Guía del proceso de mecanizado por descarga eléctrica (EDM)

Las chispas eléctricas de alta tensión erosionan la superficie de la pieza de trabajo o recortan el contorno mediante la evaporación de materiales. Esto convierte al mecanizado por descarga eléctrica en uno de los métodos más precisos para el mecanizado de metales. Este método elimina material de la pieza de trabajo y, al mismo tiempo, crea una textura.

Introducción al proceso

El mecanizado por descarga eléctrica (EDM) ha revolucionado la fabricación de moldes y la creación de prototipos metálicos. Este proceso es de gran precisión y puede utilizarse para mecanizar metales y crear texturas superficiales. El EDM es el método ideal para fabricar moldes utilizados en el moldeo por inyección y otros procesos de moldeo de plásticos. La fabricación de moldes es el principal campo de aplicación de este proceso.

Existen dos tipos de procesos EDM: el EDM por electroerosión de hundimiento (también conocido como electroerosión por chispa) y el EDM por hilo (también conocido como electroerosión por hilo). El primero se puede utilizar para taladrar agujeros, crear texturas superficiales y mecanizar geometrías complejas en el interior de piezas metálicas. El segundo funciona de manera similar al corte de espuma de polímero con un hilo caliente y se utiliza para mecanizar contornos internos y externos con bordes paralelos o cónicos. En conjunto, estos procesos ofrecen a los metalúrgicos numerosas oportunidades para demostrar sus habilidades.

Aplicaciones típicas

Los equipos DEM son muy caros, por lo que su uso se limita a aplicaciones que requieren un mecanizado de alta precisión, el mecanizado de acero templado y otros metales que no son aptos para el mecanizado CNC. Su uso se ha generalizado en la industria de la fabricación de moldes para el moldeo por inyección, la fundición de metales y la forja. También se utiliza en la fabricación de maquetas, la creación de prototipos y la producción de lotes pequeños, normalmente de no más de 10 piezas.

Procesos relacionados

El EDM se utiliza a menudo junto con el mecanizado CNC. Los electrodos (moldes) empleados para el electroerotión por penetración del EDM se fabrican mediante técnicas tradicionales de metalurgia (figura 1).

Figura 1: En estos moldes para el troquelado por hundimiento EDM, el brillo del metal vaporizado negro delata la zona de corte.

Sin embargo, en ocasiones los moldes complejos se cortan mediante electroerosión por hilo (EDM), y ambos procesos también pueden combinarse (figura 2).

Figura 2: Este molde de tamaño muy reducido para el proceso de electroerotión por hilo EDM se ha fabricado mediante el proceso de electroerotión por hilo EDM. En comparación con el mecanizado tradicional, esta pieza es demasiado pequeña y compleja.

En los ámbitos de aplicación que requieren características internas precisas y complejas, el mecanizado por electroerosión de hundimiento con EDM ha sustituido al mecanizado con CNC. Se utiliza el EDM porque permite crear formas geométricas que resultan difíciles o incluso imposibles de conseguir con otros procesos. El mecanizado de las características internas de las piezas, especialmente las fabricadas con metales duros, resulta prácticamente inviable con el mecanizado CNC. Esto se debe a que requiere herramientas de corte muy precisas, y estas herramientas se desgastan rápidamente.

Entre las alternativas al alambre EDM se incluyen el corte por chorro de agua, el corte por láser y la soldadura por haz de alta energía para determinados procesos de conformado y taladrado. Todos estos procesos conllevan unos elevados costes de equipamiento, por lo que la elección depende principalmente del equipamiento disponible. El alambre EDM es adecuado para piezas de hasta 200 mm de espesor y, además, requiere una alta precisión dimensional, paredes cortadas en paralelo y texturas superficiales controlables.

Calidad

La calidad de las piezas mecanizadas con EDM es muy alta. Pueden utilizarse para fabricar moldes de moldeo por inyección sin necesidad de ninguna otra operación de acabado. La rugosidad superficial se mide según la escala VDI de la Asociación Alemana de Ingenieros (Figura 3). La escala VDI equivale a una rugosidad media (Ra) de entre 0,32 y 18 μm. Muchos de los productos de plástico que nos rodean hoy en día se fabrican con moldes conformados y tratados superficialmente mediante el proceso EDM.

