Libro de Procesos de Manufactura No Tradiconales

Procesos No Tr Trad adiciona cionales de Manufactura

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Prologo

En el desarrollo de la Industria cada día nuevos materiales materiales son elaborados, con características y propiedades que se mejoran mejoran día a día, la manufactur manufactura a no esta ajena a ello siendo así estos nuevos nuevos materiales materiales constituyen constituyen un desafió para esta rama rama de la Ingeniería que ha desa desarrollado rrollado en los últimos últimos años una variedad variedad de procesos conocidos, pero que ahora en la actualidad se están aplicando en gran esc escala ala en las grandes grandes industrias. industrias.

Es así como en este este text texto o se intent intenta a dar dar un pequeño alcance sobre los principios de estos nuevos nuevos procesos al estudiante estudiante de ingeniería, para que tenga tenga los conocimientos conocimientos fundamentales fundamentales y no este ajeno en este desarrollo. El text texto o ha agrupado los procesos en virtud virtud de su naturaleza, naturaleza, esperamos que este pequeño pequeño aporte sea de gran gran de ayuda ayuda para el estudiante. estudiante.

Los autores

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Procesos No Tradicionales de Manufactura

PROCESOS NO TRADICIONALES DE MANUFACTURA


INDICE Capitulo Nº1.- ELECTROEROSIÓN

1.1

Introducción

1.2

Mecánica del Proceso

1.3

Ventajas del proceso

1.4

Tipos de Electroerosión

1.5

Principio físico

1.6

Máquinas y Generadores

1.7

Partes de una máquina de Electroerosión por Penetración

1.8

Parámetros de la Electroerosión

1.9

Limpieza

1.10 El líquido dieléctrico 1.11 Características de las superficies mecanizadas por Electroerosión 1.12 Materiales para Electrodos 1.13 Aplicación de la Tecnología 1.14 EDM Hilo - Introducción Capitulo Nº2.- PROCESOS ELÉCTRICOS

2.1

Mecanizado Electroquímico

2.2

Torneado Electroquímico

2.3

Mecanizado Electrolítico con tubos de formas específicas

2.4

Electro-Stream (ES)

2.5

Rectificado por Descarga Electroquímica

2.6

Rectificado Electrolítico

Capitulo Nº3.- PROCESOS MECÁNICOS

3.1

Mecanizado hidrodinámico (HDM) 5


3.2

Mecanizado ultrasónico

3.3

Mecanizado Ultrasónico Rotatorio

3.4

Mecanizado Asistido por Medios Ultrasónicos

3.5

Mecanizado Electromecánico

Capit ulo Nº4.- PROCESOS QUÍMICOS

4.1

Fresado Químico

4.2

Mecanizado Fotoquímico

Capit ulo Nº5.- PROCESOS TÉRMICOS

5.1

Láser

5.2

Mecanizado por Arco de Plasma

5.3

Mecanizado por haz de electrones

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CAPITULO I ELECTROEROSIÓN 1.1

Introducción

El conocimiento del principio físico de la Electroerosión se remonta al siglo XVIII, ya en el año 1770 el inglés Priestley deja constancia del efecto erosivo de las descargas eléctricas sobre metales conductores del calor y la electricidad. Pero no es hasta el año 1943 cuando el matrimonio ruso Lazarenko tiene la idea de explotar este efecto erosivo y desarrollar un nuevo método de arranque de viruta sin contacto entre la pieza y la herramienta llamado Electroerosión. Es sabido que al desconectar un interruptor salta una chispa entre los dos contactos que va erosionándolos poco a poco. El matrimonio Lazarenko tuvo la idea de aprovechar esta erosión, controlarla y agrandarla, para ello sumergen los dos electrodos en un líquido dieléctrico aislante, lo que refuerza mucho la potencia de las descargas. Al mismo tiempo crean un generador capaz de generar una sucesión de descargas eléctricas, lo obtienen a partir de un circuito eléctrico muy sencillo que recibe el nombre de Circuito Lazarenko, aunque posteriormente se llamará Generador de Relajación. Este primer generador ha sido utilizado durante largo tiempo y sometido a varias modificaciones para mejorar su rendimiento. 7


El mundo industrial no se interesó por la Electroerosión hasta 1950, época en la que aparecen las primeras máquinas utilizadas únicamente para la extracción de brocas y machos rotos en el interior de las piezas, es decir operaciones estas adicionales a las realizadas por procedimientos convencionales que tenían poca importancia. El avance espectacular de la Electroerosión se produce a partir de 1959 cuando aparece la primera maquina equipada con un generador de impulsos totalmente transistorizado, este generador aplica una serie de impulsos eléctricos rectangulares a ambos eléctrodos (pieza y herramienta), los cuales se encuentran inmersos en un líquido dieléctrico, así se producen las descargas (todas iguales) que van arrancando material de la pieza a trabajar. La principal ventaja de este tipo de generadores respecto a los anteriores es su mayor velocidad de mecanizado, un menor desgaste volumétrico del electrodo y una mayor uniformidad en la rugosidad de acabado de las piezas mecanizadas.

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Fig. Nº 1.1.- Elementos principales de un proceso de Electroerosión

1.2

Mecánica del Proceso

Proceso de arranque de material por una serie de sucesivas descargas eléctricas muy cortas (2 a 2.000 µs), separadas entre sí un cierto tiempo, que saltan entre dos polos (pieza y electrodo (herramienta)), por lo que ambos deben ser materiales conductores. Las descargas se crean mediante generadores de impulsos eléctricos rectangulares. Entre los métodos utilizados para conformar piezas con pérdidas o desprendimiento de material se encuentra la electroerosión.

Se conocen otros métodos mecánicos donde una herramienta arranca viruta de un material para obtener una pieza según medidas previamente determinadas. Tal como el trabajo de un torno, una fresadora, limadora, etc.

También la conformación puede obtenerse por efectos electroerosivos. En este caso la eliminación del material se realiza por “descargas eléctricas”.

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En este método aunque la aplicación relativamente reciente ha adquirido una categoría que puede clasificarse de anunciadora de grandes realizaciones en un futuro inmediato. Puede afirmarse que los métodos de trabajo de metales por arranque de viruta tienden a ser reemplazados (cuando la naturaleza de la manufactura lo permita) por procesos de forjado, estampado fusión, etc. Y por empleo de materiales plásticos. Lo común a todas estas aplicaciones es: • Moldes • Matrices • Plantillas, etc.

Cuya creciente complejidad hace cada vez más dificultoso su labrado mediante la combinación de los movimientos rotativos y alternativos característicos de los métodos de trabajo por arranque de viruta. Se agrava el problema cuando deben utilizarse materiales como los metales duros o a base de carburo de tungsteno, o cuando la forma o dimensiones so excepcionalmente complicadas, como en el caso de agujeros con directrices no rectilíneas ni circulares, o cuando debe templarse la matriz lo que provoca su deformación por lo que es obligado rectificar luego del tratamiento térmico. Por otra parte, las maquinas clásicas de desprendimiento de viruta, la exactitud esta ligada a la precisión de la maquina y por elevada que esta sea, esta ligada a la capacidad del operador, mientras que en la electroerosión la simplicidad mecánica del equipo y un alto grado de automatización la hacen independiente de los factores mencionados. 10


La técnica moderna ha creado como solución a los problemas planteados, el método de la electroerosión. En la primera etapa de su desarrollo, la electroerosión era el medio auxiliar para solucionar un problema delicado en la fabricación. Era mas bien un método de reparación que encontró su aplicación en los aparatos llamados "desintegradores" que tenían como función extraer herramientas rotas (mechas, machos, etc.) en una pieza o de efectuar repasos en piezas ya templadas. Como en la electroerosión no se necesita ningún movimiento de corte, es posible dar al electrodo-herramienta una forma y una dirección de avance cualquiera con respecto al electrodo-pieza. Teóricamente se puede obtener cualquier forma con tal que cumpla la condición de ser desmoldable, y adaptando la forma del electrodo a las necesidades de la ley del movimiento propio. La electroerosión consiste en el desprendimiento del material por efecto de descargas eléctricas (capacitivas) con frecuencia de 0,1 a 100 Kc/seg. de gran intensidad, entre dos elementos conductores (la herramienta y la pieza a trabajar) en un medio liquido (dieléctrico). 1.3

Ventajas del proc eso

•

Gran aptitud para el mecanizado de aceros, aleaciones duras o refractarias, aceros templados (materiales estos poco aptos para ser mecanizados por procedimientos convencionales de arranque de viruta), ya que el proceso no depende de las características mecánicas del material sino de sus características térmicas. 11


•

Gran aptitud para el mecanizado de formas complejas, ya sean pasantes o ciegas, adaptándose la pieza a la forma del electrodo.

1.4.- Tipos de Electroerosi ón

•

Electroerosión por Penetración : Mecanizado de agujeros y formas

ciegas, en las que el electrodo tiene la forma que se desea mecanizar. Debe existir un movimiento relativo vertical entre electrodo y pieza, moviéndose el electrodo y manteniéndose fija la pieza.

Fig. Nº 1.2.•

Diferentes tipos de electrodos utilizados en electroerosión

Electroerosión por Hilo : Mecanizado de agujeros pasantes y contornos de

formas muy complejas. El electrodo es un hilo continuo, con movimiento en los tres ejes del espacio, que va cortando la pieza.

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Fig. Nº1. 3.- Corte por hilo

Fig. Nº 1.4.- Electroerosión por hilo

1.5.- Princi pio físico

La erosión de los electrodos se produce mediante el salto de chispas entre ambos a determinada tensión eléctrica, una vez sumergidos en líquido dieléctrico. La chispa es una fuente de calor puntual (20.000 ºC) que provoca la fusión y ebullición del material de ambos electrodos. Estos están separados una pequeña distancia llamada GAP (10 a 200 µm). Por la rapidez del fenómeno no se propaga el calor por el material, por lo que la fusión y evaporación del material deja un cráter en la superficie de la pieza. El volumen del cráter es función del tiempo de duración del impulso eléctrico, la naturaleza del líquido dieléctrico, las propiedades físicas de la pareja de electrodo-pieza, la polaridad, etc.

Fig. Nº 1.5

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La explicación física es compleja. La diferencia de tensión entre electrodo y pieza crea un campo eléctrico entre los mismos (mayor que la rigidez dieléctrica del líquido en el que están inmersos) que acelera los iones y los electrones generando un canal de descarga que se vuelve conductor (Fig. Nº 1.6). Dentro de este canal conductor puntual salta la chispa, provocando colisiones entre iones y electrones y formándose así un canal de plasma (Fig. Nº 1.7). Las colisiones crean altas temperaturas en ambos polos y alrededor del canal de plasma se forma una bola de gas por la vaporización del líquido dieléctrico en la zona. Debido al calor, se genera una presión muy alta dentro de la bola de gas, por lo que aumenta de volumen. Mientras, las elevadas temperaturas funden y vaporizan parte del material de ambas superficies.

Fig. Nº 1.6 Canal de descarga

Fig. Nº 1.7 Formación del canal de plasma y bola de gas

En esta situación (material fundido, bola de gas grande) se corta la corriente eléctrica. El canal se derrumba, la chispa desaparece, el líquido dieléctrico rompe la bola de gas haciéndola implosionar. Las fuerzas de la implosión arrancan el material fundido de las superficies formándose así los cráteres. El material

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arrancado se solidifica (viruta de electroerosión) y el líquido dieléctrico lo arrastra fuera del GAP. Efecto de Polaridad : Existe diferente desgaste de ambos electrodos cuando

son del mismo material. En estos casos, el electrodo positivo se desgasta menos que el electrodo negativo. Si añadimos el efecto de diferentes materiales, entran en juego el punto de fusión y la conductividad térmica. Eligiendo bien la pareja de materiales se puede obtener un desgaste inferior a 0.5 mm3 en un polo por cada 100 mm3 en el otro. Otra consideración a tener en cuenta es que el GAP lateral (el correspondiente a las superficies paralelas al eje de penetración) es mayor que el GAP frontal (el resto de superficies) El fundamento del método es conocido desde hace casi 200 años(en 1786 el físico inglés Priestley observó pequeños cráteres frente a los electrodos entre los cuales saltaba la chispa) y en centró su primera aplicación en la preparación de soluciones coloidales de metales. El conocimiento de que el salto de chispa, es decir, una corriente no estacionaria, desgasta, es decir, extrae del electrodo negativo (cátodo) menor material que del electrodo positivo (ánodo), fue aplicado en el año 1940, para obtener determinadas formas geométricas. La pieza a trabajar actúa como ánodo (+) y el útil de la forma apropiada a lo que se quiere obtener como cátodo (-). (Ver la disposición esquemática). La erosión sobre un material, debido a descargas eléctricas, ha sido observada desde mucho tiempo atrás. El desgaste de los contactos eléctricos como resultado de una electroerosión ha conducido a buscar los materiales que 15


resistan mejor este tipo de desgaste. Como consecuencia de trabajos e investigación sobre este, fenómeno de erosión, B. R. y N. I. Lazarenko, dos sabios rusos, sugirieron la posibilidad de aprovechar el efecto destructor de una descarga eléctrica y de desarrollar un proceso controlado de mecanizado de los metales. En 1943, consiguieron desarrollar un proceso de mecanizado de metales, por electroerosión, así llamado en razón del hecho de producirse una sucesión de chispas surgidas entre dos conductores de corriente, sumergidos en un liquido dieléctrico. El principio del generador utilizado entonces, llamado circuito Lazarenko, ha sido durante mucho tiempo utilizado en construcción de los generadores que equipaban las máquinas electroerosivas. Hay que hacer notar que la naturaleza física de eliminación de material por intermedio de descargas es un fenómeno muy complejo. Muchos conocimientos en este campo son de origen experimental, por lo que es corriente ver interpretaciones contradictorias del fenómeno. Por esta razón nosotros nos licitaremos a aclarar algunos conceptos en forma muy simplificada, destinados a dar una idea sobre la naturaleza del mecanismo de la electroerosión. El fenómeno de descarga eléctrica entre dos electrodos presenta diferentes características según la naturaleza del medio en la cual ellos están sumergidos. 1 Vacío (tubos electrónicos dentro de los cuales, el gas esta fuertemente enrarecido 2. Gas a temperatura y presión normales. 3. Liquido.

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Un liquido contiene siempre iones libres (un ion es un átomo que gano o perdió uno o más electrones, por lo tanto no es neutro, eléctricamente hablando), bajo la influencia de la tensión aplicada entre los electrodos, estos iones se desplazan hacia sus polos opuestos, lo que confiere al medio liquido una cierta conductividad eléctrica. Para un liquido electrolítico ésta es alta en razón de la cantidad de iones y para un liquido dieléctrico es muy baja, pero esta conductividad siempre existe. Dejaremos de lado el caso del líquido electrolítico. Su empleo se refiere a la electrólisis, fenómeno en el cual se produce una disolución anódica. En electroerosión por el contrario, se opera en un líquido dieléctrico. Si aplicarnos entre los electrodos una tensión que es mayor que la tensión de ruptura, determinada por la distancia de los electrodos y el poder aislante del dieléctrico, se producirá una descarga. En el sitio de mayor campo eléctrico, se forma un canal ionizado que es conductor para la corriente eléctrica. A la formación de este canal ionizado le sucede un pasaje masivo de corriente. La tercera fase finalmente corresponde a la evacuación del metal erosionado. Probablemente esta última fase se superpone con la segunda y se prolonga mas allá de la descarga. El fenómeno del comienzo de la descarga es complejo. Durante las primeras primeras centésimas o décimas décimas de microsegundo microsegundo de la desca descarga, rga, se producen fenómenos correlacionados entre sí, al cabo de los cuales se forma un canal ionizado constituido por un plasma. Plasma es un gas, que a consecuencia de una temperatura muy elevada(8000 – 12000 ºC) sufre una disociación eléctrica.

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En nuestro caso, el plasma esta constituido por átomos metálicos M evaporados de los electrodos, iones positivos (+) y electrones (Fig. Nº 1.8). Estas dos ultimas particulares producen como consecuencia de los violentos choques que sufren los átomos M llevados a una elevada temperatura. Esta elevada temperatura proviene del calentamiento del medio, cuyo origen puede ser explicado de la siguiente manera: bajo el efecto del campo eléctrico que reina entre los dos electrodos, los iones y electrones se desplazan hacia los electrodos de polaridad opuesta y van chocando con los átomos M contenidos en el dieléctrico, transmitiéndole la energía cinética que poseían. Luego del choque, sufren una nueva aceleración, y en el transcurso de sucesivos choques transmiten su energía al medio circundante provocando de tal manera el calentamiento del plasma por transform transformación ación de energía cinética en térmica. térmica.

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Fig. Nº 1.8 Migración de iones iones El canal de descarga sufre una expansión muy rápida. En la superficie de los electrodos hay una vaporización casi instantánea del metal, formando una burbuja de vapor de presión elevada que desborda al canal ionizado y se extiende radialmente desplazando el liquido dieléctrico(Fig. Nº 1.9). La presión en la burbuja, proviene de la resistencia que opone el dieléctrico a su expansión y puede llegar a varias centenas de atmósferas al principio de la descarga, contribuyendo a concentrarla. La erosión en los dos electrodos es debida a los átomos neutros M del plasma, que liberan su energía de agitación térmica al chocar contra los electrodos.

Fig. Nº 1.9 Formación ormación de la burbuja burbuja

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Los electrodos incidentes transfieren su energía cinética a la red cristalina del ánodo. Esta energía vaporiza también el metal y ocasiona la fusión de un pequeño cráter. En el cátodo se produce el mismo fenómeno bajo la acción de la energía liberada durante la neutralización de los iones positivos M+ que llegan a este electrodo. La erosión sobre los electrodos es asimétrica. Depende primordialmente de la polaridad, de la conductividad térmica y de la temperatura de fusión de los materiales, de la duración e intensidad de las descargas. Mediante una correcta elección de los materiales de electrodo, y actuando sobre la descarga al variar su duración, su intensidad o su polaridad, se puede obtener una asimetría muy importante. Por ejemplo 99,5% de erosión sobre el electrodo – pieza y solo el 0,5% sobre el electrodo – herramienta. En el momento de la interrupción de la corriente, la descarga se detiene. La burbuja de gas que no ceso de agrandarse durante la descarga y en la cual la presión disminuye ahora bruscamente, sufre una dilatación explosiva y la materia fundida es proyectada al exterior del cráter y se solidifica en el liquido dieléctrico en forma de esferas que quedan en suspensión. La pieza a trabajar se coloca en una cuba sobre soportes y el electrodo en el cabezal de la maquina, estando el conjunto sumergido en un liquido dielectrico que en generales el querosene. Cabe definir entonces la: la facultad de copiado, como la capacidad de reproducción de la forma de la cara del electrodo enfrenta a la pieza en esta misma (Fig. Nº 1.10).

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Fig. Nº 1.10 La forma del electrodo determina la forma del agujero

Las descargas utilizadas en el proceso de mecanizado por electroerosión pueden ser caracterizadas por algunos parámetros físicos. Algunos de estos parámetros son variables y otros son constantes y no pueden ser variados por medios técnicos. Dentro de los parámetros no influenciables, se encuentra la tensión de descarga. Esta es del orden de 15 a 25V y depende únicamente de la naturaleza de los electrodos y del dieléctrico que los separa. La dimensión más importante que caracteriza una descarga es su energía que nosotros llamaremos W1. Ella es igual al producto de la tensión y de la corriente, integrada, sobre la duración "ta " de la descarga.

