MACHINING TOUGH CERAMIC MATERIALS
A tecnologia de usinagem ultra-sônica pode ajudar os fabricantes a melhorar o rendimento de componentes cerâmicos avançados.
De domos de mísseis de última geração para sistemas de defesa a componentes de implantes de quadril para a indústria médica, as propriedades mecânicas dos materiais cerâmicos os tornam ideais para uma ampla gama de aplicações. Materiais cerâmicos como óxido de alumínio (alumina) e nitreto de silício possuem muitas qualidades benéficas: resistência extrema, a capacidade de suportar altas temperaturas e resistência à corrosão química, para citar apenas alguns. Essas propriedades, entre outras, tornam a cerâmica atraente para projetistas que precisam de componentes com durabilidade excepcional. Infelizmente, essas mesmas propriedades também apresentam desafios de fabricação que podem ser difíceis de superar sem a tecnologia apropriada.
Componentes feitos de vidro óptico mais macio podem ser efetivamente fabricados com máquinas-ferramenta controladas numericamente por computador (CNC) usando uma ferramenta de corte rotativa impregnada com diamantes. No entanto, ao aplicar este método à cerâmica, as ferramentas de corte desgastam-se muito mais rápido, pois a ferramenta e a peça de trabalho resistem a forças maiores devido à dureza do material. Para compensar a força aumentada, os operadores da máquina devem aumentar a velocidade do fuso da ferramenta enquanto diminui a taxa de avanço de corte (a velocidade na qual a ferramenta é movida para a peça). Em última análise, isso resulta em tempos de ciclo mais longos e menos eficiência.
Usinagem ultra-sônica
Uma técnica conhecida como usinagem assistida por ultrassom pode ajudar a superar os desafios associados à usinagem CNC tradicional. Centros de usinagem ultrassônica * incorporam tecnologia para usinar componentes cerâmicos de forma econômica. A usinagem ultra-sônica envolve a adição de uma oscilação para cima e para baixo na ferramenta rotativa, o que permite um corte mais livre desses materiais muito duros.
A amplitude das oscilações é pequena (micrômetros) mas efetiva na remoção de material quando a ferramenta está oscilando na sua frequência ideal. A manutenção da frequência ideal, medida em kilohertz (kHz), garante que a máquina esteja funcionando com a mais alta eficiência e produzindo resultados previsíveis.
O software proprietário ** determina a frequência de oscilação ideal para cada ferramenta executando uma varredura de frequência durante a configuração inicial. A varredura de frequência identifica a frequência ideal (geralmente entre 20 e 40 kHz), analisando o tamanho, a forma e a massa da ferramenta que está sendo utilizada para o trabalho. Uma vez determinada a frequência ideal e o ciclo iniciado, o software ajusta automaticamente a frequência durante a usinagem da peça, a fim de manter o desempenho de usinagem ultrassônica de pico. A mudança na freqüência pode variar de alguns hertz a centenas de hertz, dependendo da mudança nas condições de usinagem quando a ferramenta está em contato com a peça.
Processos de usinagem avançados para materiais cerâmicos duros fornecem os seguintes benefícios:
Forças significativamente reduzidas na peça e ferramenta durante a usinagem, o que permite aos operadores a liberdade de aumentar as velocidades de processamento e as taxas de avanço de corte
Tempos de ciclo reduzidos, em comparação com máquinas de moagem / trituração padrão
Desgaste mínimo da ferramenta e maior vida útil da ferramenta, como resultado da redução da força na peça e na ferramenta
Maior precisão dos componentes usinados devido à vida útil mais previsível
Custos de ferramental reduzidos
Velocidades reduzidas do fuso, especialmente para furos de até 0,007 pol.
Além disso, a usinagem ultra-sônica mostrou uma qualidade de superfície melhorada em comparação com a usinagem / moagem CNC padrão. Isso é especialmente importante quando um processo de polimento subsequente é necessário para obter as especificações de peça necessárias. Quanto mais precisa for a forma da superfície da peça e a rugosidade após o processo de moagem, menos tempo levará para polir.
* Tal como a série OptiSonic ™, desenvolvida pela OptiPro Systems. ** IntelliSonic ™, desenvolvido pela OptiPro Systems.
Testes e Resultados
Testes exaustivos mostraram como o uso da tecnologia de usinagem ultra-sônica pode aumentar a eficiência de fabricação de materiais cerâmicos. Em alguns casos, os tempos de ciclo foram reduzidos em 50% ou mais quando comparados com usinagem CNC padrão. Dois testes foram realizados recentemente para avaliar as capacidades da usinagem ultra-sônica em diferentes cenários de corte.
O primeiro teste envolveu a usinagem ultra-sônica de alumina. A família de alumina de cerâmicas técnicas é agrupada de acordo com os níveis de pureza. A alumina de maior pureza é ideal para aplicações mais exigentes.1 Para medir o benefício da usinagem ultra-sônica, foram usinados bolsos circulares com diâmetro de 16 mm cada e profundidade de 50 mm em alumina. Ao adicionar assistência ultrassônica a uma ferramenta de diamante de 12,7 mm de diâmetro, o fuso foi ajustado para 8.511 RPM com uma taxa de avanço programada de 1.650 mm / min. Cada bolso foi completado em um tempo de ciclo de 6 min e 30 seg. Por comparação, a usinagem de um desses furos usando uma fresadora CNC convencional levou mais de uma hora e exigiu que a ferramenta fosse substituída após cada furo devido ao desgaste excessivo. A ferramenta de diamante usada na máquina ultra-sônica mostrou muito pouco desgaste depois de produzir 12 furos.
O segundo teste foi feito para determinar a eficácia da usinagem ultra-sônica em nitreto de silício. O nitreto de silício tem uma estrutura única de grãos que não só permite uma tenacidade extremamente alta, mas também resistência a choques térmicos excepcionalmente alta.2 Nesse teste, uma broca de núcleo de diamante de 4 mm executou uma alimentação reta do eixo Z na peça para criar um buraco com uma profundidade de 13 mm. Com assistência ultrassônica, os parâmetros de perfuração do núcleo incluíam uma velocidade de fuso de 6.511 RPM e uma taxa de avanço de 1 mm / min. Embora uma taxa de alimentação de 1 mm / min pareça pequena, é ideal, dada a extrema dureza do nitreto de silício. Nesses parâmetros, o tempo total de ciclo para completar o furo foi de 15 min, três vezes mais rápido que a usinagem CNC padrão.
Recursos expandidos
Como o mercado de componentes de cerâmica continua a crescer, é importante que os fabricantes estejam equipados com a mais recente tecnologia. Centros de usinagem ultra-sônica fornecem mais recursos do que as máquinas padrão de usinagem / fresamento CNC e são ideais para uma variedade de aplicações. Quer a necessidade envolva uma peça leve, núcleos longos, pequenos orifícios ou características geométricas complexas, a adição de vibração ultrassônica a uma ferramenta de retificação de diamante aumenta a eficiência e aumenta a vida útil da ferramenta. Os fabricantes que usam centros de usinagem ultra-sônica podem experimentar maior rendimento de componentes de cerâmica, gastando menos tempo e dinheiro comprando novas ferramentas.
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