Historia y fundamentos de la electroerosión

El menos convencional de los mecanizados

I. Puertas Arbizu y C. J. Luis Pérez. ETSII e IT - Universidad Pública de Navarra.(Autores de los artículos encabezados con: Una revisión sobre el proceso de mecanizado por electroerosión)15/03/2003
En este trabajo se ha llevado a cabo un resumen de los aspectos teóricos más importantes que tienen que ver con uno de los procesos de fabricación no convencional con más proyección de futuro, dentro del campo industrial y de la ingeniería, como es el proceso de mecanizado por electroerosión.
El mecanizado por electroerosión es un proceso de fabricación que se engloba dentro de los del tipo de procesos de fabricación no convencionales y que está basado en la eliminación de material de una pieza mediante una serie de descargas eléctricas repetitivas (generalmente producidas por generadores de pulsos eléctricos a pequeños intervalos de tiempo), que tienen lugar entre una herramienta denominada electrodo y la pieza mencionada anteriormente; todo ello en presencia de un fluido dieléctrico. Este fluido hace posible evacuar las partículas erosionadas (principalmente con la forma de pequeñas esferas huecas) del gap, siendo de extrema importancia mantener esta limpieza de una forma continua.

El proceso de la electroerosión es, hoy en día, un proceso de fabricación utilizado en la industria para el mecanizado de alta precisión de todo tipo de materiales conductores tales como metales, aleaciones metálicas, grafito, cerámicas, entre otros, de cualquier dureza.

Como se ha comentado anteriormente, el mecanizado por electroerosión es llevado a cabo gracias a las descargas o chispas eléctricas que se producen entre dos electrodos sometidos a un voltaje eléctrico y sumergidos en un fluido dieléctrico. Así, el voltaje aplicado a ambos debe ser suficiente para crear un campo eléctrico de mayor valor que la rigidez dieléctrica del fluido utilizado en el proceso.

Básicamente, hay dos tipos diferentes de procesos de electroerosión: el proceso de electroerosión por penetración y el proceso de electroerosión de corte por hilo. En la electroerosión por penetración se reproduce en la pieza la forma de la herramienta utilizada (que se denomina electrodo), mientras que en el proceso de electroerosión de corte por hilo, un cable o hilo de metal (electrodo) es usado para cortar un contorno programado sobre la pieza.

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Historia y evolución

La electroerosión fue uno de los primeros procesos de fabricación no convencionales en desarrollarse, surgiendo como tal hace unos 50 años en la forma de una sencilla aplicación de la electroerosión por penetración (uno de los dos tipos más importantes del proceso). En general, la electroerosión puede compararse a lo que sucede cuando un rayo, en mitad de una tormenta, golpea el suelo con toda su fuerza.

La historia de la electroerosión se remonta al periodo de las dos guerras mundiales. Hasta entonces, prácticamente nadie había sido capaz de entrever el potencial de dicha tecnología, ya que se eliminaba igual cantidad de material del electrodo que de la pieza a mecanizar y, además, el mecanismo manual que controlaba el avance daba lugar a más situaciones de cortocircuito que de mecanizado estable. Durante este periodo inicial, la introducción de un sistema de vibración del electrodo, que mejoraba la tasa de eliminación del material, fue el primer intento de control de la distancia del gap. Pero hubo dos científicos de la antigua Unión Soviética que estaban convencidos de que se podían llevar a cabo muchas más mejoras en esta incipiente tecnología de la electroerosión. Los Doctores B. R. y N. I. Lazarenko fueron un matrimonio de científicos Rusos que inventaron el circuito de relajación, representado en la figura 1, además de un sencillo servo controlador que ayudaba a mantener constante la distancia del gap entre la herramienta y la pieza a mecanizar. Lo anterior constituyó un hito crucial en la historia de la electroerosión, ya que hizo que se redujeran las situaciones de cortocircuito y que el proceso se volviera más rentable económicamente.

