Mecanizado ultrasónico para materiales difíciles

BC Instruments es un taller de servicios suficientemente grande para ocupar tres edificios con un área de casi 14.000 metros cuadrados. Esta empresa recibe una gran variedad de trabajo de mecanizado de alto valor, gracias a la capacidad de uno de sus procesos que la convierte en un taller especial en toda Norteamérica.

Un paseo por la planta no necesariamente revela esta capacidad. Las unidades de negocio de BCI incluyen el torneado de grandes piezas, de piezas pequeñas, fresado y también unidades de proyectos especiales. Mientras la compañía se ha enfocado siempre en trabajos especializados (su nombre tiene que ver con esto), todas esas unidades de negocio utilizan equipo que podría ser familiar para muchos talleres. La única máquina-herramienta diferente está aislada en un pequeño y tranquilo cuarto que aloja otras unidades de negocio. BCI fue el primer fabricante en Norteamérica que investigó el mecanizado ultrasónico, tecnología desarrollada por Sauer (en Alemania), que ahora es mercadeada por DMG America.

El por qué BCI compró esta máquina-herramienta no está enteramente claro. Pero el mercado ya se ha revelado por sí mismo -y BCI sabía que esto ocurriría-. Anthony Pinder, el administrador de la nueva unidad de negocios para mecanizar materiales de ingeniería, tiene trabajo de sobra. Luego de un período de ensayo y error en el cual BCI desarrolló su habilidad con la nueva tecnología, Pinder dirigió su atención hacia mercados que pudieran pagar por esta experiencia.

Tradicionalmente, el mecanizado ultrasónico había sido muy utilizado en piezas duras de cerámica, muchas de las cuales se usan en aplicaciones de plantas nucleares. Uno de esos componentes era una pieza fabricada en un cerámico particularmente difícil, zirconio parcialmente estabilizado con magnesio. Mientras el mecanizado con métodos tradicionales de este material en su estado duro es prohibitivamente difícil, la alternativa de mecanizar el material en su estado más blando, en 'verde', no es mejor porque la alta tasa de contracción del material hace imposible mantener las tolerancias. El cliente tenía el material en mente desde hacía 10 años, pero no había podido encontrar la manera de fabricar con él una pieza de precisión. Mediante el mecanizado ultrasónico, BCI tuvo éxito en la fabricación de una pieza de este material, manteniendo tolerancias de 0,0005" sin mucha dificultad.

Encontrar mercados puede tomar algún tiempo. Para muchos de los mecanizados que pueden hacerse con esta tecnología, hay muy pocos precedentes. "Yo les pregunto a los clientes y a posibles compradores, qué piezas abandonaron porque pensaban que no podían ser fabricadas", comenta Pinder. Las respuestas a preguntas como esta muchas veces se convierten en prospectos de nuevos trabajos.

20.000 hercios
En el mecanizado ultrasónico el diamante efectúa el corte. La vibración ultrasónica hace que una herramienta recubierta de diamante pulse a una frecuencia de aproximadamente 20.000 ciclos por segundo. La expansión y contracción rápida de la herramienta produce impactos igualmente rápidos de las partículas de diamante sobre la pieza de trabajo. El resultado es un proceso de mecanizado para materiales duros que involucra muy poca fricción o calor. No sólo la máquina-herramienta es diseñada específicamente para este proceso, también lo son el portaherramientas y la herramienta, y todos ellos son suministrados por DMG. Pinder dice que el sistema combinado puede mecanizar materiales de cualquier dureza, hasta la del diamante de la herramienta.

La máquina ultrasónica se parece mucho a un centro de mecanizado. La máquina también puede ser programada como un centro de mecanizado y, en algunos casos, ofrece algunas opciones de centro de mecanizado. Entre estas se incluyen un cuarto y quinto eje en la mesa. Los ejes son programables en la máquina de BCI, y tienen las capacidades de contorneado de cuatro y cinco ejes de otros modelos.

El trabajo siempre viene de los centros de mecanizado verticales. Por ejemplo, BCI antes utilizaba el fresado CNC para producir una compleja placa de herramientas para un cliente de energía nuclear, cuando la pieza era fabricada de aluminio. Pero ahora la pieza es de cerámica y mecanizada por ultrasonido. Con el suministro de esta pieza, BCI perdió una fuente de recursos. La pieza cerámica no se desgasta rutinariamente como lo hacía la pieza de aluminio.

Mecanizado de cerámicos
En cerámicos, BCI ve el mecanizado ultrasónico como un complemento a opciones más tradicionales de mecanizado que muchos proveedores de cerámicos ofrecen en la actualidad. BCI aún trabaja con estas compañías para definir exactamente las aplicaciones a las que esta tecnología se ajusta logística y económicamente, junto con las opciones tradicionales.

Las piezas cerámicas son mecanizadas cuando la cantidad de una pieza dada es tan pequeña que no justifica la fabricación de un molde. Una pieza particular puede ser mecanizada en estado verde o en estado cocido. Aunque el material es más fácil de mecanizar verde, este estado es anterior a la contracción. Un mecanizado más preciso debe ser realizado en el estado duro, generalmente con una máquina rectificadora. La tasa de remoción del material en el estado cocido es baja -quizá tan sólo un décimo de la del mecanizado en verde- y el rectificado en el estado cocido además presenta el riesgo de agrietamiento superficial.

