Mecanizado por Descarga Eléctrica (EDM): Mecánica, Principios y Diseño de Circuitos Explicados

En este artículo discutiremos sobre el mecanizado por descarga eléctrica (EDM):- 1. Introducción al Mecanizado por Descarga Eléctrica (EDM) 2. Mecánica del EDM 3. Circuitos EDM y Principios de Funcionamiento (Con Diagrama) 4. Acabado Superficial y Precisión de Mecanizado 5. Papel del Electrodo Herramienta y Fluidos Dieléctricos en EDM 6. Efectos del EDM en Superficies Metálicas 7. Características.

Contenido:

1. Introducción al Mecanizado por Descarga Eléctrica (EDM)
2. Mecánica del EDM
3. Circuitos EDM y Principios de Funcionamiento (Con Diagrama)
4. Acabado Superficial y Precisión de Mecanizado del EDM
5. Papel del Electrodo Herramienta y Fluidos Dieléctricos en EDM
6. Efectos del EDM en Superficies Metálicas
7. Características del EDM

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 enormemente a lograr un mecanizado económico de materiales de mecanizabilidad extremadamente baja y trabajos difíciles. El proceso de remoción de material por erosión controlada a través de una serie de chispas eléctricas, comúnmente conocido como mecanizado por descarga eléctrica, comenzó por primera vez en la URSS alrededor de 1943. Desde entonces, la investigación y desarrollo han llevado este proceso a su nivel actual.

Cuando ocurre una descarga entre dos puntos del ánodo y el cátodo, el calor intenso generado cerca de la zona funde y evapora los materiales en la zona de chispeo. 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 una tasa más rápida. Por esta razón, la pieza de trabajo normalmente se hace el ánodo. Se mantiene un espacio adecuado, conocido como espacio de chispa (spark gap), entre las superficies de la herramienta y la pieza de trabajo.

Las chispas se hacen descargar a alta frecuencia con una fuente adecuada. Dado que la chispa ocurre en el punto donde las superficies de la herramienta y la pieza de trabajo están más cerca y dado que el punto cambia después de cada chispa (debido a la remoción de material después de cada chispa), las chispas viajan por toda la superficie. Esto resulta en una remoción de material uniforme por toda la superficie, y finalmente la cara de trabajo se conforma a la superficie de la herramienta. Así, la herramienta produce la impresión requerida en la pieza de trabajo.

Para mantener el espacio de chispa predeterminado, generalmente se usa una unidad de control servo. 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 usa para controlar el servomotor. A veces, se usa un motor paso a paso en lugar de un servomotor. Por supuesto, para operaciones muy primitivas, también es posible un control por solenoide, y con esto, la máquina se vuelve extremadamente barata y simple de construir.

La frecuencia de chispa está normalmente en el rango 200-500.000 Hz, el espacio de chispa siendo del orden de 0,025-0,05 mm. El voltaje pico a través del espacio se mantiene en el rango 30-250 voltios. Se puede obtener un mrr hasta 300 mm³/min con este proceso, la potencia específica siendo del orden de 10 W/mm³/min. La eficiencia y la precisión del rendimiento han mejorado cuando se proporciona una circulación forzada del fluido dieléctrico. El fluido dieléctrico más comúnmente usado es el queroseno. La herramienta generalmente está hecha de latón o una aleación de cobre.

2. Mecánica del EDM:

La Figura 6.52 muestra los detalles de las superficies de los electrodos. Aunque las superficies pueden parecer lisas, asperezas e irregularidades están siempre presentes, como se indica (de manera exagerada, por supuesto). Como resultado, el espacio local varía, y en un instante dado, es mínimo en un punto (digamos, A). Cuando se construye 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 suficiente intensidad, causando emisión en frío de electrones desde el cátodo en A.