Figura 3: La escala VDI se utiliza para medir la textura de la superficie.

La calidad de la superficie y la textura resultante vienen determinadas por la velocidad de corte y la tensión. Una tensión elevada y una velocidad de corte alta producen una textura rugosa. Una tensión más baja, una velocidad de corte más lenta y un mayor número de pasadas dan como resultado una textura superficial más fina. Las piezas pueden fabricarse con una precisión de hasta 5 μm.

Oportunidades de diseño

Para los diseñadores, la principal ventaja de este proceso es la capacidad de cortar metal y aplicar textura simultáneamente. Las texturas, tanto mates como brillantes, suelen aplicarse tras el mecanizado mediante técnicas de chorro de arena o fotograbado. Las texturas finas generadas por el EDM vienen determinadas por los ajustes de la máquina y no requieren ningún procesamiento adicional. Estos procesos pueden utilizarse para producir geometrías que no se pueden conseguir mediante el mecanizado tradicional. Por ejemplo, los cabezales guía de muchas máquinas de hilo EDM pueden moverse de forma independiente durante el corte. La ventaja es que se pueden cortar con extrema precisión conos complejos de hasta 30°, lo que no es posible con otras técnicas de mecanizado.

El electroerotión por penetración EDM permite crear geometrías internas en piezas que no se pueden conseguir con el mecanizado tradicional. Esto se debe a que el electrodo negativo de cobre puede mecanizarse con una forma que no coincide con la cavidad. El electrodo negativo (el molde) se reproduce en la pieza de trabajo, creando ángulos agudos y formas complejas. La corrosión del electrodo de cobre (la herramienta) es mucho más lenta que la de la pieza de trabajo (0,1%), por lo que los radios internos pequeños y las características complejas se reproducen con la misma precisión que las geometrías simples.

El hilo EDM se utiliza de forma muy similar al corte de espuma polimérica con hilo caliente, aunque es más preciso y tiene un ciclo de procesamiento más largo. El equipo requiere un alto nivel de destreza en su manejo.

Durante el proceso, no se aplica ninguna tensión al electrodo (molde o alambre) ni a la pieza de trabajo, ya que el metal no se conforma mediante fuerza. En su lugar, se conforma mediante la evaporación de la superficie a través de chispas de alta tensión. Además de esta ventaja evidente, esta tecnología de procesamiento también ofrece numerosas ventajas de fabricación. Por ejemplo, en el caso del alambre EDM, se pueden apilar varias piezas de pared delgada, lo que permite reducir el tiempo de procesamiento.

Descripción técnica del troquelado por electroerosión EDM

En el electroerotión por penetración EDM, el electrodo (molde) y la pieza de trabajo se sumergen en un aceite ligero similar a la parafina. Este fluido circula de forma continua. Permite mantener estable la temperatura de la pieza de trabajo y eliminar los materiales evaporados. Además, es aislante, lo que aísla la zona de trabajo y mantiene la descarga electrostática en el interior.

El electrodo de cobre (herramienta) y la pieza de metal entran en contacto directo, lo que da lugar al mecanizado por electroerosión. Las chispas eléctricas de alta tensión saltan del electrodo al metal. Las chispas van y vienen entre los puntos más cercanos del electrodo y la pieza, lo que da lugar a una eliminación continua y uniforme del material superficial.

Descripción técnica del alambre – EDM

En este proceso, el alambre de electrodo, normalmente de cobre o latón, se coloca entre la bobina de alimentación y la bobina receptora. Se le aplica alta tensión y se producen descargas eléctricas a medida que el alambre de electrodo atraviesa la pieza de trabajo. Al igual que en el electroerosionado por penetración EDM, las chispas eléctricas se producen en el espacio más pequeño entre los metales. Se generan miles de chispas por segundo, lo que provoca la evaporación de una cantidad muy pequeña de metal de la superficie de la pieza de trabajo. El hilo electrodo no se recicla, sino que se sustituye continuamente para mantener la precisión del proceso de mecanizado.

Este proceso se lleva a cabo con el material sumergido en agua desionizada a una temperatura constante de 20 °C. El agua fluye de forma continua para eliminar los residuos y se recicla mediante un sistema de filtración.

