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Maquinado por electrodescarga
El EDM es un medio de conformar metales duros y formar agujeros profundos y de formas complejas mediante erosi�n por arco en todas las clases de materiales electroconductores. Las M�quinas EDM m�s antiguas emplearon circuitos de resistencia - capacitancia (RC) o circuitos de relajaci�n donde la energ�a se acumula en un capacitar y se descarga repetidamente a trav�s de un claro. La circuiteria de estado s�lido, indicada en la figura A. ha probado ser m�s eficiente y r�pida. La herramienta se acerca a la superficie de la pieza de trabajo, es decir, 0.0254mm (0.001 pulg.), y el claro se llena con un fluido diel�ctrico.
Un buen acabado requiere chispas d�biles que dejen cr�teres peque�os. La cantidad de corriente depende del n�mero de transistores activados en el banco (porque cada transistor lleva s�lo determinada corriente) y de la duraci�n del pulso (chispa) por el ajuste del temporizador para encender y apagar los transistores. Cuando un par de puntos (lo m�s cercanamente juntos) se arrancan por el arco, en otro par se vuelven lo m�s cercanos y el siguiente pulso env�a una chispa entre ellos y as� sucesivamente. Por tanto, el arco y la remoci�n de material se mueven alrededor del claro entre el electrodo y la pieza de trabajo.
El temporizador en un sistema EDM act�a para iniciar una serie de pulsos durante el curso de una operaci�n y regula la longitud de cada pulso y el tiempo entre pulsos. Estos intervalos y la cantidad de corriente est�n preestablecidos para la mayor�a de los sistemas, pero en algunos de ellos se var�an durante la operaci�n para optimizar el rendimiento mediante la circuiter�a de control adaptivo.
El claro entre la herramienta y la pieza de trabajo se mantiene por un dispositivo de control servogobernado por el voltaje a trav�s del claro en el tiempo de la descarga de la chispa. En algunos sistemas la herramienta se mueve en pulsos para evitar que el arco permanezca en un punto demasiado tiempo y ayuda a expulsar el ruido. Esto permite el uso de m�s corriente y una cantidad m�s alta de remoci�n de metal, hasta de cuatro veces m�s como se observ� en un caso. En lugar de alimentarse en l�nea recta como es lo com�n, la herramienta puede orbitarse en algunas m�quinas; esto es, la herramienta se gira sobre un exc�ntrico bajo control servo para barrer una forma m�s grande que ella misma, cortar conos hacia abajo o hacia arriba, y realizar cortes socavados u otros perfiles. En algunas m�quinas las herramientas pueden moverse en trayectorias cuadradas o rectangulares o en l�neas rectas conforme se alimentan en el trabajo.
El ba�o de fluido que alimenta la herramienta y la pieza de trabajo realiza varias funciones. Como un diel�ctrico, soporta el voltaje para asegurar una alta acumulaci�n de energ�a para cada descarga. Entonces el fluido y las impurezas que contiene suministran iones para la trayectoria del arco. El calor de la chispa vaporiza instant�neamente y descompone el fluido en su trayectoria. La inercia del fluido resiste la expansi�n r�pida y causa una alta presi�n en la columna de descarga que intensifica el arco, donde se informa que alcanzan temperaturas de decenas de miles de grados, y expulsa el metal fundido. Entonces el fluido sirve para enfriar, solidificar, arrastrar el desperdicio, enfriar la herramienta y la pieza de trabajo.
Se usan electrodos de zinc-esta�o, aleaciones de cobre y tungsteno, carburos cementados, aluminio, acero y grafito y algunas veces otros materiales para adecuarse a diversas condiciones.
Los factores que determinan el rendimiento de una operaci�n EDM son la cantidad de corriente el�ctrica suministrada, la, la proporci�n del tiempo sobre la cual fluye la corriente, y el voltaje a trav�s del claro en el arco. El tiempo en que la corriente pasa durante cualquier curso se representa por ti, pero puede ser menor que tp (tiempo preestablecido) en algunos pulsos que se retardan, por ejemplo, por ionizaci�n lenta. Tambi�n hay un tiempo ocioso establecido para cada cielo. Entonces el tiempo total de la corriente Is que fluye durante un periodo sustancial, p, es ti, y la corriente promedio efectiva es Ie = Is (ti / p). La cantidad de metal por remover es grande para una corriente efectiva grande y peque�a para una corriente efectiva peque�a.
Para cualquier voltaje suministrado hay un claro m�ximo, m�s all� del cual el diel�ctrico no llega a ionizarse en forma suficiente y no ocurrir� descarga. Por ejemplo, si se aplican 100 V a dos puntos cercanos juntos pero 0.0254 mm. (0.001 pulg.) aparte, el diel�ctrico se ioniza entre los dos puntos y se emite un arco que transmite toda la corriente que se suministra (las cifras probablemente sean diferentes en otro caso). Para cualquier claro peque�o, el voltaje del arco es casi proporcionalmente m�s peque�o, por ejemplo, 40V para 0.0l0 mm. (0.0004 pulg.). Estos n�meros son simplemente hipot�ticos para ilustraci�n y el valor que tendr�an en cualquier caso depende de las circunstancias. El operador ajusta el dispositivo servo de alimentaci�n para encontrar un potencial de claros deseados. Al adherirse a ese potencial, el servo mantiene un claro constante conforme alimenta el electrodo en la pieza de trabajo.
El electrodo por lo general se mantiene a polaridad positiva para maquinar acero, aluminio, hierro fundido y algunas superaleaciones y se desgasta principalmente por la p�rdida de iones durante la etapa inicial de cada cielo. Por tanto, bajo condiciones apropiadas y control en el desgaste, el desgaste de la herramienta puede hacerse tan peque�o que algunos fabricantes de m�quinas proclaman que pr�cticamente �no hay desgaste�, pero rara vez es posible lograr el ideal en producci�n. Por otra parte, el desgaste de la herramienta es relativamente severo para los cortes ligeros y acabado. Una herramienta EDM se desgasta principalmente en las esquinas y los filos, de modo que �stos pueden redondearse y deben evitarse esquinas marcadas tanto como sea posible en el dise�o de la pieza de trabajo.
El tama�o puede mantenerse con bastante precisi�n en el EDM, pero cuesta m�s. Un agujero hecho por EDM ordinario tiene la misma forma que la herramienta, una herramienta redonda, hace un agujero redondo, etc. Un electrodo con una forma esculpida en camafeo produce un bajo relieve de la misma forma en la pieza de trabajo. La cantidad del claro entre la herramienta y la pieza de trabajo, llamada sobrecorte, determina el tama�o del corte. El claro puede variar desde aproximadamente 0.005 mm. (0.0002 pulg.) a 0.175 mm. (0.007 pulg.), pero usualmente entre 0.025 mm (0.001 pulg.) y 0.075 mm. (0.003 pulg.), mientras m�s alta es la cantidad de metal por remover, m�s grande deber� ser el sobrecorte ya que las descargas de chispas pesadas arrastran m�s metal de los lados y el espacio se necesita para despejar virutas grandes.
La exactitud obtenida en EDM depende principalmente de la exactitud de la herramienta, del desgaste que sufra durante la operaci�n y del control de sobrecorte. Mientras m�s exacta sea la herramienta, mayor el costo. Si se debe mantener peque�o el desgaste de la herramienta en el acabado, la remoci�n del material deber� mantenerse peque�a. Para un conjunto constante de condiciones el sobrecorte puede mantenerse uniformemente a una tolerancia de 5 mm (0.0002 pn) alrededor de la herramienta si el sobrecorte es peque�o.
Otra consideraci�n Importante es el acabado de la superficie, el cual depende de qu� tan r�pido se haga el trabajo. Las descargas a baja energ�a que dejan cr�teres peque�os son necesarias para los acabados finos. Por lo tanto, la velocidad de remoci�n de metal es lenta. Se ha informado de superficies acabadas a menos de 250 mm (10 mpg) Ra a los est�ndares ordinarios de remoci�n de 50 mm3/h (0.003 in3/h), pero pueden esperarse a los est�ndares ordinarios de 750 mm (30 mpg) a 4 mm (aproximadamente 150 mpg) Ra, sin embargo, una superficie hecha por EDM no tiene marcas como una superficie cortada mec�nicamente, puede mantener lubricidad, y para algunos prop�sitos es mejor que una superficie com�n con las mismas o menos rugosidades medidas.
Desventajas del EDM.
Deben conocerse y controlarse algunas serias desventajas del EDM. Puede resultar porosidad en la superficie como resultado del EDM en acero sulfurado o por aceites sulfonados de corte en la superficie en operaciones previas. El EDM deja una capa rica en carbono de color blanco desde 2.5 mm (0.0001 pg) para cortes ligeros hasta 125 mm (0.005 pg) para cortes pesados en acero endurecible. Esta capa es metal que ha sido fundido y vuelto a solificar. El rectificado en una superficie hecho por el EDM puede causar microgrietas en la superficie que se desarrollan y propagan bajo esfuerzos. Las superficies hechas por el EDM son bastante duras y resistentes al desgaste pero fr�giles y la resistencia a la fatiga puede cortarse m�s que en una mitad.
Forma de la m�quina.
Una m�quina t�pica EDM se asemeja a una m�quina fresadora vertical del tipo de columna y m�nsula con un ariete, o manguito en lugar de una flecha de cortador y con un tanque en la mesa para el fluido diel�ctrico. Muchas m�quinas EDM se han hecho por la conversi�n de m�quinas de fresado verticales. Se proporcionan ajustes de precisi�n en la direcci�n de los ejes de coordenadas. En las m�quinas muy grandes la herramienta puede montarse en una platina en postes. Se proporcionan medios para circular y filtrar el fluido. Muchas de las m�quinas modernas tienen suministros y controles de potencia de estado s�lido.
Ventajas.
El EDM est� en ventaja para cortar materiales duros, formas internas, formas dif�ciles de generar y piezas delicadas. Puede reproducir cualquier forma que pueda cortarse en una herramienta, y mec�nicamente hacer una herramienta y ahondar una cavidad por EDM, por tanto, puede ser m�s f�cil que tarar la cavidad. Por otra parte, el EDM remueve material casi tan r�pido como el esmerilado con carburos cementados, y a�n m�s r�pido que el esmerilado para algunos de los materiales.
Maquinado electroqu�mico
El ECM, llamado maquinado electrol�tico remueve el metal esencialmente por desplateado. Su aplicaci�n m�s com�n es la formaci�n de agujeros y cavidades de la manera indicada en la figura B. El electrolito se bombea a trav�s de un claro de menos de 25m hasta 250 mm de espesor entre la herramienta (el c�todo) y la pieza de trabajo (el �nodo). La corriente el�ctrica quita electrones de la superficie de la pica de trabajo y libera iones. En el plateado de metal los iones se transportan y se depositan en el c�todo, pero en el ECM esos iones se combinan con los iones hidroxilo de la soluci�n y forman un lodo que se arrastra por el flujo del electrolito. Se libera hidr�geno en la herramienta y no se remueve o a�ade metal a ella, de modo que la herramienta no cambia de tama�o o forma. El electrodo (herramienta) se alimenta a una constante en la pieza de trabajo y el agujero o cavidad se forma con la misma forma de la herramienta. El electrodo est� aislado para evitar la acci�n electrol�tica y la remoci�n de metal detr�s de la punta y as� mantener derecho el agujero, como se indica en la figura B. En algunos casos el electrodo puede dejarse desnudo y a�n d�rsele un perfil particular para formar Inclinaci�n o conicidad en una cavidad.
Los prop�sitos del electrolito son conducir la electricidad, combinarse qu�micamente con los iones met�licos y eliminarlos, arrastrar el calor y producir gas que evita el plateado en las herramientas. La soluci�n m�s usada es agua salada pero se pueden agregar otras sustancias para mejorar la eficiencia con diversos materiales de trabajo y en ciertas operaciones para disminuir la corrosi�n y el ataque lntergranular. El fluido se bombea con un gasto de 75 a 375 litros / min. (20 a 100 gal / min.).
El rendimiento del ECM puede estimarse mediante las leyes de Faraday por lo que la cantidad de metal removido es proporcional a su peso equivalente y la corriente. En forma te�rica, 96540 coulombs quitan un peso equivalente, el cual es el peso at�mico, N dividido entre la valencia n. Para una corriente de I amperes y la densidad del material de d g/cm3, la cantidad de material por remover en cm3 / min. es:
Como ejemplo, el peso equivalente del hierro (o acero) es 56/2 y densidad 7.87 g/ cm3. Si la corriente es 1000 A, la cantidad de material por remover, M = 60 x 1000 x 56/(96,540 x 2 x 7.87) = 2.2 cm3/min. = 0. 13 in3/min. Los informes Indican una eficiencia entre 70 y 90 %. Para los metales m�s comunes la cantidad de material
por remover, obtenida del metal, por lo general es de 1.5 a 2.3 cm3/min. para cada 1000 A de corriente. El n�mero mas bajo con frecuencia se usa para estimaciones conservadoras. Las excepciones incluyen el tungsteno con una valencia de 6 y el magnesio de peso at�mico 24.
La herramienta, pieza de trabajo y el electrolito en el ECM comprenden una celda electrol�tica gobernada por la ley de Ohm y esto determina el est�ndar al cual puede hacerse el trabajo. Para una resistencia dada R ohms y potencial E (por lo com�n de 5 a 20V) a trav�s del claro, I = E / R Se Indica el claro como cm, el �rea del corte como y en cm y la resistividad como r en W - cm. Entonces la resistencia a trav�s del claro puede expresarse como R = yr/A. Estas dos relaciones se combinan para dar:
La cantidad de material por remover M = mA, donde m es la recesi�n (cm / min.) de la superficie de trabajo que se est� removiendo. Adem�s, la recesi�n se supone la misma que el avance o alimentaci�n de la herramienta, f en cm / min.; esto es, m = f. Por tanto, m / C = f / C = I / A. Se sustituye esta relaci�n en la ecuaci�n 2 y se despeja para obtener:
La experiencia ha mostrado que mientras mas r�pida sea la alimentaci�n, mejor ser� la exactitud y el acabado en la superficie obtenidos y la m�s alta calidad de producci�n. Hay dos factores que limitan la alimentaci�n en cualquier operaci�n, uno es la capacidad del electrolito, el otro es la capacidad de la m�quina. Por tanto la mejor alimentaci�n es la m�s baja de las dos alimentaciones establecidas por estos l�mites.
Las alimentaciones recomendadas en los libros y manuales de consulta son las que se encuentra que est�n en el lado seguro de la ruptura de los electr�litos. Dependiendo del tama�o, forma y configuraci�n del corte y otros factores, las alimentaciones generalmente son de 2. 5 a 1 5 mm / min. (0. 1 a 0.6 ipm).
La producci�n de una buena pieza de trabajo depende principalmente de un flujo uniforme del electrolito sobre todas las �reas. Si fluye m�s electrolito en un lugar, remueve m�s metal en ese lugar que en otro. Los resultados exactos dependen del dise�o apropiado del electrodo y de un �gil control de voltaje, corriente, presi�n y otros par�metros de la operaci�n. 1os electrodos de cobre y de aleaci�n de cobre son los m�s usados por buena conductividad, pero se utilizan otros metales para prop�sitos espec�ficos. En la figura C se muestran tres formas comunes de herramental. El herramental de flujo directo por lo general es barato pero no proporciona suficiente control de fluido para algunos trabajos. Es posible obtener mejor acabado en la superficie y tolerancias m�s estrechas con herramental de flujo invertido. El herramental con flujo cruzado se usa en ciertas clases de trabajo, como �rabes de turbina. Una cuarta clase de herramental, llamada herramental compuesto o complejo, implica una combinaci�n de dos o tres de los tipos b�sicos. Las ranuras y agujeros para el fluido deben colocarse cuidadosamente en un c�todo para obtener un flujo efectivo.
Una variaci�n del ECM llamada electroformado produce superficies externas en la manera Indicada en la figura C. Una herramienta ordinaria se hace para abarcar y maquinar una superficie completa a la vez. En este papel ECM puede remover material para reducir peso, producir secciones delgadas 150 mm (0.006 pg) com�nmente sin distorsi�n y fabricar refuerzos externos.
La exactitud del ECM depende del control del voltaje, alimentaci�n, temperatura del fluido y concentraci�n, etc. Es importante mantener constante esos par�metros durante la operaci�n. La exactitud obtenible mediante el ECM es limitada. Puede hacerse distinci�n entre la exactitud de las superficies formadas con herramienta frontal y las superficies de paredes laterales en una cavidad ECM. Se ha informado, en condiciones ideales, de tolerancias de � 7.5 mm (� 0.0003 in) en rasgos formados con herramienta frontal y tolerancias laterales de � 25 mm (� 0.001 pg) en agujeros simples.
Ventajas.
Una m�quina ECM corta bien los metales m�s conductores, no importa que tan duros sean, y puede reproducirse casi cualquier forma interior o exterior. Los materiales con muchas inclusiones pasivas no son susceptibles de manejarse con este proceso. Una ventaja principal del ECM es que no da�a la superficie de la pieza de trabajo. El ECM no deja rebabas de cualquier clase y en formas modificadas se usa para desbarbar partes maquinadas por otros m�todos. El ECM es de mucho uso para maquinar agujeros largos de peque�o di�metro, particularmente en grupos.
Forma de la maquina ECM.
Este tipo de m�quina se asemeja a una prensa vertical. Las maquinas peque�as tienen bastidores C, algunas grandes, con bastidores de dos o cuatro columnas, soportan un ariete o manguito vertical para alimentar la herramienta. En lugar de una bancada como en una prensa, tiene adem�s una mesa para soportar la pieza de trabajo. Una parte importante del sistema son los medios para suministrar y contener el electrolito extremadamente corrosivo a presiones altas. Un compartimiento herm�tico rodea la pieza de trabajo; las correderas y las partes m�viles de la m�quina deben estar bien protegidas. La bomba y las condiciones son de acero inoxidable.
Maquinado por electrogel (EGM)
El EGM es un proceso electrol�tico para la remoci�n del metal en formas definidas por medio de una herramienta de formado hecha de un gel r�gido que consiste en acetato de celulosa y �cido. El gel moldeado se mantiene contra la pieza de trabajo como est� mostrado en la figura D.
Y ya que se hace pasar una corriente aproximadamente de 8 amperes a un voltaje de 2.5 volts a trav�s del apilo, el patr�n del gel se graba en la pieza de trabajo a la velocidad de casi 25 um / min. (0.00 1 in / min) Se ha encontrado que son tratables por este proceso las aleaciones de acero y n�quel, titanio y las aleaciones resistentes al calor y a las altas temperaturas.
Fidel Cruz N. M�xico DF 2000 Copyright � 2000