Trabajo en el que se hace un amplio repaso por el mecanizado ultrasónico.

1. Alumno: Pablo Otero Pozo
Titulación: Ingeniería Mecánica
Curso: 3º
Asignatura: Tecnología Mecánica
Grupo: G-5

2. Índice
1. Introducción..................................................................................3
2. Tipos y funcionamiento.................................................................4
- Mecanizado por ultrasonidos abrasivo (USM)....................4
- Mecanizado rotatorio por ultrasonidos (RUM).................10
- Mecanizado asistido por ultrasonidos (UAM)...................12
3. Modelizado matemático.............................................................14
- Mecanizado por ultrasonidos abrasivo (USM)..................14
- Mecanizado rotatorio por ultrasonidos (RUM).................19
4. Aplicaciones.................................................................................20
5. Fabricantes y tendencias tecnológicas........................................27
6. Bibliografía y fuentes de información.........................................29

3. 1. Introducción
El mecanizado por ultrasonidos es un proceso de mecanizado no tradicional que
lleva ya unos años presente en la industria con múltiples aplicaciones, sin embargo,
es un procedimiento que todavía se encuentra en desarrollo, buena prueba de ello
es la existencia de no muchos fabricantes de dichas máquinas herramienta. Existen
diversos tipos, que serán explicados en los apartados posteriores con mayor
detalle, cabe decir que los dos principales tipos se diferencian en algo fundamental
y es que el Mecanizado Ultrasónico (USM) no tiene contacto directo con la pieza,
mientras que el Mecanizado Ultrasónico Rotatorio sí, con lo cual presentan
diferencias importantes a la hora de diseñar las piezas a mecanizar por dichos
procesos. Además de estos dos tipos, en la actualidad existe el Mecanizado
Asistido por medios ultrasónicos, que básicamente y a diferencia de los anteriores,
consiste en añadir ciertas vibraciones a las herramientas del mecanizado
tradicional (principalmente tornos, taladradoras y roscadoras) a fin de mejorar
acabados, tolerancias, aumentar velocidad, etc.
Dichos procesos tienen una alta versatilidad, y permiten la mecanización de
materiales que sin estas operaciones serían prácticamente imposibles como
pueden ser los cerámicos, materiales compuestos o metales de gran dureza, por lo
que en algunas ocasiones pueden ser una seria alternativa a los procesos de
electroerosión. Además cuentan con la ventaja de dar unas mejores tolerancias y
acabados que el mecanizado tradicional, y suelen ser más rápidos debido a la
disminución de la viruta arrancada durante diversas acciones.
En la actualidad la extensión de dichos procesos no es muy amplia y por ejemplo
en España no existe ningún fabricante de máquinas de mecanizado ultrasónico
(aunque si los hay de otras operaciones en las que se ven implicados ultrasonidos
como inspección por ultrasonidos o corte de composites mediante ultrasonidos).
Es un área en continuo desarrollo, y es probable que en el futuro acabe
convirtiéndose en un proceso con gran presencia en multitud de procesos de
fabricación, ya que cuenta con las grandes bazas de su enorme versatilidad y
precisión.

4. 2. Tipos y funcionamiento
Como ya se expuso en la introducción existen diversos tipos de mecanizado en los
que se ven involucrados los ultrasonidos:
Mecanizado ultrasónico abrasivo (USM): este proceso arranca material de
la pieza para acabar dejando una forma concreta en ella. Para producir dicha forma
la herramienta penetra en la pieza con una vibración a muy altas frecuencias (15-
30 KHz) y muy baja amplitud (25-100 µm) en un medio abrasivo que circula en
contra de la dirección de trabajo y en línea con su eje longitudinal. El fluido
posteriormente es recirculado desde la zona de corte y durante el trayecto se
produce su refrigeración. Es un proceso relativamente rápido y en poco tiempo se
pueden apreciar arranques apreciables de material. Fue desarrollado en los años
50 para acabar superficies, pero al ver su enorme potencial en el mecanizado se
comenzó su desarrollo para uso general, permite procesar materiales de una
dureza de hasta 60 HRC, con lo que es ampliamente usado para el procesado de
cerámicos y otros materiales de gran dureza. Este proceso es posible verlo con
total detalle en la animación del siguiente enlace:
http://www.bullentech.com/animation

5. Al entrar la herramienta en la pieza, esta es empujada hacia abajo por una fuerza
que proporciona la máquina, mientras circula el fluido abrasivo (normalmente
formado por agua con diversas partículas de abrasivo en suspensión), que se
encuentra entre la propia herramienta y la pieza, con lo cual no se produce un
contacto directo entre ambos elementos. Debido a la vibración de la herramienta,
el fluido abrasivo produce el arranque de material de la pieza y en la herramienta,
dicha remoción de material se produce debido a la creación de micro grietas en la
pieza y su posterior propagación produciendo así una rotura frágil.
En este procedimiento la herramienta no tiene un contacto directo con la pieza
sino que como se explicó anteriormente el fluido de trabajo (es el que realmente
ejerce de filo) se encuentra entre ambos elementos. El fluido abrasivo está
compuesto de agua con aditivos y otras partículas en suspensión, dichas partículas
se caracterizan por una extremada dureza y existen diversos materiales apropiados
para su uso, los más usados son diamante, nitruro cúbico de boro, carburo de boro,
carburo de silicio y óxido de aluminio. El tamaño de los granos está comprendido
entre 200 y 2000 mallas por pulgada lineal dependiendo de si se quiere realizar una
operación de desbaste o una de acabado.
Dicho proceso podría realizarse con el mismo éxito a unas frecuencias menores, sin
embargo se utilizan las ultrasónicas por comodidad para el operario, esto es debido
a que unas frecuencias menores producirían unos sonidos muy agudos audibles
por el ser humano, que producirían cansancio e incluso podrían dañar su oído de
manera permanente.
La capacidad de producción de esta técnica es amplia, permite mecanizar piezas de
entre 40 y 60 HRC de dureza como carburos, cerámicos y cristal de tungsteno,
materiales que son imposibles de mecanizar por otros métodos. Tiene un rango de
tolerancias de 7 a 25 µm, tiene una remoción lineal de material de -0,025 a 25
mm/min, una acabado superficial de -0,25 a 0,75 µm, no se forma un acabado
superficial direccional a diferencia de lo que ocurre en el fresado tradicional y el
radio de corte radial puede llegar a ser de hasta 1,5 a 4 veces el tamaño del grano
abrasivo. Desafortunadamente no todo son ventajas y este proceso presenta varios
inconvenientes (algunos de ellos son corregidos en el mecanizado rotatorio por
ultrasonidos): baja tasa de remoción de material, es complicado taladrar agujeros
profundos ya que la entrada del fluido de trabajo se encuentra restringida en ellos,
el desgaste de la herramienta es alto debido a las partículas abrasivas, aquellas
herramientas hechas de latón, carburo de tungsteno, acero y acero inoxidable
tienen un desgaste debido al grano abrasivo de entre 1:1 a 200:1.