La descarga desencadenada se caracteriza por su tensión de mantenimiento de alrededor de 20V y que es independiente de la corriente de descarga. La corriente debe ser pues comandada por medios exteriores. Le corresponde igualmente al generador interrumpir la descarga después de un periodo predeterminado, dado que ningún otro medio permite limitar, en tiempo, la 21


descarga. Finalmente, es también el generador que debe imponer la frecuencia de impulsos de las descargas; éstas deben repetirse a intervalos según un ritmo que es apropiado al tipo de mecanizado a efectuarse. 1.6

Máquin as y Generadores

Las funciones esenciales del generador son: - Generar una tensión suficientemente alta para el comienzo y el mantenimiento de la descarga. - Limitar la corriente de la descarga. - Limitar la duración de la descarga. - Imponer la frecuencia de repetición de las descargas. La energía necesaria, y los impulsos generadores del proceso electroerosivo son producidos comúnmente por los dos siguientes sistemas ó circuitos: A).- Generadores independientes o de impulsos, en los que las condiciones de funcionamiento dependen exclusivamente de las magnitudes eléctricas y no dependen de las condiciones en la zona de trabajo (Fig. Nº 11). 1. Impedancia de carga 2. Interruptor que regula la duración de los impulsos (vibrador) 3. Condensador de la red de trabajo 4. Interruptor que regula la frecuencia de las descargas (vibrador) 5. Transformador del eslabón de unión 6. Electro-herramienta 7. Material 22


Son en realidad generadores de impulsos.

Fig. Nº1. 11 Circuito de una maquina generadora independiente para EDM

B) Generadores dependientes o resonantes en los que las condiciones de trabajo como ser la sucesión de las descargas y la amplitud de la corriente están determinadas por las condiciones físicas en la zona de trabajo (Fig. Nº 1.12). 1. Impedancia de carga 2. Condensador 3. Electro-hérramienta 4. Material

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Fig. Nº 1.12

Circuito de una maquina generadora dependiente para EDM

Trabajan con bajas frecuencias (2.500 Hz); se usan en general para desbastes. Las variables que condicionan el proceso de la electroerosion se relacionan en la siguiente fórmula:

Donde:

V: volumen total del material desprendido en la unidad de tiempo(mm³/min.). f: frecuencia de las descargas (periodos por secundo). Vo: volumen individual de los cráteres.

k: coeficiente de proporcionalidad. Analicemos la influencia de cada una de estas variables.

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A - El volumen de un sólo cráter (Vo) es proporcional o la energía de la descarga eléctrica entre el electrodo y la pieza, o sea proporcional a la capacidad y a la tensión inicial de la descarga.

Depende además del tiempo empleado en la descarga.

A igualdad de las otras condiciones, existe un tiempo óptimo en que Vo alcanza el valor máximo. También depende de los materiales utilizados en el electrodo y de la pieza a trabajar. Cuanto mayor es el punto de fusión, el calor especifico y la conductibilidad térmica, tanto menor es Vo. En el tablero de control de la maquina de electroerosión se ajustan las condiciones necesarias para lograr un tiempo de descarga óptimo. B - La frecuencia (f) de las descargas es inversamente proporcional a la resistencia aparente limite Z (Impedancia) y directamente proporcional a la corriente de cortocircuito: Ik. Si Vo es la tensión de la fuente de corriente continua: Aparentemente, para un mayor desprendimiento V convendría aumentar f aumentando la corriente de cortocircuito. Sin embargo, para cada capacidad se alcanza una sola IK máxima y óptima, IKm-o que da la condición limite de trabajo.

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Cuando se excede este último valor se producen arcos, el proceso se hace inestable y por último disminuye la frecuencia media y con ella, el desprendimiento del material.

Con el transcurso de los años, diferentes sistemas de generadores han sido desarrollados y comercializados. Reseñaremos aquí rápidamente algunos de ellos que, en épocas diferentes, han jugado o juegan todavía una función muy importante. El orden elegido está dictado por la evolución cronológica.

Precedentemente se ha hecho alusión al primer circuito utilizado en electroeronión, el circuito Lazarenko. Este de una gran simplicidad y compuesto (Fig. Nº 1.13) de una fuente de corriente continua que circula a través de una resistencia R, un condensador C que esta conectado al electrodo y a la pieza. Cuando la tensión del condensador, que sube continuamente, alcanza la tensión de ruptura del espacio electrodo - pieza, él liquido dieléctrico se ioniza y el condensador se descarga bruscamente a través del canal ionizado. Esta tensión de ruptura varia esencialmente en función de la distancia geométrica que separa los electrodos y del grado de ionización del espacio situado entre las superficies participantes de mecanizado. De esta manera es posible que una descarga se produzca a un nivel de potencial relativamente bajo.

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Fig. Nº 1.13

Circuito Lazarenko

El circuito de descarga esta formado básicamente por el condensador, el espacio electrodo-pieza y el cable de descarga. Esta combinación de elementos forma un circuito oscilante en el cual el cable de descarga se comporta como una autoinducción. Por ello, la descarga es oscilante, es decir, que la tensión y la corriente se invierten periódicamente hasta el agotamiento de la energía almacenada en el condensador. La corriente de descarga inicial es muy grande comparada con la corriente de descarga del condensador. La Amplitud de pico de la primera oscilación es de alrededor

donde Uc representa la tensión del condensador cargado, C la capacitancia del condensador, Ua la tensión del condensador descargado, L el valor de la inductancia del cable de descarga. En la Fig. Nº 1.14. Uo representa la tensión de

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la fuente. La energía de la descarga completa es igual a la energía eléctrica almacenada en el condensador.

Fig. Nº 1.14 Energía versus Tiempo Variando C y Uc o los dos, la energía de descarga puede ser variada en grandes proporciones. La duración de las descargas es fijada por la frecuencia de oscilación del circuito de descarga; la duración de una medio-onda es de:

Ella esta pues ligada a la

autoinducción del cable de descarga y a la

capacidad del condensador que, a su vez, fija la energía de descarga. De esta forma la corriente de descarga, su duración y su energía están correlacionadas entre sí y no pueden ser elegidas independientemente. La aplicación de este circuito es, de hecho, un poco restringido. Como segunda desventaja, hay que 28


mencionar la oscilación de la descarga. En efecto, ciertas combinaciones de electrodos necesitan de una o de otra polaridad pero no las dos alternativamente como ocurre en este caso. Por lo tanto la elección de los materiales para electrodos esta también limitado. Además, el desgaste del electrodo es considerable, lo que es muy desfavorable. La preocupación de aumentar los rendimientos del generador RC que acabamos de ver, ha conducido a modificar el circuito. Se logro duplicar la frecuencia máximas de las descargas del circuito RC para cada valor de C, obteniendo una característica lineal de la corriente de carga del condensador mediante la utilización de una bobina de autoinducción de gran inductancia L en el circuito de condensadores.. Sé vera que la carga esta representada por una recta y que por consecuencia se llega mas rápidamente a obtener las descargas aumentando al mismo tiempo la frecuencia. Surge, sin embargo de los diagramas, que la tensión Uc a la cual el condensador es cargado, varia fuertemente. Esta variación es debido al hecho que la carga se efectúa a través de una auto – inducción de gran inductancia, que restituye la energía eléctrica que almaceno durante la carga. De esta manera la tensión en los bornes del condensador varia constantemente en función del momento en que se produce la descarga. La tensión puede llegar de esta manera a un nivel superior al de la fuente. La energía de las descargas producidas con tal circuito es muy variable, dado que como hemos visto anteriormente, ella depende del cuadrado de la tensión. Esto es visible sobre el diagrama i= f(t) Fig. Nº 1.15 Con el fin de solucionar estos inconvenientes que provocan principalmente variaciones en la distancia de las chispas y en la rugosidad superficial, se equipo el circuito con un diodo limitador D destinado a nivelar los picos de la tensión de 29


carga del condensador a un cierto nivel. La carga máxima del condensador es de esta manera siempre la misma, lo que permite garantizar constante la distancia de la chispa y de la calidad de la superficie. Las descargas producidas a un nivel de tensión inferior, tienen una energía correspondiente menor, como también una distancia de chispa menor y por lo tanto una rugosidad menor.

Fig. Nº 1.15

Descargas variables

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Fig. Nº 1.16 Descargas variables El generador esta equipado con varios condensadores, lo que permite modificar la capacitancia del circuito para adaptar la energía de los impulsos y su tensión al mecanizado a efectuar, de modo que por ejemplo se selecciona la distancia de las chispas y el avance del electrodo de manera tal, qué se obtiene la rugosidad de superficie deseada. El resistor R en el circuito es también variable y de esta manera se puede modificar la rapidez de carga de los condensadores. Esta modificación que se traduce sobre el diagrama u = f(t) en una modificación de la pendiente de la curva, lo que significa que podemos variar la frecuencia de sucesión de las descargas y, por la misma causa, la velocidad de mecanizado

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para un estado de superficie dado, fijado por la capacidad de los condensadores conectados. El circuito de relajamiento RCLD descubierto independientemente por varios científicos, científicos, ha equipado durante durante varios varios anos las maquinas maquinas de electroerosión electroerosión de baja y mediana potencia. Las ventajas fundamentales de los circuitos a relajamiento son su simplicidad, su robustez y el campo relativamente extenso de la energía de descarga. Actualmente son utilizados todavía en el campo del superacabado y de ciertos micro-mecanizados que necesitan energías de descarga muy bajas a muy altas frecuencias. Entre las desventajas del circuito de relajamiento hay que hacer notar el muy elevado grado de desbaste que afecta a los electrodos por lo que es necesario utilizar varios electrodos. Por otra parte, la interdependencia de ciertos parámetros (corriente de descarga, duración y energía de la descarga) y la restricción en el empleo de materiales de electrodo confieren al sistema ciertas limitaciones. A comienzo de los años cincuenta, las investigaciones sé orientaban hacia dos problemas situados en diferentes direcciones: 1. Aumento de la velocidad máxima absoluta de erosión en desbaste, aun a costa de una disminución de la calidad superficial (mayor rugosidad). 2. Aumento de la velocidad de mecanizado para una energía de descarga dada, tanto en acabado como en desbaste, por un aumento de la frecuencia de las descargas. Esta problemática se fundamenta en lo siguiente: en un Circuito a relajamiento, si se busca aumentar la velocidad de mecanizado aumentando la intensidad de la corriente de carga del condensador, existe un valor máximo de 32


esta corriente de carga más allá de la cual el fenómeno de relajamiento desaparece y donde se produce una descarga de corriente continua, o sea un arco. La razón es que pasando una cierta intensidad, las descargas ya no sé desionizan espontáneamente. La descarga no se interrumpe y la fuente de poder alimenta directamente a los electrodos. Este fenómeno condujo a la idea de interrumpir brevemente la corriente de carga por medios exteriores, justo después de cada descarga de manera de asegurar una desionización eficaz del canal de descarga, para luego recargar el condensador con una corriente esta vez muy elevada. De esta manera se introdujo por primera vez la idea de pulsar la corriente de carga de los circuitos a relajamiento de potencia. Bajo este principio funcionan todavía una gran parte de los generadores de potencia mediana construidos en EE.UU. que utilizan los tubos al vacío para pulsar la corriente de carga de los condensadores (FIGURA 15). Un sistema de pulsación más viejo utilizaba un alternador. Es importante subrayar que, a pesar de la pulsación de la corriente de carga, estos circuitos son todavía a relajamiento. Los impulsos de corriente en el espacio electrodo - pieza son producidos por la descarga de condensadores en este espacio. La descarga tiene las mismas características que aquellos producidos por un generador a relajamiento en lo que concierne a la energía, la duración y la amplitud de corriente de descarga. Los dos circuitos precedentes han permitido aumentar la velocidad del mecanizado de los circuitos a relajamiento por un factor de 2 o 4, pero solamente en un campo relativamente estrecho de energía de las descargas, aquella por la cual la frecuencia de las descargas descargas no difiere mucho de la frecuencia de pulsación pulsación de corriente de carga. Por otro lado, el problema del desgaste de los electrodos no

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esta resuelto con este tipo de generadores que sigue siendo apreciable en todos los regímenes. regímenes.

Fig. Nº 1.17 Circuito de Relajamient R elajamiento o Los dos primeros objetivos, aumento de las velocidades absolutas y relativas, han sido alcanzados. Casi simultáneamente otros científicos en Europa Occidental, E.E. UU. y en la Unión Soviética han fijado un tercer objetivo: aquél de hacer el instante del comienzo y la energía de cada descarga absolutamente independientes de las fluctuaciones inevitables, incontrolables, del estado físicoquímico e iónico del espacio electrodo - pieza. Éstas fluctuaciones engendran correspondientemente variaciones de la tensión al comienzo de la descarga en los circuitos a relajamiento, y por lo tanto también de la energía de las descargas. Hay que hacer notar que la energía máxima de estas descargas es rigurosamente constante, gracias a la limitación de los picos de tensión en el circuito RCLD, de donde resulta una constancia perfecta de la distancia de chispas por lo tanto de la rigurosidad. Este tercer objetivo condujo al concepto de mecanizado por

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descargas controladas, es decir, de un mando exterior independiente del comienzo de las descargas. 1.7

Partes de una máquina de Electroerosi ón por Penetración

Consta de los elementos siguientes •

Bancada o armazón que sirve de base para el resto de elementos

•

Cabezal, fijado a la columna del armazón.

•

Mesa de trabajo, sobre la que se dispone la cuba del dieléctrico.

•

Unidad de filtrado, enfriamiento y circulación del dieléctrico.

•

Generador de impulsos (generalmente en un armario aparte).

Fig. Nº 1.18 Máquina ONA - A 118 35


Bancada o armazón Constituye el esqueleto de la maquina, debe servir de base de sujección del cabezal y la mesa de trabajo con la cuba del dieléctrico, facilitando la maniobrabilidad entre las partes,. Suele adoptar la forma de cuello de cisne. El generador va introducido en un armario aparte sobre la bancada. Cabezal Elemento esencial para el mecanizado automático. Dispone de mecanismos para su rápida ubicación a diferentes alturas, elementos de medición de la profundidad de trabajo y la velocidad de penetración, y un servomecanismo que actúa sobre el pistón portaelectrodos, con una precisión de micras en toda su carrera. Mesa de trabajo Es una mesa de coordenadas con precisión de centésimas y diferentes carreras (350 mm). Sobre la mesa se ubica la cuba de líquido dieléctrico donde se efectúa el mecanizado, que debe tener una altura suficiente para que el nivel del mismo esté 100 mm por encima de la superficie de trabajo. En la cuba existe un dispositivo automático para parar el proceso si el líquido desciende de una altura dada. Unidad de filtrado Su tamaño varía en función de la potencia del generador. El tanque tiene de 2 a 3 veces el volumen de la cuba. Dispone de una bomba que eleva el líquido en la

36


cuba hasta la zona de trabajo y un equipo de filtrado que permite limpiar el dieléctrico de las partículas procedentes de la erosión. El Servomecanismo El servomecanismo asegura un GAP constante. Debe tener gran rapidez de respuesta y precisión para acercar el electrodo conforme se desgastan pieza y electrodo y para separarlos en caso de que contacten provocando cortocircuitos. El movimiento automático se realiza gracias a la relación directa que existe entre la distancia de separación y la tensión media entre electrodos, usando la desviación de esta tensión como señal de error para el control. El Generador Proporciona la tensión necesaria para el cebado de la descarga eléctrica y su mantenimiento, esta tensión depende de la pareja de materiales electrodo-pieza y no de la corriente de descarga. También limita la corriente entre descargas, e impone la duración de la descarga y la frecuencia de sucesión de las mismas. Se pueden dividir en 2 grandes grupos:

Generadores de relajación

Fueron los primeros que surgieron

•

Ventajas: Robustez, sencillez, amplio rango de energías de descarga.

•

Inconvenientes: Elevado desgaste de los electrodos, interdependencia de parámetros (intensidad, duración y energía de descarga), limitación en la selección del material de los electrodos, limitación en la velocidad de 37


arranque (a partir de una intensidad dada desaparece el efecto de relajación, ya que las descargas no se desionizan apareciendo un arco continuo). •

Uso: Superacabados y micromecanizados dadas las bajas energías y las elevadas frecuencias que pueden alcanzar.

Fig. Nº 1.19 Generador de relajación RCL Generadores de impulsos transistorizados

Son los más habituales, a partir de 1959. Entre sus ventajas está que toman corriente trifásica a 220 ó 380 V y su salida es un tren de impulsos rectangulares con variables independientes (ti, to, if ) que se aplica directamente al electrodo.

38


Fig. Nº 1.20 Tren de impulsos normales La figura se muestra un impulso de tensión y otro de intensidad en un proceso normal. Entre los electrodos se establece la tensión de vacío U0. Pasa un cierto tiempo hasta que se produce la descarga, llamado tiempo de encendido o de retraso de descarga td (0.5 a 2 µs). Cuando se produce la descarga, la tensión baja mucho, hasta el valor de tensión de descarga Uf . Se crea entonces el impulso de intensidad, que es de forma rectangular, de duración tf (tiempo de descarga) y valor if (intensidad de impulso, intensidad que circula por el GAP durante un impulso). Ifm es la intensidad media que circula por el GAP durante el mecanizado y es la que se mide en el amperímetro. Otros parámetros de interés son el tiempo de impulso ti, el tiempo de pausa to, el periodo o tiempo entre impulsos tp, la frecuencia de impulso f p (nº de impulsos

39


por segundo), y la relación de impulso

/tp =* 100. t i

Se cumplen las siguientes

relaciones: tp =ti +to , ti =td +tf Generador ONAPULS

Es un generador transistorizado con alta tensión de encendido y con frecuencia de descarga constante. Si el tiempo de retraso en el encendido td fuese grande, disminuiría el tiempo de descarga tf , disminuyendo así la energía de descarga y la capacidad de arranque de material. Por tanto, td debe ser lo más pequeño posible. La tensión de vacío puede establecerse con dos circuitos para poder elegir. Para el generador ONAPULS son de 150 y 60 V, respectivamente. La tensión de descarga es constante y depende de la pareja de materiales electrodo-pieza. Por ejemplo, para cobre-acero, Uf = 26 a 28 V. Se puede establecer dos zonas en el impulso de tensión. Una de impulso normal (entre 26 y 28 V) y otra límite de arcos voltaicos (por debajo de 18 V). El generador debe rechazar impulsos por debajo de este límite. Otros tipos de generadores

Otros tipos de generadores de impulsos transistorizados se pueden dividir en: a. Generadores isoenergéticos

Obtienen impulsos de energía constante (tf cte) tras el total encendido de la descarga, por lo que su característica principal es la Rugosidad constante. Su inconveniente es que no importa el tiempo en lograr las descargas de igual energía, por lo que las pausas entre cada dos impulsos 40


pueden ser muy grandes y la frecuencia disminuye, lo que implica desgastes superiores de electrodo y disminución de la capacidad de arranque .

Fig. Nº 1.21 Impulsos en un generador isoenergético b. Generadores isofrecuenciales

Mantienen constante la frecuencia de chispeo (tp , ti ctes). b1.- De baja tensión de encendido: Todo retraso en el encendido (no cte) supone pérdida de energía en algunos impulsos, por lo que la rugosidad no será constante.

41


Fig. Nº 1.22 Impulsos en un generador isofrecuencial de baja tensión de encendido b2.- De alta tensión de encendido: Se aproxima al trabajo isoenergético ya que se puede considerar tf = ti cte. Además, dada la alta tensión de encendido (Uo) el GAP es mayor lo que facilita la evacuación de las partículas erosionadas (viruta).

Fig. Nº 1.23 Impulsos en un generador isofrecuencial de alta tensión de encendido

42


1.8

Parámetros de la Electroerosi ón

Tipos de impulsos

•

Impulso erosivo normal, es el de mayor rendimiento.

•

Impulso vacío: GAP demasiado grande debido a que el servo no lo ha mantenido constante, por lo que se produce un impulso sin descarga eléctrica. No es erosivo y baja mucho el rendimiento de la maquina si se produce con frecuencia.

•

Impulso en cortocircuito: Electrodos entran en contacto (por desplazamiento excesivo o por alguna partícula erosionada). La tensión se anula. Es erosivo,

con

grandes

desgastes

relativos,

grandes

cráteres

e

irregularidades en las superficies mecanizadas. No es conveniente que se produzca por lo que el servo debe actuar con rapidez para evitarlo. •

Arcos voltaicos: GAP demasiado pequeño, sin llegar a tocarse los electrodos. Si la tensión de descarga es menor de 20 V se forman arcos voltaicos en los que la intensidad no es controlable. Es erosivo.