Estos electrones liberados aceleran hacia el ánodo. Después de ganar velocidad suficiente, los electrones colisionan con las moléculas del fluido dieléctrico, rompiéndolas en electrones e iones positivos. Los electrones así producidos también aceleran y pueden finalmente desalojar otros electrones de las moléculas del fluido dieléctrico. Finalmente, se establece una columna estrecha de moléculas de fluido dieléctrico ionizadas en A conectando los dos electrodos (causando 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). Esta alta temperatura causa la fusión y vaporización de los materiales de los electrodos, y los metales fundidos son evacuados por una explosión mecánica, resultando en pequeños cráteres en ambos electrodos en A. Tan pronto como esto ocurre, el espacio entre los electrodos en A aumenta y la próxima ubicación del espacio más corto está en otro lugar (digamos, B).

Por lo tanto, cuando el ciclo se repite, la próxima chispa ocurre en B. De esta manera, las chispas deambulan por toda la superficie del electrodo y, finalmente, el proceso resulta en un espacio uniforme. Así, dependiendo de la forma del electrodo negativo, se crea una impresión en el otro electrodo.

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

(i) El momento con el que la corriente de electrones golpea el ánodo es mucho mayor que el debido a la corriente de iones positivos que impactan 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 delgada película de carbono en el cátodo.

(iii) Se desarrolla una fuerza compresiva en la superficie del cátodo. Por lo tanto, normalmente, la herramienta se conecta al terminal negativo de la fuente dc.

Si la herramienta está estacionaria respecto a la pieza de trabajo, el espacio aumenta a medida que progresa la remoción de material, necesitando un voltaje aumentado para iniciar las chispas. Para evitar este problema, la herramienta se alimenta con la ayuda de un accionamiento servo que detecta la magnitud del espacio promedio y lo mantiene constante.

A continuación, 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, muchas características importantes se volverán evidentes. Por ahora, sería suficiente entender el efecto de solo una chispa.

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

Para hacer esto, haremos los siguientes supuestos:

(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 semi-infinita.

(iii) Excepto por la porción 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) La vaporización del material del electrodo se descuida.

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 (cm²/seg), t_d = duración de la descarga (seg), y θ_m = temperatura de fusión (°C).

Debido a la simetría circular, la temperatura en cualquier punto depende de r y 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 en el 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) es dada por –

Así, queda claro que Z da una indicación del volumen de material removido 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 de 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 vuelve evidente de estos resultados es que la remoción de material es muy baja para un tiempo de descarga pequeño y aumenta con t_d. Luego, alcanzando un valor pico, cae repentinamente a cero. También se ha establecido que el material removido por descarga depende fuertemente del punto de fusión del material.

El efecto de la cavitación en el proceso de remoción mecánica también es importante. El mrr durante una sola chispa graficado contra el tiempo se muestra en la Fig. 6.55. Claramente, el mrr es máximo cuando la presión es inferior a la atmosférica, mostrando la importancia de la cavitación.

Para llegar a una estimación aproximada, se han desarrollado relaciones empíricas para la tasa de remoción de material durante el EDM. Dado que el tamaño del cráter depende de la energía de la chispa (asumiendo que todas las demás condiciones permanecen inalteradas), la profundidad y el diámetro del cráter son dados por –

En esta relación, hemos asumido condiciones promedio de chispeo.

El mrr también depende fuertemente de la circulación del fluido dieléctrico. Sin una circulación forzada, las partículas de desgaste se funden repetidamente y se reúnen con el electrodo. La Figura 6.56 muestra la naturaleza de las características del mrr sin y con una circulación forzada del dieléctrico.

Después de que se completa la descarga, el medio dieléctrico alrededor de la última chispa debe permitir que se desionice. Para esto, el voltaje a través del espacio debe mantenerse por debajo del voltaje de descarga hasta que la desionización esté completa; de lo contrario, la corriente comienza a fluir nuevamente a través del espacio en la ubicación de la descarga anterior. El tiempo requerido para una desionización completa depende de la energía liberada por la descarga anterior. Una liberación de energía mayor resulta en un tiempo de desionización más largo.

