El mecanizado de ultraprecisión se refiere a los procesos de fabricación de precisión que alcanzan niveles extremadamente altos de precisión y calidad superficial. Su definición es relativa y cambia con los avances tecnológicos.
Actualmente, esta técnica puede lograr dimensiones y formas submicrónicas e incluso nanométricas, con una rugosidad superficial a escala nanométrica. Los métodos de mecanizado de ultraprecisión incluyen el corte de ultraprecisión (como el torneado y el fresado de ultraprecisión), el rectificado de ultraprecisión, el lapeado de ultraprecisión y el procesamiento especial de ultraprecisión.
El corte de ultraprecisión consiste principalmente en el torneado con herramientas de diamante, utilizadas sobre todo para el mecanizado de aleaciones no ferrosas, vidrio óptico, mármol y materiales no metálicos como tableros de fibra de carbono. La alta precisión alcanzada en el corte de ultraprecisión se debe a la baja afinidad entre las herramientas de diamante y las aleaciones no ferrosas, junto con su excelente dureza, resistencia al desgaste y conductividad térmica.
Además, en el corte de ultraprecisión, se adoptan cojinetes neumáticos de alta precisión, guías de flotación neumática, componentes de detección de posicionamiento y medidas como temperatura constante, aislamiento de vibraciones y amortiguación de vibraciones.
Esto garantiza un valor Ra de rugosidad superficial inferior a 0,025μm y una precisión geométrica de hasta 0,1μm, lo que hace que el corte de ultraprecisión sea cada vez más popular en aplicaciones aeroespaciales, ópticas y civiles, avanzando hacia una mayor precisión.
El rectificado de ultraprecisión es un método de procesamiento de nivel submicrónico, que avanza hacia el nivel nanométrico. Se refiere a un método de rectificado que alcanza una precisión de procesamiento de 0,1μm o superior y un valor de rugosidad superficial Ra inferior a 0,025μm, adecuado para procesar materiales duros y quebradizos como el acero, la cerámica y el vidrio.
Los procesos tradicionales de rectificado y pulido pueden eliminarse mediante el rectificado de ultraprecisión para conseguir la rugosidad superficial requerida. Además de garantizar formas y dimensiones geométricas precisas, el rectificado de ultraprecisión permite obtener una rugosidad superficial similar a la de un espejo.
El lapeado de ultraprecisión incluye el lapeado mecánico, el lapeado quimio-mecánico, el lapeado por flotación, el mecanizado por emisión elástica y el lapeado magnético. La tolerancia de excentricidad esférica de las piezas procesadas mediante lapeado de ultraprecisión puede alcanzar 0,025μm, y el valor Ra de rugosidad superficial puede llegar a 0,003μm.
Las condiciones clave para el lapeado de ultraprecisión son un control preciso de la temperatura, un procesamiento sin vibraciones, un entorno limpio y partículas abrasivas pequeñas y uniformes. También son indispensables métodos de detección de alta precisión.
La tecnología de procesamiento especial de ultraprecisión está reconocida internacionalmente como una de las tecnologías más prometedoras del siglo XXI. Se refiere a métodos de procesamiento que utilizan formas de energía como la eléctrica, térmica, óptica, electroquímica, química, acústica y mecánica especial para eliminar o añadir material.
Los principales objetos de aplicación incluyen materiales difíciles de procesar (como aleaciones de titanio, acero inoxidable resistente al calor, acero de alta resistencia, materiales compuestos, cerámica de ingeniería, diamante, rubí, vidrio endurecido y otros materiales de alta dureza, alta tenacidad, alta resistencia y alto punto de fusión), piezas difíciles de procesar (como cavidades tridimensionales complejas, agujeros, agujeros de grupo y ranuras estrechas), piezas de baja rigidez (como piezas de paredes finas o elementos elásticos) y procesos de soldadura, corte, perforación, pulverización, modificación de superficies, grabado y procesamiento fino con haces de alta densidad de energía.
Estos métodos de procesado incluyen la tecnología de procesado por láser, la tecnología de procesado por haz de electrones, la tecnología de procesado por haz de iones y plasma, la tecnología de procesado eléctrico, etc., que aquí sólo se presentan brevemente.
El procesamiento por láser implica que un generador láser enfoque una luz láser de alta densidad energética sobre la superficie de una pieza de trabajo. La energía luminosa absorbida se transforma instantáneamente en energía térmica que, en función de su densidad, permite perforar agujeros, realizar cortes de precisión y producir micromarcas antifalsificación.
Con el rápido desarrollo de los equipos y la tecnología de procesamiento láser, han surgido láseres de alta potencia de más de 100 kW y láseres de estado sólido de alto nivel de kilovatios, equipados con fibra óptica para el trabajo a larga distancia y en varias estaciones.
Debido a la alta potencia y nivel de automatización de los equipos de procesamiento láser, se adoptan ampliamente el control CNC y la vinculación de múltiples coordenadas, equipados con sistemas auxiliares como la monitorización de la potencia del láser, el enfoque automático y la visualización de televisión industrial. En la actualidad, el diámetro mínimo de agujero que se consigue con el taladrado láser es de 0,002mm, la velocidad de corte por láser de materiales finos puede alcanzar los 15m/min, y la separación de corte está sólo entre 0,1-1mm.