Fig. Nº 1.24 Impulso vacío

Fig. Nº 1.25 Impulso en cortocircuito 43


Se puede ver la importancia del servomecanismo cuya misión es mantener el gap en una distancia tal que la tensión de descarga quede fijada en 26 ó 28 V, y corregir variaciones en esta distancia que eviten las descargas en vacío (acercando los electrodos) y los cortocircuitos y arcos voltaicos (separándolos). Potencia y Energía de un impulso

•

P = Uf * if . Como Uf es constante, la altura del impulso de intensidad da una idea de la potencia, por lo que a veces se da la potencia en Amperios.

•

W = Uf * if * tf . Como Uf es constante, el área sombreada del impulso de intensidad da una idea de la energía del impulso. A mayor energía, mayor rugosidad y capacidad de arranque.

Fig. Nº 1.26 Potencia y energía de un impulso 4


Valor medio de intensidad y de tensión Los valores que controla el generador y que marcan sus aparatos de medida son valores medios, que se obtienen de la siguiente forma : Suponiendo que todos los impulsos son iguales, una intensidad de corriente que fuese continua de valor Ifm y que durante un período moviese la misma cantidad de carga que un impulso de intensidad if , si igualamos la carga en un periodo, tenemos if * tf = Ifm * tp, que se corresponde con la equiparación de áreas. A I fm se le llama valor medio o intensidad media, su valor es Ifm=if * tf / tp. Para la tensión media de trabajo tenemos: Ufm * tp = Uf * tf + Uo * td, y por tanto Ufm=(Uf * tf + Uo * td) / tp. Pero esto no es del todo válido porque existen impulsos vacíos, cortocircuitos y arcos voltaicos, lo que produce oscilaciones en los aparatos de medida.

Fig. Nº 1.27 Valor medio de la tensión y de la intensidad

45


Parametros eléctricos El generador proporciona impulsos rectangulares y los parámetros regulables son: Tiempo de impulso (ti); Tiempo de vacío (to); Intensidad media (Ifm). Se regulan los tiempos mediante 14 posiciones, ti y to son independientes entre sí. La combinación de posiciones depende de la pareja de materiales para el electrodo y pieza, del arranque de material (VW) y del desgaste volumétrico relativo (  V). La intensidad media se establece mediante 4 niveles de intensidad regulables desde el generador (2, 4.5, 9 y 18 A). Rugosidad La rugosidad, a diferencia de los mecanizados convencionales (en los que es direccional), es multidireccional, y da a las piezas un aspecto mate que engaña a simple vista. Rugosidad media y rugosidad total Si se realiza el corte de una pieza mecanizada por un plano perpendicular a la superficie se obtiene un perfil real tal como el de la figura

Fig. Nº 1.28 Perfil real de una pieza mandrinada 46


En él podemos observar dos tipos de rugosidad: rugosidad media (Ra) y rugosidad total (Rt ó Rmáx ), ambas se miden en µm. La rugosidad media Ra es la suma de las áreas por encima y por debajo de la línea media dividido por L. La rugosidad total Rt es la distancia entre dos líneas paralelas a la línea media que pasan por el punto mas alto y mas bajo del perfil dentro de la longitud de referencia. Factores de los que depende la rugosidad Depende principalmente de tres factores: 1. El tiempo de impulso: A mayor ti, mayor Ra, esto es debido a que al aumentar ti aumenta la energía del impulso, con lo que se forman cráteres mayores que hacen aumentar la rugosidad. 2. El nivel de intensidad: A mayor Ifm, mayor R a, igual que antes, al aumentar Ifm aumenta la energía del impulso, dando superficies más rugosas. 3. La pareja de materiales de electrodo y pieza: Ra acero-grafito > Ra acerocobre > Ra cobre-cobre. Todo esto está muy unido al arranque de material, si este es grande, la rugosidad también lo será. En la figura se puede ver la variación de la rugosidad con los tres parámetros citados.

47


Fig. Nº 1.29 Variación de la rugosidad Medición de la rugosidad La rugosidad de las piezas mecanizadas por Electroerosión se puede medir de dos formas: - Con rugosímetro - Por medio del "Rugotest", la más utilizada. La Norma VDI 3400 elige para los valores de Ra (µm) normalizados, la serie de Renard o de Números Normales R20 (ISO/TC 19) que siguen una progresión geométrica de razón 1,12 y que comienza por Ra: 0,1µm. Asimismo, esta norma asigna a cada rugosidad aritmética media (Ra) una "Clase" o "Número de Rugosidad" (Nr). Dicho número se halla relacionado con Ra por la fórmula siguiente: Nr = 20 lo10 Ra , estando Ra expresada en µm.

A continuación se da una tabla que expresa la correspondencia entre el Número de Rugosidad (Nr) y la Rugosidad (Ra).

48


Tabla 1 - Correspondencia entre Nr y Ra Ra

Nr

Ra (µm)

Nr

Ra (µm)

Nr

0

0,1

*12

0,4

*24

1

0,112

13

0,45

2

0,126

14

3

0,14

4

(µm)

Nr

Ra (µm)

1,6

*36

6,3

25

1,8

37

7

0,5

26

2

38

8

*15

0,56

*27

2,2

*39

9

0,16

16

0,63

28

2,5

40

10

5

0,18

17

0,7

29

2,8

41

11,2

6

0,2

*18

0,8

*30

3,2

*42

12,6

7

0,22

19

0,9

31

3,5

43

14

8

0,25

20

1

32

4

44

16

9

0,28

*21

1,12

*33

4,5

*45

18

10

0,32

22

1,26

34

11

0,35

23

1,4

35

5 5,6

* Figuran en el Rugotest "ONA" Dado que en el cálculo de las dimensiones de los electrodos puede ser necesaria la Rugosidad total (Rt ó Rmáx) tenemos otra tabla (Tabla 2) que relaciona Nr, Rt y Ra. Tabla 2 - Correspo ndencia entre Nr, Rt y Ra

Nr VDI3400 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 Ra (µm) 0,4 0,6 0,8 1,1 1,6 2,3 3,2 4,6 6,3 9 13 Rt (µm) 1,6 2,2 3,2 4,5 6,3 9 12 18 25 36 50

45 18 72

49


Se puede observar que se cumple aproximadamente la relación Rt = 4 Ra. Cuando se habla de la rugosidad, al igual que ocurre con el GAP, se ha de distinguir entre la rugosidad frontal y la rugosidad lateral. Es mayor en el GAP frontal que en el lateral (del orden de 1 Nr). Las tablas de Tecnología dan la rugosidad lateral por lo que habrá que considerar esta diferencia en el mecanizado de agujeros ciegos.

Fig. Nº 1.30 Rugosidad frontal y lateral Aspecto de las piezas mecanizadas por Electroerosión El tipo de rugosidad multidireccional que se da en este proceso da a las piezas mecanizadas un aspecto mate, a veces desagradable en contraste con el aspecto brillante de las piezas mecanizadas por procedimientos convencionales. Ocurre con frecuencia que a simple vista las piezas parecen, debido a su

50


aspecto, más rugosas de lo que en realidad son, por lo que es conveniente al menos en principio compararlas con el Rugotest-patrón. Debido a la multidireccionalidad la Electroerosión aporta efectos especiales de retención de líquido dieléctrico en los cráteres, lo que merecería un estudio muy completo de las superficies. Influencia de los parámetros eléctricos Los parámetros eléctricos regulables son: Tiempo de impulso (ti); Intensidad media (Ifm); Tiempo de vacío (to). El proceso de Electroerosión depende de la combinación adecuada de estos parámetros. Influencia del tiempo de impulso Las tablas y ábacos de Tecnología para la máquina A118 relacionan el arranque de material (VW), el desgaste volumétrico relativo (σV), la rugosidad (Rt y Nr) y el gap lateral (g) con las posiciones del tiempo de impulso (ti) (con nivel de intensidad y to ctes). Se puede observar lo siguiente: •

•

•

ti aumenta Vw aumenta hasta alcanzar un máximo y entonces disminuye. ti aumenta

σV

disminuye hasta alcanzar valores muy pequeños.

ti aumenta gap aumenta; Ra aumenta.

Influencia del nivel de intensidad Extraídos los datos de las tablas, y manteniendo ti y to ctes, si se varía el nivel de intensidad se observa lo siguiente : Ifm aumenta entonces

σV

disminuye ; Vw aumenta ; gap aumenta ; R a aumenta 51


Fig. Nº 1.31 Variación de resultado obtenido al variar el nivel de intensidad Influencia del tiempo de pausa (to) Con nivel de intensidad y ti ctes, si variamos el tiempo de pausa se observa lo siguiente: •

Si to es demasiado grande, Vw disminuye debido al menor número de impulsos por minuto. Si to es demasiado pequeño, Vw disminuye debido a que no da tiempo a efectuar una buena limpieza y existen muchos cortocircuitos. Existe un to de máximo arranque que depende de la pareja de materiales a erosionar.

•

Existe un to de mínimo desgaste (σV), que no coincide con el de máximo arranque y depende también de la pareja de materiales.

•

No influye en el GAP ni en la rugosidad, esto es debido a que la energía de los impulsos no varía al variar to.

52


Fig. Nº 1.32 Variación de resultado al variar to

1.9

Limpieza

Definición La limpieza consiste en la circulación del líquido dieléctrico (aceite o petróleo) por el GAP y es muy importante de cara al rendimiento del proceso de mecanizado. Si es buena, se obtiene poco desgaste del electrodo y buena velocidad de arranque del material. Su misión es la evacuación de impurezas generadas en la erosión, tales como:

•

Gases que provienen de la disociación del dieléctrico.

•

Partículas de carbón que provienen del cracking del dieléctrico.

•

Partículas procedentes de la erosión del electrodo y la pieza.

Influencia de la contaminación del gap en el proceso de Electroerosión Interesa un dieléctrico un poco polucionado para reducir su resistencia al paso de corriente eléctrica y así reducir el tiempo de retraso td. Además, ayuda a la 53


buena regulación porque provoca un GAP más grande. Sin embargo, si está muy polucionado se pierde rendimiento debido a la excesiva cantidad de gases (ramifican el canal de descarga), a las descargas entre electrodos y partículas erosionadas y a la aparición de arcos voltaicos y cortocircuitos que dañan electrodo y pieza. Por todo esto se debe eliminar este exceso de impurezas del gap mediante la limpieza, esto es, mediante la circulación del líquido dieléctrico a través de él. Sin embargo esta no debe ser excesiva ya que para obtener un buen rendimiento es preciso que el GAP se halle algo contaminado. Formas de limpieza Podemos encontrar los siguientes procedimientos: •

Limpieza por presión

•

Limpieza por aspiración

•

Limpieza por lanza lateral

•

Limpieza por remoción

•

Limpieza por temporizador

•

Limpieza con presión intermitente

Limpieza por presión Consiste en introducir en el GAP el dieléctrico bien a través de la pieza o del electrodo. En el caso de limpieza por presión a través de la pieza, esta se coloca sobre un vaso soporte lleno de dieléctrico conectado mediante un tubo al mando de 5


presión, el líquido entra a presión en el gap por medio de un taladro practicado en la pieza; este taladro debe ser efectuado con anterioridad al temple en el caso de que la pieza sea de acero templado.

Fig. Nº 1.33 Limpieza por presión a través de la pieza En el caso de limpieza por presión a través del electrodo el líquido es inyectado en este de dos formas, bien directamente a través del electrodo, o por medio de un tubo de cobre o acero porta-electrodos.

Fig. Nº 1.34 Limpieza por presión a través del electrodo 55


La limpieza por presión da como resultado agujeros ligeramente cónicos cuando se realizan agujeros con un electrodo de sección constante. Esta conicidad es debida a un efecto de Electroerosión que se puede llamar secundaria, en el entrehierro o gap lateral. Esta erosión es debida a que el paso de partículas por el gap lateral provoca descargas laterales, esto constituye una perdida de rendimiento ya que estas descargas deberían producirse frontalmente.

Fig. Nº 1.35 Conicidad creada en el caso de limpieza por presión a través de la pieza

Fig. Nº 1.36 Conicidad creada en el caso de limpieza por presión a través del electrodo

Este método de limpieza se utiliza en el mecanizado de matrices para troqueles en las cuales se busca intencionadamente una cierta conicidad. La matriz se ha de disponer para erosionar en sentido inverso al de su montaje en el troquel para obtener la conicidad en el sentido correcto. En el caso de limpieza por presión a través del electrodo se va formando un cilindro que es parte de la pieza que se está erosionando. Si el agujero es pasante, cuando el electrodo llega al final, dicho cilindro se mueve tocando las paredes del electrodo produciendo un cortocircuito permanente. Por ello se ha de parar el proceso para arrancar el cilindro y después continuarlo. 56


Limpieza por aspiración Consiste en succionar dieléctrico desde la cuba de mecanizado, bien a través de la pieza por el vaso soporte, o bien a través del electrodo. Este procedimiento de limpieza suele dar mejores resultados en cuanto a la velocidad de arranque si la aspiración se realiza por el electrodo.

Fig. Nº 1.37 Limpieza por aspiración

Fig. Nº 1.38 Limpieza por aspiración

a través de la pieza

a través del electrodo

Esta técnica de limpieza por aspiración, bien a través de la pieza, bien a través del electrodo, permite evitar la erosión lateral secundaria, no formándose por tanto la conicidad que ocurre en el método de presión. En el caso de limpieza a través del electrodo esta conicidad se forma en el cilindro interior.

57


Fig. Nº 1.39 Conicidad en el cilindro interior creada en el caso de limpieza por aspiración a través del electrodo La depresión de la aspiración no puede llegar a valores altos como en la presión, solamente a unos 0,8 Kg/cm2, lo cual a veces no da buen rendimiento. Limpieza por lanza lateral Este método de limpieza se usa en algunos casos en los que no se pueden realizar orificios, ni en la pieza, ni en el electrodo, por los cuales se pueda introducir el líquido dieléctrico hasta el gap. Es el caso de útiles de prensa para forjar, medallas, cubiertos, etc., y en el caso de ranuras profundas y estrechas muy empleadas en la industria del plástico y juguetería.

58


Fig. Nº 1.40 Limpieza por lanza lateral Fig. Nº 1.41 Dirección del líquido dieléctrico La lanza (dieléctrico a fuerte presión) ha de dirigirse con un ángulo determinado, tomando las precauciones siguientes: 1. El ángulo de entrada de la lanza ha de coincidir lo más posible con la entrada del gap lateral. Si no ocurre así se forman turbulencias a la entrada del gap, entrando muy poca cantidad de dieléctrico en él, no desarrollándose una limpieza eficaz. Si el ángulo es el adecuado, la cantidad de dieléctrico que entra en el gap será máxima. 2. La dirección de la lanza es muy importante en el caso de ranuras estrechas y profundas El dieléctrico debe mojar bien toda la superficie, por lo que, si la dirección no es la buena, además de no entrar el dieléctrico en el gap, y dado el poco espesor del electrodo, este puede llegar a flexar, corriendo el riesgo de producirse continuas vibraciones y gran número de cortocircuitos.

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3. En el caso de ranuras profundas y en todos los casos, el líquido debe introducirse por la cara mayor, y lo más repartido posible por dicha cara, con el fin de mojar toda la superficie y llegar más fácilmente hasta el fondo. 4. Nunca debe introducirse el líquido dieléctrico por dos lados opuestos, ya que entonces ambas corrientes de dieléctrico quedarían anuladas. 5. Este método de limpieza debe utilizarse siempre combinado con el temporizador, de forma que se eleve el electrodo temporalmente, dando entrada a líquido dieléctrico limpio en el gap.

Fig. Nº 1.42 Mecanizado de una ranura

Fig. Nº 1.43 Mecanizado de una ranura

estrecha

estrecha en malas condiciones

Limpieza por remoción Es una forma de limpieza que no utiliza ni el sistema de presión ni el de aspiración, de esta forma no hay que practicar agujeros ni en el electrodo ni en la pieza. En principio la pieza se halla inmersa en la cuba de mecanizado llena de dieléctrico. Durante un tiempo dado se verifica el proceso de electroerosión contaminándose el dieléctrico. Al subir el electrodo el volumen del gap aumenta, creándose un vacío que se rellena con dieléctrico limpio, que se mezcla con el contaminado del interior del gap. Al bajar de nuevo el electrodo disminuye el

60


volumen del gap, obligando a salir al exterior la mayor parte del líquido, que arrastra las partículas contaminantes.

Fig. Nº 1.44 Limpieza por remoción Esta forma de limpieza se utiliza en el mecanizado de agujeros profundos permitiendo la erosión sin circulación forzada de dieléctrico. Si durante la salida del dieléctrico por el gap no hay tensión entre electrodos no se formarán conicidades laterales. Limpieza por temporizador El temporizador es un dispositivo que controla el tiempo de erosión, con objeto de retirar brevemente el electrodo del lugar de trabajo, aumentar el volumen del gap, y poder retirar así más facilmente los residuos de la erosión. Se puede controlar el tiempo de trabajo (entre 0,04 y 10 segundos) en que se está 61


produciendo la erosión, así como el tiempo sin trabajar (también entre 0,04 y 10 segundos) en el que el electrodo se halla retirado mientras el dieléctrico penetra en el gap por el sistema de presión, aspiración o lanza desalojando los residuos de la erosión.

Fig. Nº 1.45 Elevación periódica del electrodo (Temporizador)

El ajuste de ambos tiempos depende del trabajo a realizar, pero generalmente el tiempo de trabajo debe ser lo más largo posible y el de pausa lo menor posible. Limpieza con presión intermitente Consiste en una alimentación no continua del fluido dieléctrico hacia el gap, con ello se obtienen desgastes menores en zonas críticas como son las salidas y entradas del dieléctrico en orificios y en los cambios bruscos de succión. En las figuras podemos ver que el desgaste es más fuerte en la zona M del canal de limpieza con presión continua que con presión intermitente. 62


Fig. Nº 1.46 Limpieza con presión Fig. Nº 1.47 Limpieza con presión continua

intermitente

Este hecho se explica porque para cierto grado de impureza del líquido el desgaste es más regular y débil. Por ello lo que se hace es renovar el líquido del gap periódicamente. La presión intermitente puede evitar un segundo electrodo de desbaste. 1.10 El líquido dieléctrico Misiones del líquido dieléctrico Las misiones del dieléctrico son varias, veámoslas:

•

La principal es concentrar las descargas eléctricas en puntos del GAP. Con esto se consigue una capacidad de erosión muy superior, en el aire o en un gas las descargas se dispersarían y no erosionarían tanto.

•

Otra misión es la de actuar como dieléctrico (aislante entre electrodos). Su ionización es fundamental para el proceso, en el momento en el que la tensión entre electrodos es lo suficientemente grande para vencer la rigidez dieléctrica del líquido, este baja su resistencia eléctrica bruscamente, lo que provoca una descarga en forma de avalancha, característica de las descargas erosivas. Una vez terminado el impulso, el líquido debe 63


desionizarse, y la siguiente descarga volverá a ionizarlo y formará el canal de descarga en cualquier otro punto, ocurriendo así un reparto al azar de las descargas sobre la superficie a erosionar. •

El arrastre de impurezas y virutas de la zona de trabajo durante el proceso de limpieza para evitar problemas de estabilidad en el proceso.

•

Refrigerar electrodo y pieza, ya que debido al efecto térmico de las descargas, tienen tendencia a calentarse durante el mecanizado.

Características que debe reunir un líquido dieléctrico 1. Rigidez dieléctrica suficiente. Debe soportar los campos eléctricos debidos a las tensiones (60 a 300 V) entre electrodos, que están separados por el GAP (10 a 200 µm), permitiendo el paso de corriente sólo en forma de descarga. 2. Rápida desionización y vuelta al estado inicial para mejorar el rendimiento (mayor velocidad de arranque y menor desgaste). 3. Baja viscosidad y baja tensión superficial. Debe mojar bien para penetrar en todos los rincones del GAP (pasar por espacios inferiores a 5 µm), reconstruir allí las condiciones de aislamiento, y después de la descarga poder arrastrar los residuos de la erosión. 4. Químicamente neutro, nunca ácido, para no atacar pieza, electrodo y componentes de la máquina. 5. Características térmicas adecuadas para poder refrigerar las superficies erosionadas y evitar las dilataciones que originan las altas temperaturas locales en ambos electrodos.. 6. Volatilidad baja para evitar pérdidas dada la gran superficie de contacto entre el líquido y el aire. 6


7. Elevado punto de inflamación para evitar el riesgo de incendio. 8. Cuestiones de seguridad (olor, gases nocivos, irritaciones de piel…). 9. Conservación de propiedades durante el mecanizado, debe ser mínimamente sensible a las variaciones de temperatura, a los restos de la erosión y a los productos de descomposición resultantes de la acción de las descargas. 10. Mínima formación de lodos por el cracking. 11. Precio no excesivo y buena disponibilidad en el mercado.

