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El CFAA ha trabajado en los últimos años en el uso de la electroerosión por hilo en la fabricación de ranuras tipo Fir Tree como alternativa al proceso actual de brochado

Los datos de proceso: chivatos del efecto de las condiciones industriales durante el desbaste WEDM de discos de turbina

S. Caneda, I. Ayesta y J. Wang del Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica; O. Flaño, E. Perez, J.M. Ramos de ONA Electroerosión.18/05/2022
Tras el impacto negativo de la crisis sanitaria del covid-19 en la industria aeronáutica, se espera una recuperación paulatina de las entregas mundiales de aviones comerciales. Mientras tanto, este sector que está en constante mejora e innovación, debe seguir trabajando de forma incesante en el desarrollo de nuevas tecnologías y soluciones, para abrirse a nuevos mercados y ampliar las oportunidades de crecimiento. En esta línea se trabaja en el Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica (CFAA), investigando en diferentes tecnologías de fabricación, para mejorar los procesos actuales y buscar nuevas soluciones versátiles y eficientes.

Una de las líneas en las que se ha trabajado en los últimos años es el uso de la electroerosión por hilo (Wire electrical discharge machining WEDM) en la fabricación de ranuras tipo Fir Tree, como alternativa al proceso actual de brochado. Estas ranuras son un tipo de unión para ensamblar los álabes y el disco, tienen unos altos requerimientos de precisión e integridad y por ello se fabrican mediante brochado. Este proceso de fabricación, necesita de juegos de brochas de coste elevado y requiere de una puesta a punto y ajuste del proceso previo, lo cual hace que el proceso de fabricación solo sea rentable en series largas de piezas [1]. Sin embargo, para series cortas o durante el desarrollo de nuevos motores, en el que el diseño puede ir variando, utilizar la electroerosión por hilo para fabricar este tipo de piezas puede ser una solución viable debido al bajo coste de la herramienta (hilo de latón) y a la alta versatilidad del proceso. Además, históricamente, el gran hándicap de la electroerosión ha sido la afección térmica que genera en pieza, la temible capa blanca, de gran dureza, pero frágil, fuente de grietas que pueden llevar a un fallo fatal del componente. Pero gracias al desarrollo de los generadores de máquina, la afección de pieza es prácticamente inexistente, y los últimos estudios realizados en la vida de fatiga de componentes fabricados mediante electroerosión muestran que la vida de los componentes casi no se ve afectada [2]. Sin embargo, para que este proceso se convierta en el futuro en una opción viable e industrializable, se debe conocer en profundidad el modo en el que los parámetros de corte y las condiciones del proceso afectan al resultado final.

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Figura 1. Ejemplo de un disco de turbina en máquina de hilo ONA.

Uno de los aspectos que puede ayudar a estudiar este efecto, son los datos que se generan en la máquina durante el corte. La adquisición de datos y la aplicación de técnicas inteligentes de analítica de éstos, puede ser una fuente que proporciona mucho conocimiento al usuario sobre el proceso. Debido a la disponibilidad de datos masivos la Ciencia de Datos y las tecnologías de Big Data alcanzan un peso muy importante que está acelerando la transformación de la sociedad y economía basada en el conocimiento.

Así, nace este proyecto, con el objetivo de profundizar en la comprensión de las condiciones de corte y aumentar la eficiencia en el uso de los mismos en un caso práctico de desbaste por electroerosión de Fir Trees en Inconel 718. Para ello, se ha estudiado como afectan las condiciones de corte reales de este tipo de piezas al proceso, condiciones como el uso de un eje adicional de giro para poder rotar la pieza durante el corte, el aumento de la altura entre boquillas, la presión del líquido dieléctrico o el desgaste de las tomas de contacto, responsables de proporcionar la tensión eléctrica al proceso.

Procedimiento experimental

Para realizar este estudio, se han realizado 9 pruebas de desbaste mediante WEDM en una pieza de Inconel 718 de 20 mm de espesor en una máquina de electroerosión por hilo ONA AV35. En las pruebas se han variado la altura entre boquillas y la posición de la pieza respecto a éstas, la presión de dieléctrico, el uso o no del eje adicional y el estado de las tomas de contacto (nuevas o desgastadas). La geometría de los Fir Trees se muestra en la figura 2. Para la adquisición de las señales, se ha realizado un montaje experimental (Figura 2a) mediante sondas de tensión e intensidad conectadas a un osciloscopio. Hay que mencionar que las descargas eléctricas del proceso de electroerosión por hilo tienen una duración en torno al µs, son señales de frecuencias elevadas y es necesario el uso de equipamiento especializado para su captación. Ha sido necesario adquirir señales a 10MS/s en diferentes zonas de corte en cada una de las pruebas.

