Le scintille elettriche ad alta tensione erodono la superficie del pezzo o ne tagliano il contorno facendo evaporare i materiali. Ciò rende la lavorazione a scarica elettrica uno dei metodi più precisi per la lavorazione dei metalli. Questo metodo rimuove i materiali dal pezzo e crea allo stesso tempo una struttura.
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Introduzione al processo
L'elettroerosione (EDM) ha rivoluzionato la costruzione di stampi e la prototipazione dei metalli. Questo processo è estremamente preciso e può essere utilizzato per lavorare i metalli e creare texture superficiali. EDM è il metodo ideale per realizzare stampi utilizzati nello stampaggio a iniezione e in altri processi di stampaggio della plastica. La costruzione di stampi è il settore di applicazione più ampio di questo processo.
Esistono due tipi di processi EDM: l'elettroerosione a tuffo (nota anche come erosione a scintilla) e l'elettroerosione a filo (nota anche come erosione a filo). Il primo può essere utilizzato per forare, creare texture superficiali e lavorare geometrie complesse in profondità all'interno di parti metalliche. Il secondo funziona in modo simile al taglio di schiuma polimerica con un filo caldo e viene utilizzato per lavorare contorni interni ed esterni con bordi paralleli o conici. Insieme, questi processi offrono ai metalmeccanici numerose opportunità per mettere in mostra le proprie competenze.
Applicazioni tipiche
Le attrezzature DEM sono molto costose, quindi sono limitate ad applicazioni che richiedono lavorazioni ad alta precisione, lavorazione di acciaio temprato e altri metalli non adatti alla lavorazione CNC. È stato ampiamente adottato dall'industria degli stampi per lo stampaggio a iniezione, la fusione di metalli e la forgiatura. Viene inoltre utilizzato nella costruzione di modelli, nella prototipazione e nella produzione in piccoli lotti, di solito con non più di 10 pezzi.
Processi correlati
EDM viene spesso utilizzato insieme alla lavorazione CNC. Gli elettrodi (stampi) utilizzati per l'elettroerosione a tuffo EDM vengono lavorati con tecniche tradizionali di lavorazione dei metalli (Figura 1).
Figura 1: Su questi stampi per elettroerosione a tuffo EDM, la lucentezza del metallo vaporizzato nero mostra l'area di taglio.
Tuttavia, gli stampi complessi vengono talvolta tagliati utilizzando il filo – EDM, e i due processi possono anche essere combinati (Figura 2).
Figura 2: Questo stampo molto piccolo per elettroerosione a tuffo – EDM è stato tagliato utilizzando il processo a filo – EDM. Rispetto alla lavorazione tradizionale, questo pezzo è troppo piccolo e complesso.
Nei campi di applicazione che richiedono caratteristiche interne precise e complesse, l'elettroerosione a tuffo EDM ha sostituito la lavorazione CNC. EDM viene utilizzato perché può creare forme geometriche difficili o addirittura impossibili da ottenere con altri processi. La lavorazione delle caratteristiche interne dei pezzi, soprattutto quelli realizzati in metalli duri, è quasi impraticabile per la lavorazione CNC. Questo perché richiede utensili da taglio molto precisi e questi utensili si usurano rapidamente.
Le alternative all'elettroerosione a filo EDM includono il taglio a getto d'acqua, il taglio laser e la saldatura a fascio ad alta energia per alcuni processi di formatura e foratura. Tutti questi processi hanno costi di attrezzature elevati, quindi la scelta dipende principalmente dalle attrezzature disponibili. Il filo EDM è adatto per pezzi fino a 200 mm di spessore e richiede inoltre un'elevata precisione dimensionale, pareti di taglio parallele e texture superficiali controllabili.
Qualità
La qualità dei pezzi lavorati con EDM è molto elevata. Possono essere utilizzati per produrre stampi per stampaggio a iniezione senza altre operazioni di finitura. La rugosità superficiale viene misurata secondo la scala VDI dell'Associazione degli Ingegneri Tedeschi (Figura 3). La scala VDI equivale a una rugosità media (Ra) di 0,32 – 18 μm. Molti prodotti in plastica che ci circondano oggi sono realizzati con stampi formati e trattati superficialmente da EDM.
Figura 3: La scala VDI viene utilizzata per misurare la texture superficiale.
