libro de procesos de manufactura no tradiconales
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Procesos No Tradicionales de Manufactura
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Ing. Juan Eli David Acosta Horna Ing. Eduardo Azabache Vasquez
Procesos No Tradicionales de Manufactura
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Procesos No Tradicionales de Manufactura
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Prologo
En el desarrollo de la Industria cada día nuevos materiales son elaborados,
con características y propiedades que se mejoran día a día, la manufactura no
esta ajena a ello siendo así estos nuevos materiales constituyen un desafió para
esta rama de la Ingeniería que ha desarrollado en los últimos años una variedad
de procesos conocidos, pero que ahora en la actualidad se están aplicando en
gran escala en las grandes industrias.
Es así como en este texto se intenta dar un pequeño alcance sobre los
principios de estos nuevos procesos al estudiante de ingeniería, para que tenga
los conocimientos fundamentales y no este ajeno en este desarrollo. El texto ha
agrupado los procesos en virtud de su naturaleza, esperamos que este pequeño
aporte sea de gran de ayuda para el estudiante.
Los autores
Procesos No Tradicionales de Manufactura
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PROCESOS NO TRADICIONALES DE
MANUFACTURA
Procesos No Tradicionales de Manufactura
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INDICE
Capitulo Nº1.- ELECTROEROSIÓN
1.1 Introducción
1.2 Mecánica del Proceso
1.3 Ventajas del proceso
1.4 Tipos de Electroerosión
1.5 Principio físico
1.6 Máquinas y Generadores
1.7 Partes de una máquina de Electroerosión por Penetración
1.8 Parámetros de la Electroerosión
1.9 Limpieza
1.10 El líquido dieléctrico
1.11 Características de las superficies mecanizadas por Electroerosión
1.12 Materiales para Electrodos
1.13 Aplicación de la Tecnología
1.14 EDM Hilo - Introducción
Capitulo Nº2.- PROCESOS ELÉCTRICOS
2.1 Mecanizado Electroquímico
2.2 Torneado Electroquímico
2.3 Mecanizado Electrolítico con tubos de formas específicas
2.4 Electro-Stream (ES)
2.5 Rectificado por Descarga Electroquímica
2.6 Rectificado Electrolítico
Capitulo Nº3.- PROCESOS MECÁNICOS
3.1 Mecanizado hidrodinámico (HDM)
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3.2 Mecanizado ultrasónico
3.3 Mecanizado Ultrasónico Rotatorio
3.4 Mecanizado Asistido por Medios Ultrasónicos
3.5 Mecanizado Electromecánico
Capitulo Nº4.- PROCESOS QUÍMICOS
4.1 Fresado Químico
4.2 Mecanizado Fotoquímico
Capitulo Nº5.- PROCESOS TÉRMICOS
5.1 Láser
5.2 Mecanizado por Arco de Plasma
5.3 Mecanizado por haz de electrones
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CAPITULO I
ELECTROEROSIÓN
1.1 Introducción
El conocimiento del principio físico de la Electroerosión se remonta al siglo
XVIII, ya en el año 1770 el inglés Priestley deja constancia del efecto erosivo de
las descargas eléctricas sobre metales conductores del calor y la electricidad.
Pero no es hasta el año 1943 cuando el matrimonio ruso Lazarenko tiene la idea
de explotar este efecto erosivo y desarrollar un nuevo método de arranque de
viruta sin contacto entre la pieza y la herramienta llamado Electroerosión.
Es sabido que al desconectar un interruptor salta una chispa entre los dos
contactos que va erosionándolos poco a poco. El matrimonio Lazarenko tuvo la
idea de aprovechar esta erosión, controlarla y agrandarla, para ello sumergen los
dos electrodos en un líquido dieléctrico aislante, lo que refuerza mucho la potencia
de las descargas. Al mismo tiempo crean un generador capaz de generar una
sucesión de descargas eléctricas, lo obtienen a partir de un circuito eléctrico muy
sencillo que recibe el nombre de Circuito Lazarenko, aunque posteriormente se
llamará Generador de Relajación. Este primer generador ha sido utilizado durante
largo tiempo y sometido a varias modificaciones para mejorar su rendimiento.
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El mundo industrial no se interesó por la Electroerosión hasta 1950, época en la
que aparecen las primeras máquinas utilizadas únicamente para la extracción de
brocas y machos rotos en el interior de las piezas, es decir operaciones estas
adicionales a las realizadas por procedimientos convencionales que tenían poca
importancia.
El avance espectacular de la Electroerosión se produce a partir de 1959 cuando
aparece la primera maquina equipada con un generador de impulsos totalmente
transistorizado, este generador aplica una serie de impulsos eléctricos
rectangulares a ambos eléctrodos (pieza y herramienta), los cuales se encuentran
inmersos en un líquido dieléctrico, así se producen las descargas (todas iguales)
que van arrancando material de la pieza a trabajar. La principal ventaja de este
tipo de generadores respecto a los anteriores es su mayor velocidad de
mecanizado, un menor desgaste volumétrico del electrodo y una mayor
uniformidad en la rugosidad de acabado de las piezas mecanizadas.
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Fig. Nº 1.1.- Elementos principales de un proceso de Electroerosión
1.2 Mecánica del Proceso
Proceso de arranque de material por una serie de sucesivas descargas
eléctricas muy cortas (2 a 2.000 µs), separadas entre sí un cierto tiempo, que
saltan entre dos polos (pieza y electrodo (herramienta)), por lo que ambos deben
ser materiales conductores. Las descargas se crean mediante generadores de
impulsos eléctricos rectangulares.
Entre los métodos utilizados para conformar piezas con pérdidas o
desprendimiento de material se encuentra la electroerosión.
Se conocen otros métodos mecánicos donde una herramienta arranca
viruta de un material para obtener una pieza según medidas previamente
determinadas. Tal como el trabajo de un torno, una fresadora, limadora, etc.
También la conformación puede obtenerse por efectos electroerosivos.
En este caso la eliminación del material se realiza por “descargas eléctricas”.
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En este método aunque la aplicación relativamente reciente ha adquirido
una categoría que puede clasificarse de anunciadora de grandes realizaciones en
un futuro inmediato.
Puede afirmarse que los métodos de trabajo de metales por arranque de
viruta tienden a ser reemplazados (cuando la naturaleza de la manufactura lo
permita) por procesos de forjado, estampado fusión, etc. Y por empleo de
materiales plásticos.
Lo común a todas estas aplicaciones es:
• Moldes
• Matrices
• Plantillas, etc.
Cuya creciente complejidad hace cada vez más dificultoso su labrado
mediante la combinación de los movimientos rotativos y alternativos
característicos de los métodos de trabajo por arranque de viruta.
Se agrava el problema cuando deben utilizarse materiales como los
metales duros o a base de carburo de tungsteno, o cuando la forma o
dimensiones so excepcionalmente complicadas, como en el caso de agujeros con
directrices no rectilíneas ni circulares, o cuando debe templarse la matriz lo que
provoca su deformación por lo que es obligado rectificar luego del tratamiento
térmico.
Por otra parte, las maquinas clásicas de desprendimiento de viruta, la
exactitud esta ligada a la precisión de la maquina y por elevada que esta sea,
esta ligada a la capacidad del operador, mientras que en la electroerosión la
simplicidad mecánica del equipo y un alto grado de automatización la hacen
independiente de los factores mencionados.
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La técnica moderna ha creado como solución a los problemas planteados,
el método de la electroerosión.
En la primera etapa de su desarrollo, la electroerosión era el medio auxiliar
para solucionar un problema delicado en la fabricación. Era mas bien un método
de reparación que encontró su aplicación en los aparatos llamados
"desintegradores" que tenían como función extraer herramientas rotas (mechas,
machos, etc.) en una pieza o de efectuar repasos en piezas ya templadas.
Como en la electroerosión no se necesita ningún movimiento de corte, es
posible dar al electrodo-herramienta una forma y una dirección de avance
cualquiera con respecto al electrodo-pieza.
Teóricamente se puede obtener cualquier forma con tal que cumpla la
condición de ser desmoldable, y adaptando la forma del electrodo a las
necesidades de la ley del movimiento propio.
La electroerosión consiste en el desprendimiento del material por efecto de
descargas eléctricas (capacitivas) con frecuencia de 0,1 a 100 Kc/seg. de gran
intensidad, entre dos elementos conductores (la herramienta y la pieza a trabajar)
en un medio liquido (dieléctrico).
1.3 Ventajas del proceso
• Gran aptitud para el mecanizado de aceros, aleaciones duras o refractarias,
aceros templados (materiales estos poco aptos para ser mecanizados por
procedimientos convencionales de arranque de viruta), ya que el proceso
no depende de las características mecánicas del material sino de sus
características térmicas.
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• Gran aptitud para el mecanizado de formas complejas, ya sean pasantes o
ciegas, adaptándose la pieza a la forma del electrodo.
1.4.- Tipos de Electroerosión
• Electroerosión por Penetración: Mecanizado de agujeros y formas
ciegas, en las que el electrodo tiene la forma que se desea mecanizar.
Debe existir un movimiento relativo vertical entre electrodo y pieza,
moviéndose el electrodo y manteniéndose fija la pieza.
Fig. Nº 1.2.- Diferentes tipos de electrodos utilizados en electroerosión
• Electroerosión por Hilo: Mecanizado de agujeros pasantes y contornos de
formas muy complejas. El electrodo es un hilo continuo, con movimiento en
los tres ejes del espacio, que va cortando la pieza.
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Fig. Nº1. 3.- Corte por hilo Fig. Nº 1.4.- Electroerosión por hilo
1.5.- Principio físico
La erosión de los electrodos se produce mediante el salto de chispas entre
ambos a determinada tensión eléctrica, una vez sumergidos en líquido dieléctrico.
La chispa es una fuente de calor puntual (20.000 ºC) que provoca la fusión y
ebullición del material de ambos electrodos. Estos están separados una pequeña
distancia llamada GAP (10 a 200 µm). Por la rapidez del fenómeno no se propaga
el calor por el material, por lo que la fusión y evaporación del material deja un
cráter en la superficie de la pieza. El volumen del cráter es función del tiempo de
duración del impulso eléctrico, la naturaleza del líquido dieléctrico, las propiedades
físicas de la pareja de electrodo-pieza, la polaridad, etc.
Fig. Nº 1.5
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La explicación física es compleja. La diferencia de tensión entre electrodo y pieza
crea un campo eléctrico entre los mismos (mayor que la rigidez dieléctrica del
líquido en el que están inmersos) que acelera los iones y los electrones
generando un canal de descarga que se vuelve conductor (Fig. Nº 1.6). Dentro de
este canal conductor puntual salta la chispa, provocando colisiones entre iones y
electrones y formándose así un canal de plasma (Fig. Nº 1.7). Las colisiones
crean altas temperaturas en ambos polos y alrededor del canal de plasma se
forma una bola de gas por la vaporización del líquido dieléctrico en la zona.
Debido al calor, se genera una presión muy alta dentro de la bola de gas, por lo
que aumenta de volumen. Mientras, las elevadas temperaturas funden y vaporizan
parte del material de ambas superficies.
Fig. Nº 1.6 Canal de descarga
Fig. Nº 1.7 Formación del canal de
plasma y bola de gas
En esta situación (material fundido, bola de gas grande) se corta la corriente
eléctrica. El canal se derrumba, la chispa desaparece, el líquido dieléctrico rompe
la bola de gas haciéndola implosionar. Las fuerzas de la implosión arrancan el
material fundido de las superficies formándose así los cráteres. El material
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arrancado se solidifica (viruta de electroerosión) y el líquido dieléctrico lo arrastra
fuera del GAP.
Efecto de Polaridad: Existe diferente desgaste de ambos electrodos cuando
son del mismo material. En estos casos, el electrodo positivo se desgasta menos
que el electrodo negativo. Si añadimos el efecto de diferentes materiales, entran
en juego el punto de fusión y la conductividad térmica. Eligiendo bien la pareja de
materiales se puede obtener un desgaste inferior a 0.5 mm3 en un polo por cada
100 mm3 en el otro.
Otra consideración a tener en cuenta es que el GAP lateral (el
correspondiente a las superficies paralelas al eje de penetración) es mayor que el
GAP frontal (el resto de superficies)
El fundamento del método es conocido desde hace casi 200 años(en 1786
el físico inglés Priestley observó pequeños cráteres frente a los electrodos entre
los cuales saltaba la chispa) y en centró su primera aplicación en la preparación
de soluciones coloidales de metales. El conocimiento de que el salto de chispa, es
decir, una corriente no estacionaria, desgasta, es decir, extrae del electrodo
negativo (cátodo) menor material que del electrodo positivo (ánodo), fue aplicado
en el año 1940, para obtener determinadas formas geométricas.
