Mecanizado Electroquímico (ECM): Cinemática, Dinámica y Diseño de Herramienta Desmitificados

En este artículo discutiremos sobre el mecanizado electroquímico (ECM):- 1. Significado y Funcionamiento del Mecanizado Electroquímico (ECM) 2. Electroquímica del Proceso ECM 3. Cinemática y Dinámica 4. Efectos del Calor y Generación de Burbujas H2 5. Efecto del ECM en el Acabado Superficial 6. Diseño de Herramienta del ECM 7. Electrolitos Usados 8. Planta de Mecanizado Electroquímico 9. Efectos del ECM en Materiales 10. Características del ECM.

Contenido:

1. Significado y Funcionamiento del Mecanizado Electroquímico (ECM)
2. Electroquímica del Proceso ECM
3. Cinemática y Dinámica del ECM
4. Efectos del Calor y Generación de Burbujas H2 en ECM
5. Efecto del ECM en el Acabado Superficial
6. Diseño de Herramienta del ECM
7. Electrolitos Usados en ECM
8. Planta de Mecanizado Electroquímico
9. Efectos del ECM en Materiales
10. Características del ECM

1. Significado y Funcionamiento del Mecanizado Electroquímico (ECM):

El mecanizado electroquímico es uno de los procesos de mecanizado no convencionales con mayor potencial. Aunque es un proceso nuevo para el trabajo de metales, el principio básico ha sido bien conocido por mucho tiempo. Este proceso puede considerarse como el inverso del electrochapado con algunas modificaciones. Además, se basa en el principio de electrólisis.

En un metal, la electricidad es conducida por electrones libres, pero se ha establecido que en un electrolito la conducción de electricidad se logra a través del movimiento de iones. Así, el flujo de corriente a través de un electrolito siempre va acompañado del movimiento de materia.

El principio de electrólisis se ha usado por mucho tiempo para el electrochapado donde el objetivo es depositar metal en la pieza de trabajo. Pero como en el mecanizado electroquímico el objetivo es remover metal, la pieza de trabajo se conecta al positivo y la herramienta al negativo. La Figura 6.25 muestra una pieza de trabajo y una herramienta debidamente conformada, el espacio entre la herramienta y la pieza lleno de un electrolito adecuado. Cuando se pasa la corriente, ocurre la disolución del ánodo.

Sin embargo, la tasa de disolución es mayor donde el espacio es menor y viceversa ya que la densidad de corriente es inversamente proporcional al espacio. Ahora, si se le da a la herramienta un movimiento descendente, la superficie de trabajo tiende a tomar la misma forma que la de la herramienta, y en estado estacionario, el espacio es uniforme, como se muestra en la Fig. 6.25. Así, la forma de la herramienta se reproduce en la pieza.

En un proceso de mecanizado electroquímico, la herramienta se proporciona con un movimiento de alimentación constante. El electrolito se bombea a alta presión a través de la herramienta y el pequeño espacio entre la herramienta y la pieza de trabajo. El electrolito se elige de modo que el ánodo se disuelva pero no ocurra deposición en el cátodo (la herramienta). El orden de la corriente y voltaje son unos pocos miles de amperios y 8-20 voltios. El espacio es del orden de 0,1-0,2 mm.

En una máquina típica, la tasa de remoción de metal es de aproximadamente 1600 mm³/min por cada 1000 amperios. Se necesitan aproximadamente 3 kWh para remover 16 x 10³ mm³ de metal, lo que es casi 30 veces la energía requerida en un proceso convencional (por supuesto, cuando el metal es fácilmente mecanizable). Pero con ECM, la tasa de remoción de metal es independiente de la dureza de la pieza de trabajo. Así, ECM se vuelve ventajoso cuando el material de la pieza posee una mecanizabilidad muy baja o la forma a mecanizar es complicada.

A diferencia de la mayoría de los otros procesos convencionales y no convencionales, aquí prácticamente no hay desgaste de herramienta. Aunque parece que, dado que el mecanizado se hace electroquímicamente, la herramienta no experimenta fuerza, el hecho es que la herramienta y la pieza son sometidas a fuerzas muy grandes ejercidas por el fluido de alta presión en el espacio.

