Mecanizado por descarga eléctrica (EDM):Mecánica, principios de funcionamiento y circuitos (con diagrama)

En este artículo discutiremos sobre el mecanizado por descarga eléctrica (EDM):- 1. Introducción al mecanizado por descarga eléctrica (EDM) 2. Mecánica de EDM 3. Circuitos de EDM y principios de funcionamiento (con diagrama) 4. Acabado superficial y Precisión del mecanizado 5. Papel del electrodo de la herramienta y de los fluidos dieléctricos en la electroerosión 6. Efectos de la electroerosión en las superficies metálicas 7. Características.

Contenido:

1. Introducción al mecanizado por descarga eléctrica (EDM)
2. Mecánica de EDM
3. Circuitos EDM y principios de funcionamiento (con diagrama)
4. Acabado superficial y precisión de mecanizado de EDM
5. Papel del electrodo de herramienta y los fluidos dieléctricos en la electroerosión
6. Efectos de la electroerosión en superficies metálicas
7. Características de EDM

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1. Introducción al mecanizado por descarga eléctrica (EDM) :

El uso de una fuente de energía termoeléctrica en el desarrollo de técnicas no tradicionales ha ayudado en gran medida a lograr un mecanizado económico de los materiales de maquinabilidad extremadamente baja y trabajos difíciles. El proceso de eliminación de material mediante una erosión controlada mediante una serie de chispas eléctricas, comúnmente conocido como mecanizado por descarga eléctrica, se inició en la URSS alrededor de 1943. Luego, la investigación y el desarrollo han llevado este proceso a su nivel actual.

Cuando se produce una descarga entre dos puntos del ánodo y el cátodo, el intenso calor generado cerca de la zona derrite y evapora los materiales en la zona de chispas. Para mejorar la efectividad, la pieza de trabajo y la herramienta se sumergen en un fluido dieléctrico (hidrocarburos o aceites minerales). Se ha observado que si ambos electrodos están hechos del mismo material, el electrodo conectado al terminal positivo generalmente se erosiona a un ritmo más rápido. Por esta razón, la pieza de trabajo normalmente se hace el ánodo. Se mantiene un espacio adecuado, conocido como espacio de chispa, entre la herramienta y las superficies de la pieza de trabajo.

Se hace que las chispas se descarguen a alta frecuencia con una fuente adecuada. Dado que la chispa ocurre en el lugar donde la herramienta y las superficies de la pieza de trabajo están más cercanas y dado que el lugar cambia después de cada chispa (debido a la eliminación de material después de cada chispa), las chispas viajan por toda la superficie. Esto da como resultado una eliminación uniforme del material en toda la superficie y, finalmente, la cara de trabajo se adapta a la superficie de la herramienta. Así, la herramienta produce la impresión requerida en la pieza de trabajo.

Para mantener el espacio de chispas predeterminado, generalmente se usa una unidad de servocontrol. El espacio se detecta a través del voltaje promedio a través de él y este voltaje se compara con un valor preestablecido. La diferencia se utiliza para controlar el servomotor. A veces, se utiliza un motor paso a paso en lugar de un servomotor. Por supuesto, para operaciones muy primitivas, también es posible un control de solenoide, y con esto, la máquina se vuelve extremadamente económica y simple de construir.

La frecuencia de chispa está normalmente en el rango de 200-500,000 Hz, siendo la distancia entre chispas del orden de 0.025-0.05 mm. El voltaje pico a través del espacio se mantiene en el rango de 30-250 voltios. Un mrr de hasta 300 mm ³ / min se puede obtener con este proceso, siendo la potencia específica del orden de 10 W / mm ³ / min. Se ha descubierto que la eficiencia y la precisión del rendimiento mejoran cuando se proporciona una circulación forzada del fluido dieléctrico. El fluido dieléctrico más utilizado es el queroseno. La herramienta generalmente está hecha de latón o una aleación de cobre.

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2. Mecánica de electroerosión:

La figura 6.52 muestra los detalles de las superficies de los electrodos. Aunque las superficies pueden parecer lisas, las asperezas e irregularidades siempre están presentes, como se indica (de manera exagerada, por supuesto). Como resultado, la brecha local varía y, en un instante dado, es mínima en un punto (digamos, A). Cuando se genera un voltaje adecuado a través de la herramienta y la pieza de trabajo (el cátodo y el ánodo, respectivamente), se establece un campo electrostático de fuerza suficiente, lo que provoca la emisión fría de electrones del cátodo en A.