La pieza a trabajar actúa como ánodo (+) y el útil de la forma apropiada a lo
que se quiere obtener como cátodo (-). (Ver la disposición esquemática).
La erosión sobre un material, debido a descargas eléctricas, ha sido
observada desde mucho tiempo atrás. El desgaste de los contactos eléctricos
como resultado de una electroerosión ha conducido a buscar los materiales que
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resistan mejor este tipo de desgaste. Como consecuencia de trabajos e
investigación sobre este, fenómeno de erosión, B. R. y N. I. Lazarenko, dos sabios
rusos, sugirieron la posibilidad de aprovechar el efecto destructor de una descarga
eléctrica y de desarrollar un proceso controlado de mecanizado de los metales. En
1943, consiguieron desarrollar un proceso de mecanizado de metales, por
electroerosión, así llamado en razón del hecho de producirse una sucesión de
chispas surgidas entre dos conductores de corriente, sumergidos en un liquido
dieléctrico. El principio del generador utilizado entonces, llamado circuito
Lazarenko, ha sido durante mucho tiempo utilizado en construcción de los
generadores que equipaban las máquinas electroerosivas.
Hay que hacer notar que la naturaleza física de eliminación de material por
intermedio de descargas es un fenómeno muy complejo.
Muchos conocimientos en este campo son de origen experimental, por lo
que es corriente ver interpretaciones contradictorias del fenómeno. Por esta razón
nosotros nos licitaremos a aclarar algunos conceptos en forma muy simplificada,
destinados a dar una idea sobre la naturaleza del mecanismo de la electroerosión.
El fenómeno de descarga eléctrica entre dos electrodos presenta diferentes
características según la naturaleza del medio en la cual ellos están sumergidos.
1 Vacío (tubos electrónicos dentro de los cuales, el gas esta fuertemente
enrarecido
2. Gas a temperatura y presión normales.
3. Liquido.
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Un liquido contiene siempre iones libres (un ion es un átomo que gano o
perdió uno o más electrones, por lo tanto no es neutro, eléctricamente hablando),
bajo la influencia de la tensión aplicada entre los electrodos, estos iones se
desplazan hacia sus polos opuestos, lo que confiere al medio liquido una cierta
conductividad eléctrica. Para un liquido electrolítico ésta es alta en razón de la
cantidad de iones y para un liquido dieléctrico es muy baja, pero esta
conductividad siempre existe. Dejaremos de lado el caso del líquido electrolítico.
Su empleo se refiere a la electrólisis, fenómeno en el cual se produce una
disolución anódica.
En electroerosión por el contrario, se opera en un líquido dieléctrico. Si
aplicarnos entre los electrodos una tensión que es mayor que la tensión de
ruptura, determinada por la distancia de los electrodos y el poder aislante del
dieléctrico, se producirá una descarga. En el sitio de mayor campo eléctrico, se
forma un canal ionizado que es conductor para la corriente eléctrica. A la
formación de este canal ionizado le sucede un pasaje masivo de corriente. La
tercera fase finalmente corresponde a la evacuación del metal erosionado.
Probablemente esta última fase se superpone con la segunda y se prolonga mas
allá de la descarga.
El fenómeno del comienzo de la descarga es complejo. Durante las
primeras centésimas o décimas de microsegundo de la descarga, se producen
fenómenos correlacionados entre sí, al cabo de los cuales se forma un canal
ionizado constituido por un plasma. Plasma es un gas, que a consecuencia de una
temperatura muy elevada(8000 – 12000 ºC) sufre una disociación eléctrica.
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En nuestro caso, el plasma esta constituido por átomos metálicos M
evaporados de los electrodos, iones positivos (+) y electrones (Fig. Nº 1.8). Estas
dos ultimas particulares producen como consecuencia de los violentos choques
que sufren los átomos M llevados a una elevada temperatura. Esta elevada
temperatura proviene del calentamiento del medio, cuyo origen puede ser
explicado de la siguiente manera: bajo el efecto del campo eléctrico que reina
entre los dos electrodos, los iones y electrones se desplazan hacia los electrodos
de polaridad opuesta y van chocando con los átomos M contenidos en el
dieléctrico, transmitiéndole la energía cinética que poseían. Luego del choque,
sufren una nueva aceleración, y en el transcurso de sucesivos choques transmiten
su energía al medio circundante provocando de tal manera el calentamiento del
plasma por transformación de energía cinética en térmica.
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Fig. Nº 1.8 Migración de iones
El canal de descarga sufre una expansión muy rápida. En la superficie de
los electrodos hay una vaporización casi instantánea del metal, formando una
burbuja de vapor de presión elevada que desborda al canal ionizado y se extiende
radialmente desplazando el liquido dieléctrico(Fig. Nº 1.9). La presión en la
burbuja, proviene de la resistencia que opone el dieléctrico a su expansión y
puede llegar a varias centenas de atmósferas al principio de la descarga,
contribuyendo a concentrarla. La erosión en los dos electrodos es debida a los
átomos neutros M del plasma, que liberan su energía de agitación térmica al
chocar contra los electrodos.
Fig. Nº 1.9 Formación de la burbuja
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Los electrodos incidentes transfieren su energía cinética a la red cristalina
del ánodo. Esta energía vaporiza también el metal y ocasiona la fusión de un
pequeño cráter. En el cátodo se produce el mismo fenómeno bajo la acción de la
energía liberada durante la neutralización de los iones positivos M+ que llegan a
este electrodo.
La erosión sobre los electrodos es asimétrica. Depende primordialmente de
la polaridad, de la conductividad térmica y de la temperatura de fusión de los
materiales, de la duración e intensidad de las descargas. Mediante una correcta
elección de los materiales de electrodo, y actuando sobre la descarga al variar su
duración, su intensidad o su polaridad, se puede obtener una asimetría muy
importante. Por ejemplo 99,5% de erosión sobre el electrodo – pieza y solo el
0,5% sobre el electrodo – herramienta.
En el momento de la interrupción de la corriente, la descarga se detiene. La
burbuja de gas que no ceso de agrandarse durante la descarga y en la cual la
presión disminuye ahora bruscamente, sufre una dilatación explosiva y la materia
fundida es proyectada al exterior del cráter y se solidifica en el liquido dieléctrico
en forma de esferas que quedan en suspensión.
La pieza a trabajar se coloca en una cuba sobre soportes y el electrodo en
el cabezal de la maquina, estando el conjunto sumergido en un liquido dielectrico
que en generales el querosene. Cabe definir entonces la: la facultad de copiado,
como la capacidad de reproducción de la forma de la cara del electrodo enfrenta a
la pieza en esta misma (Fig. Nº 1.10).
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Fig. Nº 1.10 La forma del electrodo determina la forma del agujero
Las descargas utilizadas en el proceso de mecanizado por electroerosión
pueden ser caracterizadas por algunos parámetros físicos. Algunos de estos
parámetros son variables y otros son constantes y no pueden ser variados por
medios técnicos. Dentro de los parámetros no influenciables, se encuentra la
tensión de descarga. Esta es del orden de 15 a 25V y depende únicamente de la
naturaleza de los electrodos y del dieléctrico que los separa.
La dimensión más importante que caracteriza una descarga es su energía
que nosotros llamaremos W1. Ella es igual al producto de la tensión y de la
corriente, integrada, sobre la duración "ta " de la descarga.
La descarga desencadenada se caracteriza por su tensión de
mantenimiento de alrededor de 20V y que es independiente de la corriente de
descarga. La corriente debe ser pues comandada por medios exteriores. Le
corresponde igualmente al generador interrumpir la descarga después de un
periodo predeterminado, dado que ningún otro medio permite limitar, en tiempo, la
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descarga. Finalmente, es también el generador que debe imponer la frecuencia
de impulsos de las descargas; éstas deben repetirse a intervalos según un ritmo
que es apropiado al tipo de mecanizado a efectuarse.
1.6 Máquinas y Generadores
Las funciones esenciales del generador son:
- Generar una tensión suficientemente alta para el comienzo y el mantenimiento
de la descarga.
- Limitar la corriente de la descarga.
- Limitar la duración de la descarga.
- Imponer la frecuencia de repetición de las descargas.
La energía necesaria, y los impulsos generadores del proceso
electroerosivo son producidos comúnmente por los dos siguientes sistemas ó
circuitos:
A).- Generadores independientes o de impulsos, en los que las condiciones de
funcionamiento dependen exclusivamente de las magnitudes eléctricas y no
dependen de las condiciones en la zona de trabajo (Fig. Nº 11).
1. Impedancia de carga
2. Interruptor que regula la duración de los impulsos (vibrador)
3. Condensador de la red de trabajo
4. Interruptor que regula la frecuencia de las descargas (vibrador)
5. Transformador del eslabón de unión
6. Electro-herramienta
7. Material
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Son en realidad generadores de impulsos.
Fig. Nº1. 11 Circuito de una maquina generadora independiente para EDM
B) Generadores dependientes o resonantes en los que las condiciones de trabajo
como ser la sucesión de las descargas y la amplitud de la corriente están
determinadas por las condiciones físicas en la zona de trabajo (Fig. Nº 1.12).
1. Impedancia de carga
2. Condensador
3. Electro-hérramienta
4. Material
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Fig. Nº 1.12 Circuito de una maquina generadora dependiente para EDM
Trabajan con bajas frecuencias (2.500 Hz); se usan en general para desbastes.
Las variables que condicionan el proceso de la electroerosion se relacionan en la
siguiente fórmula:
Donde:
V: volumen total del material desprendido en la unidad de tiempo(mm³/min.).
f: frecuencia de las descargas (periodos por secundo).
Vo: volumen individual de los cráteres.
k: coeficiente de proporcionalidad.
Analicemos la influencia de cada una de estas variables.
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A - El volumen de un sólo cráter (Vo) es proporcional o la energía de la descarga
eléctrica entre el electrodo y la pieza, o sea proporcional a la capacidad y a
la tensión inicial de la descarga.
Depende además del tiempo empleado en la descarga.
A igualdad de las otras condiciones, existe un tiempo óptimo en que Vo alcanza el
valor máximo.
También depende de los materiales utilizados en el electrodo y de la pieza a
trabajar.
Cuanto mayor es el punto de fusión, el calor especifico y la conductibilidad
térmica, tanto menor es Vo.
En el tablero de control de la maquina de electroerosión se ajustan las
condiciones necesarias para lograr un tiempo de descarga óptimo.
B - La frecuencia (f) de las descargas es inversamente proporcional a la
resistencia aparente limite Z (Impedancia) y directamente proporcional a la
corriente de cortocircuito: Ik.
Si Vo es la tensión de la fuente de corriente continua:
Aparentemente, para un mayor desprendimiento V convendría aumentar f
aumentando la corriente de cortocircuito. Sin embargo, para cada capacidad se
alcanza una sola IK máxima y óptima, IKm-o que da la condición limite de trabajo.
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Cuando se excede este último valor se producen arcos, el proceso se hace
inestable y por último disminuye la frecuencia media y con ella, el desprendimiento
del material.
Con el transcurso de los años, diferentes sistemas de generadores han sido
desarrollados y comercializados. Reseñaremos aquí rápidamente algunos de
ellos que, en épocas diferentes, han jugado o juegan todavía una función muy
importante. El orden elegido está dictado por la evolución cronológica.
Precedentemente se ha hecho alusión al primer circuito utilizado en
electroeronión, el circuito Lazarenko. Este de una gran simplicidad y
compuesto (Fig. Nº 1.13) de una fuente de corriente continua que circula a
través de una resistencia R, un condensador C que esta conectado al
electrodo y a la pieza. Cuando la tensión del condensador, que sube
continuamente, alcanza la tensión de ruptura del espacio electrodo - pieza, él
liquido dieléctrico se ioniza y el condensador se descarga bruscamente a
través del canal ionizado. Esta tensión de ruptura varia esencialmente en
función de la distancia geométrica que separa los electrodos y del grado de
ionización del espacio situado entre las superficies participantes de
mecanizado. De esta manera es posible que una descarga se produzca a un
nivel de potencial relativamente bajo.
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Fig. Nº 1.13 Circuito Lazarenko
El circuito de descarga esta formado básicamente por el condensador, el
espacio electrodo-pieza y el cable de descarga. Esta combinación de elementos
forma un circuito oscilante en el cual el cable de descarga se comporta como
una autoinducción. Por ello, la descarga es oscilante, es decir, que la tensión y
la corriente se invierten periódicamente hasta el agotamiento de la energía
almacenada en el condensador.
La corriente de descarga inicial es muy grande comparada con la corriente
de descarga del condensador. La Amplitud de pico de la primera oscilación es
de alrededor
donde Uc representa la tensión del condensador cargado, C la capacitancia del
condensador, Ua la tensión del condensador descargado, L el valor de la
inductancia del cable de descarga. En la Fig. Nº 1.14. Uo representa la tensión de
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la fuente. La energía de la descarga completa es igual a la energía eléctrica
almacenada en el condensador.
Fig. Nº 1.14 Energía versus Tiempo
Variando C y Uc o los dos, la energía de descarga puede ser variada en
grandes proporciones. La duración de las descargas es fijada por la frecuencia de
oscilación del circuito de descarga; la duración de una medio-onda es de:
Ella esta pues ligada a la autoinducción del cable de descarga y a la
capacidad del condensador que, a su vez, fija la energía de descarga. De esta
forma la corriente de descarga, su duración y su energía están correlacionadas
entre sí y no pueden ser elegidas independientemente. La aplicación de este
circuito es, de hecho, un poco restringido. Como segunda desventaja, hay que
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mencionar la oscilación de la descarga. En efecto, ciertas combinaciones de
electrodos necesitan de una o de otra polaridad pero no las dos alternativamente
como ocurre en este caso. Por lo tanto la elección de los materiales para
electrodos esta también limitado. Además, el desgaste del electrodo es
considerable, lo que es muy desfavorable.
La preocupación de aumentar los rendimientos del generador RC que
acabamos de ver, ha conducido a modificar el circuito. Se logro duplicar la
frecuencia máximas de las descargas del circuito RC para cada valor de C,
obteniendo una característica lineal de la corriente de carga del condensador
mediante la utilización de una bobina de autoinducción de gran inductancia L en el
circuito de condensadores.. Sé vera que la carga esta representada por una recta
y que por consecuencia se llega mas rápidamente a obtener las descargas
aumentando al mismo tiempo la frecuencia. Surge, sin embargo de los diagramas,
que la tensión Uc a la cual el condensador es cargado, varia fuertemente. Esta
variación es debido al hecho que la carga se efectúa a través de una auto –
inducción de gran inductancia, que restituye la energía eléctrica que almaceno
durante la carga. De esta manera la tensión en los bornes del condensador varia
constantemente en función del momento en que se produce la descarga. La
tensión puede llegar de esta manera a un nivel superior al de la fuente. La energía
de las descargas producidas con tal circuito es muy variable, dado que como
hemos visto anteriormente, ella depende del cuadrado de la tensión. Esto es
visible sobre el diagrama i= f(t) Fig. Nº 1.15
Con el fin de solucionar estos inconvenientes que provocan principalmente
variaciones en la distancia de las chispas y en la rugosidad superficial, se equipo
el circuito con un diodo limitador D destinado a nivelar los picos de la tensión de
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carga del condensador a un cierto nivel. La carga máxima del condensador es de
esta manera siempre la misma, lo que permite garantizar constante la distancia de
la chispa y de la calidad de la superficie. Las descargas producidas a un nivel de
tensión inferior, tienen una energía correspondiente menor, como también una
distancia de chispa menor y por lo tanto una rugosidad menor.
Fig. Nº 1.15 Descargas variables
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Fig. Nº 1.16 Descargas variables
El generador esta equipado con varios condensadores, lo que permite
modificar la capacitancia del circuito para adaptar la energía de los impulsos y su
tensión al mecanizado a efectuar, de modo que por ejemplo se selecciona la
distancia de las chispas y el avance del electrodo de manera tal, qué se obtiene la
rugosidad de superficie deseada. El resistor R en el circuito es también variable y
de esta manera se puede modificar la rapidez de carga de los condensadores.
Esta modificación que se traduce sobre el diagrama u = f(t) en una modificación de
la pendiente de la curva, lo que significa que podemos variar la frecuencia de
sucesión de las descargas y, por la misma causa, la velocidad de mecanizado
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para un estado de superficie dado, fijado por la capacidad de los condensadores
conectados.
El circuito de relajamiento RCLD descubierto independientemente por varios
científicos, ha equipado durante varios anos las maquinas de electroerosión de
baja y mediana potencia. Las ventajas fundamentales de los circuitos a
relajamiento son su simplicidad, su robustez y el campo relativamente extenso de
la energía de descarga. Actualmente son utilizados todavía en el campo del super-
acabado y de ciertos micro-mecanizados que necesitan energías de descarga
muy bajas a muy altas frecuencias. Entre las desventajas del circuito de
relajamiento hay que hacer notar el muy elevado grado de desbaste que afecta a
los electrodos por lo que es necesario utilizar varios electrodos. Por otra parte, la
interdependencia de ciertos parámetros (corriente de descarga, duración y energía
de la descarga) y la restricción en el empleo de materiales de electrodo confieren
al sistema ciertas limitaciones.
A comienzo de los años cincuenta, las investigaciones sé orientaban hacia
dos problemas situados en diferentes direcciones:
1. Aumento de la velocidad máxima absoluta de erosión en desbaste, aun a
costa de una disminución de la calidad superficial (mayor rugosidad).
2. Aumento de la velocidad de mecanizado para una energía de descarga
dada, tanto en acabado como en desbaste, por un aumento de la frecuencia
de las descargas.
Esta problemática se fundamenta en lo siguiente: en un Circuito a
relajamiento, si se busca aumentar la velocidad de mecanizado aumentando la
intensidad de la corriente de carga del condensador, existe un valor máximo de
Procesos No Tradicionales de Manufactura
33
esta corriente de carga más allá de la cual el fenómeno de relajamiento
desaparece y donde se produce una descarga de corriente continua, o sea un
arco. La razón es que pasando una cierta intensidad, las descargas ya no sé
desionizan espontáneamente. La descarga no se interrumpe y la fuente de poder
alimenta directamente a los electrodos. Este fenómeno condujo a la idea de
interrumpir brevemente la corriente de carga por medios exteriores, justo después
de cada descarga de manera de asegurar una desionización eficaz del canal de
descarga, para luego recargar el condensador con una corriente esta vez muy
elevada. De esta manera se introdujo por primera vez la idea de pulsar la corriente
de carga de los circuitos a relajamiento de potencia. Bajo este principio funcionan
todavía una gran parte de los generadores de potencia mediana construidos en
EE.UU. que utilizan los tubos al vacío para pulsar la corriente de carga de los
condensadores (FIGURA 15). Un sistema de pulsación más viejo utilizaba un
alternador. Es importante subrayar que, a pesar de la pulsación de la corriente de
carga, estos circuitos son todavía a relajamiento. Los impulsos de corriente en el
espacio electrodo - pieza son producidos por la descarga de condensadores en
este espacio. La descarga tiene las mismas características que aquellos
producidos por un generador a relajamiento en lo que concierne a la energía, la
duración y la amplitud de corriente de descarga.
Los dos circuitos precedentes han permitido aumentar la velocidad del
mecanizado de los circuitos a relajamiento por un factor de 2 o 4, pero solamente
en un campo relativamente estrecho de energía de las descargas, aquella por la
cual la frecuencia de las descargas no difiere mucho de la frecuencia de pulsación
de corriente de carga. Por otro lado, el problema del desgaste de los electrodos no
Procesos No Tradicionales de Manufactura
34
esta resuelto con este tipo de generadores que sigue siendo apreciable en todos
los regímenes.
Fig. Nº 1.17 Circuito de Relajamiento
Los dos primeros objetivos, aumento de las velocidades absolutas y
relativas, han sido alcanzados. Casi simultáneamente otros científicos en Europa
Occidental, E.E. UU. y en la Unión Soviética han fijado un tercer objetivo: aquél de
hacer el instante del comienzo y la energía de cada descarga absolutamente
independientes de las fluctuaciones inevitables, incontrolables, del estado físico-
químico e iónico del espacio electrodo - pieza. Éstas fluctuaciones engendran
correspondientemente variaciones de la tensión al comienzo de la descarga en los
circuitos a relajamiento, y por lo tanto también de la energía de las descargas. Hay
que hacer notar que la energía máxima de estas descargas es rigurosamente
constante, gracias a la limitación de los picos de tensión en el circuito RCLD, de
donde resulta una constancia perfecta de la distancia de chispas por lo tanto de la
rigurosidad. Este tercer objetivo condujo al concepto de mecanizado por
Procesos No Tradicionales de Manufactura
35
descargas controladas, es decir, de un mando exterior independiente del comienzo
de las descargas.
1.7 Partes de una máquina de Electroerosión por Penetración
Consta de los elementos siguientes
• Bancada o armazón que sirve de base para el resto de elementos
• Cabezal, fijado a la columna del armazón.
• Mesa de trabajo, sobre la que se dispone la cuba del dieléctrico.
• Unidad de filtrado, enfriamiento y circulación del dieléctrico.
• Generador de impulsos (generalmente en un armario aparte).
Fig. Nº 1.18 Máquina ONA - A 118
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36
Bancada o armazón
Constituye el esqueleto de la maquina, debe servir de base de sujección del
cabezal y la mesa de trabajo con la cuba del dieléctrico, facilitando la
maniobrabilidad entre las partes,. Suele adoptar la forma de cuello de cisne. El
generador va introducido en un armario aparte sobre la bancada.
Cabezal
Elemento esencial para el mecanizado automático. Dispone de mecanismos
para su rápida ubicación a diferentes alturas, elementos de medición de la
profundidad de trabajo y la velocidad de penetración, y un servomecanismo que
actúa sobre el pistón portaelectrodos, con una precisión de micras en toda su
carrera.
Mesa de trabajo
Es una mesa de coordenadas con precisión de centésimas y diferentes carreras
(350 mm). Sobre la mesa se ubica la cuba de líquido dieléctrico donde se efectúa
el mecanizado, que debe tener una altura suficiente para que el nivel del mismo
esté 100 mm por encima de la superficie de trabajo. En la cuba existe un
dispositivo automático para parar el proceso si el líquido desciende de una altura
dada.
Unidad de filtrado
Su tamaño varía en función de la potencia del generador. El tanque tiene de 2 a
3 veces el volumen de la cuba. Dispone de una bomba que eleva el líquido en la
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37
cuba hasta la zona de trabajo y un equipo de filtrado que permite limpiar el
dieléctrico de las partículas procedentes de la erosión.
El Servomecanismo
El servomecanismo asegura un GAP constante. Debe tener gran rapidez de
respuesta y precisión para acercar el electrodo conforme se desgastan pieza y
electrodo y para separarlos en caso de que contacten provocando cortocircuitos.
El movimiento automático se realiza gracias a la relación directa que existe entre
la distancia de separación y la tensión media entre electrodos, usando la
desviación de esta tensión como señal de error para el control.
El Generador
Proporciona la tensión necesaria para el cebado de la descarga eléctrica y su
mantenimiento, esta tensión depende de la pareja de materiales electrodo-pieza y
no de la corriente de descarga. También limita la corriente entre descargas, e
impone la duración de la descarga y la frecuencia de sucesión de las mismas. Se
pueden dividir en 2 grandes grupos:
Generadores de relajación
Fueron los primeros que surgieron
• Ventajas: Robustez, sencillez, amplio rango de energías de descarga.
• Inconvenientes: Elevado desgaste de los electrodos, interdependencia de
parámetros (intensidad, duración y energía de descarga), limitación en la
selección del material de los electrodos, limitación en la velocidad de
Procesos No Tradicionales de Manufactura
38
arranque (a partir de una intensidad dada desaparece el efecto de
relajación, ya que las descargas no se desionizan apareciendo un arco
continuo).
• Uso: Superacabados y micromecanizados dadas las bajas energías y las
elevadas frecuencias que pueden alcanzar.
Fig. Nº 1.19 Generador de relajación RCL
Generadores de impulsos transistorizados
Son los más habituales, a partir de 1959. Entre sus ventajas está que toman
corriente trifásica a 220 ó 380 V y su salida es un tren de impulsos rectangulares
con variables independientes (ti, to, if) que se aplica directamente al electrodo.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
39
Fig. Nº 1.20 Tren de impulsos normales
La figura se muestra un impulso de tensión y otro de intensidad en un
proceso normal. Entre los electrodos se establece la tensión de vacío U0. Pasa un
cierto tiempo hasta que se produce la descarga, llamado tiempo de encendido o
de retraso de descarga td (0.5 a 2 µs). Cuando se produce la descarga, la tensión
baja mucho, hasta el valor de tensión de descarga Uf. Se crea entonces el impulso
de intensidad, que es de forma rectangular, de duración tf (tiempo de descarga) y
valor if (intensidad de impulso, intensidad que circula por el GAP durante un
impulso). Ifm es la intensidad media que circula por el GAP durante el mecanizado
y es la que se mide en el amperímetro.
Otros parámetros de interés son el tiempo de impulso ti, el tiempo de pausa to,
el periodo o tiempo entre impulsos tp, la frecuencia de impulso fp (nº de impulsos
Procesos No Tradicionales de Manufactura
40
por segundo), y la relación de impulso = ti/tp * 100. Se cumplen las siguientes
relaciones: tp = ti + to , ti = td + tf
Generador ONAPULS
Es un generador transistorizado con alta tensión de encendido y con frecuencia
de descarga constante.
Si el tiempo de retraso en el encendido td fuese grande, disminuiría el tiempo de
descarga tf, disminuyendo así la energía de descarga y la capacidad de arranque
de material. Por tanto, td debe ser lo más pequeño posible.
La tensión de vacío puede establecerse con dos circuitos para poder elegir.
Para el generador ONAPULS son de 150 y 60 V, respectivamente. La tensión de
descarga es constante y depende de la pareja de materiales electrodo-pieza. Por
ejemplo, para cobre-acero, Uf = 26 a 28 V. Se puede establecer dos zonas en el
impulso de tensión. Una de impulso normal (entre 26 y 28 V) y otra límite de arcos
voltaicos (por debajo de 18 V). El generador debe rechazar impulsos por debajo
de este límite.
Otros tipos de generadores
Otros tipos de generadores de impulsos transistorizados se pueden dividir en:
a. Generadores isoenergéticos
Obtienen impulsos de energía constante (tf cte) tras el total encendido de
la descarga, por lo que su característica principal es la Rugosidad
constante. Su inconveniente es que no importa el tiempo en lograr las
descargas de igual energía, por lo que las pausas entre cada dos impulsos
Procesos No Tradicionales de Manufactura
41
pueden ser muy grandes y la frecuencia disminuye, lo que implica
desgastes superiores de electrodo y disminución de la capacidad de
arranque .
Fig. Nº 1.21 Impulsos en un generador isoenergético
b. Generadores isofrecuenciales
Mantienen constante la frecuencia de chispeo (tp , ti ctes).
b1.- De baja tensión de encendido: Todo retraso en el encendido (no cte)
supone pérdida de energía en algunos impulsos, por lo que la rugosidad no
será constante.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
42
Fig. Nº 1.22 Impulsos en un generador isofrecuencial de baja tensión de encendido
b2.- De alta tensión de encendido: Se aproxima al trabajo isoenergético ya
que se puede considerar tf = ti cte. Además, dada la alta tensión de
encendido (Uo) el GAP es mayor lo que facilita la evacuación de las
partículas erosionadas (viruta).
Fig. Nº 1.23 Impulsos en un generador isofrecuencial de alta tensión de
encendido
Procesos No Tradicionales de Manufactura
43
1.8 Parámetros de la Electroerosión
Tipos de impulsos
• Impulso erosivo normal, es el de mayor rendimiento.
• Impulso vacío: GAP demasiado grande debido a que el servo no lo ha
mantenido constante, por lo que se produce un impulso sin descarga
eléctrica. No es erosivo y baja mucho el rendimiento de la maquina si se
produce con frecuencia.
• Impulso en cortocircuito: Electrodos entran en contacto (por desplazamiento
excesivo o por alguna partícula erosionada). La tensión se anula. Es
erosivo, con grandes desgastes relativos, grandes cráteres e
irregularidades en las superficies mecanizadas. No es conveniente que se
produzca por lo que el servo debe actuar con rapidez para evitarlo.
• Arcos voltaicos: GAP demasiado pequeño, sin llegar a tocarse los
electrodos. Si la tensión de descarga es menor de 20 V se forman arcos
voltaicos en los que la intensidad no es controlable. Es erosivo.
Fig. Nº 1.24 Impulso vacío Fig. Nº 1.25 Impulso en cortocircuito
Procesos No Tradicionales de Manufactura
44
Se puede ver la importancia del servomecanismo cuya misión es mantener el
gap en una distancia tal que la tensión de descarga quede fijada en 26 ó 28 V, y
corregir variaciones en esta distancia que eviten las descargas en vacío
(acercando los electrodos) y los cortocircuitos y arcos voltaicos (separándolos).
Potencia y Energía de un impulso
• P = Uf * if . Como Uf es constante, la altura del impulso de intensidad da una
idea de la potencia, por lo que a veces se da la potencia en Amperios.
• W = Uf * if * tf . Como Uf es constante, el área sombreada del impulso de
intensidad da una idea de la energía del impulso. A mayor energía, mayor
rugosidad y capacidad de arranque.
Fig. Nº 1.26 Potencia y energía de un impulso
Procesos No Tradicionales de Manufactura
45
Valor medio de intensidad y de tensión
Los valores que controla el generador y que marcan sus aparatos de medida
son valores medios, que se obtienen de la siguiente forma : Suponiendo que todos
los impulsos son iguales, una intensidad de corriente que fuese continua de valor
Ifm y que durante un período moviese la misma cantidad de carga que un impulso
de intensidad if, si igualamos la carga en un periodo, tenemos if * tf = Ifm * tp, que
se corresponde con la equiparación de áreas. A Ifm se le llama valor medio o
intensidad media, su valor es Ifm=if * tf / tp. Para la tensión media de trabajo
tenemos: Ufm * tp = Uf * tf + Uo * td, y por tanto Ufm=(Uf * tf + Uo * td) / tp. Pero esto
no es del todo válido porque existen impulsos vacíos, cortocircuitos y arcos
voltaicos, lo que produce oscilaciones en los aparatos de medida.
Fig. Nº 1.27 Valor medio de la tensión y de la intensidad
Procesos No Tradicionales de Manufactura
46
Parametros eléctricos
El generador proporciona impulsos rectangulares y los parámetros regulables
son: Tiempo de impulso (ti); Tiempo de vacío (to); Intensidad media (Ifm).
Se regulan los tiempos mediante 14 posiciones, ti y to son independientes entre
sí. La combinación de posiciones depende de la pareja de materiales para el
electrodo y pieza, del arranque de material (VW) y del desgaste volumétrico
relativo ( V).
La intensidad media se establece mediante 4 niveles de intensidad regulables
desde el generador (2, 4.5, 9 y 18 A).
Rugosidad
La rugosidad, a diferencia de los mecanizados convencionales (en los que es
direccional), es multidireccional, y da a las piezas un aspecto mate que engaña a
simple vista.
Rugosidad media y rugosidad total
Si se realiza el corte de una pieza mecanizada por un plano perpendicular a la
superficie se obtiene un perfil real tal como el de la figura
Fig. Nº 1.28 Perfil real de una pieza mandrinada
Procesos No Tradicionales de Manufactura
47
En él podemos observar dos tipos de rugosidad: rugosidad media (Ra) y
rugosidad total (Rt ó Rmáx), ambas se miden en µm. La rugosidad media Ra es la
suma de las áreas por encima y por debajo de la línea media dividido por L. La
rugosidad total Rt es la distancia entre dos líneas paralelas a la línea media que
pasan por el punto mas alto y mas bajo del perfil dentro de la longitud de
referencia.
Factores de los que depende la rugosidad
Depende principalmente de tres factores:
1. El tiempo de impulso: A mayor ti, mayor Ra, esto es debido a que al
aumentar ti aumenta la energía del impulso, con lo que se forman cráteres
mayores que hacen aumentar la rugosidad.
2. El nivel de intensidad: A mayor Ifm, mayor Ra, igual que antes, al aumentar
Ifm aumenta la energía del impulso, dando superficies más rugosas.
3. La pareja de materiales de electrodo y pieza: Ra acero-grafito > Ra acero-
cobre > Ra cobre-cobre. Todo esto está muy unido al arranque de material,
si este es grande, la rugosidad también lo será.
En la figura se puede ver la variación de la rugosidad con los tres parámetros
citados.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
48
Fig. Nº 1.29 Variación de la rugosidad
Medición de la rugosidad
La rugosidad de las piezas mecanizadas por Electroerosión se puede medir de
dos formas:
- Con rugosímetro
- Por medio del "Rugotest", la más utilizada.
La Norma VDI 3400 elige para los valores de Ra (µm) normalizados, la serie de
Renard o de Números Normales R20 (ISO/TC 19) que siguen una progresión
geométrica de razón 1,12 y que comienza por Ra: 0,1µm. Asimismo, esta norma
asigna a cada rugosidad aritmética media (Ra) una "Clase" o "Número de
Rugosidad" (Nr). Dicho número se halla relacionado con Ra por la fórmula
siguiente: Nr = 20 lo10 Ra , estando Ra expresada en µm.
A continuación se da una tabla que expresa la correspondencia entre el
Número de Rugosidad (Nr) y la Rugosidad (Ra).
Procesos No Tradicionales de Manufactura
49
Tabla 1 - Correspondencia entre Nr y Ra
Nr Ra (µm) Nr Ra
(µm) Nr
Ra
(µm) Nr
Ra
(µm)
0 0,1 *12 0,4 *24 1,6 *36 6,3
1 0,112 13 0,45 25 1,8 37 7
2 0,126 14 0,5 26 2 38 8
3 0,14 *15 0,56 *27 2,2 *39 9
4 0,16 16 0,63 28 2,5 40 10
5 0,18 17 0,7 29 2,8 41 11,2
6 0,2 *18 0,8 *30 3,2 *42 12,6
7 0,22 19 0,9 31 3,5 43 14
8 0,25 20 1 32 4 44 16
9 0,28 *21 1,12 *33 4,5 *45 18
10 0,32 22 1,26 34 5
11 0,35 23 1,4 35 5,6
* Figuran en el Rugotest "ONA"
Dado que en el cálculo de las dimensiones de los electrodos puede ser
necesaria la Rugosidad total (Rt ó Rmáx) tenemos otra tabla (Tabla 2) que
relaciona Nr, Rt y Ra.
Tabla 2 - Correspondencia entre Nr, Rt y Ra
Nr VDI3400 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45
Ra (µm) 0,4 0,6 0,8 1,1 1,6 2,3 3,2 4,6 6,3 9 13 18 Rt (µm) 1,6 2,2 3,2 4,5 6,3 9 12 18 25 36 50 72
Procesos No Tradicionales de Manufactura
50
Se puede observar que se cumple aproximadamente la relación Rt = 4 Ra.
Cuando se habla de la rugosidad, al igual que ocurre con el GAP, se ha de
distinguir entre la rugosidad frontal y la rugosidad lateral. Es mayor en el GAP
frontal que en el lateral (del orden de 1 Nr). Las tablas de Tecnología dan la
rugosidad lateral por lo que habrá que considerar esta diferencia en el mecanizado
de agujeros ciegos.
Fig. Nº 1.30 Rugosidad frontal y lateral
Aspecto de las piezas mecanizadas por Electroerosión
El tipo de rugosidad multidireccional que se da en este proceso da a las piezas
mecanizadas un aspecto mate, a veces desagradable en contraste con el aspecto
brillante de las piezas mecanizadas por procedimientos convencionales.
Ocurre con frecuencia que a simple vista las piezas parecen, debido a su
Procesos No Tradicionales de Manufactura
51
aspecto, más rugosas de lo que en realidad son, por lo que es conveniente al
menos en principio compararlas con el Rugotest-patrón.
Debido a la multidireccionalidad la Electroerosión aporta efectos especiales de
retención de líquido dieléctrico en los cráteres, lo que merecería un estudio muy
completo de las superficies.
Influencia de los parámetros eléctricos
Los parámetros eléctricos regulables son: Tiempo de impulso (ti); Intensidad
media (Ifm); Tiempo de vacío (to). El proceso de Electroerosión depende de la
combinación adecuada de estos parámetros.
Influencia del tiempo de impulso
Las tablas y ábacos de Tecnología para la máquina A118 relacionan el arranque
de material (VW), el desgaste volumétrico relativo (σV), la rugosidad (Rt y Nr) y el
gap lateral (g) con las posiciones del tiempo de impulso (ti) (con nivel de
intensidad y to ctes). Se puede observar lo siguiente:
• ti aumenta Vw aumenta hasta alcanzar un máximo y entonces disminuye.
• ti aumenta σV disminuye hasta alcanzar valores muy pequeños.
• ti aumenta gap aumenta; Ra aumenta.