Tipos de dieléctricos utilizados Los líquidos que mejor cumplen con las características anteriores son los hidrocarburos, aunque existen diferencias entre los aceites y el petróleo. Aceites Los que mejor se comportan son los minerales, ya que su temperatura de inflamación es alta, oscilando entre 120 y 150º C, lo que supone una gran seguridad contra incendios. Su viscosidad es muy elevada, variando entre 6 y 20 cts., lo que unido a su elevado punto de inflamación los hace aconsejables para trabajos de desbaste, en los que el gap es grande y no suele haber problemas en la circulación del dieléctrico a través del mismo. Sin embargo no son válidos para trabajos de acabado donde el gap es muy pequeño, y debido a su alta viscosidad, los aceites no pueden circular por él.

65


Petróleo Posee un punto de inflamación más bajo que el del aceite, entre 75 y 80º C, y su viscosidad es también menor, alrededor de los 2 cts. Esto le hace aconsejable para trabajos de acabado en los que la temperatura es baja y el gap es pequeño. Como se ve, se debería realizar cada operación (desbaste o acabado) con el dieléctrico idóneo para ella, según las siguientes recomendaciones:

•

Mecanizado de carburo de tugsteno - Petróleo.

•

Mecanizado de piezas muy pequeñas de acabado muy fino - Petróleo.

•

Mecanizado de piezas medias y grandes (acabado con rugosidad media 1,12 a 5,6 micras) - Aceite de viscosidad 6 a 12 cts.

•

Mecanizado de piezas grandes con rugosidad media de acabado mayor a 5,6 micras - Aceite de viscosidad 12 a 20 cts.

Como no se puede ir cambiando el tipo de dieléctrico en una máquina, debido al gran volumen que ocupa (100 a 800 litros), se elige el apropiado para el tipo de operación y pieza que se va a trabajar. Lo más habitual es el petróleo. Agua Se utiliza como dieléctrico sólo en algunas ocasiones, como micromecanizados y en general para máquinas de corte por hilo. Debe estar totalmente desmineralizada. Factores que afectan al mecanizado Además de todo lo dicho, hay otros factores que afectan al mecanizado, como son: 66


•

Temperatura del dieléctrico.

•

Grado de limpieza.

•

Presión de limpieza.

Temperatura del dieléctrico No influye en el rendimiento en los petróleos. Para aceites existe una temperatura que da lugar a un rendimiento máximo. El rendimiento del mecanizado aumenta con la temperatura hasta llegar a ese punto máximo a partir del cual el rendimiento vuelve a disminuir. Ello es debido a que al aumentar la temperatura baja la viscosidad del aceite (se hace más líquido) y por ello la limpieza es mejor, pero a partir del punto de máximo rendimiento, este vuelve a disminuir ya que se produce un excesivo desprendimiento de gases que provoca inestabilidades.

Fig. Nº 1.48 Influencia de la temperatura del dieléctrico en el rendimiento del mecanizado 67


Grado de limpieza El grado de limpieza del líquido dieléctrico influye mucho en el rendimiento del proceso, si está poco sucio el rendimiento es óptimo, pero conforme aumenta el grado de suciedad el rendimiento baja considerablemente. Para descargas de pequeña intensidad y gap pequeño, un grado de suciedad alto en el dieléctrico da lugar a un gran número de cortocircuitos que disminuyen el rendimiento. En el caso de descargas con intensidades altas y gap mayores el grado de suciedad influye mucho menos ya que la limpieza es más fácil.

Presión de limpieza La limpieza es una de las operaciones más importantes en el proceso de electroerosión, lógicamente la presión a la que se inyecta el fluido influye en el rendimiento del proceso. La figura muestra la influencia de la presión en el arranque y en el desgaste relativo del electrodo.

68


Fig. Nº 1.49

Influencia de la presión del dieléctrico en el

arranque de material y en el desgaste relativo del electrodo Existe un punto de inflexión, a bajas presiones el arranque de material disminuye y el desgaste aumenta, esto es debido a que existe mucha suciedad en el dieléctrico y se producen cortocircuitos, mientras que a altas presiones también se da una perdida de rendimiento debido a un dieléctrico muy limpio que hace que el gap disminuya produciéndose también cortocircuitos.

69


1.11 Característic as de las superfici es mecanizadas por Electroerosi ón

Introducción Como ya se ha visto, en Electroerosión cada impulso produce una descarga eléctrica en una zona ionizada del gap, creándose un arco eléctrico entre ambos electrodos. Las variables que influyen en cada descarga son dos: Intensidad y tiempo de impulso, que definen la energía de cada descarga. Esta energía se reparte de forma no determinada entre los dos electrodos, y se transforma en calor llegándose en la zona de descarga en ambos electrodos a temperaturas altísimas (superiores a veces a los 10.000 ºC), mayores que las temperaturas de fusión y de evaporación de los materiales. Debido a la corta duración de la descarga (de 2 a 2.000 µs), su acción térmica es muy localizada, lo cual hace que el calor no se transfiera por conducción a las capas internas del metal, por ello la temperatura es tan alta. Debido a la naturaleza térmica del proceso, las características de las superficies mecanizadas por Electroerosión son diferentes a las obtenidas en los mecanizados convencionales, principalmente en dos aspectos. El primero de ellos es la rugosidad obtenida, que como ya se ha dicho no es unidireccional como en los procesos convencionales (torneado, fresado, etc.), sino multidireccional. En segundo lugar las altas temperaturas que se dan hacen que en las capas superficiales de las piezas aparezcan transformaciones metalúrgicas, tensiones internas y en algún caso fisuras superficiales. Estos cambios de estructuras dependen por supuesto de la pareja de materiales que se estén utilizando, a veces no se produce cambio alguno, pero en algunas aplicaciones (como es la aeronáutica) deben tomarse precauciones para 70


reducir sus consecuencias. Sin embargo se ha observado que los útiles realizados por Electroerosión tienen una vida más larga que los mecanizados convencionalmente. Análisis metalográfico El análisis metalográfico del corte transversal de una pieza mecanizada por Electroerosión revela una serie de capas superpuestas cuyos espesores dependen de la energía del impulso (intensidad * tiempo de impulso). Las capas observadas son las siguientes:

Fig. Nº 1.49 Capas estructurales en Electroerosión a. Capa muy fina de polvo depositado por material removido en otros puntos. b. Capa blanca en el exterior debida al proceso de temple en el que el carbono liberado del dieléctrico se difunde en el metal fundido y resolidificado en el mismo lugar. Características: espesor no constante, porosa, cuarteada; Estructura: ledeburita (muy dura). c. Línea muy blanca de separación con estructura austenita. Sólo aparece en procesos de desbaste altos con intensidades superiores a 30 A, o en 71


procesos de desbaste bajos como son de 18 A, pero con tiempos de impulso por encima de 200 µs (Posición ti : 9 según las Tablas de Tecnología). d. Capa de color claro correspondiente a martensita no revenida. e. Zona oscura de martensita revenida debido al transporte de calor a través de la pieza. f. Estructura base de la pieza. La Fig. Nº 1.50 muestra el espesor de las capas en función del tiempo de impulso para el caso de 18 A de intensidad (nivel IV) en una pareja cobre-acero.

Fig. Nº 1.50 Espesor de las capas en función del tiempo de impulso Análisis de durezas La Fig. Nº 1.51 muestra un estudio de las durezas de las diferentes capas en función de la distancia a la superficie, y cabe observar que en caso de que no aparezca austenita la curva iría por la línea de puntos.

72


Fig. Nº 1.51 Variación de la dureza en las capas superficiales Fisuras En los procesos fuertes de desbaste (>40A) y semiacabado (>18A) con tiempos de impulso altos (ti>10 µs), aparecen fisuras que van hacia el interior de la pieza y que tienen una profundidad de alrededor del doble de la suma de las capas modificadas. Para paliar esta dificultad es suficiente con la diferencia que marcan las tablas entre las operaciones de desbaste y acabado. Si el acero está sin templar no aparecen grietas en ningún caso. En este caso además la capa blanca es más uniforme y no aparecen el resto de las capas.

73


Eliminación de capas superficiales En los casos en los que sea necesario (muy pocos) eliminar principalmente la capa blanca y todas las modificaciones metalúrgicas superficiales, basta con hacer lo siguiente: 1. Dejar entre desbaste y acabado una franja suficiente para eliminar totalmente la capa dejada por el desbaste. 2. Pulir la pieza después de la operación de acabado. 1.12 Materiales para Electrodo s

Propiedades que deben tener los materiales empleados en la fabricación de electrodos Aunque cualquier material conductor puede en principio ser utilizado para fabricar electrodos, la experiencia demuestra que existen unos mas idóneos que otros, según el material de que esté constituida la pieza, el tipo de generador que se emplee y en función de los resultados a obtener. El problema principal en su elección es el desgaste en ambos polos (electrodo y pieza), pero existe una gran diferencia entre lo que se desgasta uno y otro polo. Se define la erosión en el electrodo como el desgaste porcentual de este respecto a la erosión en la pieza. Se desea siempre que este desgaste sea mínimo. Para ello el material debe presentar las siguientes propiedades: Físicas

•

Alto punto de fusión, al tratarse de un proceso térmico, menos cantidad de material se fundirá y por tanto menor desgaste. 7


•

Buena conductividad térmica (baja resistividad eléctrica), con ello se consigue que el calor producido en la descarga puntual se difunda rápidamente por todo el electrodo sin que se eleve mucho la temperatura localmente y por tanto sin apenas desgaste.

Mecánicas

•

Fácilmente mecanizables, pues se construyen por métodos convencionales (torneado, fresado,...).

•

Coeficiente de dilatación muy pequeño, ya que si aumentaran sus dimensiones con el calor, aumentarían también las de la pieza.

•

Bajo peso específico, ya que a menudo se trabaja con electrodos de volúmenes grandes.

•

Buena estabilidad dimensional que evite cambios no deseados en las dimensiones de la pieza a mecanizar. Esto es porque algunos materiales, debido a los tratamientos y procesos físicos que sufren quedan afectados de tensiones internas que se liberan con el calor produciéndose cambios en sus dimensiones. En el caso del electrodo este cambio de dimensión es perjudicial porque repercute en el mismo cambio de dimensiones en la pieza.

La elección final del material del electrodo se realizará teniendo en cuenta las propiedades físicas y mecánicas. Otros factores a considerar en la elección del material son la forma a realizar, el número de electrodos a mecanizar, sus dimensiones, el precio y la facilidad de adquisición en el mercado.

75


Clasificación de los materiales Podemos dividirlos en dos grupos principales, los metálicos y los no metálicos. Entre los primeros tenemos los siguientes: - Cobre electrolítico - Cobre al plomo - Cuprotugstenos - Aluminio y aleaciones - Latón - Acero - Cuprografitos En el segundo grupo se puede considerar el grafito. Cobre electrolítico Es quizás el material más empleado en la fabricación de electrodos, Su pureza debe ser del 99,9 %. Sus propiedades físicas y mecánicas son:

•

Baja temperatura de fusión (1083 ºC).

•

Muy buena resistividad eléctrica (0,017

•

Difícil de mecanizar

•

Coeficiente de dilatación lineal alto respecto al grafito, pero suficiente en

2 mm /m) 

electroerosión. •

Alto peso específico (8,95 Kg/dm3), no sirve para electrodos voluminosos.

76


Métodos de fabricación de electrodos de cobre Pese a estas características no muy buenas, el cobre electrolítico se emplea mucho en la fabricación de electrodos porque se presta a muchas alternativas de fabricación: deformación en frío y caliente, extrusión, fundición, galvanoplastia (procedimiento químico), procedimientos convencionales con arranque de viruta y ataque con ácido. En el caso de deformación por prensa, se pueden dar los casos de deformación en frío o caliente, pero se ha de disponer de moldes apropiados para realizar las operaciones. El mayor inconveniente en estos casos suele estar en las tensiones internas que quedan en el electrodo debido al proceso de deformación. Por ello se ha de recocer el electrodo. Por este procedimiento se obtienen electrodos con tolerancias bastante estrechas. Por procedimientos de extrusión se obtienen electrodos de perfil constante y de formas muy diversas. Los electrodos de cobre fundidos o fabricados por métodos electroquímicos como es la galvanoplastia, no pueden ser realizados más que por casas especializadas en dichos métodos para conseguir tolerancias estrechas. En muchos casos se puede fabricar el electrodo por medio de MáquinasHerramienta convencionales. En torneado, planeado y fresado es importante la lubricación a base de taladrina o aceite. El rectificado es difícil, pero se consigue con abrasivo de Carborundum y alta velocidad de la muela abrasiva.

77


Reducción de los electrodos de cobre en ácido Es un procedimiento económico de obtención de los electrodos de desbaste a partir de los electrodos de acabado. El método consiste en introducir una solución de ácido nítrico diluido y a cierta temperatura, la parte del electrodo que se quiera reducir de dimensiones. Cuanto más concentrada es la solución, más rápidamente se produce el ataque, sobre todo en aristas y ángulos vivos en los cuales el ataque se acentúa más. No obstante este inconveniente no tiene importancia en los electrodos de desbaste. Si hubiese que tratar con ácido los electrodos de afinado, debe de hacerse con soluciones muy diluidas. El ácido nítrico utilizado normalmente suele ser del 65 % de concentración y se mezcla con agua con proporciones aproximadamente iguales. La velocidad de ataque de esta solución a unos 40º C de temperatura, da una reducción diametral de aproximadamente 5 centésimas en un minuto. El ácido nítrico es muy peligroso y por ello se han de tener las siguientes precauciones: 1. En la preparación de la solución no se debe de vertir nunca el ácido sobre el agua, sino al revés. 2. Se debe evitar respirar los vapores emanados de la reacción. 3. Si el ácido o vapor de nítrico mancha la piel de una persona, se ha de lavar la piel con agua muy abundante durante al menos 20 minutos. 4. Se deben llevar gafas protectoras y guantes. Con respecto a las máquinas se han de tomar los cuidados siguientes:

78


1. Realizar la reducción lejos de la máquina para que los vapores de ácido no la dañén. 2. Como se ha de medir continuamente se ha de tomar la precaución de lavar con cuidado el electrodo con el fin de no estropear los instrumentos de medida. Comportamiento del cobre en la Electroerosión En cuanto a su comportamiento en electroerosión, de las tablas y gráficos de tecnología se pueden extraer las siguientes conclusiones:

•

Desgastes volumétricos

 V inferiores

al 0,5 % para I<80A en condiciones

normales de trabajo. •

Para I=18A (nivel IV)

 V inferiores

al 0,5 % pero con menor capacidad de

erosión. •

En I de acabado (niveles I y II)

 V mayores entre el 1 y 5 %.

•

El arranque en procesos de desbaste es menor que en el caso del grafito, pero las rugosidades son mucho más bajas en los procesos de acabado, de ahí la gran utilización de este material, que además no es caro y es fácil de encontrar en el mercado bajo distintas formas.

Cobre al plomo Esta aleación de cobre con una pequeña cantidad de plomo, cromo o teluro (1-2 %) tiene como finalidad mejorar mucho la maquinabilidad del cobre. No obstante baja el rendimiento y el arranque y sube el desgaste. Se puede reducir por ácido.

79


Cuprotugsteno Se usa en la realización de piezas de gran precisión, microorificios en la industria de aviación, y en general en casos de orificios profundos. Existen tres calidades:

•

tugsteno-cobre en proporciones del 75 y 25 % respectivamente.

•

cobre-tugsteno con gran proporción de cobre.

•

tugsteno-plata con pequeña proporción de plata.

Sus ventajas son: 1. Rendimiento (relación arranque/desgaste) alto (ver tablas). 2. Estabilidad dimensional. 3. Solidez. 4. Muy bajo desgaste (ver tablas). 5. Fabricación de electrodos por procedimientos galvánicos. 6. Aptitud para conseguir acabados muy finos (ver tablas). Los inconvenientes son: 1. Precio muy elevado. 2. Peso específico elevado (15-20 Kg/dm3). 3. Poca cantidad en el mercado. 4. No se puede fabricar por estampación.

80


Aleaciones de aluminio Se usan solamente en caso de electrodos muy grandes que se han de fabricar por fundición. Producen superficies muy rugosas, grandes desgastes y pequeños arranques. Latón Apenas se usa. Tiene muy buena maquinabilidad, pero da muy bajos rendimientos y arranques de material y altos desgastes. Acero Se usa solamente en casos límite. Observando las tablas de tecnología y en comparación con el cobre, presenta las siguientes características:

•

Bajo rendimiento (relación arranque/desgaste).

•

Altos desgastes.

•

Rugosidades muy altas.

•

Alto peso específico (7,8 Kg/dm3).

•

Muy poca estabilidad dimensional.

Grafito Es uno de los materiales más empleados, existe una gran variedad que se emplea en electroerosión. Sus características varían con el tipo o la calidad del grafito. Sus propiedades físicas son:

•

Alta temperatura de sublimación (3600-3700 ºC). 81


•

•

Muy alta resistividad eléctrica (12-16

2 /m).  mm

Tiene temperatura de sublimación, ya que pasa directamente del estado sólido a vapor.

Sus propiedades mecánicas son:

•

Fácilmente mecanizable.

•

Coeficiente de dilatación lineal de 3-4x10-6 ºC. De 4 a 5 veces menor que el del cobre.

•

Bajo peso específico, de 1,75 a 1,85 Kg/dm3, muy apropiado para electrodos de gran tamaño.

•

Gran estabilidad dimensional.

Su principal diferencia con el cobre es que los electrodos de grafito solo pueden obtenerse por mecanización en máquinas-herramienta, aunque con altas velocidades de mecanizado. Comportamiento del grafito en el mecanizado Al ser un material frágil se ha de extremar la precaución en el proceso. Se pueden obtener tolerancias muy estrechas con herramientas de acero rápido. Por lo general es mecanizado en seco, aunque puede ser beneficioso el lubricarlo con el mismo líquido que se vaya a utilizar en el proceso de Electroerosión. La viruta de grafito es polvo, por lo que es necesario utilizar dispositivos de aspiración, a fin de asegurar un máximo de limpieza. Este polvo es muy erosivo por lo que se han de limpiar bien las guías de las máquinas para evitar el desgaste con el tiempo. Además este polvo mezclado con el aceite de las guías forma una pasta que se va endureciendo, perdiendo precisión en el trabajo. 82


Una gran ventaja es poder fabricar grandes y complicados electrodos para moldes por fresado copiador, con fresas de acero rápido. Las velocidades de corte han de ser bajas (10-15 m/min) para conseguir un mínimo desgaste en las fresas y con ello una reproducción más perfecta. Es preferible trabajarlo en húmedo con el mismo líquido que se vaya a utilizar en Electroerosión. Comportamiento del grafito ante la Electroerosión. Calidades La calidad del material depende del tamaño del grano y la compacidad, que dependen a su vez del proceso de fabricación. La densidad del grafito aumenta a medida que disminuye el grano oscilando su tamaño entre 10 y 40 µm, a mayor densidad (grano fino) menor desgaste y mejor acabado superficial, por contra a menor densidad (grano gordo) tiene mayor capacidad corrosiva. Presenta las siguientes características respecto a la electroerosión: •

No se puede utilizar con generadores de relajación, solo de impulsos.

•

Polaridad + para desgastes pequeños y polaridad - para grandes velocidades de arranque pero también con grandes desgastes (agujeros pasantes).

•

Se ha de cuidar mas el lavado por el riesgo de cortocircuitos, mayor que con electrodos metálicos.

•

La rugosidad mínima alcanzable es del orden de Nr: 27-30, mayor que la obtenida con el cobre por lo que no sirve para acabados finos.