La guía de alambre superior puede desplazarse a lo largo de los ejes x e y, lo que permite un ángulo de corte máximo de hasta 30°.

Consideraciones de diseño

Aunque estos procesos pueden crear radios internos de tan solo 30 μm, a menudo se utilizan radios mayores. El objetivo es evitar la concentración de tensiones. En la mayoría de las aplicaciones, el diámetro interior no suele tener que ser superior a 500 μm. El diámetro interior mínimo viene determinado por el grosor del alambre del electrodo. El diámetro del alambre del electrodo oscila generalmente entre 50 y 300 μm.

El espesor de los materiales que pueden procesarse con la máquina de electroerosión por hilo EDM varía entre 0,1 mm y 200 mm. Esto depende de las capacidades del equipo. En el caso de las máquinas de electroerosión por penetración EDM, la profundidad que pueden alcanzar viene limitada por la facilidad con la que se puede eliminar el metal vaporizado (polvo negro). Por lo tanto, la profundidad máxima está relacionada con la relación entre la profundidad y el diámetro. Es posible realizar contornos muy profundos, pero ello requiere un lavado adicional, lo que alarga el ciclo de procesamiento.

Durante el funcionamiento, no se requiere presión alguna. El electrodo se hunde lentamente en la pieza de trabajo. La velocidad de procesamiento depende del tratamiento superficial que se necesite. Para un tratamiento de superficie muy rugoso, la velocidad puede oscilar entre 2 mm³ por minuto y más de 400 mm³ por minuto. Cuando el molde se hunde en la pieza de trabajo, gira constantemente y desciende en espiral. Esta acción elimina los materiales evaporados de la zona de corte y garantiza que el material se elimine de forma uniforme y eficaz.

Materiales adecuados

Muchos metales pueden conformarse mediante el troquelado por hundimiento EDM. La dureza del material no influye a la hora de utilizar este método. Metales como el acero inoxidable, el acero para herramientas, el aluminio, el titanio, el latón y el cobre suelen conformarse de esta manera.

Costos de procesamiento

Alambre: el proceso EDM no requiere molde. Sin embargo, el alambre del electrodo se va consumiendo continuamente durante el proceso, por lo que hay que sustituirlo.

Los moldes para el troquelado por penetración de EDM suelen estar fabricados con aleaciones de cobre. Pueden fabricarse mediante mecanizado tradicional o por electroerosión por hilo (EDM). Los moldes no son muy caros, pero para piezas de gran precisión se necesita un molde nuevo para cada operación.

Hay diversos factores que pueden influir en el ciclo de procesamiento del electroerosionado por penetración EDM. En el caso del electroerosionado por hilo EDM, el ciclo depende del grosor del material. Los materiales más gruesos requieren más potencia y consumen más hilo de electrodo. Por ejemplo, si se corta una pieza de acero templado de 36 mm a una velocidad de 1,5 mm por minuto, se obtendrá un acabado mate uniforme. Reducir la velocidad de corte o realizar más pasadas dará como resultado una textura más fina. Acortar el ciclo de procesamiento dará lugar a una superficie más rugosa.

Del mismo modo, el ciclo de mecanizado del troquel de hundimiento EDM viene determinado por el área de corte y la rugosidad superficial requerida. Por lo general, cuando la velocidad de mecanizado es de 4 mm³ a 400 mm³ por minuto, la geometría interna resultará rugosa, lo que implica que se obtendrá una superficie rugosa. Si posteriormente se utiliza un molde nuevo, el ciclo de corte será mucho más largo. Cuando la velocidad de mecanizado es de 2 mm³ por minuto, se puede conseguir una superficie muy fina. Por lo tanto, las texturas superficiales finas son más adecuadas para superficies más pequeñas.

Impacto ambiental

Este proceso requiere una gran cantidad de energía para vaporizar la pieza metálica y no necesita tratamientos adicionales, como el chorro de arena o el fotograbado.

El fluido dieléctrico puede reciclarse de forma continua, y los electrodos metálicos también son aptos para el reciclaje. Sin embargo, el proceso de funcionamiento genera humo, lo que puede suponer ciertos riesgos.