La qualità superficiale e la texture risultante sono determinate dalla velocità di taglio e dalla tensione. L'alta tensione e l'elevata velocità di taglio producono una texture ruvida. Una tensione più bassa, una velocità di taglio più lenta e più passate producono una texture superficiale più fine. I pezzi possono essere prodotti con una precisione fino a 5 μm.
Opportunità di progettazione
Per i progettisti, il principale vantaggio di questo processo è la capacità di tagliare il metallo e applicare la texture contemporaneamente. Le texture, sia opache che lucide, vengono solitamente applicate dopo la lavorazione utilizzando tecniche di sabbiatura o fotoincisione. Le texture fini generate da EDM sono determinate dalle impostazioni della macchina e non richiedono ulteriori lavorazioni. Questi processi possono essere utilizzati per produrre geometrie che non possono essere ottenute con la lavorazione tradizionale. Ad esempio, le teste di guida su molte macchine a filo-EDM possono muoversi indipendentemente durante il taglio. Il vantaggio è che coni complessi fino a 30° possono essere tagliati con estrema precisione, cosa non possibile con altre tecniche di lavorazione.
L'elettroerosione a tuffo EDM può essere utilizzata per produrre geometrie interne di pezzi che la lavorazione tradizionale non può ottenere. Questo perché l'elettrodo negativo in rame può essere lavorato in una forma che non corrisponde alla cavità. L'elettrodo negativo (lo stampo) viene replicato nel pezzo, creando angoli vivi e caratteristiche complesse. La corrosione dell'elettrodo in rame (l'utensile) è molto più lenta di quella del pezzo (0.1%), quindi piccoli raggi interni e caratteristiche complesse vengono riprodotti con la stessa precisione delle geometrie semplici.
Il filo – EDM viene utilizzato in modo molto simile al taglio di schiuma polimerica con un filo caldo, sebbene sia più preciso e abbia un ciclo di lavorazione più lungo. L'attrezzatura richiede un elevato livello di competenze operative.
Durante la lavorazione, non viene applicata alcuna sollecitazione all'elettrodo (stampo o filo) o al pezzo perché il metallo non viene formato dalla forza. Viene invece formato dall'evaporazione dalla superficie attraverso scintille ad alta tensione. Oltre a questo evidente vantaggio, questa tecnologia di lavorazione presenta anche molti vantaggi di lavorazione. Ad esempio, più pezzi a parete sottile possono essere impilati per il filo EDM, il che può ridurre i tempi di lavorazione.
Descrizione tecnica dell'elettroerosione a tuffo EDM
Nell'elettroerosione a tuffo EDM, l'elettrodo (stampo) e il pezzo in lavorazione sono immersi in un olio leggero simile alla paraffina. Questo fluido scorre continuamente. Mantiene stabile la temperatura del pezzo e rimuove i materiali evaporati. È inoltre isolante, il che isola l'area di lavoro e mantiene la scarica elettrostatica all'interno.
L'elettrodo in rame (utensile) e il pezzo metallico entrano in stretto contatto, innescando la lavorazione per elettroerosione. Scariche elettriche ad alta tensione saltano dall'elettrodo al metallo. Le scintille saltano avanti e indietro tra i punti più vicini dell'elettrodo e del pezzo, determinando la rimozione continua e uniforme dei materiali superficiali.
Descrizione tecnica del taglio a filo – EDM
In questo processo, il filo elettrodo, solitamente in rame o ottone, è posizionato tra la bobina di alimentazione e la bobina di raccolta. Viene caricato ad alta tensione e si verificano scariche elettriche mentre il filo elettrodo passa attraverso il pezzo. Analogamente all'elettroerosione a tuffo EDM, le scintille elettriche si verificano nel punto di minima distanza tra i metalli. Vengono generate migliaia di scintille al secondo, che evaporano una quantità molto piccola di metallo dalla superficie del pezzo. Il filo elettrodo non viene riciclato; viene invece sostituito continuamente per mantenere la precisione del processo di lavorazione.
Questo processo viene eseguito immerso in acqua deionizzata a una temperatura costante di 20°C. L'acqua scorre continuamente per eliminare il materiale di scarto e viene riciclata attraverso un sistema di filtrazione.