6. Cuando vamos a diseñar una pieza que se va a realizar siguiendo este método hay
diversas limitaciones que debemos tener presentes en todo momento, tenemos
que evitar los perfiles, esquinas y radios agudos, ya que sufren una erosión alta al
paso del lodo abrasivo, los taladros producidos tienen una cierta conicidad y es
necesario tener especial cuidado con los materiales frágiles, ya que tienen
tendencia a astillarse en el extremo de la salida de los orificios mecanizados, para
evitarlo debemos colocar una placa de respaldo en la parte inferior de dichas
partes.
El proceso presenta una serie de parámetros característicos que debemos
controlar para su correcto desarrollo y funcionamiento:
- Amplitud de vibración (15 a 50 µm)
- Frecuencia de vibración (19 a 25 KHz)
- Fuerza de alimentación (F) relacionada con las dimensiones de la pieza
- Presión de alimentación
- Tamaño de abrasivo
- Tipo de abrasivo ( , SiC, , silicato de boro, diamante, etc.)
- Resistencia al fluido abrasivo de la pieza de trabajo
- Resistencia al fluido abrasivo de la herramienta
- Área de contacto de la herramienta
- Concentración de abrasivo en el fluido de trabajo
- Herramienta
o Material de la herramienta
o Forma
o Amplitud de la vibración
o Frecuencia de la vibración
o Fuerza desarrollada en la herramienta
- Material de trabajo
o Material
o Resistencia al impacto
o Resistencia superficial a la fatiga
- Fluido de trabajo
o Abrasivo (dureza, tamaño, forma y cantidad de flujo de abrasivo)
o Líquido (propiedades químicas, viscosidad y velocidad de flujo)
o Presión
o Densidad

7. El equipamiento necesario para realizar dicho proceso tiene diversas variantes, y es
incluso posible utilizarlo en un torno tradicional como una variante de la
herramienta tradicional, proporcionando así una mayor versatilidad a la máquina.
La potencia de los equipos varía mucho y puede oscilar entre los 200 y los 2400 W,
a la hora de escoger una máquina tenemos que valorar el área máxima de la
herramienta a utilizar y el material que va a ser removido. La máquina cuenta con
los siguientes elementos:
- Oscilador electrónico: transforma la frecuencia de 50 Hz de la línea
convencional en 20000-30000 Hz (en la actualidad ya existen máquinas de
hasta 50000 Hz), dicho elemento puede estar integrado en la máquina o en un
armario separado de la propia máquina.
- Transductor o transformador de resonancia: recibe la señal eléctrica de alta
frecuencia y la convierte en una vibración mecánica de alta frecuencia y baja
amplitud. Hay dos tipos de transductores:
o Transductor piezoeléctrico: este tipo genera una
pequeña corriente eléctrica cuando es comprimido,
dicha corriente pasa a través de un cristal, lo que
hace que dicho elemento se expanda, al desaparecer
la corriente el cristal vuelve a su posición inicial, con
lo que al ir variando la corriente eléctrica de una
forma sinusoidal se produce la vibración. Dichos
transductores están disponibles para potencias de
hasta 900 W y tienen una eficiencia del 95%.

8. o Transductor magneto-estrictor: este transductor
varía su longitud cuando es sometido a un
campo magnético de alta intensidad. Está
formado por láminas de níquel y un
arrollamiento eléctrico en conexión con el
oscilador, se encuentra alojado en una carcasa
refrigerada por agua. Tiene una eficiencia del 20-
30%, sin embargo, cuenta con una ventaja con
respecto al piezoeléctrico, y es que puede
alcanzar una potencia de hasta 2000 W. La
máxima variación de longitud que puede tener
es de aproximadamente 25 µm.
- Cono de transmisión: se encuentra roscado al núcleo del magnetoestrictor que
realiza las funciones de amplificador de las vibraciones, ya que debido a su
geometría aumenta la intensidad de las vibraciones al concentrarse en su base
de menor tamaño, la que está en contacto con la herramienta. Esta hecho de
materiales con buenas propiedades acústicas y alta resistencia a la rotura por
fatiga (suelen estar hechos de titanio, monel o acero inoxidable), es necesario
tomar en consideración durante su diseño la necesidad de evitar que se
produzcan soldaduras por ultrasonidos entre el cono y el transductor.
- Herramienta: se encuentra fijada fuertemente a
la base menor del cono de transmisión y en perfecta
alineación con el eje de trabajo de la máquina. La
herramienta en el USM se denomina sonotrodo, punzón
o útil ultrasónico, suele estar hecha de materiales
dúctiles (es preferible que no sean demasiado duros)
como acero, acero inoxidable 303, molibdeno, latón,
etc. Dicha herramienta está diseñada para vibrar a altas
frecuencias en un medio abrasivo, con lo que su diseño
es complejo y tedioso, ya que la forma de la
herramienta tiene que optimizar la vibración y evitar
que se produzca una absorción de energía, además de
que la punta tiene que realizar una correcta distribución
del fluido abrasivo entre la pieza y la herramienta. El
desgaste del sonotrodo varía mucho dependiendo del
material a mecanizar, 1-3% al mecanizar vidrio, cuarzo o
germanio o hasta incluso el 200-300% al realizar

