Informe Primera Parte

CURSO:

Sistemas de Producción.

PROFESOR:

Dr. Ing. Víctor Manuel Alcántara Alza.

TEMA:

Mecanizado Electroquímico.

INTEGRANTES: Ortiz Malca Jhonattan. Pretell Rodríguez Carlos. Rabanal Alva Mario. Valderrama Pereyra Mike. Villalobos Núñez Juan.

UNT – Ingeniería Mecánica

Procesos de Mecanizado Electroquímico

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INDICE:

1. Introducción.

……………………… Pág. 2

2. Antecedentes Históricos.

……………………… Pág. 4

3. Definición y Características.

…………………

Pág.9

4. Principios de funcionamiento. ………………..… Pág.12 5. .

……………………………… Pág.18

6. .

……………………………… Pág.29

7. .

……………………………… Pág.38

8. Otros.

……………………………… Pág.67

9. Estado del Arte.

……………………………… Pág.89

10. Referencia Bibliográfica.


……………………… Pág.93


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INTRODUCCIÓN Los procesos de maquinado no tradicionales (NTM) se definen como un grupo de procesos que eliminan el exceso de material mediante diversas técnicas que implican el uso mecánico, térmico, eléctrico, energía química o combinaciones de estas energías, pero no utilice principalmente herramientas de corte, las cuales son utilizadas para procesos de maquinado tradicionales. A estos procesos también se los denomina procesos avanzados de fabricación, la elección de este tipo de procesos frente a los de maquinado tradicional, tales como: torneado, taladrado, conformado y fresado, se toma generalmente debido a las siguientes razones: Cuando se debe trabajar con materiales extremadamente duros y frágiles los cuales son difíciles de mecanizar por el maquinado tradicional. Cuando la pieza de trabajo es demasiado flexible o delgada. Cuando la forma de la pieza es demasiado compleja. Cuando los procesos convencionales resultan no factibles, satisfactorios o económicos de realizar. Es así que se han desarrollado varios tipos de procesos de mecanizado no tradicionales para satisfacer las condiciones de mecanizado requeridas. Cuando estos procesos se emplean adecuadamente, ofrecen muchas ventajas sobre los procesos de mecanizado tradicionales. Clasificación de los procesos NTM según la naturaleza de la energía utilizada para la eliminación de material.

Procesos Mecánicos

Procesos Electroquímico

Procesos Electrotérmico

Procesos Químicos

Mecanizado: De chorro abrasivo Por ultrasonidos De chorro de agua

Fresado químico Fresado fotoquímico Mecanizado: Mecanizado electroquímico (ECM) Por electroerosión (EDM) Molienda Electro Química (ECG) Por chorro láser (LJM) Perforación Electro-Jet (EJD) De haz de electrones (EBM)



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Algunas de las características de estos procesos son las siguientes: • La eliminación del material puede ocurrir con la formación de la viruta o incluso ninguna formación de la viruta puede ocurrir. Por ejemplo en el caso del mecanizado electroquímico (ECM), en este tipo de proceso la eliminación del material de mecanizado se produce debido a la disolución electroquímica a nivel atómico. • Puede estar presente o no una herramienta física, por ejemplo en el mecanizado por chorro láser (LJM), se efectúa mediante rayos láser. Sin embargo, en el mecanizado electroquímico existe una herramienta física que es muy necesaria para el mecanizado. • La herramienta no necesita ser más dura que el material de la pieza de trabajo. Por ejemplo, en el mecanizado por electroerosión (EDM), el cobre se utiliza como material de la herramienta para endurecer los aceros. • Principalmente estos procesos no necesariamente utilizan energía mecánica para realizar la eliminación del material. Utilizan diferentes dominios de energía para realizar el mecanizado.