3. Circuitos EDM y Principios de Funcionamiento (Con Diagrama):

Varios circuitos eléctricos básicamente diferentes están disponibles para proporcionar la corriente continua pulsada a través del espacio trabajo-herramienta. Aunque las características operativas son diferentes, en casi todos estos circuitos se usa un capacitor para almacenar la carga eléctrica antes de que la descarga ocurra a través del espacio. La idoneidad de un circuito depende de las condiciones y requisitos de mecanizado.

Los principios comúnmente usados para suministrar la corriente continua pulsada pueden clasificarse en los siguientes tres grupos:

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

(ii) Generador de impulso rotativo.

(iii) Circuito de pulso controlado.

(i) Circuito de Relajación Resistencia-Capacitancia:

El circuito de relajación resistencia-capacitancia se usó cuando se desarrollaron por primera vez las máquinas de descarga eléctrica. La Figura 6.57a muestra un circuito RC simple. Como es claro en esta figura, el capacitor C (que puede variarse) se carga a través de una resistencia variable R por la fuente dc de voltaje V₀.

El voltaje a través del espacio (que es casi el mismo que a través del capacitor) V varía con el tiempo según la relación donde t denota el tiempo comenzando en el instante en que se aplica V₀.

Así, V se acercará a V₀ asintóticamente, como se muestra en la Fig. 6.57b, si se le permite hacerlo. Si el espacio herramienta-pieza y el fluido dieléctrico son tales que una chispa puede ocurrir cuando el voltaje a través del espacio alcanza un valor V_d (comúnmente conocido como voltaje de descarga), una chispa ocurrirá, descargando el capacitor completamente cada vez que el voltaje a través del espacio herramienta-pieza (V) alcanza V_d.

El tiempo de descarga es mucho menor (aproximadamente 10%) que el tiempo de carga y la frecuencia de chispeo (v) es aproximadamente dada por la siguiente ecuación (ya que el tiempo requerido para la desionización también es muy pequeño bajo circunstancias normales) –

Así, para la máxima entrega de potencia, el voltaje de descarga debería ser el 72% del voltaje de suministro V₀.

Si asumimos que el material removido por chispa es proporcional a la energía liberada por chispa, entonces el mrr puede expresarse como –

(ii) Generador de Impulso Rotativo:

El circuito de relajación para generación de chispas, aunque simple, tiene ciertas desventajas. De estas, una desventaja importante es que el mrr no es alto. Para aumentar la tasa de remoción, se usa un generador de impulso para la generación de chispas. La Figura 6.59 muestra el diagrama esquemático de tal sistema. El capacitor se carga a través del diodo durante el primer semiciclo. Durante el siguiente semiciclo, la suma de los voltajes generados por el generador y el capacitor cargado se aplica al espacio trabajo-herramienta.

La frecuencia de operación 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 Pulso Controlado:

En los dos sistemas que hemos discutido, no hay provisión para una prevención automática del flujo de corriente cuando se desarrolla un cortocircuito. Para lograr tal control automático, se usa 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 tal sistema. Durante el chispeo, la corriente que fluye a través del espacio viene del capacitor.

Cuando la corriente fluye a través del espacio, el Tubo de Válvula (VT) está polarizado para cortar y se comporta como una resistencia infinita. El control de polarización se hace a través de un Control Electrónico (EC). Tan pronto como la corriente en el espacio cesa, la conductividad del tubo aumenta, permitiendo el flujo de corriente para cargar el capacitor para el siguiente ciclo.

El circuito puede simplificarse y la estabilidad operativa mejorarse si se permite el flujo de corriente cíclicamente con una frecuencia impuesta. Esto puede hacerse controlando la polarización con la ayuda de un oscilador. En este caso, el capacitor no es necesario. La Figura 6.61 muestra tal circuito, usando un transistor.

