El acabado asistido por campo magnético , a veces llamado acabado abrasivo magnético , es una técnica de acabado de superficies en la que se utiliza un campo magnético para forzar partículas abrasivas contra la superficie objetivo. [1] Como tal, es posible el acabado de superficies convencionalmente inaccesibles (por ejemplo, la superficie interior de una tubería curva larga). Los procesos de acabado asistido por campo magnético (MAF) se han desarrollado para una amplia variedad de aplicaciones, incluida la fabricación de componentes médicos, sistemas de fluidos, óptica , matrices y moldes, componentes electrónicos, sistemas microelectromecánicos y componentes mecánicos.
El MAF se desarrolló inicialmente como un proceso de mecanizado en los EE. UU. en la década de 1930, y la primera patente se obtuvo en la década de 1940. La investigación universitaria en la Unión Soviética, Bulgaria, Alemania, Polonia y los EE. UU. comenzó en la década de 1960 y su uso práctico apareció en las décadas de 1980 y 1990. El crecimiento de las industrias de semiconductores, aeroespacial y óptica ha dado como resultado el desarrollo continuo de mejores métodos para lograr una alta precisión de forma e integridad de la superficie. [2]
El acabado asistido por imanes o "MAF" es esencialmente la manipulación de una mezcla homogénea de partículas magnéticas y partículas abrasivas con un campo magnético para impartir una fuerza de mecanizado sobre una pieza de trabajo. El movimiento relativo entre la mezcla de partículas y la superficie de la pieza de trabajo da como resultado la eliminación de material. Dado que el MAF no requiere contacto directo con la herramienta, las partículas se pueden introducir en áreas que son difíciles de alcanzar con técnicas convencionales. Además, la selección cuidadosa de partículas magnéticas y partículas abrasivas da lugar a un control de la textura y la rugosidad de la superficie que antes era imposible, especialmente para áreas de difícil acceso. [2]
La fuente del campo magnético en el MAF es típicamente un electroimán o un imán permanente de tierras raras. Un imán permanente ofrece alta densidad de energía, ausencia de sobrecalentamiento, lo que da como resultado una densidad de flujo constante, bajo costo, facilidad de integración en equipos CNC existentes y simplicidad. Algunas aplicaciones requieren el ajuste de la densidad de flujo durante el acabado, o requieren un campo magnético de conmutación, lo cual solo se puede lograr con un electroimán, ya que el campo magnético en un imán permanente no se puede apagar simplemente.
El movimiento relativo entre la mezcla de partículas magnéticas y abrasivas y la pieza de trabajo es esencial para la eliminación de material. Existen varias opciones para lograr el movimiento necesario. Una configuración común es la rotación de la punta del polo magnético. Esto se logra rotando toda la configuración del imán permanente o rotando solo el polo de acero. Otro método que se utiliza comúnmente en el acabado interno es la rotación de la pieza de trabajo, que lamentablemente se limita a piezas de trabajo simétricas axiales. Además del movimiento rotatorio, existen configuraciones oscilatorias y vibratorias que son aplicables.
Comencemos con la expresión común para la fuerza en un momento dipolar magnético en un campo magnético,
A partir de aquí, supongamos que el momento de la partícula magnética es colineal con el campo aplicado. Se trata de una suposición razonable dado el pequeño tamaño y la alta susceptibilidad de las partículas magnéticas. Por lo tanto, la ecuación se convierte en:
Utilizando las siguientes identidades para obtener una ecuación más utilizable para describir la fuerza experimentada por una sola partícula magnética,
Sustituyendo las definiciones anteriores en la ecuación de fuerza magnética se obtiene:
dónde,
Se ha teorizado que la formación del cepillo está regida por tres energías impulsoras. La primera energía Wm es la energía de magnetización entre partículas que da lugar a la formación de cadenas magnéticas de partículas. La siguiente energía se conoce como energía de repulsión Wf y es la separación de cadenas adyacentes de partículas materiales impulsada por el efecto Faraday, esta es la razón por la que las cadenas no se mezclan inmediatamente en una cadena gigante. Finalmente, la tercera energía se llama energía de tensión Wt y se refiere a la energía necesaria para contrarrestar las cadenas magnéticas curvadas.