2. Electroquímica del Proceso ECM:

El proceso de electrólisis se rige por las siguientes dos leyes propuestas por Faraday:

(i) La cantidad de cambio químico producido por una corriente eléctrica, es decir, la cantidad de cualquier material disuelto o depositado, es proporcional a la cantidad de electricidad pasada.

(ii) Las cantidades de diferentes sustancias disueltas o depositadas por la misma cantidad de electricidad son proporcionales a sus pesos equivalentes químicos. En forma cuantitativa, las dos leyes de Faraday establecen que –

Cuando un cuerpo metálico se sumerge en un electrolito (Fig. 6.27), los átomos metálicos dejan el cuerpo y se convierten en iones y los iones se mueven al cuerpo y se convierten en átomos. El proceso continúa continuamente y se mantiene el equilibrio. Existe una diferencia de potencial entre un punto en la superficie del cuerpo metálico (electrodo) y un punto adyacente en el electrolito.

Esta diferencia de potencial se conoce como potencial de electrodo. El potencial de electrodo varía dependiendo de la combinación electrodo-electrolito. Si se sumergen dos electrodos diferentes (A y B), existirá una diferencia de potencial entre estos electrodos ya que los potenciales de A y B con respecto al electrolito común son diferentes. Esta diferencia de potencial es la fuerza electromotriz (fem) de la celda, generada por los electrodos y el electrolito. Esto se explica en la Fig. 6.27. Por ejemplo, si se sumergen electrodos de Fe y Cu en salmuera (solución de sal de cocina en agua) como se muestra en la Fig. 6.28a, los potenciales de electrodo son –

La naturaleza del proceso de electrólisis depende del electrolito usado. Para entender cómo se realiza el ECM, consideremos la solución acuosa de cloruro de sodio como electrolito. Cuando se aplica una diferencia de voltaje a través de los electrodos (Fig. 6.28b), las reacciones en el ánodo y el cátodo son-

El agua obtiene dos electrones del electrodo y, como resultado, se genera gas hidrógeno y se producen iones hidroxilo. Los iones metálicos positivos tienden a moverse hacia el cátodo y los iones hidroxilo negativos son atraídos hacia el ánodo. Luego, los iones metálicos positivos se combinan con los iones hidroxilo cargados negativamente para formar hidróxido ferroso como-

Este hidróxido ferroso forma un precipitado insoluble. Así, con este tipo de combinación metal electrodo-electrolito, el ánodo se disuelve y se genera H₂ en el cátodo, dejando la forma del cátodo inalterada. Esta es la característica más importante de la electroquímica del proceso ECM. Debe notarse que para ECM la elección de electrodos y electrolito debe ser tal que no ocurra deposición en ningún electrodo.

El peso equivalente en gramos del metal se da por ԑ = A / Z, donde A es el peso atómico y Z es la valencia de los iones producidos. Usando esto en la ecuación (6.20), obtenemos la tasa de remoción de masa en la forma –

Cuando el ánodo está hecho de una aleación en lugar de un metal puro, la tasa de remoción puede encontrarse considerando la carga requerida para remover un volumen unitario de cada elemento. Si los pesos atómicos y las valencias (de los iones correspondientes que entran al electrolito) son A₁, A₂, A₃,… y Z₁, Z₂, Z₃,…, respectivamente, y la composición (por peso) de la aleación es x₁% de elemento 1, x₂% de elemento 2,…, entonces un volumen v cm³ de la aleación contiene vρx_i/100 gramos del i-ésimo elemento, donde ρ es la densidad total de la aleación en g/cm³.

La carga requerida para remover todo el i-ésimo elemento en el volumen v es dada por –

3. Cinemática y Dinámica del ECM:

La Figura 6.31 muestra un conjunto de electrodos con superficies planas y paralelas. La pieza (el electrodo superior) se alimenta con una velocidad constante ƒ en la dirección -y (normal a las superficies de los electrodos).