El mecanizado ultrasónico no es desde ningún punto de vista un proceso de alta velocidad, pero en cerámicos endurecidos puede llegar a tener hasta tres veces la velocidad del rectificado, según Pinder. Esto significa que los tiempos muertos pueden ser reducidos de una manera significativa. Adicionalmente, el riesgo de agrietamiento superficial resulta mucho más bajo porque el contacto entre la herramienta y el material es mínimo. De hecho, este proceso es tan poco sensible a la fractura de la pieza que cuando es utilizado para realizar un hueco, a menudo ni siquiera se presentan desportillamientos a la salida. En muchas piezas cerámicas horneadas mecanizadas de esta manera, la entrada y salida de los huecos no se puede distinguir la una de la otra.

La idea de que había por lo menos un mercado potencial limitado para la tecnología ultrasónica en el mecanizado de cerámicos persuadió a BCI de hacer un intento con esta máquina. En el pasado, los clientes le solicitaban al taller modificaciones a piezas cerámicas existentes. En esas ocasiones, BCI intentó (con gran dificultad y angustia, dice Pinder) dar sentido a esas modificaciones utilizando sus máquinas-herramienta estándar.

Hoy, el solo uso del término "zirconio parcialmente estabilizado con magnesio" ayuda a ilustrar el cambio que el taller ha tenido. Durante el período de aprendizaje con la máquina ultrasónica, el personal del taller también aprendía las propiedades de varios materiales duros. Antes, ellos no hacían distinción entre materiales como zirconio parcialmente estabilizado con magnesio y nitruro de silicio. "Yo identificaba a todos los cerámicos como un solo material", comenta Pinder. Pero ahora, él y otros dentro de la compañía están muy familiarizados con la manera como se comporta una gran variedad de materiales cerámicos, y con la manera de mecanizarlos eficientemente.

Aplicando ultrasonido
Una descripción más detallada de la forma como trabaja el ultrasonido en la práctica, ayuda a ilustrar los tipos de variables con los que BCI ha experimentado desde que puso esta tecnología en práctica. Adicionalmente a las pulsaciones de 20.000 hercios, la herramienta gira de forma muy parecida a como lo hace un cortador de fresado. De la misma manera que en el fresado, la velocidad de husillo junto con la velocidad de avance ayudan a determinar la vida de la herramienta, el terminado superficial, la exactitud dimensional y otros aspectos de rendimiento del corte.

Pero hay otros parámetros que son más específicos del proceso. La frecuencia, por ejemplo. El término 20.000 hercios es tan sólo una generalización. De hecho, diferentes herramientas -y diversos ensambles de herramienta y portaherramienta- tienen un desempeño mejor a diferentes frecuencias individuales. Por tanto, antes de utilizar una nueva herramienta, el operador de BCI hace un barrido rápido en un rango de frecuencias ultrasónicas y observa la realimentación del control, buscando una que dé un buen resultado en términos de amplitud, y al mismo tiempo corresponda a una localización relativamente estable dentro de la curva de respuestas de frecuencia de la herramienta particular. Unos parámetros pobremente escogidos afectan el desgaste de la herramienta, como en cualquier otra máquina-herramienta. Sin embargo, el desgaste de la herramienta de diamante cambia con las dimensiones de la herramienta, no con lo agudo de sus bordes. Una erosión lenta del material expone más bordes de diamante, por tanto la herramienta tiene un efectivo autoafilado. Debido a este fenómeno, la trayectoria óptima de la herramienta tiende a ser aquella que corte más desde la parte inferior de la herramienta que de su costado. La interpolación helicoidal (haciendo espirales hacia abajo en la dirección Z) es una técnica muy usada. La razón de favorecer la parte inferior de la herramienta es que de esta manera la herramienta tiene más material disponible para desgastar a lo largo de su longitud, opuesta a la dirección radial.

Para esta herramienta vibratoria, BCI no confía en offset del mismo nivel de precisión de los que usaría para un cortador de fresado. Cuando se requieren tolerancias dimensionales estrechas, el taller generalmente realiza dos pasadas con la misma herramienta. Luego de la primera pasada, el trabajo es inspeccionado para determinar la cantidad necesaria de avance adicional para dar un terminado a las especificaciones dadas. Esta inspección se realiza en una máquina tridimensional de coordenadas (CMM), lo cual significa que la pieza debe ser removida de la máquina. Para facilitar el proceso de relocalización, el taller ha instalado un mecanismo de localización y fijación simultáneas de los pallets en la máquina ultrasónica y en la CMM. El sistema particular que utiliza el taller, es el sistema "Ball Lock" de Jergens.

Como el corte ultrasónico puede en ocasiones ser largo y lento, BCI programa el trabajo sacando provecho del mecanizado nocturno no atendido. Dos características del control Siemens de la máquina, ayudan al taller en esta tarea. Una es el control adaptativo, que reduce automáticamente la tasa de avance en respuesta a un aumento de la carga de mecanizado. Esta función resulta particularmente importante para el nitruro de silicio, que a menudo presenta sitios duros. La otra función CNC de gran ayuda es la opción de mensajería, que llama la atención del operador con alarmas que de otra manera no serían visibles en el control.

Mirando hacia delante
BCI ya domina el uso de esta tecnología y ha empezado su segunda fase de adopción. Más allá del 'cómo' de esta o de cualquier nueva tecnología, está el 'porqué'. BCI todavía no sabe qué nichos pueda llenar de una manera rentable ni qué necesidades pueda satisfacer. La sospecha de que afuera hay gran cantidad de necesidades apropiadas fue la base para la compra de la máquina, pero encontrar esos mercados será otro aspecto del esfuerzo necesario para capitalizar esta inversión.

Pinder dice que el taller simplemente realizará algunas búsquedas, preguntando en industrias y negocios con los que la compañía no tenga en la actualidad un registro de actividades o una base de contactos.

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