La fuerza que ejerce una partícula magnética sobre la superficie del cepillo magnético se puede dividir en dos componentes: la fuerza normal y la fuerza tangencial.
La fuerza normal en la superficie aplicada por una partícula magnética se puede definir como una función del área S y del campo magnético B en la siguiente expresión:[3]
La fuerza tangencial del cepillo se puede definir como un cambio de energía del cepillo debido a una obstrucción. Dado que las partículas magnéticas prefieren estar en el estado de energía más bajo, un aumento de energía debido a la desviación de las líneas de flujo magnético puede dar como resultado una fuerza de "restauración" horizontal que actúa sobre la superficie de la pieza de trabajo. Esta fuerza de restauración se puede definir como:
Se cree que la combinación de fuerza tangencial y fuerzas normales ejercidas por el cepillo sobre la pieza de trabajo elimina material de los picos superiores de las asperezas de la superficie. Este proceso se repite a medida que continúa el contacto entre el cepillo y la superficie durante la operación de acabado. Con el tiempo, la rugosidad de la superficie de la pieza de trabajo alcanza un valor mínimo, esto se debe a las limitaciones físicas de la configuración de acabado actual. Específicamente, la selección de partículas de hierro y partículas abrasivas dicta la rugosidad mínima de la superficie que se puede lograr. A medida que disminuye la rugosidad de la superficie, se necesitan partículas abrasivas más pequeñas para continuar eliminando material.
El MAF es capaz de alcanzar valores de rugosidad que van desde 200 μm Ra hasta 1 nm Ra con facilidad, lo que demuestra el grado de personalización disponible para una configuración MAF. Los tamaños de partículas de las partículas magnéticas en el cepillo dictan la fuerza de acabado que está gobernada por la fuerza magnética en una ecuación de partículas. Sin embargo, aumentar el tamaño de las partículas tiene efectos adversos, como la incapacidad de retener abrasivos pequeños y la presencia de espacios de aire como resultado de un factor de empaquetamiento mayor. Para aliviar estos problemas, es una práctica común mezclar las partículas magnéticas con partículas grandes y más pequeñas para "llenar" los "agujeros" del cepillo; las partículas pequeñas recubren eficazmente las partículas más grandes dentro de la cadena de partículas. Se puede manipular un control estricto de la textura y la rugosidad de la superficie mediante la selección del tamaño de abrasivo correcto y la velocidad de oscilación y las rpm del husillo. En términos generales, cuanto más rápido sea el movimiento del cepillo, más densas serán las marcas de acabado en la superficie y mayor será la rugosidad de la superficie. [2]
El MAF se puede dividir en tres categorías principales, cada una definida por el tipo de partículas magnéticas utilizadas en la operación de acabado. Cada tipo tiene su nicho específico que puede satisfacer mejor que sus homólogos, por lo tanto, conocer la aplicación del proceso es clave para seleccionar la operación de acabado adecuada. Los diferentes procesos MAF se enumeran en función de la resolución de la rugosidad de la superficie al tiempo que disminuye la fuerza aplicada. Esto se debe principalmente a la reducción del tamaño de las partículas de hierro de un tipo de acabado al siguiente. Estos procesos son solo términos generales y ejemplos para algunas configuraciones MAF; es importante tener en cuenta que cada uno de estos procesos tiene diferentes variaciones para aumentar la aplicabilidad a otras piezas de trabajo.