El problema se considera unidimensional y la distancia instantánea de la superficie de la pieza a la superficie de la herramienta se toma como y. Considerando la pieza de trabajo de metal puro, la tasa de remoción del metal de la pieza es dada por la ecuación (6.23). Si el sobrevoltaje es ΔV, la densidad del flujo de corriente a través del electrolito es dada por –

Donde K es la conductividad del electrolito. Ahora, la remoción de material de la pieza causa que la superficie de la pieza retroceda (en la dirección y) con respecto a la superficie original con una velocidad dada por Q', donde Q' es la tasa de volumen de remoción de metal de la pieza por unidad de área de la superficie de la pieza. Así, la tasa a la que el espacio entre la pieza y la superficie de la herramienta cambia es –

Investigaremos ahora algunos casos básicos:

Alimentación Cero:

Alimentación Constante:

Un espacio siempre creciente no es deseable en un proceso ECM. Así, en la práctica, el electrodo se proporciona con una velocidad de alimentación constante de magnitud adecuada. Así, en la ecuación (6.28), ƒ es constante. Obviamente, cuando la tasa de alimentación ƒ es igual a la velocidad de retroceso de la superficie del electrodo debido a la remoción de metal, el espacio permanece constante. Este espacio (que depende de la velocidad de alimentación) se llama el espacio de equilibrio (y_e). Así, para el espacio de equilibrio, la ecuación (6.28) produce –

La Figura 6.32b muestra el gráfico de ȳ versus t̄ para diferentes valores del espacio inicial. Se ve que el espacio siempre se acerca al valor de equilibrio independientemente de la condición inicial.

Movimiento de Alimentación Inclinado a la Superficie:

Cuando el vector de velocidad de alimentación está inclinado a la superficie (Fig. 6.33), la componente de la alimentación normal a la superficie es ƒ cos θ. En este caso, el espacio de equilibrio es dado por λ / (ƒ cos θ).

Mecanizado de Superficie Irregular:

Cuando una superficie de trabajo irregular se somete a ECM, el metal se remueve de todas las porciones de la superficie (a diferencia de otras operaciones de mecanizado). La porción que sobresale hacia afuera (las colinas) está más cerca de la superficie de la herramienta y se mecaniza más rápidamente que la que se proyecta hacia adentro (las cavidades). Así, el proceso ECM tiene el efecto de suavizar la irregularidad.

Como se muestra en la Fig. 6.34, la posición de la superficie de trabajo de equilibrio (ȳ = 1) puede considerarse como la superficie final deseada de la pieza. Las desviaciones de esta superficie deseada son los defectos caracterizados por la profundidad o altura no dimensional (δ̄), dependiendo de si el defecto es un valle o una colina. Dado que δ = y – y_e,

Teóricamente, tomaría un tiempo infinito remover un defecto completamente; en la práctica, sin embargo, tan pronto como δ̄ cae por debajo de un valor permitido preasignado, el proceso termina. La Figura 6.35 muestra cómo las colinas y los valles se suavizan.

4. Efectos del Calor y Generación de Burbujas H₂ en ECM:

Los diferentes parámetros y propiedades se asumieron uniformes a lo largo de la cara de los electrodos. Pero en la práctica, no es cierto. Una variación en estas propiedades afecta el proceso de mecanizado. Además, la conductividad del electrolito cambia a medida que el electrolito pasa a lo largo del espacio debido a – (i) el aumento en la temperatura del electrolito, (ii) la evolución de burbujas de hidrógeno, y (iii) la formación de precipitados, el último efecto siendo pequeño.

Debido al flujo de electricidad, la temperatura del electrolito aumenta gradualmente y la conductividad cambia, resultando en no uniformidad en la densidad de corriente a lo largo de la dirección del flujo de electrolito. Aparte de esto, se forman burbujas ya que el hidrógeno se genera durante el mecanizado. Estas burbujas son barridas por el electrolito, y la concentración de tales burbujas tiende a aumentar a lo largo de la dirección del flujo de electrolito. Como resultado, la conductividad general y la densidad de corriente varían a lo largo de la misma dirección. El efecto resultante de estas causas hace que el espacio de equilibrio entre los electrodos varíe.

5. Efecto del ECM en el Acabado Superficial:

Dado que, en general, se desea un acabado superficial muy bueno en las piezas mecanizadas por ECM, un estudio de las posibilidades que pueden resultar en un mal acabado es importante.