Estos electrones liberados se aceleran hacia el ánodo. Después de ganar una velocidad suficiente, los electrones chocan con las moléculas del fluido dieléctrico, rompiéndolas en electrones e iones positivos. Los electrones así producidos también se aceleran y finalmente pueden desalojar los otros electrones de las moléculas del fluido dieléctrico. En última instancia, se establece una columna estrecha de moléculas de fluido dieléctrico ionizado en A que conecta los dos electrodos (provocando una avalancha de electrones, ya que la conductividad de la columna ionizada es muy grande, lo que normalmente se ve como una chispa).

Como resultado de esta chispa, se genera una onda de choque de compresión y se desarrolla una temperatura muy alta en los electrodos (10,000-12,000 ° C). Este alto La temperatura provoca la fusión y vaporización de los materiales del electrodo, y los metales fundidos son evacuados por una explosión mecánica, lo que resulta en pequeños cráteres en ambos electrodos en A. Tan pronto como esto sucede, el espacio entre los electrodos en A aumenta y el siguiente la ubicación del espacio más corto está en otro lugar (por ejemplo, B).

Por lo tanto, cuando se repite el ciclo, la siguiente chispa tiene lugar en B. De esta manera, las chispas deambulan por toda la superficie del electrodo y, finalmente, el proceso da como resultado un espacio uniforme. Entonces, dependiendo de la forma del electrodo negativo, se crea una impresión en el otro electrodo.

Generalmente, la tasa de eliminación de material del cátodo es comparativamente menor que la del ánodo debido a las siguientes razones:

(i) La cantidad de movimiento con la que la corriente de electrones golpea el ánodo es mucho mayor que la debida a la corriente de iones positivos que incide en el cátodo, aunque la masa de un electrón individual es menor que la de los iones positivos.

(ii) La pirólisis del fluido dieléctrico (normalmente un hidrocarburo) crea una fina película de carbono en el cátodo.

(iii) Se desarrolla una fuerza de compresión sobre la superficie del cátodo. Por lo tanto, normalmente, la herramienta está conectada al terminal negativo de la fuente de CC.

Si la herramienta está estacionaria con respecto a la pieza de trabajo, el espacio aumenta a medida que avanza la eliminación de material, lo que requiere un aumento de voltaje para iniciar las chispas. Para evitar este problema, la herramienta se alimenta con la ayuda de un servoaccionamiento que detecta la magnitud de la brecha promedio y la mantiene constante.

En lo que sigue, intentaremos una determinación teórica de la tasa de remoción de material durante el mecanizado por descarga eléctrica. Al hacerlo, aunque no se obtendrán resultados cuantitativos, se harán evidentes muchas características importantes. Por ahora, bastaría con comprender el efecto de una sola chispa.

La cantidad de material extraído debido a una sola descarga se puede determinar considerando el diámetro del cráter y la profundidad a la que se alcanza la temperatura de fusión.

Para hacer esto, haremos las siguientes suposiciones:

(i) La chispa es una fuente de calor circular uniforme en la superficie del electrodo y el diámetro (=2a) de esta fuente circular permanece constante.

(ii) La superficie del electrodo es una región semiinfinita.

(iii) Excepto por la parte de la fuente de calor, la superficie del electrodo está aislada.

(iv) La tasa de entrada de calor permanece constante durante la duración de la descarga.

(v) Las propiedades del material del electrodo no cambian con la temperatura.

(vi) Se desprecia la vaporización del material del electrodo.

La figura 6.53 muestra los detalles de la fuente de calor idealizada. En nuestro análisis, H- cantidad de entrada de calor (cal), θ =temperatura (° C), t =tiempo (seg), k =conductividad térmica (cal / cm-seg- ° C), α =difusividad térmica (cm ² / seg), t _d =duración de descarga (seg) y θ _m =temperatura de fusión (° C).