El presente informe se va a enfocar en describir y aclarar los fenómenos presentes en el Proceso de Mecanizado Electroquímico. El proceso de mecanizado electroquímico, conocido también con el nombre de mecanizado electroquímico de metales, ECM (por sus siglas en inglés) es el proceso que utiliza energía eléctrica y química como herramientas de corte , la eliminación de metal se consigue por disolución electroquímica de la pieza de trabajo, la cual tiene polaridad anódica y que es una parte de una celda electrolítica en ECM, tal pieza está inmersa en una corriente rápida de electrolito, en el que la herramienta es el cátodo, por lo que ambos han de ser conductores eléctricos, encargándose el electrolito de arrastrar las partículas desprendidas de la pieza hasta un filtro de decantación. Los metales duros pueden ser conformados electrolíticamente usando ECM y la velocidad de mecanizado no depende de su dureza. La herramienta de electrodo usada en el proceso no se desgasta, y por lo tanto metales blandos se puede utilizar como herramientas para formar formas sobre piezas de trabajo más duras, a diferencia de métodos de mecanizado convencionales. De esta manera se remueve el metal con facilidad, sin que importe su dureza y su característica principal es que no deja virutas Las principales aplicaciones de este proceso son: aislamiento de superficies, perforar agujeros, formar formas complejas, eliminar las grietas de fatiga en estructuras de acero. Su combinación con otras técnicas produce nuevas aplicaciones en diversas industrias. Los avances recientes se encuentran en el diseño de herramientas asistidas por computadora y el uso de energía pulsada, lo que ha conducido a una mayor precisión de los componentes producidos por ECM. UNT – Ingeniería Mecánica


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ANTECEDENTES HISTÓRICOS Los antecedentes del ECM se dan entre los años 1818-1824, con las primeras investigaciones metalúrgicas hechas por Michael Faraday que anticiparon que los desarrollos han llevado a un uso generalizado de los aceros de aleación y en el objetivo de producir mayores índices de mecanizado y abordar los materiales más duros recientemente desarrollados se tiene la necesidad de contar con un proceso que pueda mecanizar estos materiales con formas complejas, sin que se tenga que cumplir que el material de la herramienta debe ser más duro que la pieza a mecanizar, así surge el proceso de mecanizado electroquímico de metales, la base de este proceso es el fenómeno de electrólisis cuyas leyes fueron establecidas por Faraday en 1833. El mecanizado electroquímico (ECM), como método tecnológico, se originó del proceso de pulido electrolítico ofrecido ya en 1911 por el conocido químico ruso E.Shpitalsky. A comienzos del siglo XX, investigadores de Rusia, Europa Occidental y Estados Unidos ofrecieron diversas formas y esquemas tecnológicos de aplicación de ECM para el procesamiento dimensional de piezas, principalmente en operaciones de contorneado y cepillado interno de varias formas.

En 1928, los ingenieros rusos VanGusev y L.Rozhkov perfeccionaron esencialmente el esquema ECM tecnológico conocido en ese momento, mediante la descarga direccionada de fluido electrolítico a través del espacio entre electrodos, donde el electrodo de alimentación (cátodo) se desplazaba con una velocidad igual a la velocidad de disolución del ánodo. Así se podría utilizar una mayor densidad de corriente y reducir las brechas del inter-electrodo de trabajo y, en consecuencia, aumentar los indicadores tecnológicos de la ECM (precisión, calidad de la superficie y productividad).

El modelo "tradicional" de procesamiento electroquímico, que tuvo la mayor distribución en los años 50-70, asumió el uso de corriente continua y alimentación continua del electrodo EDM y, por regla general, la activación de fluidos electrolíticos (Sales halogenadas de metales alcalinos - NaCl, KCl, KBr, etc.). La realización práctica de tales métodos produjo una densidad de corriente de trabajo bastante pequeña (10-40 A / cm ²), y un considerable error de procesamiento inter-electrodos en (0,05-0,3 mm), no permitiendo alcanzar una alta precisión de procesamiento y calidad de la superficie.

En 1959, por primera vez, la Anocut Engineering Company, EE.UU. introdujo en la producción el modelo tradicional de la ECM utilizando la corriente continua en el equipo de producción.



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Los primeros desarrollos significativos ocurrieron en la década de 1950, cuando ECM se investigó como método para la formación de aleaciones de alta resistencia. En los años 1960-1970 se inició el uso en serie de la ECM en el sector aeroespacial (industria), en la fabricación de herramientas (matrices de forja) en la URSS y en Europa Occidental. Las tecnologías electroquímicas desarrolladas durante este período y las empresas tan conocidas como Philips, Hitachi, Mitsubishi, AEG Eloteherm, Amchem, etc. hicieron uso de este proceso y equipo.