9. taladros en diversos aceros aleados de alta dureza, sin embargo el desgaste
más común del sonotrodo es del 10%. En algunas ocasiones, al igual que en la
electroerosión por penetración la herramienta depende de la figura que se
desee mecanizar, ya que la sección de material arrancado será igual a la sección
del sonotrodo, sin embargo, en la actualidad es posible utilizar una herramienta
genérica, lo cual aunque resta efectividad y rapidez al proceso, pero a cambio
dota de una mayor versatilidad a la máquina. Cuando se desean realizar
agujeros pasantes, el sonotrodo no se construye macizo, sino hueco en forma
de tubo, así el material arrancado es el vaciado por la pared del tubo. En
ocasiones se utilizan sonotrodos múltiples para realizar determinadas
operaciones que de otra manera serían muy complicadas. La sujeción de la
herramienta en el cono se hace por medio de tornillos prisioneros, con lo que
se obtiene una sujeción de plenas garantías, algo muy importante debido a las
fuertes vibraciones a las que está sometida la herramienta. Para moverse,
recibe del conjunto un movimiento vibratorio vertical, que sería el equivalente
al movimiento de corte en el mecanizado tradicional, además cuenta con un
movimiento de avance o penetración regulado por el cabezal y que progresa de
manera automática al penetrar el sonotrodo en la pieza. Esto se consigue
regulando la presión que ejerce el cabezal sobre la pieza antes de iniciar el
trabajo, por medio de contrapesos, hasta acabar aproximadamente en
1 , dicha presión es posible regularla mediante un dinamómetro que
incorpora la máquina. En la actualidad las máquinas de 5 ejes precisan varios
problemas de sujeción de la pieza, ya que al pivotar la pieza es posible que
algunos errores de ubicación se compongan trigonométricamente, para evitar
esto se utiliza Sistema de Herramental Fino de Erowa, que consta de un pallet y
un receptor que sujeta la pieza de trabajo rígidamente y asegura una ubicación
repetible de la misma.
- Mesa: es el lugar sobre el que se sujeta la pieza, está en el interior de un
depósito que contiene parte del líquido abrasivo.
- Bomba: es la encargada de hacer circular por el circuito el fluido de trabajo,
antes de llegar a ella, el material arrancado es separado del líquido de trabajo
mediante decantación para su posterior reciclado.
- Control numérico: en el pasado esta máquina tenía una cierta componente
manual, pero desde los años 70-80 con el fuerte desarrollo que ha tenido la
industria informática, los controles numéricos se fueron perfeccionando y
acoplando a las distintas máquinas herramientas y la del mecanizado por
ultrasonidos abrasivo no es un excepción. Desde el control numérico se puede
tener un dominio total de los distintos parámetros de la máquina.

10. Para esta operación existen diversos tipos de máquinas:
- Máquinas de poca potencia: están enfocadas a la realización de diversos
trabajos de precisión como el taladrado de pequeños agujeros o incluso la nano
fabricación.
- Máquinas de alta potencia: se utilizan para realizar la mayoría de operaciones
generales de mecanizado.
- Máquinas portátiles: permiten realizar pequeños orificios en piezas de gran
tamaño.
Para programar esta máquina podemos servirnos de un programa de CAM de un
centro de mecanizado convencional, sin embargo los parámetros de corte que
pueden soportar las herramientas ultrasónicas son superiores a sus equivalentes
tradicionales, con lo que la tasa de arranque de material y el tiempo de trabajo son
claramente más competitivos.
Mecanizado rotatorio ultrasónico (RUM): fue inventado en 1964 por Legge,
en el primer dispositivo que se construyó no se usaba un fluido abrasivo, sino una
herramienta vibradora de diamante impregnada en abrasivo que penetraba en la
pieza que se encontraba rotando, dicha pieza era sujetada mediante una mordaza
de 4 puntas por lo que dicho proceso se encontraba muy limitado y solo permitía
realizar taladros circulares en piezas muy pequeñas. Con el paso del tiempo este
proceso se fue perfeccionando introduciendo un transductor ultrasónico y
herramientas con diversas geometrías, lo que permite en la actualidad mecanizar
piezas con muy diferentes formas.
Este proceso combina una vibración axial a altas frecuencias (20000-50000 Hz) con
una rotación de hasta 6000 rpm (en algunos casos se puede llegar hasta incluso las
42000 rpm), esta operación adicional permite obtener unos mejores resultados en
diversos procesos como taladrado, corte, fresado o roscado de materiales. A
diferencia del USM (Mecanizado ultrasónico abrasivo) en este caso la herramienta
si tiene un contacto directo con la pieza, y se utilizan herramientas de diamante. La
separación entre la herramienta y la pieza es constante con lo que las fuerzas de
corte se reducen y en consecuencia existe una menor formación de calor durante
el proceso, esto permite aumentar hasta 5 veces la productividad y obtener unos
acabados superficiales con una Ra incluso menor de 0,2 µm, no siendo necesario
en muchos casos un pulido posterior. Cuenta con dos sistemas de control el ADR
(monitoriza el par y protege la herramienta) y el ACC (controla la fuerza en la
dirección axial mediante señales acústicas y protege el piezoeléctrico).