Estudio de caso

Caja de matrices – EDM

Este proceso se utiliza ampliamente en la fabricación de moldes. Además de mecanizar toda la cavidad para el moldeo por inyección, se emplea a menudo para modificar moldes ya existentes. También puede utilizarse para taladrar orificios o grabar texturas y motivos en la superficie. En este caso, RAPID PROTOS está creando una cavidad que se forma directamente en la superficie de acero con alto contenido en carbono (Figura 1). Sin utilizar el mecanizado por electroerosión de hundimiento EDM, es imposible producir cavidades complejas y precisas en metales duros.

El electrodo de aleación de cobre (molde) se inserta en el mandril (Figura 2). La máquina de electroerosión por penetración EDM se programa con los parámetros necesarios para el molde. La zona negra muestra la parte del molde expuesta a la erosión por chispa. Cada molde puede utilizarse 5 veces antes de ser sustituido. Si se requiere un alto nivel de precisión, es necesario mecanizar moldes nuevos para cada operación de electroerosión por penetración, incluidos los moldes de desbaste y los de acabado.

El molde y la pieza de trabajo se introducen y se sumergen en un fluido dieléctrico similar a la parafina (figura 3). De hecho, la parafina se utilizaba antiguamente como líquido aislante hasta que se desarrolló este fluido dieléctrico.

Durante el proceso de corte en bruto, se producen chispas eléctricas y humo (Figura 4). Los electrodos de cobre conducen corriente eléctrica. Cuando se encuentran muy cerca de la pieza de trabajo, la corriente salta a la pieza, que tiene carga opuesta. Se producen miles de chispas por segundo. Cada chispa evapora una pequeña parte del material de la superficie.

El arco saltará a lo largo de la distancia más corta entre el electrodo y la pieza de trabajo, lo que garantiza una eliminación uniforme de la superficie metálica. En la fase de desbaste, se eliminan unos 400 mm³ de metal por minuto, y la superficie resultante es muy rugosa (Figura 5).

La segunda fase del proceso es mucho más lenta. En este caso, se evaporan 50 mm³ de metal por minuto (figura 6). Esto da lugar a una textura superficial más fina (figura 7). Se trata de una cavidad relativamente poco profunda. El molde de hundimiento EDM también se puede utilizar para dar forma a cavidades muy profundas.

Estuche para cables – EDM

A diferencia del troquelado por hundimiento EDM, que se utiliza para formar ranuras internas, el alambre EDM se emplea para cortar contornos tanto internos como externos. El alambre para EDM se mantiene bajo tensión para cortar líneas rectas. Los cabezales guía se desplazan uno al lado del otro y de un lado a otro a lo largo de los ejes x e y para formar contornos. También se mueven de forma independiente a lo largo del eje x y de otro eje (probablemente se trate de un error ortográfico; podría ser el eje z en el contexto del 3D) para formar conicidades. El alambre funciona como el molde de cobre utilizado en el troquelado por hundimiento EDM, y suele estar fabricado con una aleación de cobre.

En este caso, hay numerosas operaciones de corte. Esta serie de figuras muestra una de las operaciones, y su principio puede aplicarse a todas las demás operaciones de corte por hilo (EDM). La pieza de acero de alto contenido en carbono parcialmente mecanizada (Figura 1) se coloca en la fijación y se sujeta firmemente. Se perfora un pequeño orificio para que el alambre electrodo pueda pasar a través de él automáticamente (figura 2).

El cabezal guía se aproxima a la pieza de trabajo para un posicionamiento preciso. Tanto la pieza de trabajo como el hilo electrodo se sumergen en agua desionizada, que actúa como aislante (Figura 3). Una vez sumergidos, comienza el proceso de corte (Figura 4). Se trata de un proceso largo. En este caso, al cortar una pieza de 36 mm a una velocidad de procesamiento de 15 mm por minuto, este proceso producirá el efecto superficial deseado.

Todo el proceso de corte dura unas 2 horas. A continuación, se extrae la pieza y se limpia (Figura 5). La precisión de la pieza se puede medir con un micrómetro (Figura 6). En el producto acabado se puede identificar el corte, es decir, desde el orificio pretaladrado hasta el punto en el que se corta el alambre en la superficie de corte (Figura 7). A la izquierda se ve la pieza antes del corte, en el centro la pieza acabada y a la derecha el material retirado.