Debido a la simetría circular, la temperatura en cualquier punto depende de ry z. La ecuación para la conducción de calor es -

Dado que, intuitivamente, se puede ver que la profundidad a la que se alcanza la temperatura de fusión es máxima en el centro, nuestro interés radica en la solución en r =0. La temperatura en un punto del eje al final de la descarga ( asumiendo que la temperatura máxima se alcanza en t =t _d ya que la entrada de calor se detiene en este instante) viene dada por -

Entonces, está claro que Z da una indicación del volumen de material eliminado por cada chispa. La figura 6.54a muestra los valores teóricos de Z para una energía de chispa dada y un diámetro de chispa constante para Cu, Al y Zn como materiales del electrodo. La Figura 6.54b muestra la naturaleza real de la variación del volumen del cráter con t _d para diferentes energías de chispa. Las tendencias son bastante similares.

Una característica importante que se hace evidente a partir de estos resultados es que la remoción de material es muy baja durante un tiempo de descarga pequeño y aumenta con t _d . Luego, alcanzando un valor máximo, cae repentinamente a cero. Además, se ha establecido que el material eliminado por descarga depende en gran medida del punto de fusión del material.

El efecto de la cavitación en el proceso de remoción mecánica también es importante. La mrr durante una sola chispa graficada contra el tiempo es como se muestra en la figura 6.55. Claramente, el mrr es máximo cuando la presión está por debajo de la atmosférica, lo que demuestra la importancia de la cavitación.

Para llegar a una estimación aproximada, se han desarrollado relaciones empíricas para la tasa de remoción de material durante la electroerosión. Dado que el tamaño del cráter depende de la energía de la chispa (suponiendo que todas las demás condiciones permanezcan sin cambios), la profundidad y el diámetro del cráter están dados por -

En esta relación, hemos asumido una condición de chispa promedio.

El mrr también depende en gran medida de la circulación del fluido dieléctrico. Sin una circulación forzada, las partículas de desgaste se derriten repetidamente y se reúnen con el electrodo. La figura 6.56 muestra la naturaleza de las características mrr sin y con circulación forzada del dieléctrico.

Una vez completada la descarga, se debe permitir que el medio dieléctrico alrededor de la última chispa se desionice. Para esto, el voltaje a través del espacio debe mantenerse por debajo del voltaje de descarga hasta que se complete la desionización; de lo contrario, la corriente comienza a fluir nuevamente a través del espacio en el lugar de la descarga anterior. El tiempo necesario para una desionización completa depende de la energía liberada por la descarga anterior. Una liberación de energía mayor da como resultado un tiempo de desionización más prolongado.

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3. Circuitos EDM y principios de funcionamiento (con diagrama):

Se encuentran disponibles varios circuitos eléctricos básicamente diferentes para proporcionar la CC pulsante a través del espacio entre la herramienta y la herramienta. Aunque las características operativas son diferentes, en casi todos estos circuitos se utiliza un condensador para almacenar la carga eléctrica antes de que se produzca la descarga a través del espacio. La idoneidad de un circuito depende de las condiciones y requisitos de mecanizado.

Los principios comúnmente utilizados para el suministro de corriente continua pulsante se pueden clasificar en los siguientes tres grupos:

(i) Circuito de relajación de resistencia-capacitancia con una fuente de cd constante.

(ii) Generador de impulsos rotativos.

(iii) Circuito de pulso controlado.

(i) Circuito de relajación resistencia-capacitancia:

El circuito de relajación de resistencia-capacitancia se utilizó cuando se desarrollaron por primera vez las máquinas de descarga eléctrica. La figura 6.57a muestra un circuito RC simple. Como se desprende de esta figura, el condensador C (que se puede variar) se carga a través de una resistencia variable R por la fuente de voltaje de CC V ₀ .

El voltaje en el espacio (que es casi el mismo que en el capacitor) V varía con el tiempo de acuerdo con la relación donde t denota el tiempo que comienza en el instante V ₀ Está aplicado.

Entonces, V se acercará a V ₀ asintóticamente, como se muestra en la figura 6.57b, si se le permite hacerlo. Si el espacio de trabajo de la herramienta y el fluido dieléctrico son tales que se puede producir una chispa cuando el voltaje a través del espacio alcanza un valor V _d (comúnmente conocido como voltaje de descarga), se producirá una chispa que descargará el capacitor por completo siempre que el voltaje a través del espacio de trabajo de la herramienta (V) alcance V _d .