El acabado abrasivo magnético se refiere al uso de partículas de hierro de 1 μm a 2 mm mezcladas con un abrasivo para aplicar la fuerza de mecanizado a través de la manipulación de las partículas con un campo magnético. La mezcla de partículas magnéticas y abrasivo se conoce comúnmente como "cepillo magnético" porque parece y se comporta de manera similar a un cepillo de alambre. A diferencia de un cepillo convencional, las cadenas magnéticas de partículas son flexibles y se adaptarán a cualquier geometría. A medida que el desplazamiento del cepillo aumenta más allá de la flexibilidad del casquillo, las cerdas magnéticas pueden romperse y reformarse aún más, lo que aumenta la flexibilidad y versatilidad de este proceso de acabado. Por lo tanto, esta variedad específica de MAF está destinada al acabado de superficies externas de forma libre, como perfiles aerodinámicos o prótesis. Sin embargo, también se puede aplicar fácilmente a procesos de acabado interno y es especialmente eficaz para terminar las superficies internas de piezas de trabajo a las que es difícil acceder de otra manera, como tubos capilares y otras agujas de pequeño calibre. La principal diferencia entre las operaciones de acabado interno y externo es la ubicación del cepillo y la pieza de trabajo; sin embargo, la aplicación de fuerza es esencialmente la misma, por lo que el mecanismo de eliminación de material es idéntico en ambos casos. Un parámetro clave que el usuario debe tener en cuenta es la correcta terminación del circuito magnético para garantizar que el flujo magnético penetre de manera uniforme en la pieza de trabajo en el punto de acabado deseado. La adición de un lubricante a base de aceite también puede considerarse un fluido magnetorreológico.
El acabado magnetorreológico o "MRF" utiliza el cizallamiento de una mezcla viscosa de partículas de hierro de tamaño micrométrico, abrasivos y aceite para impartir una fuerza o presión de mecanizado sobre la superficie de la pieza de trabajo. Esta mezcla de partículas magnéticas se conoce comúnmente como cinta y es extremadamente viscosa en presencia de un campo magnético; la mayor viscosidad y las diferentes propiedades del fluido son similares a las de un fluido Bingham en lugar de un fluido Newtoniano. En una configuración de acabado MRF típica, el fluido MRF se bombea sobre una rueda giratoria que está conectada a un electroimán. Cuando se activa el electroimán, el fluido pasa a un estado más viscoso; luego, la pieza de trabajo se presiona sobre el fluido, lo que produce un cizallamiento del fluido que da como resultado la eliminación de material en la interfaz entre la pieza de trabajo y el MRF. Una de las características de un fluido Bingham es que a medida que aumenta la velocidad, la fuerza necesaria para cortar aumenta proporcionalmente, por lo tanto, una mayor velocidad de rotación de la rueda da como resultado una mayor fuerza de mecanizado cuando se corta. Esta configuración en particular es ideal para piezas de trabajo no magnéticas de forma libre grandes, como ópticas de vidrio. También se aplica comúnmente a piezas de trabajo no magnéticas grandes donde el espesor de la pieza genera dificultad para lograr que el campo magnético penetre de manera efectiva en la ubicación deseada, por lo tanto, esta configuración no depende del diseño cuidadoso del circuito magnético.
Pulido a escala subnanométrica
En el acabado con fluido magnético se utiliza una solución de ferrofluido y partículas abrasivas como mezcla de partículas magnéticas. Normalmente, esto se aplica a aplicaciones a las que ni siquiera los otros tipos de MAF pueden acceder o cuando se desea un medio menos viscoso. Un ejemplo de aplicación del acabado con fluido magnético es la óptica de microporos de silicio; en el caso de esta óptica en particular, las paredes laterales deben tener un acabado de <1,0 nm rms para la reflexión de rayos X. Los poros tienen un tamaño de 5 μm x 20 μm x 300 μm, lo que hace que sea prácticamente imposible acceder a ellos con cualquier técnica convencional. La partícula magnética y la solución abrasiva se colocan en un campo magnético alterno y conmutado para estimular el flujo de fluido de un lado de la óptica al otro. Este flujo da como resultado la eliminación de material de las paredes laterales a través del impulso del fluido y el cizallamiento de las paredes laterales con los abrasivos. Otra aplicación es el acabado de bolas de cojinetes de cerámica. Esto también se conoce como pulido con flotador magnético y emplea un fluido magnético con un "flotador" magnético para garantizar una distribución uniforme de la presión en la superficie de la esfera durante la rotación. Esto da como resultado una aplicación uniforme de la fuerza de acabado sobre la superficie de la pieza de trabajo.