11. Tiene la ventaja de que no se producen zonas afectadas térmicamente ni se
produce una modificación de la composición química del material, además de
producir una capa de tensiones residuales de compresión que aumentan la
resistencia de la pieza a la fatiga. Permite además la realización de taladros de
diámetros de hasta 0,5 mm sin dañar la superficie y con buen acabado. La viruta
obtenida durante el proceso es más fácilmente procesable gracias a su menor
tamaño y mejor fractura debido al efecto de la vibración ultrasónica, además tiene
un mejor aprovechamiento del material, y es que la viruta contiene un 40% de
partículas no metálicas, mientras que en el mecanizado sin ultrasonidos dicho
porcentaje es del 70%.
El equipo que se usa en esta operación es muy similar al utilizado en el USM, sin
embargo no requiere de ningún elemento que procese el fluido abrasivo y se
encargue de su circulación por el sistema, aunque si se suele usar una corriente de
taladrina que sirve para refrigerar el proceso, evitar el embotamiento y eliminar las
virutas de la zona de corte. La herramienta puede tener una geometría muy diversa
dependiendo de la aplicación concreta para la que se vaya a usar. Existe una amplia
variedad de máquinas, y también aquí, al igual que en el mecanizado abrasivo por
ultrasonidos, tenemos la posibilidad de obtener en el mercado una máquina
portátil, todas estas máquinas cuentan con un CNC acoplado encargado de
gobernar los movimientos de la máquina. Muchos autores y libros no lo consideran
un proceso de mecanizado en sí, sino más bien una mejora del USM.

12. Mecanizado asistido por medios ultrasónicos (UAM): no se trata de un
proceso en sí, sino de la incorporación de diversos medios que añaden vibración a
las máquinas de mecanizado tradicional con el fin de aumentar su versatilidad y
mejorar su eficiencia.
- Aplicaciones en el torno: permite mecanizar que de otra manera presentan
multitud de problemas, como la mulita de alta densidad. Sin embargo, este
proceso no solo abre nuevas posibilidades en lo que respecta a materiales, sino
también permite un importante ahorro económico, ya que se puede hacer
disminuir las fuerzas de corte en un 30-40% aunando además un buen acabado,
una menor formación de viruta y unas mejores condiciones de corte. Además
ofrece la posibilidad de aumentar las razones de corte en diversos materiales
metálicos como aluminio, acero y aleaciones de titanio, por lo que nos
encontramos ante un avance notable en la mejora de la productividad en el
mecanizado.

13. - Aplicaciones en el taladro: en algunos casos esta tecnología permite a la
herramienta reducir el par motor y las fuerzas en la herramienta con lo que
podemos ampliar la vida útil de la broca. Como ejemplo podemos mostrar
varios casos en los que el esfuerzo de corte bajó de manera significativa, 30 %
en el taladrado de cobre y acero y un 54 % en el mecanizado del titanio. Por
otro lado, el par motor decreció en un 25 % al trabajar con acero, en un 50 % al
hacer lo propio con el titanio y un 65 % cuando se enfrentó a aleaciones de
aluminio. No solo permite una reducción de los esfuerzos en la herramienta
sino que además permite la evacuación
de la viruta con una mayor eficiencia y
aumenta la profundidad de corte hasta
más del doble en algunos casos, además
la broca sufre un desgaste más uniforme
en el filo principal, mientras que si
hacemos el mismo proceso sin añadir
vibración dicho desgaste se concentra
solamente en la periferia externa de la
broca. Antes de implementar este
proceso es necesario realizar un estudio
por elementos finitos del
comportamiento y la vibración de la
herramienta, con el fin de optimizar el
proceso.

14. 3. Modelo matemático de remoción de material
Modelo mecanizado por ultrasonidos abrasivo (USM): diversos
análisis teóricos y experimentales han puesto de manifiesto que el mecanizado
por ultrasonidos abrasivo remueve material en forma de pequeñas partículas
mediante 4 mecanismos:
1. Choque de granos abrasivos.
2. Arranque por vibración de los granos abrasivos.
3. Cavitaciones en el medio afectado por el fluido debido a la vibración
de la herramienta.
4. Erosión química debida a micro agitaciones.
El material arrancado debido al choque y a la vibración de los granos abrasivos
es significativo y es el que vamos a tener en cuenta, ya que tanto las
cavitaciones como la erosión química son significativamente más pequeñas con
lo que podemos despreciarlas.
En primer lugar suponemos que las partículas abrasivas son iguales y
totalmente esféricas (de radio D), dichas partículas se mueven siempre por
debajo de la frecuencia a la que vibra la herramienta. Cuando la herramienta
toca contra a las partículas nos encontramos ante dos posibilidades:
 Si el tamaño de la partícula es pequeño y la separación entre la
herramienta y la pieza es grande, entonces la partícula será
impulsada por la herramienta y chocará contra la pieza.
 Si el tamaño de la partícula es grande y la separación entre la
herramienta y la pieza es pequeña, entonces dicha partícula
arrancará material de la superficie de trabajo de la pieza debido a
vibración.
A partir de la geometría, podemos obtener las
siguientes expresiones:

15. Desarrollando dichas expresiones obtenemos:
es un valor muy pequeño por lo que podemos despreciarlo, con lo que
podemos decir que
El volumen de material arrancado durante el proceso corresponde al volumen
del cráter semiesférico debido a una partícula de abrasivo por ciclo.
Donde es constante
El número de impactos (N) de cada grano de abrasivo contra la pieza en cada
ciclo depende del número de granos de abrasivo que se encuentran afectados
por la vibración de la herramienta en cada instante. Es inversamente
proporcional al diámetro de cada grano de abrasivo.
Donde es constante
En nuestro caso no todas las partículas tienen necesariamente que ser efectivas
y realizar su trabajo por lo que debemos introducir un factor corrector en la
ecuación. Por lo que finalmente obtenemos la ecuación general de arranque de
material:
Como dijimos anteriormente, el arranque de material se produce por dos
factores, y cada uno de ellos debe tratarse de manera separada para
posteriormente sumar sus efectos, será el valor que nos cambiará
dependiendo si estamos trabajando con el choque del grano o con el martilleo
del grano.

