(67.27) TECNOLOGIA MECANICA 2

APUNTES DE CLASE: ELECTROEROSION

DICTADAS POR: •Ing. Juan B. Giraudi •Ing. C. Altini

REEDITADAS POR:

• Milicich Martín Padrón Nº 78301 • Galimberti Jorge Padrón Nº 77418

1º cuatrimestre de 2005

Universidad de Buenos Aires – Facultad de Ingeniería – Tecnología mecánica 67.27

Nº ELEMENTO 1 Electrodo(cátodo) negativo 2 Pieza(ánodo) positivo 3 Sistema de control 4 Dieléctrico 5 Impedancia total del circuito 6 Capacitor 7 Fuente de CC 8 Cuba

II

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ELECTROEROSION

Entre los métodos utilizados para conformar piezas con perdidas o desprendimiento de material se encuentra la electroerosion. Se han visto ya métodos mecánicos donde una herramienta arrancaba viruta de un material para obtener una pieza según medidas previamente determinadas. Tal 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”. 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 electroesrosion la simplicidad mecánica del equipo y un alto grado de automatización la hacen independiente de los factores mencionados.

III

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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).

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 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.

IV

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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.

En la electroerosión, es el tercer caso el que nos interesa. 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 centésimas o décimas de microsegundo de la descarga, 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 (FIGURA 3). 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 transformación de energía cinética en térmica.

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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(FIGURA 4). 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.

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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 (FIGURA 5). 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 (FIGURA 6).

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Las descargas utilizadas en el proceso de mecanizado por electroerosion 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 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.

∫=ta

dttituW0

1 *)(*)(

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:

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 (FIGURA 7).

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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

Son en realidad generadores de impulsos.

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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 (FIGURA 8).

1. Impedancia de carga

2. Condensador

3. Electro-hérramienta

4. Material

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:

0** VfkV =

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.

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Analicemos la influencia de cada una de estas variables.

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.

2**2/1 VCE =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:

ZUIK 0=

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. 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.

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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 (FIGURA 9) 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.

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.

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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 (FIGURA 10):

LCUUI ac *)( −=

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 FIGURA 10 Uo representa la tensión de la fuente. La energía de la descarga completa es igual a la energía eléctrica almacenada en el condensador.

CUCW 21 **2

1=

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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 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.

CL**2 πτ =

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 (FIGURA 11). De esta manera, la curva característica de la descarga toma la forma de la FIGURA 11. 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) FIGURA 11.

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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 carga del condensador a un cierto nivel (FIGURA 13 y 14). 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.

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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 para un estado de superficie dado, fijado por la capacidad de los condensadores conectados. El circuito de relajamiento RCLD descubierto independientemente por varios científicos, ha equipado durante varios anos las maquinas de electroerosión de

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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 super-acabado 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 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.

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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 no difiere mucho de la frecuencia de pulsación de corriente de carga. Por otro lado, el problema del desgaste de los electrodos no esta resuelto con este tipo de generadores que sigue siendo apreciable en todos los regímenes.

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 físico-químico 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 descargas controladas, es decir, de un mando exterior independiente del comienzo de las descargas. Un elemento interruptor, generalmente elec......

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