A comienzos de siglo 20 se produjo el advenimiento de investigadores en Rusia, Europa Occidental y varias formas y técnicas de aplicación de ECM para el procesado dimensional de piezas principalmente en operaciones de contorneado y repujado interno. A partir de los años noventa, el ECM se emplea de muchas maneras, por ejemplo, por las industrias de automoción, petróleo en alta mar e ingeniería médica, así como por las empresas aeroespaciales, que son su principal usuario. En los años 80-90 se desarrollaron esquemas más perfectos de procesamiento de impulso y cíclico de impulsos en la pasivación de fluidos electrolíticos que contenían oxígeno (soluciones de agua de NaNO3, NO3, NaClO3, Na2SO4, etc.), lo que permitió reducir un error de procesamiento a [0,02-0,05] mm y rugosidad de la superficie a Ra [0,2 - 0,4] micras. Sin embargo, en relación con el uso en las industrias de alta tecnología (construcción de motores de avión, Industria de instrumentos de precisión, equipo médico y medicina, etc.) aparece la complicación de la forma de las piezas y el endurecimiento como requisitos para la calidad de una capa facial, la aparición de nuevos grupos de materiales de alta resistencia y duros (incluyendo materiales de nanoestructuras), así surge la necesidad de nuevas tecnologías en el procesamiento electroquímico. La reacción a esta demanda de progreso técnico fue la aparición en 1998 - 2011 de todo el complejo de la nueva ECM bicomponente bipolar mediante electrodo vibratorio por microsegundo. Una característica especial de estos métodos consiste en que se llevan a cabo en intervalos de inter-electrodos súper pequeños [3 – 10] micrómetros utilizando los grupos de impulsos de corriente de alta densidad, aproximadamente [102 - 104 ] Amp / cm².

En su realización se pueden realizar pequeños errores (0,001, 0,005 mm) de procesamiento, creación en superficies de piezas con macro y micro-relieves regulares con rango micrométrico y submicrómétrico, y recepción de superficies ópticamente lisas, Ra [0,1 - 0,01] micrón. Todo esto se acompaña de una productividad esencialmente superior (en comparación con las tecnologías competidoras) en las operaciones de acabado.



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Nuevas formas de procesamiento electroquímico de microsegundos están protegidas por decenas de patentes y constituyen una base de tecnología y equipos electroquímicos originales (máquinas de la serie “ET”, desarrollada y creada por un grupo de ingenieros y científicos de la Universidad Técnica Estatal de Aeronáutica de Ufá (Rusia) y fabricada en serie por ECM, LLC. ("TITAN-ECM" fundada en 2009 por iniciativa de la Ufa y los expertos en el campo de la tecnología y el equipo para el procesamiento electroquímico). Desarrollos recientes El mecanizado electroquímico en forma de tubo (STEM) utiliza electrolito ácido y se utiliza en la perforación de agujeros de enfriamiento en las turbinas. El ECM con flujo de electrolito generado por extracción (reverso de STEM) resultó en una estabilidad y precisión del proceso mejoradas. Vibraciones de herramienta con baja frecuencia resultaron en velocidad de mecanizado y precisión debido a la mejora en las condiciones de flujo de electrolito.

Fig.3 Fabricación de matrices de microhilos durante electrodos múltiples (fuente: patil & yadav- 2013)

El mecanizado electroquímico por chorro (JECM) es una nueva variación de la ECM en la que el electrólito se bombea en forma de chorro a través de una boquilla. Se usa energía de CC entre la pieza de trabajo y la boquilla con la corriente que es transferida por el chorro de electrolito. Un chorro de electrolito plano puede utilizarse para producir superficies micros molturados y electroquímicos en el Torneado de aplicaciones. El uso de energía de CC contribuye a mayores tasas de mecanizado en comparación con ECM pulsado. Se pueden mecanizar hasta ± 5 μm de precisión y estructuras con relaciones de aspecto de 3 pueden ser maquinadas utilizando JECM. El mecanizado electroquímico mediante electrodos de alambre (WECM) se puede comparar con el procesamiento EDM en muchos aspectos. Con la optimización de la velocidad de alimentación, vibración, velocidad de desplazamiento del cable y el flujo de electrólito de alta precisión se pueden producir microestructuras con relación de aspecto 30. Podemos producir el electrodo de alambre usado en WECM en lugar de utilizar ECM. Pueden producirse alambres con diámetros tan pequeños como 6 μm.