16. Modelo 1. Choque de grano: en primer lugar tenemos que tener en cuenta
varios supuestos, suponemos que la partícula choca totalmente contra la
superficie de trabajo con una vibración sinusoidal y que el desplazamiento de la
herramienta en el eje Y se produce en un período de tiempo (t) y con una
amplitud de oscilación (a/2), también debemos suponer que la velocidad de
todas las partículas es la misma.
Cada partícula penetra en la pieza con una profundidad , por lo que el trabajo
que realiza cada una de ellas es:
También sabemos la resistencia a la fluencia del material:
Juntando ambas ecuaciones obtenemos:
El trabajo realizado por cada partícula debe ser igual a la energía cinética de la
partícula, ya que suponemos que no existen pérdidas por rozamiento.
Operando obtenemos el valor de la profundidad:

17. Introduciendo este valor en la ecuación general obtenida previamente
obtenemos el volumen de material arrancado:
Modelo 2. Vibración del grano: cuando la
separación entre la herramienta y la pieza
de trabajo es más pequeña que el
diámetro de las partículas, el resultado es
una penetración en la herramienta ( )
además de la que se produce en la pieza
de trabajo ( ), estos valores dependen
de la dureza de la herramienta y la pieza
de trabajo respectivamente. La fuerza F
actúa sobre el fluido abrasivo solamente durante un parte (ΔT) del período
total de tiempo T. Durante este período de tiempo las partículas abrasivas
están en contacto tanto con la herramienta como con la pieza. La fuerza media
que se produce sobre el fluido se puede expresar como:
F(t) como podríamos suponer es el valor de la fuerza instantánea, es decir, el
valor de la fuerza en un instante t. Esta fuerza sobre el abrasivo producida por
la herramienta crece tan pronto como el fluido abrasivo se encuentra en
contacto con la pieza y la herramienta al mismo tiempo, va creciendo
progresivamente hasta que alcanza su valor máximo, para después ir
decreciendo paulatinamente hasta llegar a cero. Por tanto la ecuación del
momento puede escribirse como:

18. La penetración total debido a la vibración está dada por la siguiente expresión:
La amplitud de la oscilación de la herramienta es a/2, la velocidad media de la
herramienta durante un cuarto de ciclo vale (a/2)/(T/4), por lo tanto la ΔT
requerida para moverse desde el punto A al B es:
Sustituyendo en la ecuación de momentos:
»
Conocemos también la penetración o desgaste de la herramienta y de la pieza:
Relacionando ambas expresiones:
Finalmente obtenemos:
Sustituyendo

19. Tenemos la expresión final de la penetración:
Finalmente sustituyendo la penetración por su valor obtenemos el volumen de
material arrancado por la vibración de las partículas abrasivas es:
Modelo mecanizado rotativo por ultrasonidos (RUM): dicho modelo
es en gran parte similar al de mecanizado por ultrasonidos abrasivo, sin
embargo, a diferencia del de USM que es relativamente sencillo, el modelo del
RUM tiene una cierta complejidad y considero que no es necesario ni útil
mostrarlo en este trabajo, de todos modos si se desea consultar sus
fundamentos, se pueden consultar en dos artículos realizados por los
investigadores Z. J. Pei (profesor de la Kansas Estate University), D. Prabhakar
(profesor de la Kansas Estate University), P. M. Ferreira (profesor de la
University of Illinois) y M. Haselkorn (responsable del centro técnico de
Caterpillar).
http://www.k-
state.edu/career/2009/Publications/ASME%20JMST/Pei%20RUM%20model.pd
f
http://www.k-
state.edu/career/2009/Publications/ASME%20JMST/Pei%20RUM%20model%2
0for%20conference.pdf

20. 4. Aplicaciones
Las aplicaciones de los procesos de mecanizado por ultrasonidos son muy
amplias y han permitido un gran avance en la utilización de ciertos materiales
que no se pueden procesar de otro modo.
El mecanizado por ultrasonidos es
ampliamente usado en la NASA, ya que a
día de hoy es la única opción que tienen
para el procesado de diversos tipos de
materiales, además permiten realizar
piezas de precisión, de un tamaño
cercano ya a la nanotecnología. La
agencia espacial americana para la
realización de espejos de vidrio de ultra
baja expansión para satélites usó
también mecanizado ultrasónico, ya que
el rectificado y lapeado tradicionales
podían causar grietas en la superficie y eran más caros. Otro uso interesante
que le da la NASA a estas técnicas es el mecanizado de materiales cerámicos
semiconductores de gran dureza, que permiten tener una gran precisión
durante su ensamblaje y que
a diferencia de los materiales
clásicos, mantienen una gran
uniformidad de temperaturas
mejorando así el rendimiento
en procesadores de gran
potencia como los que se
envían al espacio, no
debemos olvidar que estos
componentes electrónicos
además se encuentran en
condiciones muy extremas de
temperatura y presión, por lo
que esta precisión es casi
siempre requerida. Esta
tecnología no solo tiene
aplicaciones en sectores tan especializados como el de la exploración espacial,
sino que multitud de componentes aeronáuticos se realizan siguiendo estos
procesos, por ejemplo para producir una pastilla de carburo de 32 mm de
diámetro y 16 mm de ancho el RUM es la mejor opción, ya que lo consigue en
un tiempo relativamente corto (12 minutos) y con muy buenos resultados, otro