El tiempo de descarga es mucho menor (alrededor del 10%) que el tiempo de carga y la frecuencia de chispas (v) viene dada aproximadamente por la siguiente ecuación (dado que el tiempo requerido para la desionización también es muy pequeño en circunstancias normales):

Por lo tanto, para una entrega de potencia máxima, el voltaje de descarga debe ser el 72% del voltaje de suministro V ₀ .

Si asumimos que el material eliminado por chispa es proporcional a la energía liberada por chispa, entonces el mrr se puede expresar como -

(ii) Generador de impulsos rotatorio:

El circuito de relajación para la generación de chispas, aunque simple, tiene ciertas desventajas. De estos, una desventaja importante es que el mrr no es alto. Para aumentar la tasa de eliminación, se utiliza un generador de impulsos para la generación de chispas. La figura 6.59 muestra el diagrama esquemático de dicho sistema. El condensador se carga a través del diodo durante el primer medio ciclo. Durante el siguiente medio ciclo, la suma de los voltajes generados por el generador y el condensador cargado se aplica al espacio entre la herramienta y la herramienta.

La frecuencia de funcionamiento es la frecuencia de generación de la onda sinusoidal que depende de la velocidad del motor. Aunque el mrr es más alto, tal sistema no produce un buen acabado superficial.

(iii) Circuitos de pulsos controlados:

En los dos sistemas que hemos discutido, no existe ninguna disposición para una prevención automática del flujo de corriente cuando se desarrolla un cortocircuito. Para lograr tal control automático, se utiliza un tubo de vacío (o un transistor) como dispositivo de conmutación. Este sistema se conoce como circuito de pulso controlado. La figura 6.60 muestra esquemáticamente dicho sistema. Durante las chispas, la corriente que fluye a través del espacio proviene del condensador.

Cuando la corriente fluye a través del espacio, el tubo de la válvula (VT) está sesgado para cortarse y se comporta como una resistencia infinita. El control de polarización se realiza a través de un Control Electrónico (EC). Tan pronto como cesa la corriente en el espacio, la conductividad del tubo aumenta, lo que permite que el flujo de corriente cargue el condensador para el siguiente ciclo.

El circuito se puede simplificar y la estabilidad operativa mejorar si el flujo de corriente se permite cíclicamente con una frecuencia impuesta. Esto se puede hacer controlando el sesgo con la ayuda de un oscilador. En este caso, no se necesita el condensador. La figura 6.61 muestra un circuito de este tipo, utilizando un transistor.

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4. Acabado superficial y precisión de mecanizado de EDM:

Dado que la eliminación de material en la electroerosión se logra mediante la formación de cráteres debido a las chispas, es obvio que los cráteres de gran tamaño (especialmente la profundidad) dan como resultado una superficie rugosa. Entonces, el tamaño del cráter, que depende principalmente de la energía / chispa, controla la calidad de la superficie. La figura 6.62 muestra cómo H _rms (valor cuadrático medio de la irregularidad de la superficie) depende de C y V ₀ .

La profundidad del cráter (h _c ) se puede expresar aproximadamente en términos de energía liberada por chispa (E) como -

La dependencia del acabado superficial de la energía del pulso E y la comparación del acabado superficial con el obtenido por los procesos convencionales se indican en la figura 6.63. Se ha dedicado mucho esfuerzo a determinar una relación adecuada entre la velocidad de eliminación de material y la calidad del acabado de la superficie. Pero aún está por surgir una relación muy confiable de aplicabilidad general. Sin embargo, el mrr y la irregularidad de la superficie, cuando se mecaniza acero en condiciones normales, se relacionan aproximadamente como -

Donde H _rms es la raíz cuadrada media de la irregularidad de la superficie en micrones y Q es la tasa de remoción de material en mm ³ / min.

Se ha encontrado que la circulación forzada del dieléctrico mejora generalmente el acabado de la superficie. Las secciones transversales de la superficie del electrodo de latón producidas por EDM con y sin circulación forzada (voltaje 40 V, corriente 0.2 A, frecuencia 1.12 kHz) se muestran en la Fig. 6.64. Está claro que la circulación forzada conduce a una mejora significativa en el acabado superficial.