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Figura 1. Circuito de relajación inventado por el matrimonio Lazarenko
Los dos tipos de procesos más importantes dentro de la electroerosión son el proceso de electroerosión por penetración y el proceso de electroerosión de corte con hilo. El proceso de electroerosión por penetración fue mejorado hacia el año 1940 con la aparición de los generadores de pulso, las técnicas de movimiento orbital y planetario, el control numérico y el mecanismo de control adaptativo. Desde las lámparas de vacío, pasando por los transistores hasta los actuales circuitos del estado sólido, no sólo fue posible controlar el tiempo de impulso, sino que también pudo controlarse el tiempo de pausa. Esto hizo que el circuito empleado en el proceso de la electroerosión fuera más preciso y fiable y, por consiguiente, favoreció el crecimiento y la mayor implantación de esta tecnología no convencional Houman [1] Poco Graphite [2].

Había diversos problemas que afrontar a la hora de realizar modelos matemáticos del proceso de la electroerosión, tales como la contaminación del gap así como el comportamiento hidrodinámico y termodinámico del fluido de trabajo empleado. Por lo tanto, obtener un modelo que tuviera en cuenta todos los resultados obtenidos a partir de la experimentación práctica era bastante difícil, lo que hizo, junto con la gran demanda de mercado existente (ver figura 2).

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Figura 2. Actividad de la EDM con el paso del tiempo
as investigaciones en el campo de la electroerosión tendieran hacia una vertiente de aplicación más pragmática del proceso. Hoy en día, la investigación también está encaminada a campos que tienen más que ver con la aplicación de dicha tecnología que con la búsqueda de un modelo unificado. Además, actualmente, el mercado de la electroerosión está en plena etapa de crecimiento, debido a la creciente popularidad del proceso en el sector de los procesos de fabricación y la influencia indirecta de las líneas de investigación y desarrollo, llevadas a cabo por diversos laboratorios.

La importante evolución que experimentó el proceso de la electroerosión mediante corte por hilo en los años 70 fue debida a la aparición de generadores con mejores prestaciones de potencia, nuevos electrodos de hilo, la mejora de las prestaciones mecánicas y de automatización de las máquinas, así como una mejora también de los procedimientos de limpieza del gap Gough [3]. Así, a lo largo de los años, la velocidad de trabajo del proceso de corte por hilo se ha incrementado hasta 20 veces el valor de la primera aplicación, mientras que los costes de mecanizado han disminuido, por lo menos, en torno a un 30%. Por otro lado, el acabado superficial se ha mejorado del orden de unas 15 veces mientras que los valores de la corriente de descarga se han multiplicado por 10 veces Jablonowski [4].

Diferentes teorías de la eliminación del material en la electroerosión

troerosión se basa en el efecto de la erosión de las descargas o chispas eléctricas que suceden entre dos electrodos. Según queda recogido en los estudios de Kahng [5] y de Rajurkar [6], se han formulado diversas teorías que intenten explicar este complejo proceso entre las que destacan:

  •  La teoría electro-mecánica
  •  La teoría termo-mecánica
  •  La teoría termo-eléctrica

La teoría electro-mecánica sugiere que la erosión de las partículas del material se produce como consecuencia de la intensidad del campo eléctrico que se genera. Dicha teoría postula que el campo eléctrico es el que separa las partículas del material ya que se superan las fuerzas de cohesión de la red del material. Esta teoría desatiende la ocurrencia de cualquier efecto térmico y la evidencia experimental carece de apoyos que sustenten la misma.

La teoría termo-mecánica sugiere la hipótesis de que la eliminación de material en el proceso de la electroerosión se atribuye a la fusión del material debido a las llamaradas (en la nomenclatura anglosajona se denominan como flame jets) que se forman a consecuencia de los diversos efectos eléctricos de la descarga. Sin embargo, esta teoría no concuerda con los resultados obtenidos de manera experimental y falla a la hora de dar una explicación razonable acerca del efecto de la erosión de la chispa eléctrica.

La teoría termo-eléctrica, que es la mejor sustentada de las tres por los datos experimentales, sugiere que la eliminación del material en el proceso de la electroerosión ocurre como consecuencia de la elevada temperatura que se genera debido a la alta intensidad de corriente de descarga. Aunque esta teoría se encuentra bien sustentada por la experimentación, no puede considerarse como la definitiva debido a dificultades en su interpretación.

Mecanismo del proceso de la electroerosión

Aunque no es absolutamente necesario comprender el mecanismo del proceso de la electroerosión para ser un buen operario en lo que respecta a los equipos de dicha tecnología, el conocimiento de lo que realmente sucede entre la pieza y el electrodo, es decir, la teoría de la electroerosión, puede ayudar a encarar la resolución de problemas tales como la selección de las adecuadas combinaciones del material del electrodo y material de la pieza a mecanizar, o de por qué las condiciones que son óptimas en una determinada situación no lo son para otra.

