Avances en el mecanizado por ultrasonidos para el procesamiento de aleaciones duras

En el ámbito de la fabricación de precisión, ciertos materiales presentan desafíos formidables para los ingenieros. El carburo de tungsteno, también conocido como carburo cementado, destaca como uno de esos "nudos difíciles de romper". Esta aleación compuesta de tungsteno y carburos se ha vuelto indispensable para herramientas de corte y componentes resistentes al desgaste debido a su excepcional dureza, resistencia al desgaste y estabilidad térmica. Sin embargo, estas mismas propiedades crean importantes dificultades de mecanizado, donde los métodos convencionales resultan inadecuados, mientras que las técnicas especializadas luchan contra la ineficiencia y el rápido desgaste de las herramientas.

Las propiedades excepcionales del carburo de tungsteno - 2-3 veces más duro que el acero con una dureza Mohs de 8.5-9 - lo hacen superior a la mayoría de los materiales metálicos. Su estabilidad química permanece inalterada incluso a altas temperaturas y en condiciones adversas, lo que lo hace ideal para herramientas de corte y componentes de alto desgaste en aplicaciones de trabajo de metales, minería, conformado de metales y hojas de sierra.

Sin embargo, esta extrema dureza crea desafíos de mecanizado sin precedentes. Los métodos tradicionales de torneado, fresado y taladrado resultan ineficaces. Si bien se pueden emplear herramientas de diamante policristalino (PCD), nitruro de boro cúbico (CBN) o cerámica, experimentan un desgaste acelerado y una rápida pérdida de filo.

Los métodos principales de mecanizado actuales implican la rectificación con muelas de diamante o el mecanizado por electroerosión (EDM). Si bien son funcionales, estos enfoques presentan múltiples dificultades para lograr resultados de calidad.

Los obstáculos de mecanizado se manifiestan en tres áreas críticas:

• Calidad y Longevidad de la Herramienta: La extrema dureza del material viene acompañada de fragilidad, lo que provoca astillamiento, agrietamiento y una rápida degradación de la herramienta. Los métodos convencionales luchan por mantener la calidad, mientras que las herramientas especializadas se desgastan en exceso.
• Limitaciones de Eficiencia: La combinación de alta densidad, dureza y fragilidad requiere un control preciso de la vibración y las fuerzas de corte. Un control inadecuado da como resultado microfisuras y fragmentación, lo que hace que el proceso consuma mucho tiempo y sea frustrante para los fabricantes.

Los recientes avances en la tecnología de mecanizado ultrasónico ofrecen soluciones prometedoras a estos desafíos persistentes. Esta innovadora técnica superpone vibraciones de alta frecuencia (más de 20.000 microvibraciones por segundo) a los procesos de mecanizado convencionales, creando vibraciones longitudinales de la herramienta durante la rotación.

Los beneficios de este mecanismo de microvibración incluyen:

• Reducción de las Fuerzas de Corte: Una menor fricción entre la herramienta y la pieza de trabajo permite mayores velocidades de avance, al tiempo que mejora la calidad de la superficie y prolonga la vida útil de la herramienta.
• Mejora de la Evacuación de Virutas: Las vibraciones de alta frecuencia promueven la fractura de las virutas y evitan el enredo, lo que mejora tanto la calidad como la eficiencia.

Caso 1: Rectificado con Acabado Espejo
Un fabricante logró una calidad de superficie de grado óptico (Ra < 0.002μm) en una pieza de trabajo de carburo de tungsteno de 20x20 mm utilizando un portaherramientas ultrasónico HSKE40 con CTS, ATC y automatización CNC integrados. El proceso de una sola herramienta completó todo, desde el desbaste hasta el acabado final de espejo, lo que resultó particularmente valioso para moldes de precisión, punzones y componentes de válvulas de alta presión.

Caso 2: Mecanizado de Rosca
Otra operación mecanizó roscas M10x1.5P y realizó rectificado en forma de H en una pieza de trabajo de 50x70x10 mm utilizando un portaherramientas ultrasónico HSKA63. El tiempo de finalización de 5 horas representó una reducción del 60% en comparación con los métodos EDM tradicionales, al tiempo que se logró un acabado superficial superior (Ra 0.8μm).

Compatibilidad de Herramientas: Los sistemas ultrasónicos escanean automáticamente las herramientas en busca de frecuencias de resonancia (típicamente 20-32 kHz) y pueden adaptarse a requisitos específicos de herramientas, y la mayoría de las herramientas estándar resultan compatibles después de una amplia validación.

Optimización de Parámetros: La tecnología incluye soporte integral para determinar las velocidades de avance y amplitudes óptimas, lo que garantiza que los usuarios obtengan el máximo beneficio del sistema.

Para los fabricantes que enfrentan desafíos de mecanizado de carburo de tungsteno, la tecnología ultrasónica representa un avance significativo, que ofrece una mayor eficiencia, calidad y longevidad de la herramienta en comparación con los métodos convencionales.