Influencia del nivel de intensidad
Extraídos los datos de las tablas, y manteniendo ti y to ctes, si se varía el nivel
de intensidad se observa lo siguiente :
Ifm aumenta entonces σV disminuye ; Vw aumenta ; gap aumenta ; Ra aumenta
Procesos No Tradicionales de Manufactura
52
Fig. Nº 1.31 Variación de resultado obtenido al variar el nivel de intensidad
Influencia del tiempo de pausa (to)
Con nivel de intensidad y ti ctes, si variamos el tiempo de pausa se observa lo
siguiente:
• Si to es demasiado grande, Vw disminuye debido al menor número de
impulsos por minuto. Si to es demasiado pequeño, Vw disminuye debido a
que no da tiempo a efectuar una buena limpieza y existen muchos
cortocircuitos. Existe un to de máximo arranque que depende de la pareja
de materiales a erosionar.
• Existe un to de mínimo desgaste (σV), que no coincide con el de máximo
arranque y depende también de la pareja de materiales.
• No influye en el GAP ni en la rugosidad, esto es debido a que la energía de
los impulsos no varía al variar to.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
53
Fig. Nº 1.32 Variación de resultado al variar to
1.9 Limpieza
Definición
La limpieza consiste en la circulación del líquido dieléctrico (aceite o petróleo)
por el GAP y es muy importante de cara al rendimiento del proceso de
mecanizado. Si es buena, se obtiene poco desgaste del electrodo y buena
velocidad de arranque del material. Su misión es la evacuación de impurezas
generadas en la erosión, tales como:
• Gases que provienen de la disociación del dieléctrico.
• Partículas de carbón que provienen del cracking del dieléctrico.
• Partículas procedentes de la erosión del electrodo y la pieza.
Influencia de la contaminación del gap en el proceso de Electroerosión
Interesa un dieléctrico un poco polucionado para reducir su resistencia al paso
de corriente eléctrica y así reducir el tiempo de retraso td. Además, ayuda a la
Procesos No Tradicionales de Manufactura
54
buena regulación porque provoca un GAP más grande. Sin embargo, si está muy
polucionado se pierde rendimiento debido a la excesiva cantidad de gases
(ramifican el canal de descarga), a las descargas entre electrodos y partículas
erosionadas y a la aparición de arcos voltaicos y cortocircuitos que dañan
electrodo y pieza.
Por todo esto se debe eliminar este exceso de impurezas del gap mediante la
limpieza, esto es, mediante la circulación del líquido dieléctrico a través de él. Sin
embargo esta no debe ser excesiva ya que para obtener un buen rendimiento es
preciso que el GAP se halle algo contaminado.
Formas de limpieza
Podemos encontrar los siguientes procedimientos:
• Limpieza por presión
• Limpieza por aspiración
• Limpieza por lanza lateral
• Limpieza por remoción
• Limpieza por temporizador
• Limpieza con presión intermitente
Limpieza por presión
Consiste en introducir en el GAP el dieléctrico bien a través de la pieza o del
electrodo.
En el caso de limpieza por presión a través de la pieza, esta se coloca sobre un
vaso soporte lleno de dieléctrico conectado mediante un tubo al mando de
Procesos No Tradicionales de Manufactura
55
presión, el líquido entra a presión en el gap por medio de un taladro practicado en
la pieza; este taladro debe ser efectuado con anterioridad al temple en el caso de
que la pieza sea de acero templado.
Fig. Nº 1.33 Limpieza por presión a través de la pieza
En el caso de limpieza por presión a través del electrodo el líquido es inyectado
en este de dos formas, bien directamente a través del electrodo, o por medio de
un tubo de cobre o acero porta-electrodos.
Fig. Nº 1.34 Limpieza por presión a través del electrodo
Procesos No Tradicionales de Manufactura
56
La limpieza por presión da como resultado agujeros ligeramente cónicos
cuando se realizan agujeros con un electrodo de sección constante. Esta
conicidad es debida a un efecto de Electroerosión que se puede llamar
secundaria, en el entrehierro o gap lateral. Esta erosión es debida a que el paso
de partículas por el gap lateral provoca descargas laterales, esto constituye una
perdida de rendimiento ya que estas descargas deberían producirse frontalmente.
Fig. Nº 1.35 Conicidad creada en el
caso de limpieza por presión a través
de la pieza
Fig. Nº 1.36 Conicidad creada en el caso de
limpieza por presión a través del electrodo
Este método de limpieza se utiliza en el mecanizado de matrices para
troqueles en las cuales se busca intencionadamente una cierta conicidad. La
matriz se ha de disponer para erosionar en sentido inverso al de su montaje en el
troquel para obtener la conicidad en el sentido correcto.
En el caso de limpieza por presión a través del electrodo se va formando un
cilindro que es parte de la pieza que se está erosionando. Si el agujero es
pasante, cuando el electrodo llega al final, dicho cilindro se mueve tocando las
paredes del electrodo produciendo un cortocircuito permanente. Por ello se ha de
parar el proceso para arrancar el cilindro y después continuarlo.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
57
Limpieza por aspiración
Consiste en succionar dieléctrico desde la cuba de mecanizado, bien a través de
la pieza por el vaso soporte, o bien a través del electrodo. Este procedimiento de
limpieza suele dar mejores resultados en cuanto a la velocidad de arranque si la
aspiración se realiza por el electrodo.
Fig. Nº 1.37 Limpieza por aspiración
a través de la pieza
Fig. Nº 1.38 Limpieza por aspiración
a través del electrodo
Esta técnica de limpieza por aspiración, bien a través de la pieza, bien a través del
electrodo, permite evitar la erosión lateral secundaria, no formándose por tanto la
conicidad que ocurre en el método de presión. En el caso de limpieza a través del
electrodo esta conicidad se forma en el cilindro interior.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
58
Fig. Nº 1.39 Conicidad en el cilindro interior creada en el caso de
limpieza por aspiración a través del electrodo
La depresión de la aspiración no puede llegar a valores altos como en la
presión, solamente a unos 0,8 Kg/cm2, lo cual a veces no da buen rendimiento.
Limpieza por lanza lateral
Este método de limpieza se usa en algunos casos en los que no se pueden
realizar orificios, ni en la pieza, ni en el electrodo, por los cuales se pueda
introducir el líquido dieléctrico hasta el gap. Es el caso de útiles de prensa para
forjar, medallas, cubiertos, etc., y en el caso de ranuras profundas y estrechas
muy empleadas en la industria del plástico y juguetería.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
59
Fig. Nº 1.40 Limpieza por lanza
lateral
Fig. Nº 1.41 Dirección del líquido
dieléctrico
La lanza (dieléctrico a fuerte presión) ha de dirigirse con un ángulo
determinado, tomando las precauciones siguientes:
1. El ángulo de entrada de la lanza ha de coincidir lo más posible con la
entrada del gap lateral. Si no ocurre así se forman turbulencias a la entrada
del gap, entrando muy poca cantidad de dieléctrico en él, no
desarrollándose una limpieza eficaz. Si el ángulo es el adecuado, la
cantidad de dieléctrico que entra en el gap será máxima.
2. La dirección de la lanza es muy importante en el caso de ranuras estrechas
y profundas El dieléctrico debe mojar bien toda la superficie, por lo que, si
la dirección no es la buena, además de no entrar el dieléctrico en el gap, y
dado el poco espesor del electrodo, este puede llegar a flexar, corriendo el
riesgo de producirse continuas vibraciones y gran número de cortocircuitos.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
60
3. En el caso de ranuras profundas y en todos los casos, el líquido debe
introducirse por la cara mayor, y lo más repartido posible por dicha cara,
con el fin de mojar toda la superficie y llegar más fácilmente hasta el fondo.
4. Nunca debe introducirse el líquido dieléctrico por dos lados opuestos, ya
que entonces ambas corrientes de dieléctrico quedarían anuladas.
5. Este método de limpieza debe utilizarse siempre combinado con el
temporizador, de forma que se eleve el electrodo temporalmente, dando
entrada a líquido dieléctrico limpio en el gap.
Fig. Nº 1.42 Mecanizado de una ranura
estrecha
Fig. Nº 1.43 Mecanizado de una ranura
estrecha en malas condiciones
Limpieza por remoción
Es una forma de limpieza que no utiliza ni el sistema de presión ni el de
aspiración, de esta forma no hay que practicar agujeros ni en el electrodo ni en la
pieza. En principio la pieza se halla inmersa en la cuba de mecanizado llena de
dieléctrico. Durante un tiempo dado se verifica el proceso de electroerosión
contaminándose el dieléctrico. Al subir el electrodo el volumen del gap aumenta,
creándose un vacío que se rellena con dieléctrico limpio, que se mezcla con el
contaminado del interior del gap. Al bajar de nuevo el electrodo disminuye el
Procesos No Tradicionales de Manufactura
61
volumen del gap, obligando a salir al exterior la mayor parte del líquido, que
arrastra las partículas contaminantes.
Fig. Nº 1.44 Limpieza por remoción
Esta forma de limpieza se utiliza en el mecanizado de agujeros profundos
permitiendo la erosión sin circulación forzada de dieléctrico. Si durante la salida
del dieléctrico por el gap no hay tensión entre electrodos no se formarán
conicidades laterales.
Limpieza por temporizador
El temporizador es un dispositivo que controla el tiempo de erosión, con objeto
de retirar brevemente el electrodo del lugar de trabajo, aumentar el volumen del
gap, y poder retirar así más facilmente los residuos de la erosión. Se puede
controlar el tiempo de trabajo (entre 0,04 y 10 segundos) en que se está
Procesos No Tradicionales de Manufactura
62
produciendo la erosión, así como el tiempo sin trabajar (también entre 0,04 y 10
segundos) en el que el electrodo se halla retirado mientras el dieléctrico penetra
en el gap por el sistema de presión, aspiración o lanza desalojando los residuos
de la erosión.
Fig. Nº 1.45 Elevación periódica del electrodo (Temporizador)
El ajuste de ambos tiempos depende del trabajo a realizar, pero generalmente el
tiempo de trabajo debe ser lo más largo posible y el de pausa lo menor posible.
Limpieza con presión intermitente
Consiste en una alimentación no continua del fluido dieléctrico hacia el gap, con
ello se obtienen desgastes menores en zonas críticas como son las salidas y
entradas del dieléctrico en orificios y en los cambios bruscos de succión. En las
figuras podemos ver que el desgaste es más fuerte en la zona M del canal de
limpieza con presión continua que con presión intermitente.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
63
Fig. Nº 1.46 Limpieza con presión
continua
Fig. Nº 1.47 Limpieza con presión
intermitente
Este hecho se explica porque para cierto grado de impureza del líquido el
desgaste es más regular y débil. Por ello lo que se hace es renovar el líquido del
gap periódicamente. La presión intermitente puede evitar un segundo electrodo de
desbaste.
1.10 El líquido dieléctrico
Misiones del líquido dieléctrico
Las misiones del dieléctrico son varias, veámoslas:
• La principal es concentrar las descargas eléctricas en puntos del GAP. Con
esto se consigue una capacidad de erosión muy superior, en el aire o en un
gas las descargas se dispersarían y no erosionarían tanto.
• Otra misión es la de actuar como dieléctrico (aislante entre electrodos). Su
ionización es fundamental para el proceso, en el momento en el que la
tensión entre electrodos es lo suficientemente grande para vencer la rigidez
dieléctrica del líquido, este baja su resistencia eléctrica bruscamente, lo que
provoca una descarga en forma de avalancha, característica de las
descargas erosivas. Una vez terminado el impulso, el líquido debe
Procesos No Tradicionales de Manufactura
64
desionizarse, y la siguiente descarga volverá a ionizarlo y formará el canal
de descarga en cualquier otro punto, ocurriendo así un reparto al azar de
las descargas sobre la superficie a erosionar.
• El arrastre de impurezas y virutas de la zona de trabajo durante el proceso
de limpieza para evitar problemas de estabilidad en el proceso.
• Refrigerar electrodo y pieza, ya que debido al efecto térmico de las
descargas, tienen tendencia a calentarse durante el mecanizado.
Características que debe reunir un líquido dieléctrico
1. Rigidez dieléctrica suficiente. Debe soportar los campos eléctricos debidos
a las tensiones (60 a 300 V) entre electrodos, que están separados por el
GAP (10 a 200 µm), permitiendo el paso de corriente sólo en forma de
descarga.
2. Rápida desionización y vuelta al estado inicial para mejorar el rendimiento
(mayor velocidad de arranque y menor desgaste).
3. Baja viscosidad y baja tensión superficial. Debe mojar bien para penetrar en
todos los rincones del GAP (pasar por espacios inferiores a 5 µm),
reconstruir allí las condiciones de aislamiento, y después de la descarga
poder arrastrar los residuos de la erosión.
4. Químicamente neutro, nunca ácido, para no atacar pieza, electrodo y
componentes de la máquina.