La guida superiore del filo può muoversi lungo gli assi x e y, consentendo un angolo di taglio massimo fino a 30°.
Considerazioni di progettazione
Sebbene questi processi possano creare raggi interni fino a 30μm, vengono spesso utilizzati raggi più grandi. Questo per evitare concentrazioni di stress. Nella maggior parte delle applicazioni, il diametro interno di solito non deve superare i 500μm. Il diametro interno minimo è influenzato dallo spessore del filo elettrodo. Il diametro del filo elettrodo varia generalmente da 50 a 300μm.
Lo spessore dei materiali lavorabili con il taglio a filo – EDM varia da 0,1mm a 200mm. Questo dipende dalle capacità dell'attrezzatura. Per le macchine a elettroerosione a tuffo EDM, la profondità raggiungibile è limitata dalla facilità con cui il metallo vaporizzato (polvere nera) può essere eliminato. Quindi, la profondità massima è correlata al rapporto profondità/diametro. Realizzare contorni molto profondi è possibile, ma richiede un lavaggio extra, che allunga il ciclo di lavorazione.
Durante il funzionamento non è richiesta alcuna pressione. L'elettrodo scende lentamente nel pezzo. La velocità di lavorazione dipende dalla finitura superficiale richiesta. Per una finitura superficiale molto grezza, la velocità può variare da 2mm³ al minuto a oltre 400mm³ al minuto. Quando lo stampo affonda nel pezzo, si muove costantemente e scende a spirale. Questa azione elimina i materiali evaporati dall'area di taglio e garantisce che il materiale venga rimosso in modo uniforme ed efficiente.
Materiali adatti
Molti metalli possono essere modellati con l'elettroerosione a tuffo EDM. La durezza del materiale non ha importanza quando si utilizza questo metodo. Metalli come acciaio inossidabile, acciaio per utensili, alluminio, titanio, ottone e rame vengono spesso modellati in questo modo.
Costi di elaborazione
Il taglio a filo – EDM non richiede uno stampo. Ma il filo elettrodo si consuma continuamente durante il processo, quindi deve essere sostituito.
Gli stampi per l'elettroerosione a tuffo EDM sono solitamente realizzati in leghe di rame. Possono essere realizzati tramite lavorazione tradizionale o taglio a filo – EDM. Gli stampi non sono molto costosi, ma per parti di precisione è necessario un nuovo stampo per ogni operazione.
Diversi fattori possono influenzare il ciclo di lavorazione dell'elettroerosione a tuffo EDM. Nel taglio a filo – EDM, il ciclo è influenzato dallo spessore del materiale. I materiali più spessi richiedono più potenza e utilizzano più filo elettrodo. Ad esempio, se un pezzo di acciaio temprato da 36mm viene tagliato a una velocità di 1,5mm al minuto, si otterrà una finitura opaca uniforme. Ridurre la velocità di taglio o eseguire più passate di taglio produrrà una texture più fine. Accorciare il ciclo di lavorazione porterà a una superficie più ruvida.
Analogamente, il ciclo di lavorazione dell'elettroerosione a tuffo EDM è determinato dall'area di taglio e dalla rugosità superficiale richiesta. Di solito, quando la velocità di lavorazione è di 4mm³ – 400mm³ al minuto, la geometria interna sarà grezza, il che significa che verrà prodotta una superficie ruvida. Se successivamente viene utilizzato un nuovo stampo, il ciclo di taglio sarà molto più lungo. Quando la velocità di lavorazione è di 2mm³ al minuto, è possibile ottenere una superficie molto fine. Quindi, le texture superficiali fini sono migliori per aree superficiali più piccole.
Impatto ambientale
Questo processo richiede una grande quantità di energia per vaporizzare il pezzo metallico e non necessita di ulteriori trattamenti come sabbiatura o fotoincisione.
Il fluido dielettrico può essere continuamente riciclato e anche gli elettrodi metallici sono adatti al riciclaggio. Tuttavia, il processo operativo genera fumi, che possono comportare alcuni rischi.