Las aplicaciones de la tecnología láser de refuerzo de superficies, refundición de superficies, aleación y procesamiento amorfo están cada vez más extendidas, y el microprocesamiento láser en electrónica, biología e ingeniería médica se ha convertido en una tecnología de procesamiento especial insustituible.
El procesamiento por haz de electrones implica la emisión continua de electrones negativos del cátodo al ánodo en el vacío. Los electrones se aceleran y se concentran en un haz de electrones muy fino y de alta densidad energética durante la transición del cátodo al ánodo. Cuando los electrones de alta velocidad chocan con la superficie de la pieza, su energía cinética se convierte en energía térmica, lo que provoca la fusión y vaporización del material, que luego se extrae del vacío.
El control de la fuerza y la dirección de desviación del haz de electrones, combinado con el desplazamiento de control numérico del banco de trabajo en las direcciones x e y (utilizando el control CNC y la vinculación de múltiples coordenadas), puede lograr el punzonado, el corte por conformación, el grabado, la exposición fotolitográfica y otros procesos.
La tecnología de procesamiento por haz de electrones está madurando a escala internacional y se utiliza ampliamente para la soldadura combinada de grandes estructuras de componentes de carga principal como cohetes de lanzamiento y naves espaciales, así como para la fabricación de piezas estructurales importantes como vigas de aviones, armazones, componentes de trenes de aterrizaje, rotores integrales de motores, carcasas, ejes de potencia y recipientes a presión de dispositivos de energía nuclear.
La fabricación de circuitos integrados también adopta ampliamente la exposición fotolitográfica por haz de electrones, que tiene una longitud de onda mucho más corta que la luz visible, logrando una resolución del patrón de líneas de 0,25μm.
El mecanizado por haz de iones consiste en acelerar y concentrar los iones producidos por una fuente de iones en el vacío para que incidan en la superficie de una pieza. En comparación con el procesamiento por haz de electrones, como los iones tienen carga positiva y su masa es millones de veces mayor que la de los electrones, pueden adquirir mayor energía cinética tras la aceleración.
Se basan en la energía de impacto mecánico microscópico en lugar de convertir la energía cinética en energía térmica para procesar la pieza. El procesamiento por haz de iones puede utilizarse para el grabado de superficies, la limpieza ultralimpia y el corte a nivel atómico/molecular.
El mecanizado por microdescarga eléctrica consiste en la eliminación de metal en un fluido de trabajo aislante mediante una alta temperatura localizada causada por una descarga de chispa de pulso entre un electrodo de herramienta y una pieza de trabajo. El proceso no implica fuerzas de corte macroscópicas; el control preciso de la energía de descarga de un solo pulso combinado con una microalimentación precisa puede eliminar materiales metálicos extremadamente finos.
Puede procesar microejes, orificios, ranuras estrechas y superficies planas y curvas. El corte por hilo y el conformado por electroerosión de gama alta pueden proporcionar una precisión de procesamiento micrométrica, capaz de procesar un microeje de 3um y un orificio de 5μm.
El tratamiento microelectrolítico consiste en descomponer el agua en iones hidrógeno e iones hidroxilo en un fluido de trabajo conductor. Los átomos metálicos de la superficie de la pieza, que sirve de ánodo, se convierten en cationes metálicos y se disuelven en el electrolito, siendo electrolizados gradualmente. A continuación, reaccionan con los iones hidroxilo del electrolito para formar precipitados de hidróxido metálico, mientras que el cátodo de la herramienta no se desgasta.
Tampoco hay fuerzas de corte macroscópicas entre la herramienta y la pieza durante el proceso de mecanizado. Mediante el control preciso de la densidad de corriente y la ubicación de la electrólisis, se puede lograr un procesamiento electrolítico de precisión nanométrica, y la superficie no tendrá tensiones de procesamiento.
El procesamiento microelectrolítico se utiliza a menudo para el pulido espejo, el adelgazamiento de precisión y las situaciones que requieren un procesamiento sin tensiones. Las aplicaciones del procesado electrolítico son amplias y abarcan desde álabes e impulsores integrales hasta carcasas, componentes de anillos de disco y procesado profundo de orificios pequeños.
Los espejos reflectantes metálicos de alta precisión pueden procesarse mediante procesamiento electrolítico. Actualmente, la capacidad máxima de corriente de las máquinas de procesamiento electrolítico ha alcanzado los 50.000 A, y se han implementado el control CNC y el control adaptativo multiparámetro.
El procesamiento compuesto se refiere a las tecnologías de procesamiento que utilizan varias formas de energía y métodos diferentes, combinando sus ventajas, por ejemplo, el esmerilado electrolítico, el procesamiento electrolítico por ultrasonidos, el esmerilado electrolítico por ultrasonidos, la descarga eléctrica por ultrasonidos, el corte por ultrasonidos, etc.
El procesamiento compuesto es más eficaz y tiene un campo de aplicación más amplio que los métodos de procesamiento individuales.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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