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Antecedentes en el Perú: En la Universidad Nacional de Ingeniería un grupo de la facultad de ingeniería y biología inició sus trabajos el año 1995 con la adquisición del primer potenciostato AFRD5 de Pine Instrument, siendo su principal impulsor el Profesor Adolfo La Rosa Gómez, fijándose como el principal tema de interés los recubrimientos metálicos (electrodeposición, electrolisis). A partir del 2000 se aborda proyectos en temas de remediación ambiental estableciendo lazos de cooperación con el Grupo de Electrocatálisis y Electroquímica de polímeros de la Universidad de Alicante-España. El 2005 se inaugura el Laboratorio de Electroquímica Aplicada implementada en colaboración conjunta de la UNI y UA. Actualmente en el Laboratorio de Electroquímica se desarrolla proyectos de investigación conducentes a la Tesis de Licenciatura, Maestría y Doctorado cotutelado, y también se realizan ensayos y pruebas que sirven de investigación científica. Líneas de Investigación: Electrocoagulación de partículas en suspensión, colorantes , residuos orgánicos. Oxidación electroquímica de contaminantes empleando electrodos catalíticos. Desinfección de aguas almacenadas empleado electrodos nanoestructurados. Electrodiálisis aplicada a la recirculación de sustancias químicas valiosas. Electrorecuperación de metales pesados. Proyectos de Investigación: “Desarrollo de electrodos poliméricos dopados con nanopartículas de metales nobles como sensores de HCN, NO2 y otros gases tóxicos” Proyecto FC-UNI 2010 “Fabricación, evaluación de electrodos nanoestructurados de óxidos metálicos para la producción eficiente de agua electro-oxidada y su aplicación como bactericida en la potabilización de agua” Proyecto PROCYT 2008-2009



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En 1996 se crea el Instituto de Protección y Corrosión (IPC-PUCP) en la Pontifica Universidad Católica del Perú con la colaboración del gobierno alemán, a través de la Sociedad Alemana de Cooperación Técnica, para promover un mejor conocimiento de las características de la corrosión y de la tecnología a aplicarse para su control en nuestro país, este instituto cuenta con laboratorios para análisis y ensayos químicos en metales y con un equipamiento para realizar los procesos electroquímicos, con amplia utilización del sector industrial y de servicios, la electroquímica justifica su vertiginoso desarrollo experimentado en las últimas décadas debido a las múltiples ventajas que ofrece frente a otros métodos.

En los últimos años, el ECM ha captado la atención de industria y grupos de investigación debido a la capacidad que tiene para manufacturar geometrías complejas como aspas para aeroturbinas e implantes médicos, así como su capacidad para generar micro-relieves sobre cualquier superficie metálica. La Figura n°6 muestra algunas de estas aplicaciones.



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CONCEPTOS Y CARACTERÍSTICAS

El mecanizado electroquímico (ECM) es uno de los procesos de mecanizado no tradicionales que utiliza una disolución electroquímica para dar forma a cualquier aleación metálica, sin importar las propiedades mecánicas de ésta. En este proceso, la pieza de trabajo y la herramienta son respectivamente el ánodo y el cátodo de una celda electrolítica, y a estas se les aplica una tensión de corriente continua CC de magnitud específica; ambas son sumergidas en un fluido electrolítico que cierra el circuito. La Figura n°7(a) muestra la geometría inicial de la herramienta y de la pieza de trabajo.

Al hacer pasar corriente por el circuito, iones metálicos son desprendidos de la pieza de trabajo y fluyen hacia la herramienta. El electrolito es impulsado en el espacio entre la pieza y la herramienta con lo que los iones metálicos son barridos antes de que estos alcancen la herramienta. La erosión del material (Vn) en la pieza de trabajo es acorde a las leyes de Faraday y la geometría final es la imagen negativa aproximada de la herramienta utilizada, Figura n°7(b).