Caso di Studio
Caso di elettroerosione a tuffo – EDM
Questo processo è ampiamente utilizzato nella produzione di stampi. Oltre alla lavorazione dell'intera cavità per lo stampaggio a iniezione, viene spesso utilizzato per modificare stampi esistenti. Può anche essere utilizzato per forare o incidere texture e motivi superficiali. In questo caso, RAPID PROTOS sta creando una cavità formata direttamente sulla superficie di acciaio ad alto tenore di carbonio (Figura 1). Senza l'uso dell'elettroerosione a tuffo EDM, è impossibile produrre cavità complesse e precise nei metalli duri.
L'elettrodo in lega di rame (stampo) viene inserito nel mandrino (Figura 2). La macchina a elettroerosione a tuffo EDM viene programmata con le impostazioni richieste per lo stampo. L'area nera mostra la parte dello stampo esposta all'erosione a scintilla. Ogni stampo può essere utilizzato 5 volte prima della sostituzione. Se è richiesto un livello di alta precisione, è necessario lavorare nuovi stampi per ogni operazione di elettroerosione a tuffo, inclusi stampi di sgrossatura e stampi di finitura.
Lo stampo e il pezzo vengono inseriti e immersi in un fluido dielettrico simile alla paraffina (Figura 3). In effetti, la paraffina era un tempo utilizzata come liquido isolante fino allo sviluppo di questo fluido dielettrico.
Durante il processo di sgrossatura, vengono emesse scintille elettriche e fumo (Figura 4). Gli elettrodi di rame trasportano una corrente elettrica. Quando sono molto vicini al pezzo, la corrente salta verso il pezzo con carica opposta. Ci sono migliaia di scintille al secondo. Ogni scintilla evapora un piccolo pezzo di materiale superficiale.
L'arco salta attraverso la distanza più breve tra l'elettrodo e il pezzo, garantendo una rimozione uniforme della superficie metallica. Nella fase di sgrossatura, vengono rimossi circa 400mm³ di metallo al minuto, e la superficie risultante è molto ruvida (Figura 5).
La seconda fase di lavorazione è molto più lenta. In questo caso, vengono evaporati 50mm³ di metallo al minuto (Figura 6). Questo produce una texture superficiale più fine (Figura 7). Questa è una cavità relativamente poco profonda. L'elettroerosione a tuffo EDM può essere utilizzata anche per formare cavità molto profonde.
Caso di elettroerosione a filo EDM
A differenza dell'elettroerosione a tuffo EDM, utilizzata per formare scanalature interne, l'elettroerosione a filo EDM viene utilizzata per tagliare sia contorni interni che esterni. Il filo per EDM viene mantenuto in tensione per tagliare linee rette. Le teste guida si muovono lateralmente e avanti e indietro lungo l'asse x e l'asse y per formare contorni. Si muovono anche indipendentemente lungo l'asse x e un altro asse (presumibilmente un errore di battitura, potrebbe essere l'asse z in un contesto 3D) per formare conicità. Il filo funziona come lo stampo di rame utilizzato nell'elettroerosione a tuffo EDM, e il filo è solitamente realizzato in una lega di rame.
In questo caso, ci sono molte operazioni di taglio. Questa serie di figure mostra una delle operazioni, e il suo principio può essere applicato a tutte le altre operazioni di elettroerosione a filo (EDM). Il pezzo in acciaio ad alto tenore di carbonio parzialmente lavorato (Figura 1) viene posizionato nel dispositivo di fissaggio e bloccato saldamente. Viene praticato un piccolo foro affinché il filo dell'elettrodo possa passare automaticamente (Figura 2).
La testa di guida si avvicina al pezzo per un posizionamento preciso. Sia il pezzo che il filo dell'elettrodo sono immersi in acqua deionizzata che funge da isolante (Figura 3). Una volta immersi, inizia il processo di taglio (Figura 4). Questo è un processo lungo. In questo caso, tagliando un pezzo di 36 mm a una velocità di lavorazione di 15 mm al minuto, questo processo produrrà l'effetto superficiale desiderato.
L'intero processo di taglio richiede circa 2 ore. Successivamente, il pezzo viene estratto e pulito (Figura 5). La precisione del pezzo può essere misurata con un micrometro (Figura 6). Sul prodotto finito, il taglio può essere identificato, cioè dal foro preforato al punto in cui il filo viene tagliato sulla superficie di taglio (Figura 7). A sinistra c'è il pezzo prima del taglio, al centro il pezzo finito e a destra il materiale rimosso.
Informazioni sull'autore: Gavin Xia