5. Características térmicas adecuadas para poder refrigerar las superficies
erosionadas y evitar las dilataciones que originan las altas temperaturas
locales en ambos electrodos..
6. Volatilidad baja para evitar pérdidas dada la gran superficie de contacto
entre el líquido y el aire.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
65
7. Elevado punto de inflamación para evitar el riesgo de incendio.
8. Cuestiones de seguridad (olor, gases nocivos, irritaciones de piel…).
9. Conservación de propiedades durante el mecanizado, debe ser
mínimamente sensible a las variaciones de temperatura, a los restos de la
erosión y a los productos de descomposición resultantes de la acción de las
descargas.
10. Mínima formación de lodos por el cracking.
11. Precio no excesivo y buena disponibilidad en el mercado.
Tipos de dieléctricos utilizados
Los líquidos que mejor cumplen con las características anteriores son los
hidrocarburos, aunque existen diferencias entre los aceites y el petróleo.
Aceites
Los que mejor se comportan son los minerales, ya que su temperatura de
inflamación es alta, oscilando entre 120 y 150º C, lo que supone una gran
seguridad contra incendios.
Su viscosidad es muy elevada, variando entre 6 y 20 cts., lo que unido a su
elevado punto de inflamación los hace aconsejables para trabajos de desbaste, en
los que el gap es grande y no suele haber problemas en la circulación del
dieléctrico a través del mismo. Sin embargo no son válidos para trabajos de
acabado donde el gap es muy pequeño, y debido a su alta viscosidad, los aceites
no pueden circular por él.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
66
Petróleo
Posee un punto de inflamación más bajo que el del aceite, entre 75 y 80º C, y
su viscosidad es también menor, alrededor de los 2 cts. Esto le hace aconsejable
para trabajos de acabado en los que la temperatura es baja y el gap es pequeño.
Como se ve, se debería realizar cada operación (desbaste o acabado) con el
dieléctrico idóneo para ella, según las siguientes recomendaciones:
• Mecanizado de carburo de tugsteno - Petróleo.
• Mecanizado de piezas muy pequeñas de acabado muy fino - Petróleo.
• Mecanizado de piezas medias y grandes (acabado con rugosidad media
1,12 a 5,6 micras) - Aceite de viscosidad 6 a 12 cts.
• Mecanizado de piezas grandes con rugosidad media de acabado mayor a
5,6 micras - Aceite de viscosidad 12 a 20 cts.
Como no se puede ir cambiando el tipo de dieléctrico en una máquina, debido al
gran volumen que ocupa (100 a 800 litros), se elige el apropiado para el tipo de
operación y pieza que se va a trabajar. Lo más habitual es el petróleo.
Agua
Se utiliza como dieléctrico sólo en algunas ocasiones, como micromecanizados
y en general para máquinas de corte por hilo. Debe estar totalmente
desmineralizada.
Factores que afectan al mecanizado
Además de todo lo dicho, hay otros factores que afectan al mecanizado, como
son:
Procesos No Tradicionales de Manufactura
67
• Temperatura del dieléctrico.
• Grado de limpieza.
• Presión de limpieza.
Temperatura del dieléctrico
No influye en el rendimiento en los petróleos. Para aceites existe una
temperatura que da lugar a un rendimiento máximo. El rendimiento del
mecanizado aumenta con la temperatura hasta llegar a ese punto máximo a partir
del cual el rendimiento vuelve a disminuir. Ello es debido a que al aumentar la
temperatura baja la viscosidad del aceite (se hace más líquido) y por ello la
limpieza es mejor, pero a partir del punto de máximo rendimiento, este vuelve a
disminuir ya que se produce un excesivo desprendimiento de gases que provoca
inestabilidades.
Fig. Nº 1.48 Influencia de la temperatura del dieléctrico
en el rendimiento del mecanizado
Procesos No Tradicionales de Manufactura
68
Grado de limpieza
El grado de limpieza del líquido dieléctrico influye mucho en el rendimiento del
proceso, si está poco sucio el rendimiento es óptimo, pero conforme aumenta el
grado de suciedad el rendimiento baja considerablemente. Para descargas de
pequeña intensidad y gap pequeño, un grado de suciedad alto en el dieléctrico da
lugar a un gran número de cortocircuitos que disminuyen el rendimiento. En el
caso de descargas con intensidades altas y gap mayores el grado de suciedad
influye mucho menos ya que la limpieza es más fácil.
Presión de limpieza
La limpieza es una de las operaciones más importantes en el proceso de
electroerosión, lógicamente la presión a la que se inyecta el fluido influye en el
rendimiento del proceso. La figura muestra la influencia de la presión en el
arranque y en el desgaste relativo del electrodo.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
69
Fig. Nº 1.49 Influencia de la presión del dieléctrico en el
arranque de material y en el desgaste relativo del electrodo
Existe un punto de inflexión, a bajas presiones el arranque de material
disminuye y el desgaste aumenta, esto es debido a que existe mucha suciedad en
el dieléctrico y se producen cortocircuitos, mientras que a altas presiones también
se da una perdida de rendimiento debido a un dieléctrico muy limpio que hace que
el gap disminuya produciéndose también cortocircuitos.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
70
1.11 Características de las superficies mecanizadas por Electroerosión
Introducción
Como ya se ha visto, en Electroerosión cada impulso produce una descarga
eléctrica en una zona ionizada del gap, creándose un arco eléctrico entre ambos
electrodos. Las variables que influyen en cada descarga son dos: Intensidad y
tiempo de impulso, que definen la energía de cada descarga. Esta energía se
reparte de forma no determinada entre los dos electrodos, y se transforma en
calor llegándose en la zona de descarga en ambos electrodos a temperaturas
altísimas (superiores a veces a los 10.000 ºC), mayores que las temperaturas de
fusión y de evaporación de los materiales. Debido a la corta duración de la
descarga (de 2 a 2.000 µs), su acción térmica es muy localizada, lo cual hace que
el calor no se transfiera por conducción a las capas internas del metal, por ello la
temperatura es tan alta.
Debido a la naturaleza térmica del proceso, las características de las superficies
mecanizadas por Electroerosión son diferentes a las obtenidas en los
mecanizados convencionales, principalmente en dos aspectos. El primero de ellos
es la rugosidad obtenida, que como ya se ha dicho no es unidireccional como en
los procesos convencionales (torneado, fresado, etc.), sino multidireccional. En
segundo lugar las altas temperaturas que se dan hacen que en las capas
superficiales de las piezas aparezcan transformaciones metalúrgicas, tensiones
internas y en algún caso fisuras superficiales.
Estos cambios de estructuras dependen por supuesto de la pareja de
materiales que se estén utilizando, a veces no se produce cambio alguno, pero en
algunas aplicaciones (como es la aeronáutica) deben tomarse precauciones para
Procesos No Tradicionales de Manufactura
71
reducir sus consecuencias. Sin embargo se ha observado que los útiles realizados
por Electroerosión tienen una vida más larga que los mecanizados
convencionalmente.
Análisis metalográfico
El análisis metalográfico del corte transversal de una pieza mecanizada por
Electroerosión revela una serie de capas superpuestas cuyos espesores
dependen de la energía del impulso (intensidad * tiempo de impulso). Las capas
observadas son las siguientes:
Fig. Nº 1.49 Capas estructurales en Electroerosión
a. Capa muy fina de polvo depositado por material removido en otros puntos.
b. Capa blanca en el exterior debida al proceso de temple en el que el
carbono liberado del dieléctrico se difunde en el metal fundido y
resolidificado en el mismo lugar. Características: espesor no constante,
porosa, cuarteada; Estructura: ledeburita (muy dura).
c. Línea muy blanca de separación con estructura austenita. Sólo aparece en
procesos de desbaste altos con intensidades superiores a 30 A, o en
Procesos No Tradicionales de Manufactura
72
procesos de desbaste bajos como son de 18 A, pero con tiempos de
impulso por encima de 200 µs (Posición ti : 9 según las Tablas de
Tecnología).
d. Capa de color claro correspondiente a martensita no revenida.
e. Zona oscura de martensita revenida debido al transporte de calor a través
de la pieza.
f. Estructura base de la pieza.
La Fig. Nº 1.50 muestra el espesor de las capas en función del tiempo de
impulso para el caso de 18 A de intensidad (nivel IV) en una pareja cobre-acero.
Fig. Nº 1.50 Espesor de las capas en función del tiempo de impulso
Análisis de durezas
La Fig. Nº 1.51 muestra un estudio de las durezas de las diferentes capas en
función de la distancia a la superficie, y cabe observar que en caso de que no
aparezca austenita la curva iría por la línea de puntos.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
73
Fig. Nº 1.51 Variación de la dureza en las capas superficiales
Fisuras
En los procesos fuertes de desbaste (>40A) y semiacabado (>18A) con tiempos
de impulso altos (ti>10 µs), aparecen fisuras que van hacia el interior de la pieza y
que tienen una profundidad de alrededor del doble de la suma de las capas
modificadas. Para paliar esta dificultad es suficiente con la diferencia que marcan
las tablas entre las operaciones de desbaste y acabado.
Si el acero está sin templar no aparecen grietas en ningún caso. En este caso
además la capa blanca es más uniforme y no aparecen el resto de las capas.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
74
Eliminación de capas superficiales
En los casos en los que sea necesario (muy pocos) eliminar principalmente la
capa blanca y todas las modificaciones metalúrgicas superficiales, basta con
hacer lo siguiente:
1. Dejar entre desbaste y acabado una franja suficiente para eliminar
totalmente la capa dejada por el desbaste.
2. Pulir la pieza después de la operación de acabado.
1.12 Materiales para Electrodos
Propiedades que deben tener los materiales empleados en la fabricación de
electrodos
Aunque cualquier material conductor puede en principio ser utilizado para
fabricar electrodos, la experiencia demuestra que existen unos mas idóneos que
otros, según el material de que esté constituida la pieza, el tipo de generador que
se emplee y en función de los resultados a obtener.
El problema principal en su elección es el desgaste en ambos polos (electrodo y
pieza), pero existe una gran diferencia entre lo que se desgasta uno y otro polo.
Se define la erosión en el electrodo como el desgaste porcentual de este respecto
a la erosión en la pieza. Se desea siempre que este desgaste sea mínimo. Para
ello el material debe presentar las siguientes propiedades:
Físicas
• Alto punto de fusión, al tratarse de un proceso térmico, menos cantidad de
material se fundirá y por tanto menor desgaste.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
75
• Buena conductividad térmica (baja resistividad eléctrica), con ello se
consigue que el calor producido en la descarga puntual se difunda
rápidamente por todo el electrodo sin que se eleve mucho la temperatura
localmente y por tanto sin apenas desgaste.
Mecánicas
• Fácilmente mecanizables, pues se construyen por métodos convencionales
(torneado, fresado,...).
• Coeficiente de dilatación muy pequeño, ya que si aumentaran sus
dimensiones con el calor, aumentarían también las de la pieza.
• Bajo peso específico, ya que a menudo se trabaja con electrodos de
volúmenes grandes.
• Buena estabilidad dimensional que evite cambios no deseados en las
dimensiones de la pieza a mecanizar. Esto es porque algunos materiales,
debido a los tratamientos y procesos físicos que sufren quedan afectados
de tensiones internas que se liberan con el calor produciéndose cambios en
sus dimensiones. En el caso del electrodo este cambio de dimensión es
perjudicial porque repercute en el mismo cambio de dimensiones en la
pieza.
La elección final del material del electrodo se realizará teniendo en cuenta las
propiedades físicas y mecánicas. Otros factores a considerar en la elección del
material son la forma a realizar, el número de electrodos a mecanizar, sus
dimensiones, el precio y la facilidad de adquisición en el mercado.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
76
Clasificación de los materiales
Podemos dividirlos en dos grupos principales, los metálicos y los no metálicos.
Entre los primeros tenemos los siguientes:
- Cobre electrolítico
- Cobre al plomo
- Cuprotugstenos
- Aluminio y aleaciones
- Latón
- Acero
- Cuprografitos
En el segundo grupo se puede considerar el grafito.
Cobre electrolítico
Es quizás el material más empleado en la fabricación de electrodos, Su pureza
debe ser del 99,9 %. Sus propiedades físicas y mecánicas son:
• Baja temperatura de fusión (1083 ºC).
• Muy buena resistividad eléctrica (0,017 mm2/m)
• Difícil de mecanizar
• Coeficiente de dilatación lineal alto respecto al grafito, pero suficiente en
electroerosión.
• Alto peso específico (8,95 Kg/dm3), no sirve para electrodos voluminosos.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
77
Métodos de fabricación de electrodos de cobre
Pese a estas características no muy buenas, el cobre electrolítico se emplea
mucho en la fabricación de electrodos porque se presta a muchas alternativas de
fabricación: deformación en frío y caliente, extrusión, fundición, galvanoplastia
(procedimiento químico), procedimientos convencionales con arranque de viruta y
ataque con ácido.
En el caso de deformación por prensa, se pueden dar los casos de deformación
en frío o caliente, pero se ha de disponer de moldes apropiados para realizar las
operaciones. El mayor inconveniente en estos casos suele estar en las tensiones
internas que quedan en el electrodo debido al proceso de deformación. Por ello se
ha de recocer el electrodo. Por este procedimiento se obtienen electrodos con
tolerancias bastante estrechas.
Por procedimientos de extrusión se obtienen electrodos de perfil constante y de
formas muy diversas.
Los electrodos de cobre fundidos o fabricados por métodos electroquímicos
como es la galvanoplastia, no pueden ser realizados más que por casas
especializadas en dichos métodos para conseguir tolerancias estrechas.
En muchos casos se puede fabricar el electrodo por medio de Máquinas-
Herramienta convencionales. En torneado, planeado y fresado es importante la
lubricación a base de taladrina o aceite. El rectificado es difícil, pero se consigue
con abrasivo de Carborundum y alta velocidad de la muela abrasiva.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
78
Reducción de los electrodos de cobre en ácido
Es un procedimiento económico de obtención de los electrodos de desbaste a
partir de los electrodos de acabado. El método consiste en introducir una solución
de ácido nítrico diluido y a cierta temperatura, la parte del electrodo que se quiera
reducir de dimensiones. Cuanto más concentrada es la solución, más rápidamente
se produce el ataque, sobre todo en aristas y ángulos vivos en los cuales el
ataque se acentúa más. No obstante este inconveniente no tiene importancia en
los electrodos de desbaste. Si hubiese que tratar con ácido los electrodos de
afinado, debe de hacerse con soluciones muy diluidas.
El ácido nítrico utilizado normalmente suele ser del 65 % de concentración y se
mezcla con agua con proporciones aproximadamente iguales. La velocidad de
ataque de esta solución a unos 40º C de temperatura, da una reducción diametral
de aproximadamente 5 centésimas en un minuto.
El ácido nítrico es muy peligroso y por ello se han de tener las siguientes
precauciones:
1. En la preparación de la solución no se debe de vertir nunca el ácido sobre
el agua, sino al revés.
2. Se debe evitar respirar los vapores emanados de la reacción.
3. Si el ácido o vapor de nítrico mancha la piel de una persona, se ha de lavar
la piel con agua muy abundante durante al menos 20 minutos.
4. Se deben llevar gafas protectoras y guantes.
Con respecto a las máquinas se han de tomar los cuidados siguientes:
Procesos No Tradicionales de Manufactura
79
1. Realizar la reducción lejos de la máquina para que los vapores de ácido no
la dañén.
2. Como se ha de medir continuamente se ha de tomar la precaución de lavar
con cuidado el electrodo con el fin de no estropear los instrumentos de
medida.
Comportamiento del cobre en la Electroerosión
En cuanto a su comportamiento en electroerosión, de las tablas y gráficos de
tecnología se pueden extraer las siguientes conclusiones:
• Desgastes volumétricos V inferiores al 0,5 % para I<80A en condiciones
normales de trabajo.
• Para I=18A (nivel IV) V inferiores al 0,5 % pero con menor capacidad de
erosión.
• En I de acabado (niveles I y II) V mayores entre el 1 y 5 %.
• El arranque en procesos de desbaste es menor que en el caso del grafito,
pero las rugosidades son mucho más bajas en los procesos de acabado, de
ahí la gran utilización de este material, que además no es caro y es fácil de
encontrar en el mercado bajo distintas formas.
Cobre al plomo
Esta aleación de cobre con una pequeña cantidad de plomo, cromo o teluro (1-2
%) tiene como finalidad mejorar mucho la maquinabilidad del cobre. No obstante
baja el rendimiento y el arranque y sube el desgaste. Se puede reducir por ácido.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
80
Cuprotugsteno
Se usa en la realización de piezas de gran precisión, microorificios en la
industria de aviación, y en general en casos de orificios profundos. Existen tres
calidades:
• tugsteno-cobre en proporciones del 75 y 25 % respectivamente.
• cobre-tugsteno con gran proporción de cobre.
• tugsteno-plata con pequeña proporción de plata.
Sus ventajas son:
1. Rendimiento (relación arranque/desgaste) alto (ver tablas).
2. Estabilidad dimensional.
3. Solidez.
4. Muy bajo desgaste (ver tablas).
5. Fabricación de electrodos por procedimientos galvánicos.
6. Aptitud para conseguir acabados muy finos (ver tablas).
Los inconvenientes son:
1. Precio muy elevado.
2. Peso específico elevado (15-20 Kg/dm3).
3. Poca cantidad en el mercado.
4. No se puede fabricar por estampación.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
81
Aleaciones de aluminio
Se usan solamente en caso de electrodos muy grandes que se han de fabricar
por fundición. Producen superficies muy rugosas, grandes desgastes y pequeños
arranques.
Latón
Apenas se usa. Tiene muy buena maquinabilidad, pero da muy bajos
rendimientos y arranques de material y altos desgastes.
Acero
Se usa solamente en casos límite. Observando las tablas de tecnología y en
comparación con el cobre, presenta las siguientes características:
• Bajo rendimiento (relación arranque/desgaste).
• Altos desgastes.
• Rugosidades muy altas.
• Alto peso específico (7,8 Kg/dm3).
• Muy poca estabilidad dimensional.
Grafito
Es uno de los materiales más empleados, existe una gran variedad que se
emplea en electroerosión. Sus características varían con el tipo o la calidad del
grafito.
Sus propiedades físicas son:
• Alta temperatura de sublimación (3600-3700 ºC).
Procesos No Tradicionales de Manufactura
82
• Muy alta resistividad eléctrica (12-16 mm2/m).
• Tiene temperatura de sublimación, ya que pasa directamente del estado
sólido a vapor.
Sus propiedades mecánicas son:
• Fácilmente mecanizable.
• Coeficiente de dilatación lineal de 3-4x10-6 ºC. De 4 a 5 veces menor que el
del cobre.
• Bajo peso específico, de 1,75 a 1,85 Kg/dm3, muy apropiado para
electrodos de gran tamaño.
• Gran estabilidad dimensional.
Su principal diferencia con el cobre es que los electrodos de grafito solo pueden
obtenerse por mecanización en máquinas-herramienta, aunque con altas
velocidades de mecanizado.
Comportamiento del grafito en el mecanizado
Al ser un material frágil se ha de extremar la precaución en el proceso. Se
pueden obtener tolerancias muy estrechas con herramientas de acero rápido. Por
lo general es mecanizado en seco, aunque puede ser beneficioso el lubricarlo con
el mismo líquido que se vaya a utilizar en el proceso de Electroerosión.
La viruta de grafito es polvo, por lo que es necesario utilizar dispositivos de
aspiración, a fin de asegurar un máximo de limpieza. Este polvo es muy erosivo
por lo que se han de limpiar bien las guías de las máquinas para evitar el desgaste
con el tiempo. Además este polvo mezclado con el aceite de las guías forma una
pasta que se va endureciendo, perdiendo precisión en el trabajo.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
83
Una gran ventaja es poder fabricar grandes y complicados electrodos para
moldes por fresado copiador, con fresas de acero rápido. Las velocidades de corte
han de ser bajas (10-15 m/min) para conseguir un mínimo desgaste en las fresas
y con ello una reproducción más perfecta. Es preferible trabajarlo en húmedo con
el mismo líquido que se vaya a utilizar en Electroerosión.
Comportamiento del grafito ante la Electroerosión. Calidades
La calidad del material depende del tamaño del grano y la compacidad, que
dependen a su vez del proceso de fabricación. La densidad del grafito aumenta a
medida que disminuye el grano oscilando su tamaño entre 10 y 40 µm, a mayor
densidad (grano fino) menor desgaste y mejor acabado superficial, por contra a
menor densidad (grano gordo) tiene mayor capacidad corrosiva.
Presenta las siguientes características respecto a la electroerosión:
• No se puede utilizar con generadores de relajación, solo de impulsos.
• Polaridad + para desgastes pequeños y polaridad - para grandes
velocidades de arranque pero también con grandes desgastes (agujeros
pasantes).
• Se ha de cuidar mas el lavado por el riesgo de cortocircuitos, mayor que
con electrodos metálicos.
• La rugosidad mínima alcanzable es del orden de Nr: 27-30, mayor que la
obtenida con el cobre por lo que no sirve para acabados finos.
• Precio no muy alto aunque más caro que el cobre, y fácil de obtener en el
mercado.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
84
Cuprografitos
Se obtienen a partir de una impregnación con polvo de cobre que se introduce
en los poros del grafito para mejorar la resistividad eléctrica y obtener electrodos
menos frágiles. Por lo demás, se mantienen aproximadamente las características
del grafito en el proceso.
1.13 Aplicación de la Tecnología
Todo proceso de mecanizado por Electroerosión se debe planificar en arreglo a
los siguientes puntos:
A. Problema a resolver.- En primer lugar se debe saber perfectamente cuál es
el problema a resolver, fijando las condiciones siguientes:
-La rugosidad media o máxima con que debe quedar terminada la pieza.
- El material de la pieza y su tratamiento
- El número de piezas a realizar.
- La conicidad final con que se debe terminar el proceso.
- - La preparación de la pieza tanto antes de realizar los tratamientos
térmicos como antes de realizar el proceso. Con todo ello se debe realizar
un plano de la pieza acabada, perfectamente acotado, con las tolerancias y
la rugosidad exigidas.
B. Regímenes de trabajo.- En segundo lugar se deben de determinar el
número de regímenes de trabajo, que en general y dada la potencia de la
máquina, deberán de ser como máximo dos: régimen de desbaste y
régimen de acabado. Puede haber casos en los que sea suficiente un sólo
régimen de mecanizado. Cuando son dos, las medidas de los electrodos
Procesos No Tradicionales de Manufactura
85
para cada uno de dichos regímenes varían ligeramente en función de los
datos de las tablas de Tecnología.
Se debe de preveer que entre ambos regímenes no exista una excesiva
diferencia de rugosidad. Se recomienda en principio que dicha diferencia
expresada en números de rugosidad VDI no sea mayor de 8 a 12 Nr.
Realmente se debería de hacer un estudio que comparase el coste del
segundo electrodo con el coste total de la operación, de tal manera que se
obtuviera un resultado acerca de saber si es más conveniente dos regímenes
de trabajo (desbaste y acabado) o uno sólo, habiendo preparado previamente
la pieza por medios mecánicos. Las curvas y tablas de Tecnología muestran
la rugosidad de cada proceso, expresada como número de rugosidad según la
norma VDI 3400, o la rugosidad total expresada en micras, y relacionada con
la velocidad de mecanizado que se desea obtener.
C. Material del electrodo.- En tercer lugar se debe elegir el material de los
electrodos. Como en general el material de la pieza de los ejercicios que se
realizan a continuación es acero templado para matrices, el material de los
electrodos se deberá elegir entre el cobre electrolítico (E-Cu) y grafito (C).
Además para la mecanización del acero se puede utilizar el Cuprotugsteno,
el Cuprografito, el acero y otros materiales.
D. Normalmente se deberá de elegir de entre los dos primeros (Cu y Grafito),
en función del precio, del rendimiento, del peso del electrodo y de la
facilidad de mecanizado. Se debe de tener muy en cuenta el tipo de trabajo
a realizar, pues es diferente la mecanización de un agujero pasante, en
cuyo caso no es importante el desgaste y sí el arranque de material o la
mecanización de un agujero ciego en el que se debe de reproducir
Procesos No Tradicionales de Manufactura
86
perfectamente la forma del electrodo, en cuyo caso será importante obtener
el mínimo desgaste posible, a expensas de un menor arranque. En
general se deberá de elegir el material del electrodo comparando las curvas
de tecnología, y viendo los arranques, los desgastes y la rugosidad de
acabado.
E. Reglaje del generador.- En cuarto lugar se deben de determinar las
variables de reglaje del generador por el orden siguiente:
Polaridad
Teniendo en cuenta el material de la pieza a erosionar y el material del
electrodo, se elegirá la polaridad según la Tabla adjunta.