El acabado superficial se ve afectado adversamente por:

(i) Disolución Selectiva:

En aleaciones, los diferentes constituyentes tienen potenciales de electrodo variables. En metales puros también, los potenciales de disolución en los límites de grano son diferentes de los dentro de los granos. Consideremos la superficie de trabajo (con dos constituyentes A y B) mostrada en la Fig. 6.38a. En esta figura, el perfil de voltaje a través del espacio también se ha mostrado. Sea el potencial de disolución del constituyente B (V_dB) mayor que el potencial de disolución del constituyente A (V_dA).

Así, la diferencia de potencial requerida entre un punto en la superficie y el electrolito adyacente para que ECM comience debe ser ya sea V_dA o V_dB, dependiendo del constituyente local. Dado que toda la superficie del ánodo es equipotencial y el potencial del electrolito varía a través del espacio como se muestra, la superficie de un grano de B debe proyectarse lejos de la superficie del constituyente A (para encontrar el electrolito con un potencial más bajo) de modo que se logre una diferencia mayor, V_dB. Así, en estado estacionario, la superficie de trabajo será irregular y no muy suave.

Cuando el gradiente de potencial es más alto, la irregularidad es menor. La Figura 6.38b muestra dos situaciones con diferentes gradientes de potencial, los otros parámetros permaneciendo iguales. Es obvio de esta figura que la altura de la proyección de un grano del constituyente B es menor cuando el gradiente de potencial es más alto. Una expresión aproximada de la altura de proyección también puede derivarse de la siguiente manera. De la Fig. 6.38b,

(ii) Ruptura Esporádica de la Película Anódica:

La razón principal para la ruptura esporádica de la película anódica es la caída gradual en la diferencia de potencial entre la superficie de la pieza y el electrolito en la región alejada del área de mecanizado. La Figura 6.39 muestra la variación del potencial de superficie del ánodo en esta región. Aquí, hasta el punto P₁, el potencial es suficiente para causar la disolución de todas las fases. En P₁, el potencial disponible cae por debajo del potencial de disolución de una fase, y así el ánodo deja de disolverse.

Más allá de P₁, el potencial de superficie del ánodo continúa cayendo y un número creciente de fases dejan de disolverse, resultando en una superficie irregular. Finalmente, cuando solo unas pocas fases permanecen activas y se disuelven, una concentración del campo eléctrico resulta ya que las fases activas ocupan una pequeña proporción de la superficie del ánodo. Esta concentración de campo causa que estas fases se disuelvan muy rápidamente, formando pozos profundos como se muestra en la Fig. 6.39. Más allá del punto P₂, el potencial de superficie del ánodo cae a un valor tan bajo que no ocurre disolución.

(iii) Separación de Flujo y Formación de Remolinos:

La presencia de colinas y valles en la superficie del ánodo puede causar una separación del flujo de electrolito y formación de remolinos. En estos remolinos, separados de la corriente principal, puede acumularse una gran concentración de iones metálicos, resultando en una alta sobretensión de concentración en los remolinos.

Esto introduce una variación localizada en las tasas de remoción, y consecuentemente una superficie terminada irregular. Aparte de la presencia de colinas y valles, la separación de flujo puede ser causada por un diseño inadecuado de la herramienta y la trayectoria de flujo del electrolito. Así, se debe tener gran cuidado en el diseño de la trayectoria de flujo del electrolito en una herramienta.

(iv) Evolución de Gas H₂:

El electrolito en flujo recoge el gas hidrógeno generado en el cátodo. La presencia de H₂ en el electrolito reduce la conductividad específica de la solución. Este efecto aumenta a medida que la concentración de H₂ sigue aumentando río abajo, y el efecto general es un deterioro del acabado superficial.

Aparte de los cuatro mecanismos anteriores, hay otras fuentes de deterioro superficial. Pero como su importancia es de menor magnitud, no las discutiremos.

6. Diseño de Herramienta del ECM:

Hay dos aspectos principales del diseño de herramienta.

Estos son:

(i) Determinar la forma de la herramienta para que se logre la forma deseada de la pieza para las condiciones de mecanizado dadas.

(ii) Diseñar la herramienta para consideraciones distintas de (i), ej., flujo de electrolito, aislamiento, resistencia y arreglos de fijación.

Determinación Teórica de la Forma de la Herramienta:

Cuando se conoce la forma deseada de la superficie de la pieza mecanizada, es posible determinar teóricamente la geometría requerida de la superficie de la herramienta para un conjunto dado de condiciones de mecanizado.