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5. Papel del electrodo de herramienta y los fluidos dieléctricos en la electroerosión:

Los electrodos juegan un papel extremadamente importante en la operación de electroerosión y, por lo tanto, se deben tener en cuenta ciertos aspectos del electrodo de la herramienta para lograr mejores resultados.

a. Desgaste del electrodo de la herramienta:

Durante la operación de electroerosión, el electrodo (es decir, la herramienta), como ya se mencionó, también se erosiona debido a la acción de las chispas. Los materiales que tienen buenas características de desgaste de los electrodos son los mismos que los que generalmente son difíciles de mecanizar. Uno de los principales materiales utilizados para la herramienta es el grafito que pasa directamente a la fase de vapor sin fundirse. La relación de desgaste (r _Q ), definido por la relación entre el material eliminado del trabajo y el material eliminado de la herramienta, está relacionado con r _θ (=punto de fusión del trabajo / punto de fusión de la herramienta) como -

b. Material del electrodo:

La selección del material del electrodo depende de:

(i) Tasa de remoción de material,

(ii) Relación de desgaste

(iii) Facilidad para dar forma al electrodo,

(iv) Costo.

Los materiales de electrodo más utilizados son latón, cobre, grafito, aleaciones A1, aleaciones de cobre-tungsteno y aleaciones de plata-tungsteno.

Los métodos utilizados para fabricar los electrodos son:

(i) Mecanizado convencional (utilizado para cobre, latón, aleaciones de Cu-W, aleaciones de Ag-W y grafito),

(ii) Fundición (utilizada para aleaciones de fundición a presión a base de Zn, aleaciones de Zn-Sn y aleaciones de Al),

(iii) Pulverización de metales

(iv) Prensado de formación.

Los orificios de flujo se proporcionan normalmente para la circulación del dieléctrico, y estos orificios deben ser lo más grandes posible para cortes en bruto que permitan grandes caudales a baja presión.

c. Fluidos dieléctricos:

Los requisitos básicos de un fluido dieléctrico ideal son:

(i) Baja viscosidad,

(ii) Ausencia de vapores tóxicos

(iii) Neutralidad química

(iv) Ausencia de tendencia inflamatoria,

(v) Bajo costo.

El agua corriente posee casi todas estas propiedades, pero como causa oxidación en el trabajo y en la máquina, no se utiliza. Otra razón por la que no se recomienda el agua es la siguiente. Los electrodos están constantemente bajo alguna diferencia de potencial y, debido a la buena conductividad del agua, el proceso ECM comienza a distorsionar la pieza de trabajo. Además, se desperdicia energía. Sin embargo, en algunos casos se utiliza agua desionizada.

El tipo de fluido más comúnmente utilizado es el aceite de hidrocarburo (petróleo). Los aceites de queroseno, parafina líquida y silicona también se utilizan como fluidos dieléctricos.

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6. Efectos de la electroerosión en superficies metálicas:

La alta temperatura generada por las chispas provoca la fusión y vaporización del metal y, obviamente, esta alta temperatura afecta las propiedades de las capas poco profundas (2.5-150μm) de la superficie mecanizada.

La capa más externa se enfría rápidamente y, por lo tanto, es muy dura. La capa directamente debajo de esta está en una condición algo templada. La Figura 6.67 muestra la variación de la dureza con la profundidad para operaciones de electroerosión tanto en desbaste como en acabado en acero. Está claro que en el mecanizado de acabado tal endurecimiento no es prominente. Sin embargo, la capa exterior está templada y la dureza es baja.

El endurecimiento de la capa superficial durante la operación de electroerosión imparte una mejor característica de resistencia al desgaste. Sin embargo, la resistencia a la fatiga se reduce debido a las microgrietas que se desarrollan en la capa superficial durante el enfriamiento. La figura 6.68 muestra la comparación entre la resistencia a la fatiga de piezas idénticas producidas por fresado convencional y electroerosión. Las propiedades de las capas superficiales delgadas no tienen mucho efecto sobre la resistencia a la tracción. Su estructura se transforma y, debido a las chispas, su composición química se altera en cierta medida. Estos generalmente reducen la resistencia a la erosión.

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7. Características de la electroerosión:

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