Como se ha citado anteriormente, existen diversas teorías acerca del proceso pero es el modelo termoeléctrico el que mejor ha quedado sustentado por la experimentación práctica. En las siguientes figuras se representa, paso a paso, lo que se cree que realmente sucede durante un ciclo del proceso de la electroerosión. Werner [7], Kahng [8] y Poco Graphite [9].

El electrodo cargado se acerca a la superficie de la pieza a mecanizar, habiendo entre ambos un aceite aislante que se conoce con el nombre de fluido dieléctrico. Aunque un fluido dieléctrico es buen aislante, una diferencia de potencial lo suficientemente elevada puede producir que el fluido se rompa dando lugar a fragmentos iónicos que permiten que se establezca un paso de la corriente eléctrica entre el electrodo y la pieza de trabajo. La presencia de las partículas metálicas y de grafito que se encuentran en suspensión en el fluido dieléctrico pueden ayudar a la anterior transferencia eléctrica de dos formas diferentes. Por un lado, las partículas, que son conductores eléctricos, ayudan en la ionización del aceite dieléctrico y, además, pueden transportar la carga eléctrica directamente. Por otro lado, dichas partículas pueden hacer la función de catalizador en la ruptura eléctrica del fluido. Así, el campo eléctrico creado es mayor en el punto donde la distancia entre el electrodo y la pieza es menor. En esta fase del proceso (ver la figura 3),

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Figura 3. Fase 1 del ciclo del proceso de la electroerosión


En la siguiente fase (ver la figura 4), mientras que aumenta el número de partículas iónicas, las propiedades aislantes del fluido dieléctrico comienzan a disminuir a lo largo de un estrecho canal, que se sitúa donde el valor del campo eléctrico es más elevado. Es justo en este momento cuando la diferencia de potencial alcanza su valor máximo, siendo el valor de la intensidad de corriente todavía nulo.

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Figura 4. Fase 2 del ciclo del proceso de la electroerosión
Según puede observarse en la figura 5, se establece el paso de una corriente eléctrica ya que el fluido deja de comportarse como aislante. Además, la diferencia de potencial comienza a disminuir.
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Figura 5. Fase 3 del ciclo del proceso de la electroerosión
En la siguiente fase (ver figura 6), la cantidad de calor producida crece de una forma rápida, mientras que el valor de la corriente eléctrica aumenta y el valor de la diferencia de potencial continua disminuyendo. El calor generado vaporiza parte del fluido, de la pieza y del electrodo, haciendo que comience a formarse un canal de descarga entre el electrodo y la pieza.
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Figura 6. Fase 4 del ciclo del proceso de la electroerosión
En la figura 7 puede observarse cómo se origina una burbuja de vapor que intenta expandirse hacia fuera, quedando limitada su expansión por el movimiento de los iones hacia el canal de descarga. Dichos iones son atraídos debido al extremadamente intenso campo electromagnético que se genera. Al mismo tiempo, el valor de la corriente eléctrica continúa aumentando mientras que el de la diferencia de potencial sigue disminuyendo.
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Figura 7. Fase 5 del ciclo del proceso de la electroerosión
Hacia la fase del final del tiempo de impulso (ver la figura 8), la corriente eléctrica y la diferencia de potencial se estabilizan, mientras que la cantidad de calor y de la presión producidas en el interior de la burbuja de vapor alcanzan su valor máximo; al mismo tiempo, parte del material de la pieza es eliminado. La capa de material justo debajo de la columna de descarga se encuentra en estado de fusión, aunque permanece en su lugar debido a la presión de la burbuja de vapor. El canal de descarga está constituido ahora por un plasma formado a partir de material de la pieza, aceite dieléctrico y carbón vaporizados, debido al elevado valor de la intensidad de corriente que lo atraviesa.
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Figura 8. Fase 6 del ciclo del proceso de la electroerosión
En la fase del comienzo de tiempo de pausa (ver la figura 9), tanto el valor de la corriente eléctrica como el de la diferencia de potencial disminuyen hasta cero. Además, la temperatura disminuye rápidamente, colapsándose así la burbuja de vapor y produciendo que el material fundido sea expulsado hacia el exterior de la pieza a electroerosionar.
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Figura 9. Fase 7 del ciclo del proceso de la electroerosión
En la siguiente fase (ver la figura 10), nuevo fluido dieléctrico fluye hacia la zona que antes ocupaba el material arrancado, limpiándola de sus restos y templando la superficie de la pieza. El material de la pieza en estado de fusión pero que no es expulsado hacia el exterior, solidifica dando lugar a lo que se conoce con el nombre de la capa refundida (en la nomenclatura anglosajona se la denomina recast layer).
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Figura 10. Fase 8 del ciclo del proceso de la electroerosión
En la última fase del proceso de la electroerosión (ver la figura 11), el material expulsado solidifica en la forma de minúsculas esferas, dispersas en el dieléctrico, junto con pequeños trozos de carbón procedentes del electrodo (en el caso de que éste sea de grafito). El vapor sobrante sube hasta la superficie. Si el valor del tiempo de pausa fuera demasiado pequeño, los restos del material de la pieza y, en menor grado, del electrodo, que son los que forman la denominada viruta del proceso, se irían acumulando, haciendo así que la chispa se volviera inestable y pudiéndose dar lugar a una situación de arco eléctrico, de corriente continua, que podría estropear tanto el electrodo como la pieza. Con respecto al tamaño de las partículas de viruta producidas durante el proceso, los resultados experimentales indican que éste sigue una distribución estadística normal y que sus valores obtenidos se adaptan bastante bien al modelo teórico propuesto en sus trabajos por Rajurkar [10].

Existen también algunos estudios, tales como en Schumacher [11], en los que se afirma que la contaminación de la zona del gap de trabajo, debido a las partículas erosionadas en el proceso, tiene influencia sobre el proceso de ignición, la localización de la descarga eléctrica así como la anchura del gap.

Toda la anteriormente vista secuencia del proceso de la electroerosión representa un único ciclo del proceso que puede repetirse hasta 250 000 veces cada segundo. En cada momento, sólo puede estar ocurriendo un único ciclo.

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Figura 11. Fase 9 del ciclo del proceso de la electroerosión

Referencias bibliográficas

  1.   Houman, L., What’s New in Edm Power Supplies and Machines, Society of Manufacturing Engineers, 1973.
  2.   Poco Graphite, Inc., EDM Technical Manual, Poco Graphite Inc., 1993.
  3.  Gough, P.J.C., Advances in EDM technology, Sheet Metal Industries, Mayo 1979.
  4.  Jablonowski, J., What's New in EDMs?, Modern Plastics International, Marzo 1999.
  5.  Kahng, C. H.; Rajurkar, K. P., Fundamental Theories of the Parameters of Edm Process, Society of Manufacturing Engineers, 1977.
  6.  Rajurkar, K. P., Advances in Technology and Reserch of Edm, SME International Conference And Exposition (Michigan), Mayo 1989.
  7.  Werner, A. R.; Olson, P. C., EDM - A Metal Remoal Process, Society of Manufacturing Engineers, 1968.
  8.  Houman, L., What's New in Edm Power Supplies and Machines, Society of Manufacturing Engineers, 1973.
  9.  Poco Graphite, Inc., EDM Technical Manual, Poco Graphite Inc., 1993.
  10.  Rajurkar, K.P; Pandit, S.M., Formation and Ejection of EDM Debris, Journal of Engineering for Industry, Febrero 1986.
  11.  Schumacher, B.M.,About the Role of Debris in the Gap during Electrical Discharge Machining, Annals of the CIRP, 1990.
  12.  Crookall, J.R., An Analysis of EDM Utilisation in industrial Tooling Manufacture, Annals of the CIRP, 1978.
  13.  Rajurkar, K.P., Advances in Technology and Research of Edm, SME International Conference And Exposition ( Michigan), Mayo 1989.
  14.  Ahmed, M.S., Edm Finds a new Role in Manufacturing, SME International COnference and Exposition ( Michigan), Mayo 1989.
  15.  Risko, DG., Machining of Forging Dies Using Electrolytic Machining and Electro Discharge Machining, Forging Technology COnference ( Michigan), Agosto 1992

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