•

Precio no muy alto aunque más caro que el cobre, y fácil de obtener en el mercado.

83


Cuprografitos Se obtienen a partir de una impregnación con polvo de cobre que se introduce en los poros del grafito para mejorar la resistividad eléctrica y obtener electrodos menos frágiles. Por lo demás, se mantienen aproximadamente las características del grafito en el proceso. 1.13

Aplicación de la Tecnol ogía

Todo proceso de mecanizado por Electroerosión se debe planificar en arreglo a los siguientes puntos: A. Problema a resolver.- En primer lugar se debe saber perfectamente cuál es el

problema

a

resolver,

fijando

las

condiciones

siguientes:

-La rugosidad media o máxima con que debe quedar terminada la pieza. - El material de la pieza y su tratamiento - El número de piezas a realizar. - La conicidad final con que se debe terminar el proceso. - - La preparación de la pieza tanto antes de realizar los tratamientos térmicos como antes de realizar el proceso. Con todo ello se debe realizar un plano de la pieza acabada, perfectamente acotado, con las tolerancias y la rugosidad exigidas. B. Regímenes de trabajo.- En segundo lugar se deben de determinar el número de regímenes de trabajo, que en general y dada la potencia de la máquina, deberán de ser como máximo dos: régimen de desbaste y régimen de acabado. Puede haber casos en los que sea suficiente un sólo régimen de mecanizado. Cuando son dos, las medidas de los electrodos 8


para cada uno de dichos regímenes varían ligeramente en función de los datos de las tablas de Tecnología. Se debe de preveer que entre ambos regímenes no exista una excesiva diferencia de rugosidad. Se recomienda en principio que dicha diferencia expresada en números de rugosidad VDI no sea mayor de 8 a 12 Nr. Realmente se debería de hacer un estudio que comparase el coste del segundo electrodo con el coste total de la operación, de tal manera que se obtuviera un resultado acerca de saber si es más conveniente dos regímenes de trabajo (desbaste y acabado) o uno sólo, habiendo preparado previamente la pieza por medios mecánicos. Las curvas y tablas de Tecnología muestran la rugosidad de cada proceso, expresada como número de rugosidad según la norma VDI 3400, o la rugosidad total expresada en micras, y relacionada con la velocidad de mecanizado que se desea obtener. C. Material del electrodo.- En tercer lugar se debe elegir el material de los electrodos. Como en general el material de la pieza de los ejercicios que se realizan a continuación es acero templado para matrices, el material de los electrodos se deberá elegir entre el cobre electrolítico (E-Cu) y grafito (C). Además para la mecanización del acero se puede utilizar el Cuprotugsteno, el Cuprografito, el acero y otros materiales. D. Normalmente se deberá de elegir de entre los dos primeros (Cu y Grafito), en función del precio, del rendimiento, del peso del electrodo y de la facilidad de mecanizado. Se debe de tener muy en cuenta el tipo de trabajo a realizar, pues es diferente la mecanización de un agujero pasante, en cuyo caso no es importante el desgaste y sí el arranque de material o la mecanización de un agujero ciego en el que se debe de reproducir 85


perfectamente la forma del electrodo, en cuyo caso será importante obtener el mínimo desgaste posible, a expensas de un menor arranque.

En

general se deberá de elegir el material del electrodo comparando las curvas de tecnología, y viendo los arranques, los desgastes y la rugosidad de acabado. E. Reglaje del generador.- En cuarto lugar se deben de determinar las variables de reglaje del generador por el orden siguiente: Polaridad

Teniendo en cuenta el material de la pieza a erosionar y el material del electrodo, se elegirá la polaridad según la Tabla adjunta. Tabla POLARIDAD DEL ELECTRODO Y PIEZA A EROSIONAR Polaridad del Pieza a erosionar

Electrodo

Observaciones electrodo

Acero

Cobre

+

Acero

Grafito

+/ -

Hierro fundido

Cobre

+

Cobre

Grafito

Según

Metal duro

Cobre

-/+

composición del metal duro

Acero

Acero

-/+

Cambiando periódicamente

86


Aluminio Zamak

Cobre

+

Acero

Wolframio

+

Acero

Sparkal

+

Metal duro

Cobre

-

Cobre

Cobre

+

Latón

Se ha de tener en cuenta que en el mecanizado de acero con acero se debe ir cambiando periódicamente la polaridad con el fin de obtener el menor desgaste posible en el electrodo. También se debe de contar con que en la combinación acero para la pieza y grafito para el electrodo la tabla adjunta marca como polaridad la positiva. No obstante comparando las tablas B (Electrodo C + , pieza Acero -), con las tablas C (Electrodo C - , pieza Acero +), se pueden obtener las conclusiones siguientes: 1. En el caso de grafito (+) los desgastes son en general muy pequeños, mientras que los arranques son algo mayores que en el caso de electrodo de cobre positivo. 2. En el caso de electrodo de grafito (-) los arranques son mucho mayores que en el caso de grafito (+), pero los desgastes oscilan entre el 17 y 60 por 100. Así mismo las rugosidades son mayores en este segundo caso. Por ello este segundo régimen (grafito negativo) se utilizará solamente en el caso de que el desgaste no tenga la más mínima importancia, como puede ser el caso de un agujero pasante, dándole al electrodo mayor longitud que

87


en otros casos. Sin embargo en el caso de querer obtener una buena reproducción de formas se debe de recurrir a la polaridad positiva. Niveles de intensidad y tiempo de impulso El nivel de intensidad y de excitación se debe de escoger teniendo en cuenta la superficie mínima marcada en las tablas de Tecnología para cada régimen. En los procesos de desbaste éste debe ser el único criterio a seguir. Por ello se debe de calcular en todos los casos la superficie frontal de erosión antes de elegir el régimen de intensidad y de excitación. En régimen de acabado se elegirá aquel reglaje que permita obtener la rugosidad deseada, marcada en el enunciado del problema, combinándolo con la superficie mínima exigida por las tablas. En cuanto al tiempo de impulso (ti) se debe de elegir al mismo tiempo que las variables anteriores, en función del rendimiento (arranque y desgaste) y de la rugosidad final requerida. Elección del tipo de limpieza Como hemos visto en el Capítulo 4, la limpieza se puede realizar de diferentes maneras. Las dos principales son las de presión o aspiración, y ambas formas se pueden realizar a través de la pieza o de la herramienta o electrodo. Según sea la forma del electrodo y pieza, y según sea el tipo de trabajo a realizar (agujeros pasantes o ciegos), se elegirá uno de los cuatro tipos descritos, teniendo en cuenta además la conicidad que se desee obtener. No obstante es la experiencia en un tipo determinado de trabajo, la que suele aconsejar el tipo de 88


limpieza. Se ha de tener en cuenta que la forma elegida influye en la preparación de la pieza y/o del electrodo. En cuanto a la presión del fluido dieléctrico se debe de regular de forma que la máquina funcione de forma estable, y es un parámetro que debe irse regulando según lo aconseje la máquina. No obstante las tablas de Tecnología dan valores indicativos sobre dicha presión. Recopilación de datos Una vez enunciado el trabajo a realizar, con la superficie a obtener, fijados los regímenes de mecanizado, materiales del electrodo, reglaje del generador y tipo de limpieza, se debe rellenar la ficha de mecanizado que a continuación se presenta, u otra que el operario idee para ello. Dicha ficha se debe rellenar completa extrayendo los datos necesarios de las Tablas de Tecnología. De esta manera se pueden tener recopilados dichos datos, lo que facilita los cálculos del dimensionamiento de electrodos y del tiempo que se va a emplear en la operación tanto en desbaste como en acabado. Además y si el espacio lo permite se puede realizar un plano de la pieza a mecanizar y otro del electrodo, con lo cual se tendrán en una sola hoja todos los datos manejados en un proceso determinado.

ELECTROEROSION FICHA DE TRABAJO Datos del problema

EJERCICIO NUMERO

Electrodo núm. Operación (Desbaste: D, Acabado: A) Material electrodo

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

. 89


Reglaje Generador

Limpieza

Datos para cálculos

Material pieza Número de piezas a realizar Estado superficial deseado (Nr) Rugosidad total (µm) Polaridad electrodo Nivel intensidad Excitación Tiempo impulso Puntos (ti) Tiempo pausa Puntos (to) K.C. Puntos Forma Presión (bar) Menor medida por lado (mm) Espacio entre electrodo y pieza (mm) Desgaste volumétrico relativo V (o/o) Arranque Vw (mm3/min) Superficie mínima (mm2) Superficie a trabajar (mm2)

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

.

.

.

.

.

.

.

.

. . .

. . .

. . .

. . .

Volumen a arrancar (mm3)

.

.

.

.

.

.

.

.

. .

. .

. .

. .

Resultados finales

Estimación tiempo mecanizado (min) Tiempo real de mecanizado (min) Superficie obtenida (Nr)

Observaciones

.

.

Diseño de los electrodos Cuando los agujeros son pasantes y cilíndricos, los electrodos de desbaste y acabado pueden fabricarse o bien escalonados o bien independientes entre sí.

90


Fig. Nº 1.52 Electrodos de desbaste Fig. Nº 1.53 Electrodos de desbaste y acabado y acabado escalonado

independientes entre si

El caso de electrodos escalonados tiene las ventajas siguientes: a. El centrado de ambos electrodos se realiza en una sola operación para ambos. b. En caso de ser de cobre, se puede obtener por mecanizado convencional un electrodo de longitud LD +LA, y con las medidas del electrodo de acabado (aA x bA), y después reducir la medida de la parte de desbaste con ácido nítrico. Sin embargo, en caso de que ambos electrodos sean de grafito, dichas medidas se deberán obtener por mecanizado. Los posibles inconvenientes de los electrodos escalonados son: a. No se pueden elegir dos materiales diferentes para las operaciones de desbaste y acabado. b. La longitud del electrodo de desbaste ha de ser superior a la altura a mecanizar, lo que hace imposible el empleo de este tipo de electrodos en agujeros de mucha longitud. 91


Dimensionamiento de los electrodos El dimensionamiento de los electrodos se hace de diferente manera si se trata del electrodo de desbaste o del de acabado. En caso de desbaste se utilizará el valor dado en la tabla como "MEDIDA MENOR POR LADO" (M.m.l.). Esta medida no tiene que ver con la suma Gap más Rugosidad total (g + Rt). La Medida Menor por Lado es un margen de seguridad para trabajos en malas condiciones de limpieza, desconocimiento de materiales, distinto voltaje en la red y fijaciones no muy precisas de los electrodos. La Fig. Nº 1.54 da una idea muy precisa de lo que ocurre en un proceso de desbaste. De ella se deduce cómo se puede calcular la Medida del Electrodo de Desbaste (M.E D).

Fig. Nº 1.54

Proceso de desbaste

Medida electrodo desbaste: Medida nominal - 2 x Medida menor por lado en desbaste 92


M.ED = M.N - 2 x M.m.l D

Se ha de tener en cuenta que tanto la medida menor por lado como el gap contornean totalmente la pieza tal y como aparece en la Fig. Nº 1.55, que representa a un electrodo penetrando en una pieza, visto desde arriba.

Fig. Nº 1.55 Contorno del Gap En cuanto al cálculo de las medidas del electrodo de acabado pueden ocurrir dos casos: a. Que se vaya a realizar una operación de pulido después del proceso de acabado, como puede ocurrir en el caso de algunos moldes. b. Que la pieza se vaya a dejar acabada tal y como salga del proceso de erosión, como es el caso de las matrices de corte. El primero de los casos se halla representado en la Fig. Nº 1.56.

93


Fig. Nº 1.56 Proceso de acabado, con pulido posterior De ella se desprende: Medida nominal: 2 Rtl + 2 gl + Medida electrodo de acabado (ME A) M.N = 2Rtl + 2gl + ME A

Y por tanto la medida del electrodo será: ME A = M.N - 2 (Rtl + gl)

Dado que en los gráficos y tablas de Tecnología aparecen la Rugosidad total lateral (Rtl) y el gap lateral (gl) o bien la suma de ambos, se tienen datos suficientes para el cálculo del electrodo. En el caso de que no haya pulido posterior la medida del electrodo de acabado se calculará: ME A = M.N - 2 Gap

Se deduce que el electrodo de desbaste es menor que el de acabado. 9


Cálculo del tiempo de erosión Terminología a utilizar. Para el cálculo de los tiempos de erosión se empleará la siguiente terminología: h .-

Altura a mecanizar en orificios (mm).

p .-

Perímetro mecanizado (mm).

Vw.-

Arranque específico de material (mm3/min).

Sd.-

Desarrollo de las superficies en cavidades tridimensionales o no.

.- Desgaste volumétrico relativo (tantos por 100).- (Volumen arrancado del

σV

electrodo / Volumen arrancado de la pieza) x 100

M.N.-

Medida nominal.

b .-

Anchura de banda o corona en el proceso de acabado.

t M.-

Tiempo total de mecanizado. Suma de los tiempos de desbaste y

acabado si hay dos electrodos. Desbaste Acabado Medida menor por lado

MmlD

MmlA

Gap lateral

gD

gA

Rugosidad total lateral

RtD

RtA

Medida del electrodo

M.E D

M.E A

Longitud del electrodo

LD

LA

Tiempo de mecanizado

tD

tA

Superficie frontal de erosión

SD

SA

Volumen a arrancar

VD

VA 95


Siempre que aparece el subíndice D se refiere a la operación de desbaste, y siempre que aparece el símbolo A se refiere a la operación de acabado. Tipos de operaciones a realizar. Los tipos de orificios que se pueden realizar principalmente por el proceso de Electroerosión son cuatro: a. Orificios cilíndricos pasantes.- Son aquellos en los que, además de pasar el electrodo de lado a lado de la pieza, el electrodo tiene la misma sección transversal a lo largo de toda su longitud. En ellos la limpieza se realiza normalmente por presión o aspiración a través de la pieza por medio de un taladro previo a la erosión.

Fig. Nº 1.57 Orificios pasantes cilíndricos b. Orificios pasantes tridimensionales.- Son aquellos en los que la sección del electrodo no permanece constante. En este caso la limpieza se realiza también normalmente a través de la pieza, bien por presión o por aspiración. 96


Fig. Nº 1.58 Orificio pasante tridimensional c. Cavidades cilíndricas ciegas.- Corresponden al caso a) pero sin que el agujero sea pasante. La limpieza se suele realizar por presión o aspiración a través del electrodo. d. Cavidades ciegas tridimensionales.- Son aquellas del caso b) pero en las que un agujero no llega a ser pasante. La limpieza en este caso también se suele realizar a través del electrodo. En todos los casos, para el cálculo de tiempo de erosión tanto en desbaste como en acabado, es importante saber, tanto el volumen de la cavidad a realizar, como el desarrollo de la superficie lateral. Los cálculos son muy parecidos en todos ellos aunque existen ligeras diferencias que se observarán en los ejemplos. Cálculo del tiempo de la operación de desbaste. Todo cálculo de tiempo de mecanizado en el proceso de Electroerosión es difícil de determinar, ya que los datos sobre arranque de material que dan las tablas de Tecnología no son totalmente exactos. Cada proceso de Electroerosión se da en condiciones distintas a otro y por ello los tiempos de dos operaciones idénticas no coinciden. Los datos de las tablas son medias de diversos casos realizados en 97


laboratorio. No obstante la aproximación en la mayoría de los casos suele ser muy buena. Lo mismo ocurre con el desgaste y la rugosidad. El tiempo de mecanizado en desbaste se calcula mediante la fórmula: t D (min) = VD (mm 3) / VW (mm 3/min)

A su vez el volumen a arrancar en el caso de desbaste de agujero cilíndrico pasante o no, es: VD (mm 3) = SD (mm 2) x h (mm)

Si la cavidad es tridimensional (pasante o no pasante) se debe de recurrir a fórmulas geométricas apropiadas.

Cálculo del tiempo de la operación de acabado. a. Caso

de

orificios

cilíndricos pasantes. b.

Suponiendo una forma cualquiera, la línea

punteada

corresponde a la que ha quedado en la pieza tras la operación de desbaste. La parte sombreada corresponde

Fig. Nº 1.59 a

la

superficie frontal de erosión en acabado (S A). En la Fig. se ve ampliada y 98


la forma de calcular la anchura (b) de la parte sombreada. Dicha anchura multiplicada por el perímetro de la pieza dará como resultado S D. Se cumple Mml D + (RtA /2) = g D + (RtD/2) + b

b = Mml D - g D - (RtD - RtA ) / 2

c.

Se han considerado las líneas medias de acabado y desbaste. La parte entre ambas

corresponde

material

que

se

al debe

arrancar. Se ha de tener precaución y poner todos los números en mm .

Superficie frontal

S A (mm 2) = b (mm) x p (mm)

Volumen a arrancar V A (mm 3) = S A (mm 2) x h (mm)

Una vez calculado el volumen se procede como en la operación de desbaste. 99


Tiem Tiempo de ac aca abado ado t A (min) = V A (mm (m m 3) / VW

Caso de cavidades cilíndricas no pasantes. d.

El procedimiento procedimiento es muy parecido al anterior. En la Fig. Nº 1.61, el volumen a arrancar se halla rayado en cruz. El vacío que aparece es el que ha quedado en la operación

Fig. Nº 1.61 Cavidad cilíndrica no pasante

de desbaste. V1 representa el volumen a arrancar que se puede calcular de la misma forma que en el caso anterior. V2 representa el volumen del fondo de la cavidad, que se debe de procurar que sea el mínimo posible. No obstante se ha de profundizar lo suficiente como para pulir la cavidad, o sea una cantidad mayor que la suma del gap y la rugosidad total del proceso de desbaste. Realizado el cálculo del volumen total se procede como en el caso

a).

Caso de agujeros pasantes no cilíndricos.

100


e.

En este cas caso o es import important ante e conocer la superficie lateral del

orificio

desarrollada

o

superficie

(S d),

que

multiplicacada por la anchura (b), dará como resultado el volumen a mecanizar (Fig. Nº 1.62).

V A (mm 3) = Sd (mm 2) x b

Fig. Nº 1.62

(mm)

Caso de cavidades no cilíndricas. f.

P ara el cálculo de volumen volumen a arrancar en el proceso de acabado se deben de sumar los volúmenes V1 (caso c, agujeros

pasantes

no

Fig. Nº 1.63

cilíndricos) y el volumen V2 (caso b, cavidades cilíndricas no pasantes) (Fig. Nº 1.63). Consideraciones Consideraciones para el el caso de cavidades cavidades y orif icios no cil índricos.

En estos casos, al ser la sección frontal de erosión variable conforme avanza el proceso se pueden elegir varias formas de actuación. Se puede elegir uno solo o dos electrodos.

101


En caso de elegir dos electrodos (uno para desbaste y otro para acabado), el régimen de desbaste se realizará cambiando de régimen, según la superficie de erosión que se vaya presentando en cada momento, para terminar con el régimen de mayor velocidad de arranque posible. En el régimen de acabado se elegirá aquel régimen que permita el estado superficial que se desea. Con el electrodo de desbaste se debe llegar hasta muy pocas décimas antes de llegar a la profundidad deseada. A veces se puede realizar el desbaste y el acabado en el mismo electrodo, dependiendo de la forma que tenga el electrodo. Para ello se comienza con un régimen determinado, se cambia a regímenes más fuertes conforme va aumentando la penetración y presentando más superficie frontal y al final se cambia al régimen de acabado. En este caso el electrodo se ha de dimensionar con las medidas de acabado. Otras veces (dependiendo siempre de la forma) se puede dimensionar el electrodo con las medidas de desbaste, incluyendo la medida menor por lado, y después realizar el acabado moviendo el carro de la máquina en ambos sentidos una cantidad que puede ser calculada. De todas formas en estos casos, de todo tipo de cavidades y agujeros pasantes no cilíndricos, lo que interesa es la reproducción más perfecta posible de la forma del electrodo. Por ello siempre se deberá de elegir regímenes con desgastes relativos mínimos, como pueden ser todos los marcados en las tablas con

V

<=

0,5 por 100.