4. Acabado Superficial y Precisión de Mecanizado del EDM:

Dado que la remoción de material en EDM se logra a través de la formación de cráteres debido a las chispas, es obvio que los tamaños de cráter grandes (especialmente la profundidad) resultan en una superficie rugosa. Así, 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 superficial) depende de C y V₀.

La profundidad del cráter (h_c) puede expresarse aproximadamente en términos de la energía liberada por chispa (E) como –

La dependencia del acabado superficial en la energía de pulso E y la comparación del acabado superficial con el obtenido por procesos convencionales se indican en la Fig. 6.63. Se ha gastado mucho esfuerzo en determinar una relación adecuada entre la tasa de remoción de material y la calidad del acabado superficial. Pero una relación muy confiable de aplicabilidad general aún no ha surgido. Sin embargo, el mrr y la irregularidad superficial, al mecanizar acero bajo condiciones normales, están aproximadamente relacionados como –

Donde H_rms es la raíz cuadrada media de la irregularidad superficial en micrones y Q es la tasa de remoción de material en mm³/min.

La circulación forzada del dieléctrico se ha encontrado que generalmente mejora el acabado superficial. Las secciones transversales de la superficie del electrodo de latón producida 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.

5. Papel del Electrodo Herramienta y Fluidos Dieléctricos en EDM:

Los electrodos juegan un papel extremadamente importante en la operación EDM, y por lo tanto ciertos aspectos del electrodo herramienta deben mantenerse en mente para lograr mejores resultados.

a. Desgaste del Electrodo Herramienta:

Durante la operación EDM, el electrodo (es decir, la herramienta), como ya se mencionó, también se erosiona debido a la acción de chispeo. Los materiales que tienen buenas características de desgaste del electrodo son los mismos que generalmente son difíciles de mecanizar. Uno de los materiales principales usados para la herramienta es el grafito que va directamente a la fase de vapor sin fundirse. La relación de desgaste (r_Q), definida por la relación del material removido de la pieza al material removido de la herramienta, se encuentra relacionada con r_θ (=punto de fusión de la pieza / 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 comúnmente usados son latón, cobre, grafito, aleaciones de Al, aleaciones cobre-tungsteno y aleaciones plata-tungsteno.

Los métodos usados para fabricar los electrodos son:

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

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

(iii) Metalizado por pulverización,

(iv) Formado por prensado.

Los orificios de flujo normalmente se proporcionan para la circulación del dieléctrico, y estos orificios deberían ser lo más grandes posible para cortes de desbaste para permitir grandes tasas de flujo 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 inflamable,

(v) Bajo costo.

El agua ordinaria posee casi todas estas propiedades, pero como causa oxidación en la pieza y la máquina, no se usa. Otra razón por la que el agua no se recomienda 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 usa agua desionizada.

El tipo de fluido más comúnmente usado es aceite de hidrocarburo (petróleo). Queroseno, parafina líquida y aceites de silicona también se usan como fluidos dieléctricos.

6. Efectos del EDM en Superficies Metálicas:

La alta temperatura generada por las chispas causa la fusión y vaporización del metal y, obviamente, esta alta temperatura afecta las propiedades de las capas someras (2,5-150 μm) 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 EDM de desbaste y acabado en acero. Está claro que en el mecanizado de acabado tal endurecimiento no es prominente. Sin embargo, la capa externa está templada y la dureza es baja.

El endurecimiento de la capa superficial durante la operación EDM imparte una mejor característica de resistencia al desgaste. Sin embargo, la resistencia a la fatiga se reduce debido a las micro-grietas que se desarrollan en la capa superficial durante el enfriamiento rápido. La Figura 6.68 muestra la comparación entre la resistencia a la fatiga de piezas idénticas producidas por fresado convencional y EDM. Las propiedades de las capas superficiales delgadas no tienen mucho efecto en 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.

7. Características del EDM: