elettroerosione con approfondimento sulla elettroerosione a filo

Elettroerosione
a filo
Elettroerosione
(Electrical Discharge Machining)
Asportazione di materiale per una successione di piccole scariche elettriche che avvengono fra il materiale
da lavorare ed un elettrodo ‘adeguato’
Scintille
-
interruttori
MCI (motori a combustione interna)
puntine platinate
eliminazione di punte elicoidali e maschi rotti in servizio e rimasti intrappolati nei pezzi
Utensile sagomato -> impronta -> EDM a tuffo
Utensile filo -> taglio lineare -> WEDM
Il processo è indipendente dalla durezza del materiale in lavorazione
Circuito a rilassamento Lazarenko
V
Vo
t
Legge di carica del condensatore:
V(t) = Vo ( 1 - e
Energia di scarica del condensatore: E = 1/2 C Vs2
(Vs tensione di scarica, variabile aleatoria)
Osservazioni:
• Correnti molto alte (1000 A)
• toff lunghi
• Danneggiamento utensile e materiale
-t/RC)
I
t
Miglioramenti al circuito di Lazarenko
Inserimento all’interno del
circuito, a valle della capacità,
di un transistor che permette
di far passare corrente per il
tempo e per l’intensità voluta
transistor
Si raggiunge l’obiettivo di:
- ridurre la Imax
- aumentare ton
- diminuire la temperatura
- diminuire l’usura dell’utensile
Meccanismo della scarica
• ignizione
• fusione vaporizzazione
• lavaggio
Nota: l’ambiente in cui avviene la
scarica in queste figure è idealizzato.
Le due areole tra le quali scocca la
scarica si localizzano in funzione delle
rugosità superficiali degli elettrodi,
delle condizioni del dielettrico e di
quanto reca in sospensione.
Fase 1. Aumento della tensione. Si forma un campo elettrico nella posizione di minore resistenza (minore distanza
e/o maggiore conducibilità).
Fase 2. Si forma un ponte di particelle a carica negativa emesse dal catodo. Parziale ionizzazione del dielettrico.
Fase 3. Termina l’effetto isolante del fluido dielettrico. La tensione diminuisce e inizia il passaggio di corrente.
Ionizzazione.
Fase 4. Le particelle con carica negativa e positiva migrano rispettivamente verso l’anodo ed il catodo. La corrente
aumenta e la tensione diminuisce. Inizia a formarsi un canale di vapore e incomincia il processo di fusione.
Fase 5. Il canale di scarica si espande, la tensione e la corrente iniziano a stabilizzarsi. Aumento della
temperatura (4000-10000 °C) e della pressione del vapore (fino a 20 MPa).
Fase 6. La scarica elettrica e il calore arrivano alla massima intensità. La bolla di vapore si espande. A questo
punto il circuito elettrico viene aperto.
Fase 7. Cessa la generazione di calore per la caduta della corrente. Il canale di scarica rapidamente scompare. Il
metallo vaporizzato si solidifica rapidamente nel fluido dielettrico sotto forma di microsfere cave, quello fuso si
solidifica in microsfere piene.
Fase 8. implode generando un’azione dinamica che ha l’effetto di proiettare il metallo fuso all’esterno del cratere.
Fase 9. il debris è costituito da particelle di metallo, carbonio (dalla scissione del dielettrico) e gas. Viene chiuso il
circuito per dare inizio all’impulso successivo.
Modalità di asportazione nel tempo
Tuffo
- dielettrico: idrocarburi liquidi, oli al
silicone
- deionizzabilità bassa,
- tempi lunghi,
- limitata usura del’utensile.
Filo
-
dielettrico acqua,
buona deionizzabilità,
frequenze elevate,
alta usura filo,
necessità rinnovo
Osservazioni:
• Si usa acqua deionizzata anche nella rettifica a tuffo con utensili a filo per fare piccolissimi fori. Si ovvia al
consumo recidendo l’estremità consumata del filo.
• Nella rettifica a tuffo ogni volta che si devono praticare forature passanti conviene che l’utensile termini in
punta perché questo aumenta la velocità di lavorazione.
La velocità di rimozione agli elettrodi è differente e dipende da polarità, temperatura di fusione dei
metalli, durata e intensità delle scariche.
Elettroerosione a tuffo (EDM): si usa polarità diretta
(CATODO: materiale; ANODO: utensile); ton > 30 μs
Elettroerosione a filo (WEDM): si usa polarità inversa
(CATODO: utensile; ANODO: materiale); ton ≅ 2 μs
Volume asportato
al catodo
Volume asportato
all’anodo
Caratteristiche degli utensili e scelta dei materiali più idonei alla loro fabbricazione
Le funzioni che l’utensile deve assolvere sono:
• non subire eccessiva erosione durante la lavorazione
• consentire il passaggio di corrente elettrica
Le proprietà che l’utensile deve avere sono:
• elevata conducibilità elettrica e termica
• elevato punto di fusione
• facilmente lavorabile alle MU
Un indice di qualità idoneo a valutare la scelta più opportuna del materiale costituente l’utensile
per la specifica lavorazione da eseguire può essere espresso mediante la seguente relazione:
(
2
)
= (
2
)
Materiali metallici
-
Rame: ha una buona resistenza all’erosione, è facilmente lavorabile. Costo = 1.
Leghe Cu-W/Cu-Ag: Vengono usati in fori profondi con scarso apporto di dielettrico. Costo =
18÷100.
Leghe di Al: per la realizzazione di cavità 3D di grosse dimensioni, finitura superficiale scarsa
Acciaio: rendimento inferiore. Applicazioni nelle lavorazioni acciaio-acciaio (stampi per materie
plastiche, pressofusione leghe leggere, matrici per def plastica)
Materiali non metallici
Grafite: è il materiale più utilizzato perché facilmente lavorabile. Si realizzano facilmente fori per il
passaggio del dielettrico. Costo = 2.5÷10.
Vantaggi:
-Insensibilità agli sbalzi termici
-Facilmente lavorabile
-Bassa densità
Materiali combinati
Svantaggi:
-abrasivi
-formano polveri durante la lavorazione
-sono più fragili
Cuprografite: grafite con porosità riempite di rame.
Tutti i pregi della grafite e inoltre sono più lavorabili e
meno fragili.
Svantaggi della grafite ed in più elevato costo produttivo
Osservazioni:
• L’usura degli utensili crescere al diminuire della conducibilità termica, e all’ aumentare delle
temperature di cambiamento di stato e dei relativi calori latenti.
• L’usura è concentrata nei vertici e negli spigoli; scariche laterali consumano lateralmente l’utensile
per cui le cavità prodotte presentano una certa conicità.
• Si definiscono i rapporti di usura per le varie localizzazioni dell’utensile. Il rapporto globale di usura
è definito come volume di materiale asportato dal pezzo per unità di materiale di utensile perduto. Si
va da 100 ÷ 1 a 0,05 ÷ 1.
• Per forature passanti, qualora le dimensioni lo consentano, è sempre più veloce la procedura per
carotaggio utilizzando un utensile cavo.
• Per forature passanti con sezione prismatica si
ovvia all’usura attraverso il refeed (processo
automatico di rimpiazzo per avanzamento della
parte usurata dell’utensile; detto processo è
compiuto dal servosistema.
Elettroerosione a filo
meccanismo
Un filo di diametro 0,05 ÷ 0,3 mm funge da elettrodo, svolgendosi da
una bobina e avanzando longitudinalmente mentre il moto di lavoro è
rappresentato dall’ avanzamento trasversale nel quale si “apre” una
strada attraverso il pezzo consistente perlopiù in una lastra metallica.
Il percorso del moto di avanzamento determina il profilo del pezzo da
ottenersi e viene controllato e guidato da calcolatore.
Il gap non è in stato di immersione nel fluido ma viene continuamente
inondato con una corrente di acqua deionizzata.
Il gap vale 0,025 ÷ 0,05 mm ed è tenuto costante da un sistema di
controllo computerizzato.
La macchina è costituita da 4 sottosistemi:
• posizionatore
• guidafili
• sorgente di potenza
• sistema del dielettrico
macchina
• Posizionatore: tavola a 2 assi controllati a controllo numerico e, in certi casi, sistema posizionante del filo
multiassiale. Deve operare in controllo adattativo per assicurare la costanza del gap: in caso di corto
circuito il sistema percepisce e fa retrocedere lungo il percorso programmato per ristabilire le condizioni
volute.
Velocità lineari: meno di 100 mm/h nel taglio di acciaio di spessore 25 mm. Questa lentezza fa si che
arresti e riprese non siano tanto incisivi quanto nei processi ad alta velocità.
Processi senza operatore possono durare anche 20 ore: si prevedono batterie di supporto in caso di
sospensione dell’energia di rete. Se dovesse mancare l’energia, il sistema automaticamente riparte dalla
posizione giusta senza intervento umano.
• Guidafili: il filo si rinnova continuamente avanzando sotto tensione meccanica costante in modo da
evitare conicità, segni di lavorazione, rotture di filo e tracce di vibrazione. Esistono numerosi tenditori
posizionati in vario modo per dare e controllare la giusta tensione: funzionano come un “volano” per
proteggere la zona di lavoro da disturbi possibili dovuti all’avanzamento del filo. All’attraversamento del
pezzo il filo ha guide di zaffiro o di diamante.
Esistono meccanismi di reinfilamento automatico del filo dopo la rottura, il che incrementa molto la
produttività e consente alle macchine di lavorare senza intervento umano.
Diametri del filo:
- 0,15 ÷ 0,30 mm per ottone
- 0,03 ÷ 0,15 mm per acciaio al molibdeno
La maggior parte delle scariche si ha sulla superficie anteriore del
filo avanzante: questo dunque non resta a sezione circolare dopo
una passata e deve essere scartato.
Esistono metodi di controllo dell’angolo del filo con il piano della
lastra per produrre tagli dell’inclinazione voluta. Possono
ottenersi in tal modo forme complicatissime come strutture a
generatrici inclinate e con sezioni quadrate in alto e circolari alla
base.
• Sorgente di potenza: la più grande differenza rispetto all’elettroerosione a tuffo è la frequenza molto più
elevata degli impulsi, dell’ordine del MHz, il che assicura che ogni scintilla asporti meno materiale
possibile, riducendo le dimensioni dei crateri. Le superfici sono estremamente lisce.
Il filo è sottilissimo quindi può portare correnti limitate. Questi generatori di rado superano i 20 ampere.
• Sistema del dielettrico: si usa acqua deionizzata per
- bassa viscosità,
- alta refrigerazione,
- alta velocità di ablazione,
- nessun rischio di incendio.
La bassa viscosità è necessaria per pulire un gap molto stretto.
Un raffreddamento efficiente rende sottilissimo lo strato superficiale rifuso.
Si può asportare molto materiale ricorrendo all’acqua nonostante la concomitante usura dell’utensile in
quanto il filo non si riutilizza (è questo il motivo per cui non si usa acqua nell’elettroerosione a tuffo).
La non infiammabilità è un pregio per un processo che procede senza sorveglianza.
L’alimentazione nella zona di lavoro si ha attraverso un getto orientato all’interfaccia di taglio, spesso
coassialmente al filo. L’acqua viene riutilizzata dopo filtrazione e attraversamento di una cartuccia
deionizzatrice che ne restaura le condizioni. Si possono aggiungere additivi antiruggine quando si devono
lavorare per lunghi periodi pezzi di acciaio.
Parametri di processo
La velocità lineare è legata allo spessore del materiale in lavorazione e non alla forma del taglio, esempio:
• 38 ÷ 115 mm/h in acciao spesso 25 mm,
• 20 mm/h in acciaio spesso 76 mm
Velocità assiale del filo: 8 ÷ 42 mm/s
Gli inserti di carburo sinterizzato per utensili si lavorano con la più bassa tensione elettrica possibile per
evitare elettrolisi con ablazione selettiva del legante cobalto.
Parametri di taglio
• Elettrici
• Geometrici
Corrente di scarica i
Tensione
V
Tempo accensione t ON e t OFF
Gap
Taper
• Velocità
• Dielettrico
• Utensile
Æ del filo
Forma del pezzo
Tavola
Filo
Dielettrico
Spessore
Materiale
Vb
Conducibilità
Fluidità
Materiale
Forma
sua durezza
1÷100 Ampere
10÷100 Volt
Variabili da 1 a 100 ? s
Variabile in sgrossatura
e finitura
Indica la forma del solco di taglio
( esempio la perpendicolarità
delle pareti ) e dipende dalla
presenza delle particelle staccate
dalle pareti.
1/100 1/10 di secondo
Qualche m/s (da 1 a 10)
Circa 1 m/s
Del pezzo ma non della
Tensione di rottura
Raffredda + o - velocemente
Raggiunge meglio tutti i punti
Si utilizzano acqua demineralizzata
olio di paraffina
oli leggeri
kerosene
Per filo Rame, leghe di rame, acciaio
Per tuffo Rame, leghe di rame, Ag-Cu, Grafite
Capacità di processo
Ottime finiture superficiali, opache a causa dei piccolissimi pozzetti lasciati dalle scariche. Questi hanno
attitudine a trattenere il lubrificante il che incrementa la durata di sistemi matrice-punzone.
Ordinariamente si arriva a rugosità 0,12 ÷ 0,25 μm; finiture migliori arrivano a 0,05 ÷ 0,12 μm, ottenute a
velocità di 380 mm/h.
Si ottengono precisioni dell’ordine di ± 0,007 mm; e con rigorosi controlli sull’uniformità del diametro del
filo e su temperatura e resistività del delettrico, si arriva a ± 0,0025 mm.
Le matrici di tranciatura fine e gli elettrodi per elettroerosione a tuffo sono esempi di parti prodotte con
tecniche di elettroerosione a filo.
Il raggio interno minimo prodotto è limitato solo dal diametro del filo.
Gli angoli esterni possono prodursi con raggi del filo dell’ordine di 0,038 mm.
Per produrre spigoli vivi si ricorre al seguente accorgimento:
spigolo smussato
spigolo vivo
Sistemi di controllo
L’elettroerosione, vista anche la lunga durata della lavorazione, deve poter essere svolta anche senza
presidio dell’operatore. Sono quindi necessari svariati accorgimenti per evitare danneggiamenti e
interruzioni.
La sorgente di potenza reca sensori che percepiscono la tensione elettrica elettrodo-pezzo.
Esiste una relazione tra la tensione e l’entità del gap che deve essere mantenuta costante nel corso
della lavorazione, durante l’avanzamento dell’elettrodo.
Durante la lavorazione occorre controllare tutti i parametri operativi:
• in caso di cortocircuito tra gli elettrodi il servomeccanismo fa retrocedere l’utensile evitando
danneggiamenti;
• in caso di mancanza di scariche per un certo tempo l’utensile viene fatto avanzare fino a
raggiungere la distanza utile perché la lavorazione proceda.
• in caso di rottura del filo può essere previsto un sistema di infilaggio automatico.
• pulizia dell’elettrodo (sistemi di filtraggio)
Esistono anche circuiti limitanti protettivi che si attivano ad esempio in caso di innesco di arco tra gli
elettrodi, predisponenti la sospensione dell’erogazione di potenza e l’invio di un segnale di
avvertimento all’operatore.
Rettifica con elettroerosione
• Mola di grafite: elettrodo sempre a polarità negativa.
• Zona di lavoro immersa in olio fluente al moto del quale contribuisce anche la rotazione della mola.
• Problemi di accumulo di detriti praticamente assenti.
• Frequenza: da 50 fino a 250000 Hz, per le migliori finiture.
• Processo adatto per sezioni sottili e materiali fragili.
• Attrezzatura:
- sorgente di potenza con presenza di
condensatore.
- sistema di erogazione e filtrazione del
dielettrico: tutto come in EDM convenzionale.
- movimento, montaggio mole e aspetto
macchina come nelle rettificatrici
convenzionali.
- servosistema: mantiene dinamicamente
la costanza del gap.
- mole: grafite di bassa qualità (diametri
100 ÷ 305 mm, larghezza 152 ÷ 0,25 mm)