102


Otra nota a tener en cuenta es que en estos casos la limpieza se ha de hacer normalmente a través del electrodo. Ello da lugar a que se dificulte algo la operación y se obtenga un rendimiento menor que el marcado en las tablas.

Resumen de este proceso

El mecanizado por electro-descarga, o mecanizado por chispas, se fundamenta en el efecto erosivo de una chispa eléctrica sobre los electrodos utilizados para producirla. Se ha demostrado que la mayor erosión se produce en el electrodo positivo, es por esto que la pieza es conectada como polo positivo y la herramienta como polo negativo, con el fin de obtener una máxima remoción de material.

Fig. Nº 1.64: Mecanizado por electro-descarga

103


La figura. ilustra este tipo de proceso. La pieza se coloca sumergida en un tanque lleno con fluido dieléctrico. Este fluido es circulado a presión por una bomba a través de un agujero en el electrodo herramienta. Un servomotor controla el avance vertical de la herramienta, y mantiene a ésta a una distancia de entre 0,025 y 0,05 mm de la pieza. Cuando en principio se suministra potencia no hay flujo de corriente, solo cuando el voltaje alcanza un cierto nivel salta la chispa, se ioniza el fluido dieléctrico y luego comienza el ciclo nuevamente, desionizándose el fluido y haciéndose aislante nuevamente. De esta forma se obtiene una rápida sucesión de chispas, el intervalo entre dos chispas sucesivas es del orden de 100 µs.

Cada chispa genera una temperatura muy elevada, de unos 12000 ºC, en su vecindad inmediata. Esta temperatura evapora en parte el fluido dieléctrico y funde y vaporiza el metal formando así un cráter pequeño sobre la superficie de trabajo. Así se va logrando un efecto continuo, moviendo la herramienta con el motor sobre la pieza. Este último tiene una resistencia variable que le permite mantener la distancia a la pieza constante, detectando posibles cortocircuitos o cambios bruscos de voltaje.

Como se presumirá, la herramienta sufre un desgaste importante. El desgaste elevado de la herramienta tiene como consecuencia un mecanizado poco preciso. Sin embargo, y para no exagerar los costos, ya que las herramientas deben ser precisamente mecanizadas, para propósitos generales se usan el latón o el cobre como materiales para las herramientas. Cuando debe minimizarse el desperdicio de electrodos se utilizan ventajosamente el grafito de

10


cobre y el carburo de tungsteno, pues cuanto más elevado sea el punto de fusión de la herramienta, menos se erosionará.

Los fluidos dieléctricos comúnmente usados son el aceite de parafina y el aceite para transformadores. Estos dos fluidos están constituidos por hidrocarburos y se ha demostrado que el hidrógeno en estos fluidos desempeña el papel de agente desionizante, lo que permite al fluido recuperar sus características después de cada descarga. El fluido dieléctrico debe mantenerse como no conductor hasta que ocurra su ruptura; cuando se alcance el voltaje crítico, su capacidad de aislamiento debe romperse e igualmente debe desionizarse rápidamente. El calor latente de vaporización debe ser elevado para que se vaporice solo una pequeña cantidad y la chispa sea confinada a un área pequeña. El dieléctrico debe poseer una viscosidad baja que le permita fluir fácilmente y remover en forma eficiente los glóbulos metálicos que se forman en la zona de trabajo. Antes de recircular el dieléctrico es necesario filtrarlo para remover las partículas metálicas producidas en la operación.

La superficie que se obtiene por el mecanizado por electro-descarga posee una apariencia opaca, debido a los bombardeos de pequeñas partículas y a los cráteres esféricos producidos. El acabado carece de orientación y se han logrado asperezas menores a 0,25 µm. La remoción de metal por unidad de tiempo depende principalmente de los parámetros eléctricos, sin embargo, una remoción de metal por unidad de tiempo baja implica un mejor acabado superficial. La duración de las chispas afecta la cantidad de metal removido, y si el tiempo de descarga es muy corto, la herramienta se desgasta excesivamente y se reduce la precisión del proceso. 105


La precisión del proceso está íntimamente relacionada con el ancho de la separación entre la pieza y la herramienta; mientras más pequeña sea dicha separación mayor es la precisión, pero una separación pequeña implica un voltaje de trabajo menor y una remoción por unidad de tiempo menor.

El mecanizado por electro-descarga tiene su mayor aplicación en la construcción de herramientas; particularmente en la manufactura de herramientas para troqueladoras, dados de extrusión, dados para forja, y moldes. Después de haber sido endurecidos, los dados o herramientas pueden ser mecanizados mediante este proceso, lográndose una gran precisión. El acabado obtenido por este proceso retiene muy bien el aceite, por lo que este método se utiliza también en la terminación de piezas y metales de motores de combustión interna.

. 1.14 EDM Hilo - Introd ucción

Generalidades Una variante del mecanizado por electro-descarga, es el corte por electro.descarga con alambre, en el cual el electrodo es un alambre de pequeño diámetro. Una máquina de este tipo se puede ver en la figura el alambre es alimentado por un rollo y pasa a través de la pieza cortándola por erosión de chispas. Para controlar la forma del corte se mueve el tablero de trabajo, mediante sistemas NC.

106


Fig. Nº 1.65 Corte por electro-descarga con alambre

El alambre se usa sólo una vez, ya que se daña y produciría un corte poco preciso en la segunda pasada. La zona de corte es enfriada mediante el rociado con un fluido dieléctrico, muchas veces agua desionizada. Viéndose desde arriba, se puede apreciar la forma en que se produce el corte. El ancho de este corte es igual al diámetro del cable más un sobrecorte.

107


Fig. Nº 1.66 Vista superior de la zona de corte

Las aplicaciones de este sistema también están restringidas a los materiales conductores de electricidad. Se usa en materiales duros para fabricar moldes de estampado con significativos ahorros. También se usa en la manufactura de prototipos y moldes. En el campo de la fabricación de herramientas de corte para tornos, este sistema ha mostrado ventajas en relación a los métodos tradicionales como el rectificado y pulido.

108


Fig. Nº 1.67 Diagra esquematico del proceso EDM hilo

La máquina de electroerosión por hilo es una máquina-herramienta que puede cortar un perfil deseado en una pieza por medio de descargas eléctricas que saltan entre la pieza, que va fijada en la mesa controlada por el control CNC, y el hilo (de cobre o latón), que se desplaza continuamente como herramienta.

109


Fig. Nº 1.68 Máquina de Hilo

La máquina de electroerosión por hilo puede cortar una pieza, independientemente de su dureza, ya que la mecanización se lleva a cabo por un proceso de arranque eléctrico y termodinámico producido por las descargas. Es por esto que se puede utilizar el acero templado como material para las piezas a mecanizar.

110


Fig. Nº 1.69 P iezas hechas por EDM hilo El control numérico acciona los motores que mueven la mesa, según el perfil que se quiera cortar por la acción de las descargas enviadas desde el hilo. Las señales de mando de los motores se originan en el CNC a partir de la información almacenada en la cinta perforada que ha sido programada previamente según las dimensiones del plano. El generador proporciona los impulsos eléctricos que darán lugar a las descargas que saltarán entre el hilo y la pieza.

111


Como liquido dieléctrico se utiliza agua desionizada, que se obtiene a partir de agua normal mediante resinas desionizadoras. Este líquido dieléctrico es movido desde su depósito por una bomba que lo envía a la zona de trabajo. Debido a la utilización del hilo comercial de cobre o de latón, el precio del material del electrodo es muy inferior al caso de electroerosión por penetración, en que el electrodo tiene que ser mecanizado para darle la forma necesaria en cada caso. La técnica de electroerosión por hilo no tiene peligro de incendio debido a la utilización

de

agua

y

gracias

al

trabajo

completamente

controlado

automáticamente, es posible dejar la máquina trabajando durante la noche, sin riesgo. La técnica de electroerosión por hilo se utiliza en las siguientes aplicaciones: •

Punzones y matrices de corte.

•

Matrices para plástico.

•

Matrices metálicas para pulvimetalur pulvimetalurgia. gia.

•

Matrices de extrusión extrusión y de em embutición. butición.

•

Prototipos, pequeñas series, piezas de recambio.

•

Plantillas.

•

Calibres.

•

Levas de disco.

•

Herramientas de troquelado de corte fino y normal.

•

Electrodos para electroerosión convencional.

112


Fig. Nº 1.70 Ejemplos jemplos de piezas fabricadas mediant mediante e electroerosión electroerosión por hilo

Mediante la técnica de corte por hilo se puede producir en un solo proceso el producto final, así el plazo de entrega del producto puede ser acortado extremadamente, comparado con el sistema tradicional que se sirve de las máquinas convencionales de arranque de viruta. En la mayor parte de las aplicaciones consideradas, la electroerosión por hilo permite una reducción de costos de fabricación entre el 30 y el 60% en comparación con procedimientos convencionales.

113


Fig. Nº 1.71

Máquina ONA-EBAGOKI

Ventajas de la aplicación de la electroerosión por hilo La electroerosión por hilo presenta, en relación con los métodos convencionales, ventajas en las áreas de concepción de las piezas, preparación del trabajo y mecanizado. Por otra parte, su flexibilidad y las posibilidades que ofrece en cuanto a una integración del trabajo, desde la concepción del mismo hasta la fabricación final, garantizan una organización y resultados muy superiores a los métodos convencionales. A continuación se detallan las ventajas específicas de cada área, así como su justificación:

11


Concepción de las piezas •

Utillajes más compactos, debido a la posibilidad de suprimir chasis de matrices.

•

Simplificación de piezas, por la posibilidad de realizar matrices más complicadas.

•

Normalización de elementos, por la utilización de placas normalizadas sobre las que se pueden mecanizar mediante la electroerosión con hilo toda clase de orificios de corte, centrado, etc.

Preparación del trabajo

•

Preparación rápida del trabajo, no es necesario el estudio de electrodos ni su fabricación.

•

Puesta en fabricación inmediatamente, el plazo de puesta en fabricación a partir del diseño puede ser inferior a una jornada.

•

Tecnología simplificada, las variables de trabajo son menos que en el mecanizado convencional.

Fabricación

•

•

Tiempos de fabricación reducidos, volumen de material a arrancar mínimo. No son necesarios utillajes, el electrodo de hilo es universal y sirve para cualquier configuración de pieza.

•

•

Trabajo automático, el trabajo se desarrolla sin vigilancia suplementaria. Alta utilización de la máquina, como consecuencia de la posibilidad de trabajo automático.

115


•

Mano de obra sin cualificación especial, porque el mecanizado mediante electroerosión por hilo, no exige conocimientos tecnológicos previos especiales y el operario puede ser formado en poco tiempo.

Calidad

•

Menos rechazos, debido a que el trabajo se desarrolla automáticamente y a la posibilidad de comprobación gráfica previa del programa.

•

•

Tiempos de control reducidos, los controles intermedios no son necesarios. Rebarbas mínimas en las piezas obtenidas con el utillaje, debido a la precisión de ajuste de punzones y matrices.

•

Se evitan las deformaciones de tratamiento térmico, puesto que el tratamiento se realiza antes del corte.

Flexibilidad •

Facilidad de modificación, los programas pueden ser fácilmente modificables sobre la misma máquina.

•

Rapidez de puesta a punto, posibilidad de corte rápido de prototipos para su ensayo.

Integración

•

Posibilidad de coordinar, de manera sencilla, el diseño, la preparación del trabajo y la fabricación, en virtud de las facilidades ofrecidas por el sistema de corte por hilo y la programación de la máquina.

116


Clasificación de las Piezas En los trabajos de erosión de hilo se pueden encontrar diferentes tipos de piezas, ateniéndose a la geometría. Las diferentes formas geométricas se pueden clasificar en dos grandes grupos:

•

Un Contorno + Un Angul o: Las piezas cuya geometría viene definida por

un contorno (perfil) y una simple inclinación del hilo. Este ángulo de inclinación del hilo se puede considerar bien a derecha o bien a izquierda. Además dicho ángulo, puede ser variado a lo largo del contorno, tanto en su magnitud como en su dirección. Este grupo de piezas puede abarcar más del 99% de la producción habitual. •

Dos Contornos: Las piezas cuya geometría viene definida por dos

contornos diferentes, los cuales representan los perímetros superior e inferior. Estas piezas no llegan a suponer (salvo en contadas excepciones) el 1% de la producción. Inclinación del Hilo Tal como ha quedado dicho en el punto anterior, las piezas cuya geometría se engloba en el primer grupo (un contorno + un ángulo), se pueden definir por una inclinación del hilo a derechas o a izquierdas. Para aclarar lo que representa inclinar el hilo a derechas o a izquierdas, se dispone de la figura que se muestra a continuación.

117


Fig. Nº 1.72

Inclinación del Hilo

Para aclarar con más detalle como se determina si el hilo se inclina a derechas o a izquierdas, se puede recurrir al siguiente método: se ha de observar el hilo en la dirección de avance en el momento de cortar la pieza, después se ha de prestar atención a la parte del hilo que queda por encima de la pieza; pues bien, si la parte superior del hilo se desplaza hacia la derecha, esto significa que el hilo se está inclinando a derechas, mientras que si el desplazamiento lo lleva a cabo hacia el lado izquierdo, esto significa que el hilo se está inclinando a izquierdas. Por otro lado cabe destacar que cuando se está generando un programa CN, es exactamente igual generar un código de inclinación a derechas de un ángulo especificado, que generar el código de inclinación a izquierdas con el valor inverso (negativo) del mismo valor del ángulo. Esto es, el control numérico

118


entenderá de igual modo un código de inclinar 5 grados a derechas que -5 grados a izquierdas, y viceversa. Parámetros de Corte En la tecnología del corte por hilo se han de tener en cuenta varios parámetros, los cuales están continuamente relacionados entre sí. A continuación se enumeran algunos de estos parámetros: Parámetros de Potencia: - Tensión del Hilo - Velocidad del Hilo - Pausas etc... Sobreespesor: - Offset Estos parámetros varían en función del material a mecanizar, la calidad del mecanizado a obtener, etc...; los valores de dichos parámetros es frecuente encontrarlos en la información entregada por el fabricante de la máquina, en algunos casos en los manuales de usuario y en otros casos incorporados en el propio control numérico. Offset: El offset es un valor igual al radio del hilo más el "GAP". Esto es, un hilo de 0.25 mm de diámetro realiza una ranura al mecanizar, de mayor tamaño. La diferencia entre la anchura de la ranura realizada al cortar y el diámetro del hilo, es a lo que 119


se llama "GAP". El valor del GAP varía en función de ciertos parámetros. Algunos de estos parámetros son: material a mecanizar, condiciones tecnológicas seleccionadas para el corte, etc... Tipos de mecanizado La diversidad de piezas a cortar por erosión de hilo puede conllevar diferentes tipos de mecanizado. Uno de los modos de clasificar, de una forma sencilla, los tipos de mecanizados que se pueden realizar es el siguiente: •

Mecanizados de un solo contorneado (una sola pasada).

•

Mecanizados de varias pasadas (desbaste y acabado).

Como más adelante se explicará, esto es posible debido a la posibilidad de dejar cuellos (pestañas) inicialmente. Estos cuellos se cortan una vez que se ha terminado de mecanizar el contorno. Este tipo de mecanizado suele requerir que se modifiquen los parámetros de corte (tanto los de potencia, como el offset) entre las diferentes pasadas de contorneado. Los mecanizados con cuellos se llevan a cabo debido a dos principales causas: •

con el fin de conseguir mayor calidad en la pieza final, tanto en lo referente a conceptos dimensionales, como superficiales.

•

con el fin de poder cortar más de un contorno en un mismo programa cuando la máquina dispone de sistema de enhebrado automático.

120


Fig. Nº 1.73 Pieza obtenida por EDM

Fig. Nº 1.74 Wire EDM Cortando con el hilo

121


Fig. Nº 1.75

Fig. Nº 1.76

Matrizes hechas por EDM

Engranajes manufacturados por EDM

122


CAPITULO II PROCESOS ELÉCTRICOS

Introducción

El incremento en la utilización en la ingeniería de materiales duros, de alta resistencia mecánica y a la temperatura, ha requerido el desarrollo de técnicas nuevas de mecanizado. Aunque la mayor parte de estos nuevos procesos han sido desarrollados para este tipo de materiales, algunos han encontrado aplicación en la producción de formas complejas y de cavidades en materiales más blandos y más fáciles de mecanizar.

En este capítulo estudiaremos algunos de los nuevos procesos de mecanizado, en los cuales la energía eléctrica es usada como primera fuente de energía para remover material. Esto elimina la conversión ineficiente de potencia

123


eléctrica en potencia mecánica que caracteriza a los procesos convencionales de mecanizado. Además se atenúa o elimina el roce y el desgaste de herramientas.

Las ventajas más notables de este tipo de procesos son, por tanto, que el material de la herramienta puede ser más blando que el material de trabajo, y que el valor óptimo para la remoción por unidad de tiempo del material de la pieza es independiente de su dureza. La limitación más importante de los procesos de electro-mecanizado es que el material de trabajo debe ser conductor de electricidad.

2.1

Mecanizado Electroquímico

El mecanizado electroquímico (MEQ) es un proceso en el cual se utiliza la acción electrolítica para disolver el metal de la pieza. Es, en efecto, el proceso inverso de la galvanoplastía. La siguiente figura muestra este proceso.

En este caso, la pieza (la cual debe ser un conductor de electricidad) es colocada en un tanque ubicado sobre la mesa de la máquina y conectada al terminal positivo de una fuente de corriente continua. El electrodo herramienta, que tiene la forma de la cavidad requerida en la pieza, se monta en el portaherramientas y se conecta al terminal negativo de la fuente. Un electrolito fluye a través de la separación entre la herramienta y la pieza y es recirculado hacia la zona de trabajo, bien sea a través de la herramienta o externamente, dependiendo de la aplicación.

12


Figura 2.1.:Configuración del mecanizado electroquímico

La acción de la corriente que fluye a través del electrolito es la de disolver el metal del ánodo, es decir, de la pieza. La resistencia eléctrica es pequeñísima (y por lo tanto la corriente es elevadísima) en la zona en donde la herramienta y la pieza están más próximas. Como el metal de la pieza es disuelto más rápidamente en esta zona, la forma de la herramienta es reproducida en la pieza.

No existe contacto entre la pieza y la herramienta, y cualquier tendencia del metal de la pieza a recubrir la herramienta (el cátodo) es contrarrestado por el flujo del electrolito, el cual remueve el metal disuelto de la zona de trabajo. Por consiguiente no existe desgaste de la herramienta ni se deposita el material de la 125


pieza sobre la herramienta, de tal forma que una herramienta puede producir un gran número de componentes durante su vida útil. El voltaje y la corriente son constantes en el proceso de mecanizado electroquímico.

El electrolito proporciona el medio para que se produzca la electrólisis y remueve el calor generado en la zona de trabajo, fluyendo en una cantidad tal que permita evitar que el líquido alcance su punto de ebullición. En lo que se refiere a su naturaleza química, el electrolito debe ser suficientemente activo para ocasionar una remoción eficiente del material y no debe ser muy corrosivo, pues sino deterioraría las partes de la máquina que entren en contacto con él. La salina (solución de cloruro de sodio en agua) es el electrolito más comúnmente usado.

La velocidad de avance está en directa relación con la densidad de corriente: a mayor densidad de corriente, más elevada es la velocidad de mecanizado. La densidad de corriente está limitada tanto por la capacidad de la fuente como por la capacidad del material de la pieza, del material de la herramienta y del electrolito para conducir la corriente. La corriente no debe ser tan elevada como para generar calor excesivo.

Si la densidad de corriente permisible para un trabajo específico es menor que las capacidades de la máquina y de la fuente, debe considerarse la posibilidad de mecanizar dos o más piezas simultáneamente. En esta forma se puede utilizar la máquina en toda su capacidad y los costos generales por componente se mantienen a un nivel bajo.

126


La remoción de metal por unidad de tiempo más elevada que se ha obtenido en aplicaciones industriales es de alrededor de 0,08 µm3/s. El material no se afecta térmicamente ni se inducen esfuerzos residuales en la superficie trabajada. El poco calor que se genera proviene de la resistencia eléctrica, y la temperatura se controla dentro de valores inferiores al punto de ebullición del electrolito.

