alta frecuencia (AC o DC) entre el electrodo y la pieza, vaporizando o fundiendo el material.

Aplicaciones:

Moldes de inyección de plástico.
Hileras de extrusión.
Moldeado de inyección de aluminio.
Equipamientos para satélites.

Tasa de arranque de material (MRR): MRR = 4 * 10⁴ * I * T^-1.23, donde I es la intensidad y T es el punto de fusión de la pieza.

Parámetros principales:

La velocidad y la rugosidad aumentan al incrementar la intensidad.
La velocidad y la rugosidad disminuyen al incrementar la frecuencia de chispa.

Fluidos dieléctricos:

Actúan como aislante hasta que se alcanza la diferencia de potencial suficiente.
Refrigeran el electrodo y la pieza.
Limpian la zona de chispa, retirando los desechos.

Fluidos más comunes: Queroseno, agua destilada desionizada, aceites minerales.

Electrodos:

Materiales: Grafito, cobre, latón (Cu-Zn) son los más utilizados.
Fabricación: Mecanizado, moldeado, fundición, pulvimetalurgia, entre otros.
Desgaste: De 3:1 hasta 100:1 (menor desgaste con grafito).

EWM (Electroerosión por Hilo)

Utiliza un hilo de alta conductividad eléctrica y resistencia a la tracción (latón, cobre, tungsteno o recubiertos) con un diámetro de 0.20 a 0.30 mm. El hilo es desechable y se mueve a una velocidad de 0.15 a 9 m/min.

Ventajas de la Electroerosión Respecto al Mecanizado Convencional

EDM:
- Tiempo de mecanizado: 2 horas.
- Preparación: 15 minutos.
- Tiempo total: 2 horas y 30 minutos.
Convencional:
- Mecanizado: 1 hora y 51 minutos.
- Preparación: 4 horas.
- Tiempo total: 5 horas y 51 minutos.
Beneficios adicionales del EDM: Sin límites de dureza del material, mecaniza más piezas en menos tiempo, fijación más sencilla, mejor accesibilidad y mayor autonomía.

Mecanizado por Láser

Se focaliza una emisión de alta energía sobre la superficie de la pieza de forma controlada. No requiere vacío y puede mecanizar tanto metales como no metales.

Tipos de láser:

CO₂ (pulsado o continuo).
Nd:YAG (neodimio, granate de itrio y aluminio).
Nd: Vidrio, rubí.

Ventajas:

Mejor aprovechamiento del material (mínima anchura del surco).
Paredes de corte perpendiculares a la pieza y paralelas entre sí.
No requiere tratamiento ni limpieza posterior de la pieza.
Cortes en cualquier dirección.
Proceso altamente flexible y automatizado.
No hay cambios de herramienta.
Proceso rápido y silencioso.

Inconvenientes:

El aluminio o el latón sin recubrimiento tienen un grado de absorción débil.
Precio elevado.
Seguridad: Requiere protección visual.

Aplicaciones (ejemplo): Material biocompatible (acero inoxidable 316L), resistente a la fatiga y corrosión, y flexible.

EBM: Mecanizado por Haz de Electrones

Se utiliza una alimentación de 50 a 200 KV para generar un flujo de electrones a alta velocidad (50-80% de la velocidad de la luz) que impacta la superficie de la pieza, generando calor. Requiere vacío y produce rayos X. Solo personal muy cualificado puede operarlo.

PAC: Corte por Arco de Plasma

Utiliza un gas ionizado para cortar láminas y chapas ferrosas y no ferrosas a temperaturas de hasta 9400 ºC. Es rápido, proporciona un buen acabado superficial y permite cortar grandes espesores (hasta 150 mm). Es fácil de programar.

WJM: Corte por Chorro de Agua

Utiliza agua a presiones superiores a 5000 bares, con diámetros de boquilla de 0.05 a 1 mm. Es adecuado para plásticos, caucho, madera, papel, cuero, espuma, aislantes, composites, alimentos, etc., con espesores mayores a 25 mm.

AWJM: Corte por Chorro de Agua con Abrasivos

El agua contiene partículas abrasivas (carburo de silicio u óxido de aluminio) para incrementar la tasa de eliminación de material en comparación con el WJM.
Permite cortar prácticamente cualquier material de hasta 200 mm de espesor en una sola operación.
También se utiliza para la preparación de superficies.
Puede tener hasta 5 ejes.
Las boquillas se fabrican en rubí y materiales compuestos basados en fibra de carbono.

AJM: Mecanizado por Chorro Abrasivo

Un chorro de aire, nitrógeno o dióxido de carbono a alta presión (850 kPa) y alta velocidad (300 m/s) con partículas abrasivas (10-50 micras) incide sobre la pieza. Se utiliza para cortar piedra, vidrio, metales y otros materiales de alta dureza.

Limitaciones:

Tiende a formar esquinas redondeadas o agujeros cónicos en piezas metálicas.
Baja tasa de remoción (40 mg/min, 15 mm³/min).
Incrustación del abrasivo en la pieza.
Posibilidad de desvío del chorro.

Tasa de Eliminación: Q = KZd³ * (v^2/3) * (p / (12H))^3/4