21. muy buen ejemplo es el de algunos conectores y piezas cerámicas que solo se
pueden fabricar por ultrasonidos. En el año 2010 la JAXA fabricó un motor
completamente cerámico (nitruro de silicio) para su sonda Akatsuki, dicho
motor cuenta con multitud de piezas mecanizadas por ultrasonidos y puede
soportar hasta 1300 ºC.
Multitud de moldes en la actualidad se fabrican ya por medios ultrasónicos, ya
que el uso de este proceso presenta multitud de ventajas con respecto a la
electroerosión (proceso más usado para este fin en la actualidad), no es
necesario fabricar electrodos específicos para cada molde y además permite
mecanizar carburo de wolframio y otros elementos de gran dureza con un
desgaste de la herramienta mínima, además de la realización de moldes y
matrices cerámicos, cosa que con electroerosión es imposible debido a que los
cerámicos son materiales dieléctricos.
En la actualidad con estos procesos es
posible la creación de chips cerámicos
con conexiones en 3 dimensiones, lo cual
abre un campo totalmente nuevo en la
electrónica, dichos chips se realizan con
una combinación en primer lugar de
mecanizado ultrasónico y
posteriormente con la ayuda de varios
equipos láser se realizan los respectivos
canales del circuito, dicho método
abarata costes, ya que es más económico
que el mecanizado químico que se ha
estado usando hasta ahora. Es posible
realizar procesado de multitud de materiales semiconductores para diversas
aplicaciones electrónicas y de producción de energía, tales como placas wafer
(en León hay una empresa especializada en su fabricación, aunque a causa de la
crisis económica se encuentra en concurso de acreedores), diversos elementos
de refrigeración, elementos de silicio, cuarzo hialino... Todos estos procesos en
la actualidad se fabrican gracias a máquinas-herramienta ultrasónicas, ya que
son la opción más económica y con mejores resultados para dichas tareas.

22. La industria del automóvil lleva ya
unos cuantos años sirviéndose de
estos procesos para fabricar gran
parte de sus componentes, como los
discos de freno de alto rendimiento,
estos discos se realizan con
materiales cerámicos, previamente
cocidos en un horno, posteriormente
se les realizan unos pequeños orificios
mediante mecanizado ultrasónico
para evaporar el vapor de agua que
se forma al calentarse la superficie
durante la frenada, con lo que el disco queda ya finalizado y listo para su
utilización, dichos discos mantienen sus propiedades de frenada hasta con 700
ºC en su superficie y tienen una duración de más de 300.000 km, con lo que en
algunos casos se cambiará antes el coche que los frenos. Múltiples elementos
del motor (especialmente motores diesel) debido a su mejor resistencia frente
a las altas temperaturas, y menor desgaste por corrosión, utilizan componentes
fabricados con esta tecnología: toberas de inyección, insertos de moldes de
inyección, etc. Cada vez más rotores de turbo están fabricados de nitruro de
silicio (una cerámica de gran dureza y resistencia), también otros componentes
se están empezando a fabricar con cerámicos son válvulas, guías de la válvula,
asientos de válvula, componentes del pistón, levas y cojinetes. Todos ellos
necesitan de un procesado mediante mecanizado que es realizado por
máquinas ultrasónicas.
En el sector agrícola diversa maquinaria
como fertilizadoras o esparcidoras de
pesticida utilizan toberas cerámicas que
necesitan de un mecanizado ultrasónico
para darles formas, al utilizar un material
cerámico presentan una mayor resistencia a
la corrosión y un mayor rango de presiones
de trabajo mayor con lo que su durabilidad y
operatividad mejora mucho.

23. La industria óptica también encuentra en el mecanizado ultrasónico un
poderoso aliado, multitud de espejos para aplicaciones muy críticas y
específicas, tales como aplicaciones médicas, de precisión o aeroespaciales son
procesados por estos métodos. Multitud de cristales de gran dureza, como el
cristal de zafiro empleado en la alta relojería necesitan en algunas ocasiones de
un mecanizado para dar un buen acabado y mejorar sus propiedades tras el
paso por el horno. Determinadas lentes de telescopios y de cámaras
fotográficas se están empezando a hacer siguiendo estas técnicas, ya que se
produce un abaratamiento de costes y se pueden obtener incluso mejores
resultados que con las procedimientos que se han usado hasta ahora.
Gran parte de dibujos y formas
decorativas que se realizan sobre piedras
de gran dureza como granito o mármol
se pueden hacer gracias al mecanizado
ultrasónico, esto no solo se hace con
objeto ornamental sino que algunas
empresas de muebles de cocina y baño
como Silestone se realizan huecos en
elementos sanitarios con fines prácticos
(jaboneras, huecos para tarros y botes, etc.)
El titanio, material de gran importancia en diversos sectores como el
aeronáutico o el médico (es un material biocompatible) es posible procesarlo
por métodos convencionales, sin embargo, con estos métodos es un proceso
lento y complicado, ya que produce un gran desgaste de las herramientas y en
algunas ocasiones no se obtienen grandes resultados. Cada vez más está
aumentando el uso de tecnologías ultrasónicas para su mecanizado con muy
buenos resultados, y es probable que a corto-medio plazo acabe por ser la
opción mayoritaria para estos menesteres.
Múltiples elementos médicos se fabrican siguiendo métodos ultrasónicos, ya
que proporcionan una gran adaptabilidad, una característica importante para la
medicina ya que necesita productos personalizados para cada paciente y con
unos buenos acabados y tolerancias. Un sector médico que tiene una especial
dependencia del mecanizado ultrasónico es el odontológico, gran parte de
elementos dentales se realizan con esta técnica y es altamente probable que en
el futuro dicha técnica se acabe imponiendo sobre el mecanizado tradicional,
todas las prótesis realizadas con circonio y cerámica o vidrio utilizan este
sistema. No solo se realizan productos para pacientes, sino que algunas
máquinas de diagnosis requieren de componentes fabricados por ultrasonidos.