Sean el potencial aplicado, el sobrevoltaje y la tasa de alimentación V, ΔV y ƒ, respectivamente. El espacio de equilibrio entre las superficies del ánodo y el cátodo puede expresarse como –

Diseño para Flujo de Electrolito:

Un flujo de electrolito suficiente entre la herramienta y la pieza de trabajo es necesario para llevarse el calor y los productos de mecanizado y asistir el proceso de mecanizado a la tasa de alimentación requerida, produciendo un acabado superficial satisfactorio. La cavitación, estancamiento y formación de vórtices deben evitarse ya que estos conducen a un mal acabado superficial. Una regla básica es que no debe haber esquinas agudas en la trayectoria de flujo. Todas las esquinas en la trayectoria de flujo deben tener un radio de al menos 0,7-0,8 mm.

La forma inicial de un componente generalmente no cumple con la forma de la herramienta y solo una pequeña fracción del área está cerca de la superficie de la herramienta al principio. El problema de suministrar el electrolito sobre tal área generalmente se resuelve con técnicas de restricción de flujo.

En muchas situaciones, cuando la forma inicial de la pieza se conforma a la forma de la herramienta,

Una herramienta con una ranura de suministro de electrolito es simple de fabricar, pero tal ranura deja pequeñas crestas en la pieza. Sin embargo, las crestas pueden hacerse muy pequeñas haciendo la ranura lo suficientemente estrecha. Por supuesto, el ancho de la ranura debe ser suficiente para proporcionar un flujo adecuado. El flujo desde una ranura ocurre en una dirección perpendicular a la ranura y el flujo en el extremo es pobre. Por lo tanto, la ranura debe terminar cerca de las esquinas de la superficie de la pieza como se muestra en la Fig. 6.43a.

La distancia entre la punta de la ranura y las esquinas debe ser de al menos 1,5 mm, mientras que se recomienda una ranura con ancho 0,7-0,8 mm. Cuando una esquina de la pieza es redondeada, el extremo de la ranura debe hacerse más grande como se muestra en la Fig. 6.43b. La forma y ubicación de la ranura deben ser tales que cada porción de la superficie sea suministrada con flujo de electrolito y no exista área pasiva. La Figura 6.44 muestra dos situaciones donde existen áreas pasivas ya que el diseño de la ranura es defectuoso.

En la Fig. 6.44a, el área pasiva no recibe el suministro debido a la presencia de espacio exterior entre la ranura y esta área, mientras que en la Fig. 6.44b, el área pasiva se crea ya que hay una curva aguda en la ranura (y el hecho de que el flujo es normal a la ranura). Los diseños correctos se muestran en la Fig. 6.45. A veces, se usa una herramienta de flujo inverso para cortar con precisión y producir superficies superiores, pero este proceso es más complejo y costoso y no se recomienda generalmente.

Las técnicas para controlar el flujo de electrolito cuando la superficie inicial de la pieza no se conforma a la forma de la herramienta se ilustran en la Fig. 6.46. Las reglas generales para colocar un restrictor de flujo pueden enunciarse como sigue. El restrictor de flujo debe ser adyacente al área de proximidad inicial cercana (entre la herramienta y la superficie de la pieza) y no debe aumentar la trayectoria de flujo apreciablemente. Además, debe estar en la posición de entrada o salida del electrolito.

Diseño para Aislamiento:

Las áreas en una herramienta donde el mecanizado electroquímico no es deseable deben aislarse. En el hundido de matriz también, la herramienta debe aislarse adecuadamente para minimizar el mecanizado perdido. La Figura 6.47 muestra el proceso ECM sin y con un aislamiento adecuado. La Figura 6.48 ilustra el hundido de matriz sin y con un aislamiento adecuado.

El aislamiento debe ser resistente y firmemente unido a la superficie de la herramienta. Puede proporcionarse asegurando material plástico sólido reforzado a la herramienta con cemento de resina epoxi y tornillos plásticos. A veces, el aislamiento también puede hacerse aplicando un recubrimiento de goma sintética en la superficie de cobre oxidado artificialmente. Para esto, se usa una solución oxidante química caliente. Los límites de la capa de aislamiento no deben exponerse a un flujo de electrolito de alta velocidad ya que esto puede tender a rasgar la capa pegada.