Está demostrado que si la velocidad de avance aumenta, el ancho de la separación disminuye. Una separación menor entre la herramienta y la pieza implica una precisión mayor en la reproducción y por consiguiente a una velocidad de avance elevada (y por lo tanto una remoción de material elevada) se obtiene una mayor precisión.

Las aplicaciones principales del mecanizado electroquímico corresponden al mecanizado de materiales duros, tales como los que se utilizan cuando se presentan temperaturas de servicio elevadas, porque en estas superficies logra una mayor remoción que los otros sistemas. Sin embargo, en materiales blandos puede utilizarse para la producción precisa de formas complejas. El MEQ ha sido utilizado con éxito mecanizando agujeros pasantes (por trepanación), agujeros ciegos con superficies laterales paralelas, cavidades conformadas y también para corte de discos metálicos y mecanizado de formas externas complejas.

2.2

Torneado Electroquímico

Esta es una aplicación especial del sistema descrito anteriormente en que la herramienta puede ser aplicada a una pieza mientras esta gira Mediante este 127


sistema se pueden hacer operaciones de refrentado y corte periféricos, obteniéndose buenos resultados de rugosidad superficial.

Fig. Nº 2.2

2.3

Equipo de torneado electroquímico

Mecanizado Electrolítico con tubos de form as específic as

(Shaped Tube Electrolytic Machining, STEM)

Este es un proceso de perforado desarrollado por la división de aviación de General Electric, es una variación del mecanizado electroquímico y se usa para hacer agujeros de diámetros pequeños, entre 0,64 y 6,35 mm. Se aplica en 128


materiales conductores eléctricos, generalmente aleaciones duras, difíciles de mecanizar con métodos convencionales.

Como en el mecanizado electrolítico normal, en este proceso se usa un herramienta cargada negativamente, un electrolito y una pieza cargada positivamente. La principal diferencia reside en el electrolito, que en este caso es ácido. El material de la pieza es disuelto e incorporado al electrolito, evitando que interfiera con la perforación en curso. Debido a las características del electrolito, los electrodos deben ser tubos de pequeño diámetro, resistentes al ácido y recubiertos para su aislación. De este modo se logra que sólo el extremo expuesto desarrolle el corte de material. El electrolito es bombeado a través del tubo y escurre por la pequeña separación entre el electrodo y la pieza. Se pueden usar distintos electrodos simultáneamente, que son introducidos en la pieza en proporción a la velocidad de remoción de material, manteniendo una separación constante.

Con este sistema se pueden perforar agujeros de hasta 610 mm de profundidad, con relaciones profundidad-diámetro de hasta 300:1, en materiales como aceros inoxidables de las series 300 y 400, aleaciones y aceros para herramientas, aleaciones de inconel, tungsteno, níquel, etc..

2.4

Electro-Str eam (ES)

Este proceso permite el perforado de agujeros de diámetros entre 0,2 y 1,02 mm mediante el empleo de una tobera de vidrio con un cátodo metálico en su interior, que proyecta contra la pieza a mecanizar un chorro de electrolito ácido. De este modo, en el punto de impacto, el material cargado positivamente se 129


disuelve incorporándose al electrolito, evitando que este material removido interfiera con el corte en curso. En general se puede mecanizar cualquier material conductor de electricidad, pero el sistema se usa para perforar materiales duros, aceros inoxidables de la serie 300 y aleaciones de incolloy, inconel, etc.. Los orificios pueden tener profundidades de hasta 19 mm usando voltajes altos, con relaciones de profundidad-diámetro menores de 50:1. Como en el sistema descrito en el punto precedente se pueden hacer hasta 100 perforaciones simultáneamente. 2.5

Rectificado por Descarga Electroquímica

En este sistema una corriente continua pulsada, o corriente alterna pasa desde una rueda de grafito a la pieza que se quiere mecanizar, estando esta cargada positivamente. Entre la rueda y la pieza se bombea un electrolito, sin existir contacto directo entre ellas. Sin embargo se produce cierta fuerza de separación debido al electrolito que es comprimido entre las dos partes.

La mayor parte del material es removido por acción electroquímica, los óxidos que se producen como resultado de este proceso son removidas eficientemente por descargas eléctricas. Para ello se requiere de corrientes de alta intensidad y bajo voltaje.

Un detalle sobre la forma en que se remueve el material puede verse en la figura allí se muestra la interacción entre la rueda de grafito y la pieza.

130


Fig. Nº 2.3 Remoción de material en el rectificado por descarga electroquímica

Las máquinas de este tipo se fabrican generalmente a pedido, siguiendo las especificaciones del cliente, usando materiales plásticos y acero inoxidable para minimizar la corrosión. El rango de intensidad de corriente puede variar entre 20 y 1000A.

Aplicaci ones

Las aplicaciones de esta técnica son un tanto limitadas, sin embargo es usada en forma casi rutinaria en algunas aplicaciones como para pulir y afilar herramientas de carburo de tungsteno. Casi cualquier material conductor puede ser mecanizado usando este sistema, pero no necesariamente es mejor que otros

131


métodos que deben ser evaluados antes de tomar una decisión. Se obtienen tolerancias de alrededor de 0,03 mm.

Otras aplicaciones en que el sistema ha mostrado éxito son el pulido y afilado de pastillas de herramientas, obtención de perfiles delicados, pulido de materiales tipo panal.

2.6

Rectificado Electrolítico

El rectificado electrolítico es una modificación del proceso de MEQ descrito anteriormente. Como se ve en la figura, el electrodo herramienta es una muela abrasiva, generalmente una muela de diamante con aglutinante metálico, que puede conducir la electricidad. El electrolito es suministrado entre la muela y la superficie de la pieza en la dirección del movimiento de la periferia de la muela para que sea removido de la zona de trabajo por la rotación de la muela. Las partículas abrasivas ayudan a mantener una separación constante entre la muela y la pieza. La corriente fluye entre la muela, la cual está conectada al terminal negativo, y la pieza, que está conectada al terminal positivo de una fuente de corriente continua.

132


Fig. Nº 2.4 .:Esquema general del proceso de rectificado electrolítico

La remoción de metal ocurre entonces de dos maneras: por remoción electrolítica y por abrasión mecánica. Sin embargo, la primera remueve aproximadamente el 90% del total de material en la práctica. Esto reduce el desgaste de la muela a una cantidad despreciable y esto hace posible rectificar materiales duros muy rápidamente.

En la aplicación del rectificado electrolítico, el área de contacto entre la pieza y la muela debe ser lo más grande posible, de tal manera que exista una alta remoción de metal con una corriente dada.

133


El rectificado electrolítico ha sido empleado con éxito en el rectificado de materiales duros conductores de la electricidad. Uno de los casos más notables de éxito lo constituye el rectificado de herramientas previstas con pastillas de carburo, en donde la ausencia de fracturas residuales del rectificado en el extremo afilado y la gran remoción de material por unidad de tiempo constituyen una gran ventaja. En el afilado de las herramientas de carburo se han obtenido acabados superficiales del orden de 0,1 µm

13


CAPITULO III PROCESOS MECÁNICOS 3.1

Mecanizado hidr odinámico (HDM)

El funcionamiento de este sistema, también conocido como water-jet, se basa en el corte debido a la acción de un delgado chorro de agua (0,5 mm) o un fluido acuoso con aditivos. Este flujo es expelido a través de una tobera a una alta presión (más de 690 Mpa) y gran velocidad chocando contra el material y cortándolo por efectos erosivos.

El agua es comprimida mediante un intensificador hidráulico y posteriormente es llevada a un estanque de almacenamiento para evitar pulsaciones en el flujo. Desde este estanque se extrae el fluido necesario para el trabajo de la máquina. Bajo la pieza maquinada debe existir un sistema de drenaje para eliminar el agua ocupada. En la figura.se puede ver un esquema de una máquina de este tipo. 135


Fig. Nº 3.1 .: Esquema de flujo en el mecanizado hidrodinámico

Fig. Nº 3.2 .: Detalle de boquilla y chorro de agua En la figura se aprecia la posición y distancia a la pieza a la que se debe encontrar la tobera de modo de producir una delgada franja de corte. Las toberas se fabrican con materiales muy duros debido al desgaste al que se ven sometidas. También se han 136


desarrollado estas puntas de toberas en forma de pastillas intercambiables fabricadas con carburo de tungsteno o con recubrimientos especiales. La vida útil de estas pastillas fluctúa entre 250 y 500 horas.

Para controlar el funcionamiento de estas máquinas existen sistemas de trazado óptico y también sistemas de control numérico. En general la tobera se mantiene fija y la mesa de trabajo se mueve para lograr las diversas formas de corte.

Aplicaci ones

En general se usa este sistema para obtener cortes limpios, precisos y fríos en materiales blandos y suaves, generalmente planchas que pueden estar apiladas. La calidad superficial obtenida y el acabado en los bordes son buenos. La velocidad de corte y la capacidad de cortar materiales más duros, como el acero se ha visto aumentada en la medida en que se mejora la tecnología, permitiendo en el chorro velocidades y presiones mayores. 3.2

Mecanizado ultrasónic o

Ultrasoni c Machin ing (USM)

También llamado Mecanizado ultrasónico abrasivo, este método remueve material de la pieza dejando una forma especifica en ella . Esto ocurre cuando la herramienta vibra, al penetrar la pieza, a altas frecuencias en un medio abrasivo, en línea con su eje longitudinal. El fluido abrasivo es recirculado desde la zona de corte y en este camino se enfría.

137


Fig. Nº 3.3.: Esquema de funcionamiento del mecanizado ultrasónico Como material para las herramientas suele usarse acero, acero inoxidable 303, molibdeno y otros. En general se prefieren materiales dúctiles. La forma de la herramienta es importante para optimizar la vibración y evitar que la herramienta absorba energía. La forma de la punta también influirá en la distribución del material abrasivo contra la pieza trabajada. Esta punta nunca toca la pieza, sólo mueve el material abrasivo que remueve el material.

En cuanto a los materiales abrasivos, se usan partículas extremadamente duras como diamante, nitruro cúbico de boro, carburo de boro, carburo de silicio y óxido de aluminio. Entre ellos el carburo de boro es el más usado. 138


El equipo en sí tiene distintas variantes, existen dispositivos que pueden ser usados en otras máquinas herramientas, actuando como cabezas cortantes. También existe la posibilidad de usarlos en tornos como una variante de la herramienta de corte tradicional, aumentando la versatilidad de dicha máquina.

La potencia de estos equipos fluctúa generalmente entre 200 y 2400 W, la potencia influye sobre el área máxima de la herramienta a utilizar y por ende, en la cantidad de material removido. La fuente de vibración en estos sistemas convierte potencia de baja frecuencia (60 Hz) en potencia de alta frecuencia (20.000 Hz). Los elementos más importantes del transductor son un electromagneto y una pila de placas de níquel, cuya longitud varía en respuesta al campo magnético alternado.

Aplicaci ones

•

El mecanizado ultrasónico es apropiado para materiales blandos y duros de todo tipo, metálicos, no metálicos, cerámicos o compuestos.

•

Se usa para producir perforaciones, cavidades y formas irregulares cuya complejidad sólo está limitada por la variedad de formas disponibles para las herramientas.

•

La razón de profundidad-diámetro es baja, generalmente de 3:1.

•

Dependiendo del abrasivo se pueden procesar materiales como el carburo de tungsteno, cerámicas de alta densidad, duros compuestos sinterizados, piedras preciosas, minerales, etc..

139


3.3

Mecanizado Ultrasónico Rotatorio - Rotary Ultrasoni c Machining (RUM)

Este sistema combina la vibración axial a altas frecuencias (20 kHz) con la rotación a velocidades de alrededor de 5000 rpm. Esta combinación se usa para mejorar el desempeño del taladrado, corte, fresado o roscado de materiales que muestran dificultades en el mecanizado normal. A diferencia del mecanizado ultrasónico, en el RUM se usan herramientas de diamante que tienen contacto directo con la pieza maquinada. En cuanto al equipo usado, éste se parece bastante al del sistema USM, pero no requiere ningún sistema de recirculación del líquido abrasivo. Existen equipos en una variada gama de configuraciones y también se fabrican compactos equipos portátiles.

Fig. Nº 3.4: Roscado ultrasónico

140


Aplicaci ones

Actualmente las aplicaciones de este procedimiento están limitadas por el tamaño de la herramienta. Ésta no puede se muy grande ni muy pesada, ya que debe tener una frecuencia natural de oscilación de aproximadamente 20 kHz. Al aumentar el peso o tamaño, esta propiedad se ve afectada y la herramienta pierde su capacidad oscilatoria.

En general materiales como el aluminio, compuestos de boro, cuarzo, circonio, rubí, se pueden trabajar perfectamente con RUM. En especial los materiales compuestos y los sinterizados encuentran una mejor forma de mecanizado con este sistema, ya que generalmente se los maquinaba antes del cocido, en que siempre se producen encogimientos que afectan la calidad dimensional final de la pieza.

Se obtienen excelentes resultados en la perforación de agujeros profundos de pequeño diámetro en materiales duros, verificándose aumentos en la velocidad de corte y en las condiciones de operación en general. En el roscado se mantiene estática la herramienta y se hace girar la pieza alrededor de ella a una velocidad de 4 rmp.

El mecanizado ultrasónico rotatorio tiene importantes aplicaciones en campos de alta tecnología , como por ejemplo electrónica, sistemas láser, materiales para reactores nucleares, perforado de materiales compuestos para la aviación, prototipos y modelos en materiales duros, etc..

141


3.4 Mecanizado Asistido por Medios Ultrasónicos - Ultrasonically Assisted Machining (UAM)

Para aumentar la velocidad de corte y la capacidad de mecanizado de materiales duros en las máquinas herramienta tradicionales, se han ideado sistemas que añaden vibración a los portaherramienta y taladros convencionales.

Aplicaci ones en el Torno

En el torno este sistema permite maquinar materiales que bajo condiciones normales presentan serios problemas, como mulita de baja densidad. En algunos materiales se ha conseguido disminuir las fuerzas de torneado en un 30-50%, con una notoria mejoría en la calidad del acabado, condiciones de corte y formación de viruta.

Bajo ciertas condiciones el torneado ultrasónico ha mostrado que puede aumentar las razones de corte con factores de cuatro en aluminio, dos a tres en aceros y aleaciones de titanio y de cinco en acero ESR 4340. Estas condiciones también se ven mejoradas en el mecanizado de materiales no metálicos como el silicato de magnesio que ve aumentada su velocidad de corte en cuatro veces.

En la figura se puede ver una configuración típica de este sistema montado en un torno tradicional.

142


Fig. Nº 3.5 .: Torno con herramienta de ultrasonido

Aplicaci ones en el Taladr o

En algunos casos la aplicación de esta tecnología al taladro, reduce el torque y las fuerzas en la herramienta. El esfuerzo de corte bajó en un 30% en el caso del cobre y acero y en un 54% al maquinar titanio. El torque experimentó reducciones de 25% en el caso de acero, 50% para titanio y 65% para aleaciones de aluminio.

143


La viruta es removida con mayor eficiencia, reduciéndose las retracciones periódicas de la broca. Por ejemplo al taladrar titanio se logran profundidades del orden de dos a cuatro veces el diámetro de la broca, añadiendo vibración, esta relación se duplica.

Por otra parte se ha determinado experimentalmente que la broca muestra un desgaste parejo del filo principal cuando se usa la vibración ultrasónica, cuando no se usa el desgaste se concentra en la periferia externa de la broca. 3.5

Mecanizado Electromecánico

Electromechanical Machining (EMM)

El mecanizado electromecánico es un proceso no tradicional que se encuentra aún en una etapa experimental y mejora las capacidades de operación de máquinas tradicionales como el taladro y el torno. La forma en que se procede es la normal usando herramientas y máquinas convencionales, pero la pieza de trabajo se polariza electroquímicamente.

Se aplica un voltaje en la interfase

entre la pieza a mecanizar y un electrolito. En el torneado, la superficie de la pieza se mantiene mojada con el electrolito y en operaciones de taladrado, la pieza se sumerge en el electrolito.

El principio en que se basa el mecanizado electromecánico es la serie de características que adquiere la superficie a mecanizar cuando se controla el voltaje aplicado. Al ejercer un acabado control sobre las variables que afectan al proceso, se puede lograr que la superficie del material cambie desde un estado pasivo, con una capa de óxido en la superficie, a un estado activo de lenta 14


disolución o reducción de hidrógeno, en que la superficie descarga iones de hidrógeno. De acuerdo a este fenómeno se puede aprovechar el hecho de que los materiales duros se cortan con mayor facilidad cuando su superficie se encuentra en la región de disolución activa, en la cual el material se suaviza. Por otra parte los materiales más blandos se cortan más fácilmente cuando la superficie de la pieza es pasiva. En este estado la superficie se endurece por la presencia de la capa de óxido, que además reduce la fricción durante el corte.

145


CAPITULO IV PROCESOS QUÍMICOS

Fundamentos de los pr ocesos químicos

El factor común entre todos los procesos químicos para remover material, es el uso de soluciones ácidas o alcalinas para disolver el material no deseado, dejando la configuración o patrón deseado. Sin embargo existen diferencias entre las distintas técnicas que se usan para la remoción de material por medios químicos. Las similitudes y diferencias entre estos procesos se discuten en este capítulo.

146


Enmascaradores y Protecto res (Maskants - Resists)

Los enmascaradores y protectores son recubrimientos barnices usados para proteger áreas del material que no deben ser expuestas a la acción de los materiales corrosivos y también para definir las áreas que deben ser atacadas por los químicos. Los enmascaradores y protectores se clasifican en tres categorías: enmascaradores cut and peel, protectores fotográficos, y enmascaradores de trama (screen resists).

Enmascaradores cut and p eel

Este tipo de enmascaradores es usado casi exclusivamente para el fresado químico en la industria aerospacial, en partes de misiles y piezas estructurales, se aplican por rociado, inmersión o son esparcidos en espesores de 0,2 a 0,38 mm. El exceso de protector se remueve cortándolo y descascarándolo. Para aumentar la precisión se usan plantillas. Con este sistema se pueden lograr profundidades de hasta 12,7 mm. Después de que una porción ha sido atacada por el corrosivo, se puede remover otra parte del protector, de modo de obtener formas escalonadas.

Protectores Fotográficos

Estos protectores permiten generar superficies resistentes a la acción de los corrosivos mediante técnicas fotográficas. Al ser revelados después de ser expuestos a través de un negativo de alto contraste, estos materiales reproducen una imagen del mismo negativo. Existen protectores para trabajar con positivos o con negativos y se usan con distintos propósitos. Los positivos e usan para la fabricación de tramas, enrejados y semiconductores. 147


En general, estos protectores se caracterizan por ser muy delgados, producir un buen detalle y ser sensibles a la luz. El uso de los fotoprotectores exige un manejo cuidadoso en un ambiente limpio y presentan mayor dificultad para el mecanizado escalonado.

En la figura.se muestra el proceso de recubrimiento con protector fotográfico y la forma en que el corrosivo ataca al material. Para los otros protectores o enmascaradores, el proceso es similar, difiriendo en la aplicación y remoción parcial de la protección.

Fig. Nº 4.1 Uso de fotoprotector

148


Enmascaradores de trama

Estos protectores se aplican a través de un tamiz de poliéster o acero inoxidable, con una imagen grabada. El grabado de esta imagen se logra con medios fotográficos, pero la técnica no es tan precisa como la de fotoprotectores, pero es mejor que al usar protectores cut and peel. La resistencia química de estos protectores es mayor que la de los protectores fotográficos, pero inferior que la de los enmascaradores cut and peel. El uso de los enmascaradores de trama es apropiado para producir rápidamente un gran número de piezas con una exactitud moderada.

Corrosivos y su s elección

La selección del medio que atacará químicamente al metal (también llamado aguafuerte) depende de diversos factores como: 1. Material que será atacado. 2. Tipo de enmascarador o protector que se usará. 3. Profundidad de ataque. 4. Acabado superficial requerido. 5. Daño potencial a las cualidades metalúrgicas del material. 6. Velocidad esperada de remoción de material. 7. Ambiente de trabajo. 8. Economía de mecanizado.