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Figura 2. a) Montaje realizado en máquina para la adquisición de señales. b) Imagen de la geometría de Fir-Trees mecanizados para el estudio.

Con el fin de extraer las características más significativas de las señales, las señales de corriente y tensión se posprocesan utilizando un algoritmo avanzado que se ha programado mediante Matlab. Este algoritmo procesa ambas señales conjuntamente para obtener todas las características de cada descarga. Entre las diferentes características de las descargas que se pueden obtener aplicando el algoritmo programado, se eligen para este estudio el tiempo de retardo de la descarga (td), la duración de la descarga (ton) y el valor del pico de corriente (Ipeak). A partir de estos valores se calculan los siguientes: media de todos los picos de intensidad de las descargas (Iave), frecuencia de chispeo (f) y porcentaje de cortocircuito (RSC).

Además de la adquisición de señales, en cada ensayo se ha medido el tiempo (la tasa de arranque de material), la precisión del perfil, la rugosidad y el espesor de capa blanca.

Resultados

Efecto de la altura entre boquillas y efecto de la presión de dieléctrico

Los resultados muestran que el procedimiento más eficiente para la fabricación es con mayor presión de dieléctrico y con la pieza colocada en la mesa de la máquina, pero este es un escenario ideal para la fabricación de un disco de Fir Trees. Si se realiza el estudio de la presión de dieléctrico en las señales adquiridas, cuando se utiliza una menor presión de dieléctrico, el valor de la intensidad de pico de las descargas se mantiene, pero la frecuencia de chispeo cae un tercio entre utilizar 18 bares o 2 bares. Esto hace que la tasa de arranque caiga en ese mismo orden.

Otras pruebas muestran que, si la altura de las boquillas aumenta, el tiempo de mecanizado sigue aumentando debido a la combinación de dos efectos: la disminución de la intensidad media y de la frecuencia media de chispeo. Cabe destacar que cuando la distancia a la boquilla inferior es superior a 100 mm, la frecuencia media de chispeo se mantiene constante, mientras que la intensidad media muestra que la energía sigue disminuyendo (la longitud del hilo aumenta y esto genera más resistencia). Este efecto podría ser la razón de la disminución de la tasa de arranque, y, por lo tanto, del aumento del tiempo de mecanizado.

Efecto del eje de rotación adicional

El uso de un eje de rotación adicional es necesario para la fabricación de un disco real, ya que un disco es una pieza de revolución con Fir Trees en todo su diámetro. Sin embargo, la suma de otro elemento al sistema tiene un efecto en la eficiencia. El uso del eje adicional convencional, sin ajustar ninguna condición de máquina, provoca la disminución de la intensidad media (%20) y de la frecuencia de chispeo (%11), manteniendo constante el porcentaje de cortocircuitos. Así, la energía total de descarga disminuye, afectando de forma negativa a la tasa de arranque.

Desgaste de las tomas de contacto

Las tomas de contacto cumplen una función muy importante para el correcto funcionamiento de la máquina, ya que son las encargadas de suministrar la corriente eléctrica al hilo. Utilizando una presión dieléctrica más baja, el efecto de las tomas de contacto resulta despreciable, ya que en ambos casos se obtienen una intensidad de pico y una frecuencia de descarga similares, siendo el tiempo de proceso el mismo. La diferencia del número de cortocircuitos es insignificante.

Sin embargo, cuando se utiliza una presión más alta, el desgaste de las tomas de contacto mejora el proceso en cuanto a la energía. Aunque el valor medio de la intensidad pico disminuye un 6,1% y el porcentaje de cortocircuitos aumenta, la frecuencia de chispeo se incrementa considerablemente (39,8%).

Impacto del retardo del hilo

Cuando se posicionan las boquillas a una distancia considerable la una de la otra, debido a la baja rigidez, el hilo sufre un retraso [3]. Esta deformación afecta a la precisión de las piezas, produciendo concavidad en las piezas altas. Este efecto también se ha analizado.

La frecuencia media de chispeo es ligeramente superior cuando la pieza está más cerca de la boquilla (inferior o superior). Sin embargo, la intensidad media de las chispas disminuye cuando la pieza se coloca más lejos de la mesa de la máquina. Cabe destacar que, en la altura media del hilo, el porcentaje de cortocircuito es el máximo obtenido en estas pruebas. Esto puede ser debido a la combinación de dos efectos: la peor condición de chispa porque la pieza se coloca más lejos de las boquillas y la alta vibración del hilo. Esto demuestra que cuando en el proceso debe mantenerse una distancia elevada entre boquillas, cuanto más cerca esté la pieza de la boquilla superior, más eficiente será el proceso en términos de MRR.

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Figura 3. Efecto de las condiciones industriales en el proceso.

Análisis de precisión e integridad de la superficie

La precisión de la pieza y la integridad de la superficie no son una prioridad en la fase de desbaste, ya que posteriormente se realizan los repasos. Sin embargo, si los valores obtenidos son muy elevados, pueden causar problemas para que los cortes de acabado alcancen valores aceptables. Por ello, en este apartado se ha realizado un pequeño estudio de estos aspectos.

A medida que aumenta la distancia entre las boquillas, aumenta la desviación máxima del perfil. Cuanto mayor es la altura entre las boquillas, más se deforma y vibra el hilo. Esto tiene un efecto negativo en la desviación del perfil. En cuanto al efecto de la deformación del hilo, se produce el mismo fenómeno. Si las boquillas se mantienen a la máxima distancia y la pieza se coloca a diferentes alturas, la zona media es la menos favorable, obteniendo la máxima desviación. En este punto, la deformación del hilo genera un retraso en su trayectoria y el perfil programado difiere del perfil generado. Las demás restricciones industriales (presión dieléctrica, eje adicional y alimentador de corriente) no afectan a la desviación del perfil.

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Figura 4. Efecto de las condiciones industriales en la precisión y rugosidad.

En cuanto a la rugosidad de la superficie, cabe destacar que la intensidad y la frecuencia de las descargas disminuyen con la altura. Esto hace que el contenido energético del proceso sea menor y por lo tanto que el tamaño del cráter sea menor. Sin embargo, la rugosidad es algo mayor, lo que sugiere que las vibraciones pueden hacer que la rugosidad también aumente. Por otra parte, el cambio en la presión dieléctrica no afecta ni a la desviación ni a la rugosidad. La inclusión de un eje de rotación adicional en el sistema no afecta significativamente al valor de la rugosidad. Sin embargo, el desgaste de las tomas sí que aumenta la rugosidad de la pieza.

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Figura 5. Imagen de la capa blanca generada en uno de los ensayos.

En general, el espesor de la capa blanca apenas varía entre las distintas pruebas. Esta capa tiene un aspecto irregular y su grosor es muy variable según las zonas (véase la figura 5), y como los valores son tan similares, se considera que las diferentes condiciones no afectan al grosor de capa obtenido. Los valores medios de la capa blanca de los diferentes ensayos varían entre 10 y 20µm. En cuanto a la composición, aunque dependiendo de la zona analizada varía, el análisis EDX muestra que además de elementos propios del material (Ni, Ti, Cr o Nb), también aparecen elementos del hilo (Cu y Zn) en la capa blanca.

Conclusiones

Este estudio ha sido muy valioso para determinar el efecto de las restricciones de corte de Fir Trees durante el desbaste mediante electroerosión por hilo. Uno de las condiciones que más afecta tanto al proceso como a la precisión es la altura entre boquillas, ya que ralentiza el proceso y genera mayores desviaciones. El efecto de las tomas de contacto no es tan obvio pero el hecho de incluir un eje adicional en maquina también tiene un efecto perjudicial.

Sin embargo, la mayoría de aspectos que se han analizado en el artículo, han sido resueltos por el fabricante de máquinas mediante trabajo tecnológico basado en la experiencia. En el proceso actual, se incluyen ciertas modificaciones que evitan este efecto nocivo al incluir un eje adicional y mediante montajes especiales, se evita que las boquillas deban mantenerse a tanta altura durante el corte. Hay que destacar, que tanto el sistema de adquisición de señales como el algoritmo desarrollado, han permitido proporcionar un conocimiento más científico del efecto de las restricciones industriales. Para futuros trabajos, el uso del algoritmo desarrollado puede ayudar a conocer otros aspectos del proceso y comparar el rendimiento de diferentes soluciones.

Referencias

[1] Bergs T, Smeets G, Seimann M, Doebbeler B, Klink A, Klocke F. Surface integrity and economical assess, emt of alternative manufactured profiled grooves in a nickel-based alloy. MIC 2018. Procedia Manufacturing 2018;18:112-119.

[2] Ayesta I, Izquierdo B, Flaño O, Sanchez JA, Albizuri J, Aviles R. Influence of the WEDM process on the fatigue behavior of Inconel 718. Int J Fatigue 2016;9:220-233.

[3] Conde A, Sanchez JA, Plaza S, Ramos JM. On the influence of wire-lag on the WEDM of low-radius free-form geometries. ISEM 2016. Procedia CIRP; 42:274-279.

La adquisición de datos durante el corte y su procesado puede dar valiosa información sobre la pieza
Tener el suficiente conocimiento y control sobre las condiciones industriales el proceso de WEDM en discos de turbinas es crucial para fabricar piezas según especificaciones

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