24. La creación de plaquitas de material
cerámico para el mecanizado de
fundiciones y acero templado, estas
plaquitas ofrecen una productividad
de 2 a 3 veces superior a sus
equivalentes de metal duro, están
diseñadas para el desbaste medio o
ligero. Tienen una vida útil superior
hasta en un 40% a las herramientas
comparables que existen en el
mercado y dan unos acabados ligeramente mejores. Estas herramientas se
perfilan y se les da el acabado adecuado mediante el mecanizado ultrasónico.
Diversas boquillas de soldadura y elementos pirométricos utilizan también
cerámicos debido a su gran resistencia a las altas temperaturas y la escasez de
pérdida de propiedades, no siempre se necesita mecanizar para estos usos,
pero en caso de aplicaciones que requieren gran precisión como soldadura
robotizada necesitamos del mecanizado ultrasónico.
La producción de preformas de fibra
óptica y barras alargadas para la
producción de rayos láser se realiza
cada vez más mediante mecanizado
ultrasónico rotatorio, ya que permite
mecanizar barras de 254 mm de largo
(y en algunas ocasiones incluso más) y
extremadamente redondas de diversos
materiales como cuarzo, cristal, zafiro,
rubí, etc. Con este proceso también es
posible la realización de agujeros de
gran longitud en los materiales
descritos anteriormente y en cristal de
boro silicato, nitruro de aluminio,
alúmina, carburo de silicio y otros materiales cerámicos en los que tenemos la
necesidad de una buena tolerancia en el agujero, o donde es estrictamente
necesario un correcto paralelismo entre los distintos taladros. Diversos
elementos de cuarzo se mecanizan también siguiendo estas técnicas, el cuarzo
tiene la propiedad de ser caso totalmente transparente para los infrarrojos, con
lo cual es utilizado cuando se necesitan dichas ondas para algún propósito.

25. El mecanizado rotatorio por
ultrasonidos es muy usado en el
procesado de CFRP composites
(polímeros que contienen fibras de
carbono). Este proceso presenta
muchas ventajas con respecto a
otros, es relativamente barato y fácil
de integrar (los operarios se adaptan
rápido, ya que su programación es
muy similar a la de una máquina
tradicional) en un entorno en el que
se trabaje con máquinas
tradicionales. Los cuadros de bicicleta de modelos de alta gama están
fabricados en fibra de carbono, siguen un proceso en el que las diferentes fibras
de carbono se colocan sobre unos tubos con la forma del cuadro (así se realiza
de una pieza), posteriormente se comprimen y se calientan ligeramente,
quedando así la forma definitiva, posteriormente aquellas zonas que necesitan
unas tolerancias críticas reciben un mecanizado, dicho mecanizado se realiza
con ultrasonidos (concretamente con mecanizado ultrasónico abrasivo) debido
a las características del material. Este proceso se puede visualizar en el
siguiente vídeo http://www.youtube.com/watch?v=iDLSsWewfms#t=137 Las
raquetas de tenis de fibra de carbono primero se moldean de una forma
bastante similar a la llevada a cabo con el cuadro de la bicicleta y
posteriormente se realizan diversos taladrados asistidos por ultrasonidos
(debido a su buen acabado y tolerancias) para los agujeros para la colocación
de las cuerdas.
En la actualidad se están
incorporando diversos elementos
hidráulicos como bombas o válvulas
con varias piezas realizadas con
cerámicos, la utilización de
cerámicos presenta una mejora de
capacidad y de eficiencia mejor
debido a su gran resistencia a la
compresión, al desgaste, la poca
resistencia que oponen al paso de
fluidos y su bajo coeficiente de
dilatación. Estas piezas tras su paso
por el horno en muchos casos
necesitan un mecanizado posterior para darle unas buenas tolerancias, y es
aquí cuando entra en juego el mecanizado ultrasónico.

26. Otras aplicaciones reseñables son:
o Mecanizado de cavidades en cerámicos no conductores.
o Mecanizado de agujeros circulares, cuadrados, irregulares e
impresiones en la superficie.
o Mecanizado de materiales frágiles, materiales duros como cerámicos,
cristales, etc.
o Procesado de , material usado en la fabricación de álabes de
turbinas.
o Realización de un gran número de taladros con un diámetro pequeño
o Permite el mecanizado de dados para operaciones trefilado y taladrado.
o El USM nos da la posibilidad de realizar operaciones de mecanizado
como taladrado o fresado en materiales que pueden ser tratados con
abrasivos.
o Es ampliamente usado en la medicina odontológica, ya que permite a
un dentista realizar un agujero en un diente de cualquier forma sin
causar ningún tipo de dolor al paciente.
o Sirve para mecanizar con unas buenas tolerancias y acabados piedra y
otros elementos metálicos.
o Mecanizado de piedras preciosas para su utilización en calibres de
relojería y de semiconductores para su uso en transistores.
o Perforación de matrices o hileras de carburo para su posterior montaje
en armaduras de acero.
o Realización de roscas interiores o exteriores en materiales frágiles.

27. 5. Fabricantes y tendencias tecnológicas
Nuestro país es uno de los mayores productores mundiales de máquinas-
herramienta y controles numéricos (Fagor Automation es actualmente el líder
mundial en fabricación de controles numéricos) sin embargo, no he encontrado
ningún fabricante español de máquinas que utilicen medios ultrasónicos, en la
AFM (asociación española de fabricantes de máquinas herramienta) al menos
no existe ningún fabricante registrado, si existen algunas empresas que realizan
productos que utilizan ultrasonidos, como M. Torres (empresa navarra) que
produce máquinas de corte por ultrasonidos para composites y máquinas para
la inspección por ultrasonidos de piezas de composites.
En la actualidad existen diversos fabricantes,
aunque los más significativos y avanzados se
encuentran en Japón y en Alemania. DMG Mori
Seiki es una empresa japonesa que produce
varios modelos de centros de mecanizado por
ultrasonidos (mecanizado rotatorio), y es una
de las referencias del mercado, y es que incluso
sus máquinas son las encargadas de realizar
varios trabajos para la NASA, además de esta
empresa, otro productor importante es
Sonotronic, esta compañía alemana es de
menor tamaño que DMG sin embargo también
cuenta con una amplia variedad de maquinaria
y herramientas. Es altamente probable que el desarrollo de todas estas
máquinas herramientas se acabe extendiendo por todo el mundo y a corto-
medio plazo tengamos una mayor variedad de fabricantes, lo cual siempre va
en beneficio del cliente y de la tecnología al haber una mayor competencia en
el sector. Los controles numéricos que utilizan estas máquinas a diferencia de
los existentes en las máquinas convencionales que se sirven de empresas
externas (Fagor, Siemens, etc.) son fabricados por el propio fabricante de la
máquina, que además es el encargado del suministro de su software propio.
Para programar la máquina, no es necesario ningún software especial, ya que
con un programa de CAM de mecanizado convencional se puede realizar esta
tarea.