149


4.1

Fresado Químic o

Este proceso se usa para dar forma a metales con una tolerancia exacta, dada por la remoción química del material. La cantidad de metal removido, o la profundidad de corrosión del material se controla de acuerdo al tiempo que se sumerge la pieza en la solución corrosiva. Las partes que no deben ser afectadas por el solvente se protegen con los protectores y enmascaradores antes mencionados.

La protección del metal que no debe ser atacado se realiza siguiendo los siguientes pasos: se limpia la superficie, se recubre con el barniz protector, se recorta el exceso de protector, se aplica el aguafuerte y finalmente se retira el enmascarador.

Aplicaciones

El fresado químico se usa para retirar una capa competa de material de piezas irregulares, como fundiciones, piezas forjadas o extruidas. •

Para reducir el espesor de piezas que ya han sido mecanizadas con otros métodos.

•

Para obtener figuras y formas específicas, posibilitando la realización de numerosos detalles en una sola pieza solidaria.

•

Remoción de la capa descarburizada en piezas forjadas.

•

Mejoramiento de la calidad superficial.

•

Eliminación de irregularidades e imperfecciones en piezas fundidas.

•

Mejorar al calidad superficial y control dimensional en fundiciones de aluminio. 150


4.2

Mecanizado Fotoquímic o

Con este proceso se fabrican piezas de diversas formas complejas mediante acción química en materiales metálicos y no metálicos. En general el sistema consiste en colocar imágenes resistentes a la acción de los corrosivos sobre planchas de metal y someterlas a la acción del solvente, que disolverá todo el material, excepto la parte protegida. La mayoría de las piezas fabricadas de esta forma se parecen a las logradas mediante el estampado, siendo planas y de formas complejas. Aplicaciones

Esta técnica permite diversas aplicaciones ya que cuenta con especiales ventajas. Entre ellas se pueden nombrar :

•

Trabajos en materiales extremadamente delgados, cuando hay limitaciones de precisión y manejo con métodos tradicionales.

•

Trabajos en materiales muy duros, que de otra manera quedarían con tensiones residuales, eventuales fracturas o grietas.

•

Producción de piezas que no puedan tener ningún tipo de rebaba.

•

Producción de partes de formas complejas eliminando los costos de un molde.

•

Manufactura de partes de corta vida útil, aprovechando los escasos costos de puesta en marcha y corto tiempo desde la impresión hasta la producción. Esto es de interés para modelos o piezas para investigación.

En la siguiente figura se pueden apreciar las distintas etapas por las que pasa el metal hasta que la pieza está terminada. 151


Fig. Nº 4.2 Etapas en el mecanizado fotoquímico RESUMEN

Los procesos de mecanizado tradicional vistos en un comienzo actúan sobre el material por remoción de viruta, abrasión o microvirutas. Estos procesos 152


no son adecuados para todo tipo de situaciones. En general se recurre a los procesos no tradicionales cuando: •

El material es muy duro, más de 400 HB

•

La pieza es demasiado flexible, delicada o difícil de sujetar

•

La forma de la pieza es complicada

•

Se requieren tolerancias y acabados superficiales especiales

•

Se quiere minimizar el efecto térmico sobre la pieza

Fig. Nº 4.3 Aspereza superficial y tolerancia con mecanizado no tradicional

153


Los diferentes procesos de mecanizado no tradicional no involucran solamente herramientas de punto a punto o multipunto, sino que involucran fuentes de energía química, eléctrica y de haces de alta potencia. Las propiedades mecánicas del material no tienen ahora tanta importancia como sus propiedades físicas, químicas y eléctricas.

La necesidad de encontrar nuevas formas de mecanizado, reduciendo los costos involucrados, adecuándose al desarrollo de nuevos materiales sigue impulsando la investigación en esta área, que ya ha creado múltiples sistemas que son cada vez más usados en la industria moderna. Estos sistemas se han creado en interrelación con tecnologías de control computacional y máquinas complementarias como robots, mejorando continuamente la productividad.

En la figura. se muestra la aspereza superficial y la tolerancia que se puede lograr con distintos procesos de mecanizado no tradicional.

154


CAPITULO V PROCESOS TÉRMICOS Los procesos térmicos de mecanizado no tradicional se caracterizan por las altas temperaturas que son desarrolladas y por las altas densidades de energía con que se trabaja. Generalmente afectan al material en términos físicos y metalúrgicos mucho más comparados con otros métodos no tradicionales de mecanizado. Sobre este tema se ha investigado en los últimos años para lograr un mayor conocimiento sobre las variables que controlan los procesos que afectan al material.

155


5.1

Láser

Aspectos Generales

Desde la invención de la tecnología láser hace más de treinta años hasta la actualidad se han desarrollado diversas técnicas que han permitido su aplicación en las más diversas áreas. De este modo existen hoy en día diversos tipos de láseres que se usan en medicina, informática, meteorología, defensa, arte, metrología, materiales y manufactura, etc.

En esta última área, las altas densidades de potencias que han logrado los láseres en los últimos años han permitido el procesamiento en la industria metalúrgica, compitiendo con oxicorte y soldadura-plasma. Esta misma característica hace posible el soldado de materiales híbridos compuestos por metales, cerámicas y vidrios. Así se hace evidente que esta tecnología no sólo reemplaza otras técnicas, sino que permite el desarrollo de tecnologías completamente nuevas.

En el procesamiento industrial de materiales se destacan: corte, ranurado o prepicado, grabado, taladrado de agujeros pequeños,

doblado, soldadura,

tratamientos superficiales, remoción de suciedad y pintura en objetos delicados. Los materiales en que estas aplicaciones se ven cada vez con mayor frecuencia son plásticos, madera, cuero, cerámica, acero, aluminio, aleaciones de titanio y magnesio, etc.

156


Las principales ventajas prácticas del láser en aplicaciones industriales son :

•

El láser puede ser conducido a través de distancias relativamente largas, sin presentar mayores pérdidas de potencia. La energía no requiere para su transmisión un medio ni contacto físico.

•

Puede ser dividido en varios haces de menor potencia, permitiendo operaciones simultáneas.

•

No emite rayos X y no es afectado por interferencia magnética ambiental.

•

El haz puede ser conducido mediante espejos a distintos lugares.

•

Gran cantidad de calor es focalizada en una pequeña área, mucho más que con cualquier método convencional, afectando sólo a la zona seleccionada, con una pérdida de material casi nula.

•

Importante reducción de la zona térmicamente afectada, en procesos de corte y soldadura de metales.

•

Pueden ser integrados a un sistema CNC para facilitar y optimizar su uso.

•

Inicio y detención instantánea del proceso, ya que la luz no tiene inercia.

•

La pieza en proceso no necesita estar firmemente sujeta.

•

No se disparan esquirlas ni virutas a gran velocidad.

•

Las características de operación permiten el uso de analizadores y sensores para controlar la calidad del proceso y del haz en tiempo real.

157


Aspectos fís icos del Láser

El acrónimo L.A.S.E.R. proviene de los términos Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Este tipo de luz está compuesta por fotones que

viajan en el espacio en la misma dirección, con idéntica longitud de onda (luz monocromática) y están en fase entre sí.

En general la emisión de radiación lumínica es un fenómeno que consiste en la excitación de una molécula o átomo haciéndolo subir a un nivel cuántico superior de energía, mediante un estímulo externo (campo eléctrico, magnético, reacción química). La molécula en cuestión tiende a volver a su estado de equilibrio después de retirado el estímulo, emitiendo una cantidad de energía electromagnética con una longitud de onda dada por la diferencia de energía entre el estado excitado y el fundamental.

La frecuencia en que es emitida la onda es propia del material y su correspondiente grado de excitación. El tiempo que tarda en volver a su estado fundamental es probabilístico, tal como el número de moléculas que se encontrarán en un estado particular de excitación. La probabilidad está sujeta a una distribución exponencial según la fórmula de Bolzmann, la que depende de la temperatura absoluta, el nivel energético del estado de excitación y algunas constantes.

En el caso del láser, la emisión de ondas es estimulada y puede ser amplificada. El proceso de estimulación ocurre cuando un fotón, al pasar por una molécula excitada, hace que esta baje su nivel de energía emitiendo otro fotón de

158


igual frecuencia, moviéndose en el mismo sentido, dirección y en fase con el primero. De esta manera, cuando los dos fotones recién creados pasan por otro átomo excitado, estimulan la emisión de un tercer fotón.

Si el tren de fotones creados en la materia excitada llega al borde del medio, lo abandona. Si por el contrario, se hacen pasar los fotones repetidamente por el mismo camino, entre dos espejos paralelos, manteniendo el medio excitado entre ellos, se obtiene un haz de fotones de igual frecuencia viajando en la misma dirección colinealmente. Si además los espejos se instalan a una distancia tal que sea un múltiplo de la longitud de onda emitida, se obtiene una onda estacionaria en el espacio entre los espejos y un haz de fotones que además están en fase.

En la figura. se muestra un esquema de la forma en que las partículas son excitadas, produciéndose la reacción en cadena y la luz láser.

Fig. Nº 5.1 Reacción en cadena y producción de la luz láser

159


Si se mantiene la excitación del medio en un nivel tan estable como para que no se despueble antes de formarse la onda estacionaria, y lo suficientemente inestable como para permitir a algún fotón desencadenar la reacción en cadena en la dirección axial de los espejos, empieza la formación de luz láser entre los espejos, hasta que algún medio de absorción balancee la energía de excitación transformada en luz. Para utilizar el haz se hace que uno de los espejos presente una transparencia del orden del 70%, así la energía emerge a través de él. El frente de onda así logrado es plano, lo que permite conducir la luz láser como un rayo recto hasta el punto de aplicación.

El motivo por el cual no se usa sólo luz blanca, que es más fácil de generar reside en que la luz monocromática cuenta con las características requeridas de direccionalidad y monofrecuencia. La luz blanca está compuesta por un continuo de frecuencias o colores, por este motivo, si su enfoca uno de ellos, los otros estarán desenfocados. Si se filtra la luz se puede enfocar mejor, pero mientras más monocromático sea el filtro, más energía se pierde por absorción o reflexión. Por este motivo es mucho más eficiente generar luz monocromática en forma directa.

Tipos d e Láser

A pesar que desde 1917 ya se tenían las principales bases teóricas para la construcción de un láser, los primeros progresos se vieron dificultados por motivos técnicos, como la falta de precisión y alineación de espejos. Sólo en la década del `60 se dio inicio a una espiral creciente de interacción entre láser adecuado, nuevas aplicaciones, láser más perfeccionado, etc. Un importante avance en este sentido fue el láser de rubí desarrollado por Maiman en 1960.

160


De acuerdo a las aplicaciones buscadas y el medio técnico de lograr la producción de la luz láser, aparecieron las más diversas formas y variantes de producción. Los distintos equipos se diferencian por ejemplo por emitir luz en frecuencias fijas o variables, emisión continua o emisión pulsada, potencias altas, medias o bajas. También se hacen diferencias entre láseres según el medio de excitación que utilicen. En la figura se indican las características de potencia y longitud de onda para distintos tipos de láser.

Fig. Nº 5.2 .: Longitud de onda y potencia de distintos tipos de láser

161


En la industria se usan principalmente cuatro tipos, el láser de CO2, el excímero, el Nd:YAG y el de rubí. Los láseres de CO2 presentan la más alta eficiencia eléctrica, del 5-15%, refiriéndose a la conversión de energía eléctrica a luz láser. Este tipo de láser ha encontrado diversas aplicaciones industriales desarrollando potencias de hasta 45 kW.

El láser de rubí proporciona grandes potencias, pero tiene un elevado costo. Se usa principalmente cuando una gran cantidad de material debe ser removida en un solo pulso.

Los láseres de excímero tienen baja eficiencia (2%), pero son capaces de producir agujeros y ranuras de gran calidad, gracias al proceso denominado cold cutting. Mediante este proceso la materia es removida en forma explosiva, sin aumentos de temperatura, ya que aplica energías tan grandes que rompen los enlaces atómicos o químicos de algunos materiales.

El láser Nd:YAG produce longitudes de onda pequeñas, esto permite que pueda ser enfocado en puntos muy pequeños,

haciendo posible el

micromecanizado. Usando este láser se pueden perforar agujeros de hasta 0,05 mm de diámetro. Dadas además estas características de onda, el haz puede ser guiado por medio de fibra óptica hasta su punto de aplicación.

A continuación se señalan distintas aplicaciones del láser y los tipos de láser que las cubren.

162


Aplicaci ones gener ales del láser en la m anufac tura

Apli cac ión

Tipo de láser

Corte

Metales

Co2 op, Co2 oc, Nd:YAG, rubí

Plásticos

Co2 oc

Materiales cerámicos

Co2 op

Perforado

Metales

Co2 op, Nd:YAG, Nd:vidrio, rubí

Plásticos

Excímero

Marcación

Metales

Co2 op, Nd:YAG

Plásticos

Excímero

Materiales cerámicos

Excímero

Tratamientos de superficies

Co2 oc

metálicas

Soldado

Co2 op, Co2 oc, Nd:YAG, Nd:vidrio, rubí

Nota: oc: onda continua, op: onda pulsante, Nd:YAG: Neodymium-doped:yttriumaluminum-garnet

163


Interacción del Láser con la Materia

Todos los materiales son sensibles a la radiación electromagnética, respondiendo de tres modos básicos a su incidencia. Estos modos son reflexión, transmisión y absorción. Si se

suman las potencias individuales de estas

respuestas, se debe llegar a una cantidad igual a la de la potencia incidente.

La longitud de onda de la radiación influye en el grado de transparencia relativa de los objetos. Por ejemplo, para un láser de CO2 con una longitud de onda de 10,6 µm, objetos como el vidrio o el polietileno son opacos.

Mientras mayor sea el número de electrones libres en la periferia, como es el caso de los conductores eléctricos, los materiales tenderán a ser más reflectivos. Esto se debe a que sus electrones libres absorben y reemiten la energía incidente, sin alterar la estructura cristalina subyacente.

Para poder procesar el material se busca una gran absorción de energía por parte de éste, ya que esta energía tiende a destruir la red cristalina localizadamente. Dependiendo de la densidad de energía, condiciones de operación y el material en cuestión se logrará el procesamiento de éste por vaporización, fusión, reacción o degradación química o bien por fractura controlada. En el caso de altas potencias, sobrepasado el punto de vaporización, se puede lograr la formación de plasma en la zona de corte.

164


En la figura. se aprecia la forma en que interactúa el cabezal de corte con la herramienta, en este caso se trata de un láser de CO 2.

Fig. Nº 5.3.: Cabezal de cortadora láser

5.2

Mecanizado por Arco de Plasma Plasma Arc Machining (PAM)

Por plasma se entiende el gas que ha sido calentado a una temperatura lo suficientemente alta como para ionizarse parcialmente y por ende conducir electricidad. La temperatura del plasma puede llegar a unos 27.800 °C, aprovechándose de diversas formas para el maquinado de metales conductores.

Básicamente se genera un chorro de plasma, comprimiendo un arco eléctrico a través de una tobera de pequeña sección transversal Durante la compresión la

165


temperatura y el voltaje aumentan en forma considerable. Al abandonar la tobera, el arco se convierte en un chorro columnar de plasma de alta velocidad, a una alta temperatura.

Fig. Nº 5.4 .: Corte por arco de plasma

El aumento de temperatura en la pieza procesada se debe a la recombinación de moléculas disociadas, la transferencia de energía de electrones y a la corriente de convección debida a la alta temperatura del plasma. En algunos

166


casos se inyecta oxígeno al área de trabajo para aprovechar la reacción exotérmica producida. Las condiciones de corte y vida de la tobera también pueden ser mejoradas si además se produce un flujo de agua alrededor del arco.

Aplicaci ones

Se puede cortar una amplia gama de metales conductores en diferentes modalidades. Se pueden cortar planchas, pilas de planchas, se pude trabajar en un torno, maquinando la pieza mientras esta rota. Se pueden biselar los bordes de planchas para prepararlas para un posterior soldado. También se pueden perforar agujeros con mayor velocidad que con métodos convencionales.

En general las condiciones de corte, velocidad y calidad superficial obtenidas dependen de la corriente del arco, su duración, flujo de gas, composición del gas y de la forma de la tobera y su separación del material a cortar.

En cuanto al equipo utilizado, se parece al equipo utilizado para el trabajo con oxígeno-acetileno. Existen en forma compacta para su uso manual y también en plataformas de trabajo con controladores NC, CNC, y con sistemas de control óptico.

A continuación se enumeran algunas características del trabajo hecho con esta tecnología.

•

Se pueden hacer cortes rectos usando el sistema con flujo de agua.

167


•

Se obtienen cortes de alta calidad, con un costo menor que el equipo de oxígeno-gas.

•

La posición de corte puede variarse ampliamente.

•

Las formas de corte pueden ser variadas, aumentando la versatilidad de su uso.

•

Los electrodos son estandarizados y de fácil cambio cuando se gastan.

Los cables y tubos que son usados por el equipo son mínimos y permiten libertad de movimientos.

En la siguiente tabla se muestran algunas velocidades de corte para distintos materiales.

Espesor

Corriente del

Velocidad de corte /

arco /A

mm/min

Material

/mm

Acero Inoxidable

75

800

380

130

1000

150

75

900

760

180

1000

180

Bronce

13

400

1780

Titanio

13

400

2285

Aluminio

168


5.3

Mecanizado por haz de electr ones

Electron Beam Machining (EBM)

Este sistema usa esencialmente energía eléctrica para generar energía térmica para la remoción de material. Un generador produce una corriente pulsante a alta velocidad. Esta corriente es enfocada por campos electrostáticos y electromagnéticos para concentrar la energía en una zona muy pequeña del material trabajado (puntos de hasta 0,05 mm de diámetro).

La velocidad que alcanzan estas emisiones puede superar a la mitad de la velocidad de la luz, de modo que la energía cinética de las partículas es alta. Esta energía se transforma en calor que funde o evapora el material en forma localizada. El proceso debe ser llevado a cabo en vacío para prevenir la colisión de los electrones con moléculas de gas y para prevenir reacciones como la oxidación en la pieza trabajada. También se debe considerar que el operario debe usar protección de plomo para protegerse de las emisiones secundarias de radiación X. En la figura.se puede ver un detalle del proceso de mecanizado.

169


Fig. Nº 5.5 .: Haz de electrones actuando sobre la pieza

Las características del proceso están determinadas por las siguientes variables:

Parámetros del haz de electrones:

Potencia total Densidad de potencia Duración del impacto

Parámetros del material :

Capacidad calórica Puntos de fusión y evaporación Conductividad de calor

En general se requiere de múltiples pulsos para llegar a la forma y dimensiones requeridas. También se puede manipular el punto de enfoque

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alterando los campos magnéticos que lo controlan. Estas secuencias y alteraciones requieren ser repetidas desde cientos a miles de veces. La repetibilidad del procedimiento se hace posible mediante el uso de sistemas de control numérico.

En cuanto al equipo usado, éste se puede ver en la figura, incluye un sistema óptico que permite al operador ver la zona de trabajo y controlar con precisión el punto de aplicación de haz, usando aumentos de hasta cuarenta veces. Por otro lado cabe destacar que las características de esta tecnología la hacen apropiado para su uso con sistemas de control numérico.

Fig. Nº 5.6: Configuración general de máquina de haz de electrones

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Aplicaci ones

Todos los materiales, metálicos y no metálicos que puedan existir en el vacío pueden ser mecanizados mediante esta técnica. Se pueden perforar agujeros con relaciones de profundidad diámetro de 100:1. Las principales limitaciones del sistema son el alto costo del equipo y las restricciones de espacio debidas a la cámara de vacío.

Algunas aplicaciones específicas son, entre otras, perforaciones en inyectores para motores diesel, orificios en válvulas, microperforaciones para máquinas de producción de fibras sintéticas. Esta técnica se aplica con éxito en la fabricación de sistemas de control diferencial de presión en los cuales se necesita la perforación de orificios con gran exactitud dimensional, que controlan la cantidad de gas que fluye a través de ellos en un determinado lapso de tiempo.

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Libro de Procesos de Manufactura No Tradiconales

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