El electrolito (como por ejemplo la solución acuosa de cloruro de sodio NaCl) fluye a alta velocidad [12-65] m / s a través de la separación entre electrodos [0,1-0,5] mm. La densidad de la corriente suele ser de [15 - 200] Amperios/ cm ². La velocidad de disolución del ánodo, que se rige por las leyes de Faraday de la electrólisis, depende de las propiedades electroquímicas del metal, las propiedades del electrolito y el suministró corriente / voltaje eléctrico.



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Consideremos como ejemplo la aleación de hierro como pieza de trabajo y el cobre se utiliza como herramienta y como electrolito la solución de salmuera, una mezcla de NaCl y agua. Esto se descompone como:

𝑁𝑎 𝐶𝑙 = 𝑁𝑎+ + 𝐶𝑙 −

𝐻2 𝑂= 𝐻+ + 𝑂𝐻−

Cuando se aplica tensión entre la herramienta y la pieza, los iones negativos se desplazan hacia el ánodo y los iones positivos se mueven hacia el cátodo. En el cátodo los iones de hidrógeno toman electrones del cátodo (herramienta) y se convierten en hidrógeno gas:

2𝐻+ + 2𝑒 − = 𝐻2 En el ánodo, los iones Fe2 + salen de la pieza de trabajo y pierden dos electrones y se combinan con iones cloruro para formar hierro que permanecen en la solución como precipitado.

𝐹𝑒 = 𝐹𝑒 + + 2𝑒 −

𝐹𝑒 +2 + 𝐶𝑙 − = 𝐹𝑒𝐶𝑙2

Igualmente, los iones hidroxilo se combinan con iones de sodio y forman hidróxido de sodio.

𝑁𝑎+ + 𝑂𝐻 − = 𝑁𝑎𝑂𝐻

Así se mecaniza la pieza de trabajo y se elimina el material como precipitado en electrolito. Además, no hay revestimiento en la herramienta, solamente gas de hidrógeno evoluciona en la herramienta o el cátodo. ECM crea aproximadamente la imagen especular de la herramienta sobre la pieza de trabajo.



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Las Ventajas de la ECM sobre otros procesos de mecanizado (por ejemplo, torneado y fresado) incluyen su aplicabilidad sin generación de calor, no están presentes los esfuerzos de fatiga, facilidad para trabajar materiales duros, se evita el desgaste de la herramienta, velocidad de extracción de material relativamente alta, superficie lisa y brillante, y producción de componentes con geometría compleja con superficies libres de esfuerzos y sin grietas. Así ECM encuentra aplicación en muchas producciones industriales incluyendo palas de turbina, fundiciones de motores, jaulas de cojinetes, engranajes, matrices y moldes e implantes quirúrgicos. Un estudio reciente sobre la comparación tecnológica y económica del desbaste operación de titanio y níquel por fresado, EDM y ECM muestra dependencia de la geometría, ECM es comparable en el mecanizado de aleaciones de titanio. EDM es una mejor alternativa para tamaños de lote más pequeños, mientras que ECM es más adecuado para la producción a gran escala. Las actividades de investigación y desarrollo tecnológico en ECM y los procesos híbridos relacionados continúan abordando sus aplicaciones emergentes.

El ECM es un proceso electrolítico, su base es el fenómeno de la electrólisis , cuyas leyes de este fenómeno fueron establecidas por Faraday en 1833. Michael Faraday descubrió que si los dos electrodos se colocan en un baño que contiene un líquido conductivo (solución de electrolito) y un potencial de corriente continua DC (5-25V) se aplica a través de ellos, el metal puede ser agotado del ánodo y chapado en el cátodo. Este principio estaba en uso durante mucho tiempo. UNT – Ingeniería Mecánica