7. Electrolitos Usados en ECM:

Un electrolito en ECM realiza tres funciones básicas, a saber:

(i) Completar el circuito eléctrico y permitir el paso de grandes corrientes,

(ii) Mantener las reacciones electroquímicas requeridas,

(iii) Llevarse el calor generado y el producto de desecho.

La primera función requiere que el electrolito, idealmente, tenga una gran conductividad eléctrica. La segunda función requiere que el electrolito sea tal que en el ánodo el material de la pieza se disuelva continuamente, y una descarga del ion metálico en el cátodo no debe ocurrir. Generalmente, el constituyente catiónico del electrolito es hidrógeno, amoníaco o metales alcalinos. La disolución del ánodo debe mantenerse a un alto nivel de eficiencia.

Además, el electrolito debe tener una buena estabilidad química. Aparte de todo esto, el electrolito debe ser barato, seguro y lo menos corrosivo posible. Generalmente, se usa una solución acuosa de compuestos inorgánicos. La Tabla 6.4 lista los electrolitos usados para varios tipos de aleaciones.

8. Planta de Mecanizado Electroquímico:

Algunos puntos importantes deben tenerse en cuenta al diseñar una máquina electroquímica. Estos incluyen la rigidez y el material de los componentes. Aunque a primera vista parece que la fuerza de mecanizado es insignificante ya que no hay contacto físico entre la herramienta y la superficie de la pieza, fuerzas muy grandes pueden desarrollarse entre ellas debido a la alta presión del electrolito requerida para mantener una velocidad de flujo adecuada a través del espacio estrecho.

Así, la máquina debe poseer suficiente rigidez para evitar cualquier deflexión significativa de la herramienta que pueda destruir la precisión de las piezas siendo mecanizadas. Un cambio de temperatura también puede causar algún desplazamiento relativo entre la herramienta y la pieza, y el diseño debe cuidar de ello.

Para evitar corrosión, donde sea posible, se deben usar materiales no metálicos. Cuando se requieren resistencia y rigidez, se deben usar metales recubiertos de plástico. El material usado para sujetar la pieza está expuesto a ataque anódico, y el Ti parece ser el más adecuado debido a su pasividad. Cuando diferentes metales están en contacto en presencia del electrolito, especialmente cuando la máquina está inactiva, puede ocurrir corrosión.

Para minimizar esto, los metales en contacto deben elegirse de modo que no difieran mucho en su comportamiento electroquímico. Las guías no pueden protegerse permanentemente, y por eso están fuertemente recubiertas de grasa. A veces, una protección contra corrosión puede proporcionarse aplicando un pequeño potencial eléctrico en una dirección tal que toda la estructura se vuelva más noble electroquímicamente. Esto se conoce comúnmente como protección catódica.

La bomba es el elemento más importante de la planta auxiliar. Generalmente, se usan bombas de desplazamiento positivo (similares a bombas de engranajes) hechas de acero inoxidable. El tanque para el electrolito, la tubería y las válvulas normalmente son de PVC.

9. Efectos del ECM en Materiales:

En contraste con los procesos de mecanizado convencionales, la remoción de material durante ECM es suave y gentil. Como resultado, el esfuerzo residual compresivo máximo es muy bajo en la superficie de la pieza. Además, la profundidad de la capa superficial endurecida por trabajo es insignificante. Cuando la profundidad de la capa superficial endurecida por trabajo es de aproximadamente 0,5 mm y 1,5 mm para torneado y fresado, respectivamente, en ECM es solo de aproximadamente 0,001 mm. Similarmente, el orden de magnitud del esfuerzo residual en una superficie mecanizada por un proceso convencional es de aproximadamente 50 kg/mm², mientras que con ECM es casi cero.

Esto resulta en una resistencia a la fatiga 10-25% menor de las piezas producidas por ECM. Esto es porque las puntas de micro-grietas están expuestas en la superficie producida por ECM y también porque el proceso deja una superficie libre de esfuerzos. Para aumentar la resistencia a la fatiga, se pueden usar algunos procesos mecánicos (ej., pulido mecánico, chorro de microesferas de vidrio y chorro de vapor).

10. Características del ECM: