Libro de Procesos de Manufactura No Tradiconales

Procesos No Tradicionales de Manufactura

1

Ing. Juan Eli David Acosta Horna Ing. Eduardo Azabache Vasquez


2


3

Prologo

En el desarrollo de la Industria cada día nuevos materiales son elaborados,

con características y propiedades que se mejoran día a día, la manufactura no

esta ajena a ello siendo así estos nuevos materiales constituyen un desafió para

esta rama de la Ingeniería que ha desarrollado en los últimos años una variedad

de procesos conocidos, pero que ahora en la actualidad se están aplicando en

gran escala en las grandes industrias.

Es así como en este texto se intenta dar un pequeño alcance sobre los

principios de estos nuevos procesos al estudiante de ingeniería, para que tenga

los conocimientos fundamentales y no este ajeno en este desarrollo. El texto ha

agrupado los procesos en virtud de su naturaleza, esperamos que este pequeño

aporte sea de gran de ayuda para el estudiante.

Los autores


4

PROCESOS NO TRADICIONALES DE

MANUFACTURA


5

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)


6

3.2 Mecanizado ultrasónico

3.3 Mecanizado Ultrasónico Rotatorio

3.4 Mecanizado Asistido por Medios Ultrasónicos

3.5 Mecanizado Electromecánico

Capitulo Nº4.- PROCESOS QUÍMICOS

4.1 Fresado Químico

4.2 Mecanizado Fotoquímico

Capitulo Nº5.- PROCESOS TÉRMICOS

5.1 Láser

5.2 Mecanizado por Arco de Plasma

5.3 Mecanizado por haz de electrones


7

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.


8

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.


9

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”.


10

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.


11

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 proceso

• 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.


12

• 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 Electroerosión

• 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.


13

Fig. Nº1. 3.- Corte por hilo Fig. Nº 1.4.- Electroerosión por hilo

1.5.- Principio 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


14

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


15

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


16

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.


17

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.


18

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 transformación de energía cinética en térmica.


19

Fig. Nº 1.8 Migración de 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 de la burbuja


20

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).


21

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


22

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 Máquinas 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


23

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


24

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.


25

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.


26

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.


27

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


28

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


29

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


30

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


31

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


32

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

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


33

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 no difiere mucho de la frecuencia de pulsación

de corriente de carga. Por otro lado, el problema del desgaste de los electrodos no


34

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

los regímenes.

Fig. Nº 1.17 Circuito de Relajamiento

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


35

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

de las descargas.

1.7 Partes de una máquina de Electroerosión 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


36

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


37

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


38

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.


39

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 fp (nº de impulsos


40

por segundo), y la relación de impulso = ti/tp * 100. 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


41

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.


42

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


43

1.8 Parámetros de la Electroerosión

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


44

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


45

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 Ifm 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


46

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


47

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 Ra, 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 acero-

cobre > 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.


48

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).


49

Tabla 1 - Correspondencia entre Nr y Ra

Nr Ra (µm) Nr Ra

(µm) Nr

Ra

(µm) Nr

Ra

(µm)

0 0,1 *12 0,4 *24 1,6 *36 6,3

1 0,112 13 0,45 25 1,8 37 7

2 0,126 14 0,5 26 2 38 8

3 0,14 *15 0,56 *27 2,2 *39 9

4 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 5

11 0,35 23 1,4 35 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 - Correspondencia entre Nr, Rt y Ra

Nr VDI3400 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45

Ra (µm) 0,4 0,6 0,8 1,1 1,6 2,3 3,2 4,6 6,3 9 13 18 Rt (µm) 1,6 2,2 3,2 4,5 6,3 9 12 18 25 36 50 72


50

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


51

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 ; Ra aumenta


52

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.


53

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


54

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


55

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


56

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.


57

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

a través de la pieza

Fig. Nº 1.38 Limpieza por aspiración

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.


58

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.


59

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.


60

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

estrecha

Fig. Nº 1.43 Mecanizado de una ranura

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


61

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


62

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.


63

Fig. Nº 1.46 Limpieza con presión

continua

Fig. Nº 1.47 Limpieza con presión

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


64

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.


65

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.


66

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:


67

• 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


68

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.


69

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.


70

1.11 Características de las superficies mecanizadas por Electroerosión

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


71

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


72

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.


73

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.


74

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 Electrodos

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.


75

• 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.


76

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 mm2/m)

• Difícil de mecanizar

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

electroerosión.

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


77

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 Máquinas-

Herramienta 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.


78

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:


79

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.


80

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.


81

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).


82

• Muy alta resistividad eléctrica (12-16 mm2/m).

• 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.


83

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.


84

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 Tecnología

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


85

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


86

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

Pieza a erosionar Electrodo Polaridad del

electrodo Observaciones

Acero Cobre +

Acero Grafito + / -

Hierro fundido Cobre +

Cobre Grafito -

Metal duro Cobre - / +

Según

composición del

metal duro

Acero Acero - / + Cambiando

periódicamente


87

Aluminio

Zamak

Latón

Cobre +

Acero Wolframio +

Acero Sparkal +

Metal duro Cobre -

Cobre Cobre +

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


88

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


89

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 EJERCICIO NUMERO

Datos del problema

Electrodo núm. . . . . Operación (Desbaste: D,

Acabado: A) . . . .

Material electrodo . . . .


90

Material pieza . . . . Número de piezas a realizar . . . .

Estado superficial deseado (Nr) . . . . Rugosidad total (µm) . . . .

Reglaje Generador

Polaridad electrodo . . . . Nivel intensidad Excitación . . . . Tiempo impulso Puntos (ti) . . . . Tiempo pausa Puntos (to) . . . .

K.C. Puntos . . . .

Limpieza Forma . . . .

Presión (bar) . . . .

Datos para cálculos

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) . . . .

Estimación tiempo mecanizado (min) . . . .

Resultados finales

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.


91

Fig. Nº 1.52 Electrodos de desbaste

y acabado escalonado

Fig. Nº 1.53 Electrodos de desbaste y acabado

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.


92

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.ED).

Fig. Nº 1.54 Proceso de desbaste

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

desbaste


93

M.ED = M.N - 2 x M.m.lD

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.


94

Fig. Nº 1.56 Proceso de acabado, con pulido posterior

De ella se desprende:

Medida nominal: 2 Rtl + 2 gl + Medida electrodo de acabado (MEA)

M.N = 2Rtl + 2gl + MEA

Y por tanto la medida del electrodo será:

MEA = 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:

MEA = M.N - 2 Gap

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


95

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.

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

electrodo / Volumen arrancado de la pieza) x 100

M.N.- Medida nominal.

b.- Anchura de banda o corona en el proceso de acabado.

tM.- 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.ED M.EA

Longitud del electrodo LD LA

Tiempo de mecanizado tD tA

Superficie frontal de erosión SD SA

Volumen a arrancar VD VA


96

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.


97

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


98

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:

tD (min) = VD (mm3) / VW (mm3/min)

A su vez el volumen a arrancar en el caso de desbaste de agujero cilíndrico

pasante o no, es:

VD (mm3) = SD (mm2) 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 a la

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

Fig. Nº 1.59


99

la forma de calcular la anchura (b) de la parte sombreada. Dicha anchura

multiplicada por el perímetro de la pieza dará como resultado SD.

Se cumple

MmlD + (RtA/2) = gD + (RtD/2) + b

b = MmlD - gD - (RtD - RtA) / 2

c. Se han considerado las

líneas medias de acabado y

desbaste. La parte entre

ambas corresponde al

material que se debe

arrancar. Se ha de tener

precaución y poner todos los

números en mm

.

Superficie frontal

SA (mm2) = b (mm) x p (mm)

Volumen a arrancar

VA (mm3) = SA (mm2) x h (mm)

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

desbaste.


100

Tiempo de acabado

tA (min) = VA (mm3) / VW

Caso de cavidades cilíndricas

no pasantes.

d. El 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

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.

Fig. Nº 1.61 Cavidad cilíndrica no

pasante


101

e. En este caso es importante

conocer la superficie lateral

del orificio o superficie

desarrollada (Sd), que

multiplicacada por la anchura

(b), dará como resultado el

volumen a mecanizar (Fig. Nº

1.62).

VA (mm3) = Sd (mm2) x b

(mm)

Caso de cavidades no cilíndricas.

f. Para el cálculo de volumen

a arrancar en el proceso de

acabado se deben de sumar

los volúmenes V1 (caso c,

agujeros pasantes no

cilíndricos) y el volumen V2

(caso b, cavidades cilíndricas no pasantes) (Fig. Nº 1.63).

Consideraciones para el caso de cavidades y orificios no cilíndricos.

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.

Fig. Nº 1.62

Fig. Nº 1.63


102

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.


103

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


104

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


105

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.


106

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 - Introducción

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.


107

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.


108

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.


109

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.


110

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.


111

Fig. Nº 1.69 Piezas 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.


112

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 pulvimetalurgia.

• Matrices de extrusión y de embutición.

• Prototipos, pequeñas series, piezas de recambio.

• Plantillas.

• Calibres.

• Levas de disco.

• Herramientas de troquelado de corte fino y normal.

• Electrodos para electroerosión convencional.


113

Fig. Nº 1.70 Ejemplos de piezas fabricadas mediante 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.


114

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:


115

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.


116

• 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.


117

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 Angulo: 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.


118

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


119

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


120

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.


121

Fig. Nº 1.73 Pieza obtenida por EDM

Fig. Nº 1.74 Wire EDM Cortando con el hilo

http://www.swedm.com/


122

Fig. Nº 1.75 Matrizes hechas por EDM

Fig. Nº 1.76 Engranajes manufacturados por EDM


123

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


124

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.


125

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


126

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.


127

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


128

sistema se pueden hacer operaciones de refrentado y corte periféricos,

obteniéndose buenos resultados de rugosidad superficial.

Fig. Nº 2.2 Equipo de torneado electroquímico

2.3 Mecanizado Electrolítico con tubos de formas específicas

(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


129

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-Stream (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


130

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.


131

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.

Aplicaciones

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


132

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.


133

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.


134

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


135

CAPITULO III

PROCESOS MECÁNICOS

3.1 Mecanizado hidrodinámico (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.


136

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


137

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.

Aplicaciones

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 ultrasónico

Ultrasonic Machining (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.


138

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.


139

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.

Aplicaciones

• 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..


140

3.3 Mecanizado Ultrasónico Rotatorio - Rotary Ultrasonic 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


141

Aplicaciones

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..


142

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.

Aplicaciones 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.


143

Fig. Nº 3.5 .: Torno con herramienta de ultrasonido

Aplicaciones en el Taladro

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.


144

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


145

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.


146

CAPITULO IV

PROCESOS QUÍMICOS

Fundamentos de los procesos 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.


147

Enmascaradores y Protectores (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 peel

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.


148

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


149

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 selección

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.


150

4.1 Fresado Químico

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.


151

4.2 Mecanizado Fotoquímico

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.


152

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


153

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


154

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.


155

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.


156

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.


157

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.


158

Aspectos físicos 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


159

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


160

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 de 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.


161

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


162

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.


163

Aplicaciones generales del láser en la manufactura

Aplicación 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

metálicas Co2 oc

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

rubí

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

aluminum-garnet


164

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.


165

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 CO2.

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


166

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


167

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.

Aplicaciones

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.


168

• 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.

Material

Espesor

/mm

Corriente del

arco /A

Velocidad de corte /

mm/min

Acero Inoxidable 75 800 380

130 1000 150

Aluminio 75 900 760

180 1000 180

Bronce 13 400 1780

Titanio 13 400 2285


169

5.3 Mecanizado por haz de electrones

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.


170

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


171

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


172

Aplicaciones

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.


173

Bibliografía:

• Teoría y práctica de la ELECTROEROSION. ONA ELECTRO-EROSION.

• TekSoft CAD/CAM SYSTEMS MODULO DE HILO. GOITEK SYSTEM.

• Por qué no podríamos vivir sin la eletroerosión. METALMECANICA

INTERNACIONAL.

• Nuevo concepto de “sistemas de herramientas” para manufactura

flexible. METALMECANICA INTERNACIONAL.

Libro de Procesos de Manufactura No Tradiconales

Documents

Transcript of Libro de Procesos de Manufactura No Tradiconales