28. El avance del mecanizado por ultrasonidos va aparejado a la utilización y el
desarrollo de diversos cerámicos y materiales duros que proporcionan mejores
propiedades que los tradicionales. A pesar de ser algo que se inventó hace ya
bastante tiempo, se encuentra en un desarrollo constante y su implantación
todavía no es muy amplia (todo hace indicar que en el futuro dicha
implantación aumentará significativamente). Diversos expertos apuntan a que
en el futuro se tendrán que mejorar diversos aspectos, como el daño superficial
que se produce durante el mecanizado rotatorio en materiales duros y frágiles.
Otro campo que también está por desarrollar en toda su extensión es el de las
herramientas, en la actualidad se está investigando en diversos materiales para
tratar de alargar la vida útil de las herramientas (en el mecanizado ultrasónico
abrasivo es en ocasiones muy corta), también otro campo en el que se está
trabajando es en el de la simulación por ordenador, en la actualidad no existen
simuladores de calidad del proceso, lo que ocasiona diversos problemas
durante la fase de diseño. Se está tratando de utilizar el mecanizado ultrasónico
para materiales que aunque es posible mecanizarlos por medios
convencionales, dicho mecanizado tiene un elevado coste. En la actualidad
también existe una clara tendencia a la incorporación de medios ultrasónicos a
máquinas tradicionales, dicha incorporación está siendo lenta pero creciente y
es que proporciona múltiples ventajas sobre todo en tareas de taladrado y
roscado, es posible que de aquí a unos años veamos cómo esta tecnología pasa
a formar parte del equipamiento de diversos talleres y fabricantes con muy
buenas tasas de productividad, ya que la optimización de los diversos
parámetros de trabajo se consigue con la experiencia. Otro reto al que se
enfrentan los fabricantes es al desarrollo de transductores piezoeléctricos de
gran potencia, estos presenta multitud de ventajas respecto a los magneto-
estrictores que con el paso del tiempo tenderán a desaparecer. E

29. 6. Bibliografía y fuentes de información
 Manufactura, Ingeniería y Tecnología- S. Kalpakjian y S.R. Schmid
 Tecnología Mecánica y Metrotecnia- José María Lasheras
 Revista Metal Metálica Octubre/Noviembre 2011
 http://www.nitc.ac.in/dept/me/jagadeesha/mev303/Chapter_3_USM.pdf
 http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/mecatronica/docs_curso/Anexo
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f
 http://nptel.iitk.ac.in/courses/Webcourse-
contents/IIT%20Kharagpur/Manuf%20Proc%20II/pdf/LM-36.pdf
 http://www2.imse.ksu.edu/~zpei/ultrasonic_machining/html/index1.htm
 http://html.rincondelvago.com/procedimientos-especiales-de-mecanizado.html
 http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/14736-Mecanizado-por-
ultrasonidos-rotatorio-de-ceramicas-tecnicas-estudio-del-proceso.html
 http://www.elmundo.es/elmundomotor/2001/02/22/tecnica/982862599.html
 http://danielmarin.blogspot.com.es/2010/07/el-motor-ceramico-de-akatsuki.html
 http://www.bullentech.com/animation
 http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/9695-El-mecanizado-
por-ultrasonidos-y-laser-ante-los-nuevos-desafios-industriales.html
 http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/104713-Mecanizado-de-
estructuras-dentales.html
 http://www.albuz-spray.com/es/
 http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/43234-Nuevas-
tendencias-para-el-mecanizado.html
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 http://www.depts.ttu.edu/ieweb/includes/seminars/docs/Abstract-Cong.pdf
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 http://www.afm.es/catalogo_afm-es
 http://www.directindustry.es/fabricante-industrial/centro-mecanizado-por-
ultrasonidos-92386.html
 http://www.comunidadindustrial.com/viewforum.php?f=2674
 http://www.comunidadindustrial.com/viewtopic.php?f=2674&t=12485&sid=6c97
177a2266f265c798b0f460129dfc
 http://html.rincondelvago.com/procedimientos-especiales-de-mecanizado.html
 http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/117380-La-plaquita-
ceramica-impulsa-la-productividad-en-el-fresado-de-fundicion.html
 http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/104644-Mecanizar-de-
cinco-a-diez-veces-mas-rapido-con-ceramica.html
 http://www.comunidadindustrial.com/viewtopic.php?f=2674&p=23188
 http://www.bullentech.com/index.php

30.  http://www.ceramicindustry.com/articles/ultrasonic-machining
 http://www.atimetals.com/news/corrosion-conference/Documents/CSC11-
pdfs/presentation_8h_levesque.pdf
 http://www.microcertec.com/technologie-savoir-faire-en.html
 http://www.mmsonline.com/articles/ultrasonic-technology-helps-machine-hard-
materials
 http://www.4m-association.org/content/Ultrasonic-Machining
 http://www.ceramicindustry.com/articles/machining-ceramics-with-rotary-
ultrasonic-machining
 http://www.k-state.edu/career/2009/Publications/ASME%20JMST/