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El ECM es el reverso de la galvanoplastia. Este proceso se lleva a cabo en una disolución anódica controlada a nivel atómico de la pieza de trabajo que es eléctricamente conductora por una herramienta conformada debido al flujo de alta corriente a una diferencia de potencial relativamente baja a través de un electrolito que es muy a menudo solución de sal neutra a base de agua. En el ECM, el electrolito se elige de tal manera que no haya chapado en la herramienta y la forma de herramienta permanece sin cambios. Si se mantiene el espacio cerrado (0,1 a 0,2 mm) entre la herramienta y la pieza de trabajo, la superficie mecanizada toma la réplica de la forma de la herramienta. El maquinado electroquímico (ECM) es un proceso de manufactura complejo que incluye fenómenos de transporte de masa, transferencia de calor y reacciones electroquímicas. La principal ventaja del ECM es que permite dar forma a cualquier aleación metálica sin importar las propiedades mecánicas de ésta. El maquinado consiste en la erosión de la pieza de trabajo de acuerdo a las leyes de Faraday. Una celda electrolítica es creada al hacer pasar corriente eléctrica a través del circuito formado por la herramienta (cátodo), la pieza de trabajo (ánodo) y un fluido electrolítico. La geometría final en la pieza de trabajo es la imagen negativa aproximada de la herramienta utilizada. Debido a lo anterior, por cada pieza que se desea fabricar, es necesario primero desarrollar la herramienta correspondiente. Dicha herramienta se fabrica de acuerdo al resultado de múltiples pruebas en busca de la geometría adecuada. Este proceso de diseño de la herramienta conlleva a una significativa inversión de tiempo y dinero.



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PRINCIPIOS (MARIO)



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(TU TEMA MI TORTA)

El rectificado electroquímico se utiliza para mecanizar agujeros pequeños con bordes afilados. En este proceso el electrodo de herramienta es revestido con abrasivos y girado a alta velocidad. Inicialmente el material se eliminará mediante la acción de ECM y luego los agujeros se esmerilan para un mejor acabado a través del mecanizado de contacto.



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(PRETEL)



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Innovaciones y tecnologías recientes: Podemos combinar el proceso de ECM con varios otros procesos de mecanizado para mejorar las características de mecanizado. Un centro de mecanizado híbrido compuesto por mecanizado electroquímico (ECM), por electroerosión (EDM) y se desarrolló la molienda mecánica. El proceso híbrido combinó las ventajas de cada uno de los procesos de mecanizado para producir microestructuras en carburos difíciles de mecanizar con baja tensión residual, alta eficiencia y baja rugosidad superficial (<100 nm). Se estudió el proceso de acabado electroquímico asistido por vibración ultrasónica y se encontró que mejora el acabado superficial en comparación con el mecanizado electroquímico regular. La combinación de los procesos de ECM y EDM en la misma configuración es capaz de generar estructuras en 3D altamente compleja y precisas. Agua desionizada que tiene las propiedades de un fluido conductor así como un dieléctrico en cierta medida se ha utilizado para desarrollar un proceso que implica simultáneamente a ECM y EDM. En ECM asistida por láser el área expuesta al chorro de electrolito está dirigida con un haz de láser enfocado, que disuelve una región específica mejorando así la rugosidad y precisión de la superficie. Este proceso también conlleva un desprendimiento de partículas de la pieza más alto debido al aumento de temperatura en la región dirigida por el haz láser. En el ECM abrasivo, el electrolito contiene abrasivos como carburo de silicio suspendido libremente en la proximidad de la pieza de trabajo. Estos abrasivos junto con un cátodo de alambre pueden ser utilizados para rebanar obleas de silicio con una mejor tasa de producción, buena integridad superficial y menor costo.



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ESTADO DEL ARTE RESUMEN DE PAPERS (VILLA)



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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1._ Mikell P. Groover, Año 2007. Fundamentos de manufactura moderna ___(3era edición). McGRAW-HILL. 2._ Manufactura, Ingeniería y Tecnología, 5ta Edición-S. Kalpakjian, S. R. Schmid. 3._ George E. Dieter, Año 1988. MECHANICHAL METALURGY SI Metric ___(2da edición). Mc.Graw Hill. 4._ 5._ 6._ 7._

LINKOGRAFÍA: http://www.emag.com/es/tecnologias/ecm-mecanizado-electroquimico-demetales.html https://es.wikipedia.org/wiki/Mecanizado_electroqu%C3%ADmico http://www.geocities.ws/leon_df/maq.html https://prezi.com/0qachvxckeqr/proceso-de-mecanizado-electroquimico/ http://www.ijarse.com/images/fullpdf/1458022617_610I.pdf http://www.indec-ecm.com/en/technologists/brief_history/



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Informe Primera Parte

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