Tabla
POLARIDAD DEL ELECTRODO Y PIEZA A EROSIONAR
Pieza a erosionar Electrodo Polaridad del
electrodo Observaciones
Acero Cobre +
Acero Grafito + / -
Hierro fundido Cobre +
Cobre Grafito -
Metal duro Cobre - / +
Según
composición del
metal duro
Acero Acero - / + Cambiando
periódicamente
Procesos No Tradicionales de Manufactura
87
Aluminio
Zamak
Latón
Cobre +
Acero Wolframio +
Acero Sparkal +
Metal duro Cobre -
Cobre Cobre +
Se ha de tener en cuenta que en el mecanizado de acero con acero se debe ir
cambiando periódicamente la polaridad con el fin de obtener el menor desgaste
posible en el electrodo.
También se debe de contar con que en la combinación acero para la pieza y
grafito para el electrodo la tabla adjunta marca como polaridad la positiva. No
obstante comparando las tablas B (Electrodo C + , pieza Acero -), con las tablas C
(Electrodo C - , pieza Acero +), se pueden obtener las conclusiones siguientes:
1. En el caso de grafito (+) los desgastes son en general muy pequeños,
mientras que los arranques son algo mayores que en el caso de electrodo
de cobre positivo.
2. En el caso de electrodo de grafito (-) los arranques son mucho mayores que
en el caso de grafito (+), pero los desgastes oscilan entre el 17 y 60 por
100. Así mismo las rugosidades son mayores en este segundo caso. Por
ello este segundo régimen (grafito negativo) se utilizará solamente en el
caso de que el desgaste no tenga la más mínima importancia, como puede
ser el caso de un agujero pasante, dándole al electrodo mayor longitud que
Procesos No Tradicionales de Manufactura
88
en otros casos. Sin embargo en el caso de querer obtener una buena
reproducción de formas se debe de recurrir a la polaridad positiva.
Niveles de intensidad y tiempo de impulso
El nivel de intensidad y de excitación se debe de escoger teniendo en cuenta la
superficie mínima marcada en las tablas de Tecnología para cada régimen. En los
procesos de desbaste éste debe ser el único criterio a seguir. Por ello se debe de
calcular en todos los casos la superficie frontal de erosión antes de elegir el
régimen de intensidad y de excitación.
En régimen de acabado se elegirá aquel reglaje que permita obtener la
rugosidad deseada, marcada en el enunciado del problema, combinándolo con la
superficie mínima exigida por las tablas.
En cuanto al tiempo de impulso (ti) se debe de elegir al mismo tiempo que las
variables anteriores, en función del rendimiento (arranque y desgaste) y de la
rugosidad final requerida.
Elección del tipo de limpieza
Como hemos visto en el Capítulo 4, la limpieza se puede realizar de diferentes
maneras. Las dos principales son las de presión o aspiración, y ambas formas se
pueden realizar a través de la pieza o de la herramienta o electrodo.
Según sea la forma del electrodo y pieza, y según sea el tipo de trabajo a
realizar (agujeros pasantes o ciegos), se elegirá uno de los cuatro tipos descritos,
teniendo en cuenta además la conicidad que se desee obtener. No obstante es la
experiencia en un tipo determinado de trabajo, la que suele aconsejar el tipo de
Procesos No Tradicionales de Manufactura
89
limpieza. Se ha de tener en cuenta que la forma elegida influye en la preparación
de la pieza y/o del electrodo.
En cuanto a la presión del fluido dieléctrico se debe de regular de forma que la
máquina funcione de forma estable, y es un parámetro que debe irse regulando
según lo aconseje la máquina. No obstante las tablas de Tecnología dan valores
indicativos sobre dicha presión.
Recopilación de datos
Una vez enunciado el trabajo a realizar, con la superficie a obtener, fijados los
regímenes de mecanizado, materiales del electrodo, reglaje del generador y tipo
de limpieza, se debe rellenar la ficha de mecanizado que a continuación se
presenta, u otra que el operario idee para ello.
Dicha ficha se debe rellenar completa extrayendo los datos necesarios de las
Tablas de Tecnología. De esta manera se pueden tener recopilados dichos datos,
lo que facilita los cálculos del dimensionamiento de electrodos y del tiempo que se
va a emplear en la operación tanto en desbaste como en acabado. Además y si el
espacio lo permite se puede realizar un plano de la pieza a mecanizar y otro del
electrodo, con lo cual se tendrán en una sola hoja todos los datos manejados en
un proceso determinado.
ELECTROEROSION
FICHA DE TRABAJO EJERCICIO NUMERO
Datos del problema
Electrodo núm. . . . . Operación (Desbaste: D,
Acabado: A) . . . .
Material electrodo . . . .
Procesos No Tradicionales de Manufactura
90
Material pieza . . . . Número de piezas a realizar . . . .
Estado superficial deseado (Nr) . . . . Rugosidad total (µm) . . . .
Reglaje Generador
Polaridad electrodo . . . . Nivel intensidad Excitación . . . . Tiempo impulso Puntos (ti) . . . . Tiempo pausa Puntos (to) . . . .
K.C. Puntos . . . .
Limpieza Forma . . . .
Presión (bar) . . . .
Datos para cálculos
Menor medida por lado (mm) . . . . Espacio entre electrodo y pieza
(mm) . . . .
Desgaste volumétrico relativo V (o/o) . . . .
Arranque Vw (mm3/min) . . . . Superficie mínima (mm2) . . . .
Superficie a trabajar (mm2) . . . .
Volumen a arrancar (mm3) . . . .
Estimación tiempo mecanizado (min) . . . .
Resultados finales
Tiempo real de mecanizado (min) . . . . Superficie obtenida (Nr) . . . .
Observaciones . .
Diseño de los electrodos
Cuando los agujeros son pasantes y cilíndricos, los electrodos de desbaste y
acabado pueden fabricarse o bien escalonados o bien independientes entre sí.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
91
Fig. Nº 1.52 Electrodos de desbaste
y acabado escalonado
Fig. Nº 1.53 Electrodos de desbaste y acabado
independientes entre si
El caso de electrodos escalonados tiene las ventajas siguientes:
a. El centrado de ambos electrodos se realiza en una sola operación para
ambos.
b. En caso de ser de cobre, se puede obtener por mecanizado convencional
un electrodo de longitud LD + LA, y con las medidas del electrodo de
acabado (aA x bA), y después reducir la medida de la parte de desbaste con
ácido nítrico.
Sin embargo, en caso de que ambos electrodos sean de grafito, dichas
medidas se deberán obtener por mecanizado.
Los posibles inconvenientes de los electrodos escalonados son:
a. No se pueden elegir dos materiales diferentes para las operaciones de
desbaste y acabado.
b. La longitud del electrodo de desbaste ha de ser superior a la altura a
mecanizar, lo que hace imposible el empleo de este tipo de electrodos en
agujeros de mucha longitud.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
92
Dimensionamiento de los electrodos
El dimensionamiento de los electrodos se hace de diferente manera si se trata
del electrodo de desbaste o del de acabado.
En caso de desbaste se utilizará el valor dado en la tabla como "MEDIDA
MENOR POR LADO" (M.m.l.). Esta medida no tiene que ver con la suma Gap
más Rugosidad total (g + Rt). La Medida Menor por Lado es un margen de
seguridad para trabajos en malas condiciones de limpieza, desconocimiento de
materiales, distinto voltaje en la red y fijaciones no muy precisas de los electrodos.
La Fig. Nº 1.54 da una idea muy precisa de lo que ocurre en un proceso de
desbaste. De ella se deduce cómo se puede calcular la Medida del Electrodo de
Desbaste (M.ED).
Fig. Nº 1.54 Proceso de desbaste
Medida electrodo desbaste: Medida nominal - 2 x Medida menor por lado en
desbaste
Procesos No Tradicionales de Manufactura
93
M.ED = M.N - 2 x M.m.lD
Se ha de tener en cuenta que tanto la medida menor por lado como el gap
contornean totalmente la pieza tal y como aparece en la Fig. Nº 1.55, que
representa a un electrodo penetrando en una pieza, visto desde arriba.
Fig. Nº 1.55 Contorno del Gap
En cuanto al cálculo de las medidas del electrodo de acabado pueden ocurrir
dos casos:
a. Que se vaya a realizar una operación de pulido después del proceso de
acabado, como puede ocurrir en el caso de algunos moldes.
b. Que la pieza se vaya a dejar acabada tal y como salga del proceso de
erosión, como es el caso de las matrices de corte.
El primero de los casos se halla representado en la Fig. Nº 1.56.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
94
Fig. Nº 1.56 Proceso de acabado, con pulido posterior
De ella se desprende:
Medida nominal: 2 Rtl + 2 gl + Medida electrodo de acabado (MEA)
M.N = 2Rtl + 2gl + MEA
Y por tanto la medida del electrodo será:
MEA = M.N - 2 (Rtl + gl)
Dado que en los gráficos y tablas de Tecnología aparecen la Rugosidad total
lateral (Rtl) y el gap lateral (gl) o bien la suma de ambos, se tienen datos
suficientes para el cálculo del electrodo.
En el caso de que no haya pulido posterior la medida del electrodo de acabado
se calculará:
MEA = M.N - 2 Gap
Se deduce que el electrodo de desbaste es menor que el de acabado.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
95
Cálculo del tiempo de erosión
Terminología a utilizar.
Para el cálculo de los tiempos de erosión se empleará la siguiente terminología:
h.- Altura a mecanizar en orificios (mm).
p.- Perímetro mecanizado (mm).
Vw.- Arranque específico de material (mm3/min).
Sd.- Desarrollo de las superficies en cavidades tridimensionales o no.
σV.- Desgaste volumétrico relativo (tantos por 100).- (Volumen arrancado del
electrodo / Volumen arrancado de la pieza) x 100
M.N.- Medida nominal.
b.- Anchura de banda o corona en el proceso de acabado.
tM.- Tiempo total de mecanizado. Suma de los tiempos de desbaste y
acabado si hay dos electrodos.
Desbaste Acabado
Medida menor por lado MmlD MmlA
Gap lateral gD gA
Rugosidad total lateral RtD RtA
Medida del electrodo M.ED M.EA
Longitud del electrodo LD LA
Tiempo de mecanizado tD tA
Superficie frontal de erosión SD SA
Volumen a arrancar VD VA
Procesos No Tradicionales de Manufactura
96
Siempre que aparece el subíndice D se refiere a la operación de desbaste, y
siempre que aparece el símbolo A se refiere a la operación de acabado.
Tipos de operaciones a realizar.
Los tipos de orificios que se pueden realizar principalmente por el proceso de
Electroerosión son cuatro:
a. Orificios cilíndricos pasantes.- Son aquellos en los que, además de pasar el
electrodo de lado a lado de la pieza, el electrodo tiene la misma sección
transversal a lo largo de toda su longitud. En ellos la limpieza se realiza
normalmente por presión o aspiración a través de la pieza por medio de un
taladro previo a la erosión.
Fig. Nº 1.57 Orificios pasantes cilíndricos
b. Orificios pasantes tridimensionales.- Son aquellos en los que la sección del
electrodo no permanece constante. En este caso la limpieza se realiza
también normalmente a través de la pieza, bien por presión o por
aspiración.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
97
Fig. Nº 1.58 Orificio pasante tridimensional
c. Cavidades cilíndricas ciegas.- Corresponden al caso a) pero sin que el
agujero sea pasante. La limpieza se suele realizar por presión o aspiración
a través del electrodo.
d. Cavidades ciegas tridimensionales.- Son aquellas del caso b) pero en las
que un agujero no llega a ser pasante. La limpieza en este caso también se
suele realizar a través del electrodo.
En todos los casos, para el cálculo de tiempo de erosión tanto en desbaste
como en acabado, es importante saber, tanto el volumen de la cavidad a realizar,
como el desarrollo de la superficie lateral. Los cálculos son muy parecidos en
todos ellos aunque existen ligeras diferencias que se observarán en los ejemplos.
Cálculo del tiempo de la operación de desbaste.
Todo cálculo de tiempo de mecanizado en el proceso de Electroerosión es difícil
de determinar, ya que los datos sobre arranque de material que dan las tablas de
Tecnología no son totalmente exactos. Cada proceso de Electroerosión se da en
condiciones distintas a otro y por ello los tiempos de dos operaciones idénticas no
coinciden. Los datos de las tablas son medias de diversos casos realizados en
Procesos No Tradicionales de Manufactura
98
laboratorio. No obstante la aproximación en la mayoría de los casos suele ser muy
buena. Lo mismo ocurre con el desgaste y la rugosidad.
El tiempo de mecanizado en desbaste se calcula mediante la fórmula:
tD (min) = VD (mm3) / VW (mm3/min)
A su vez el volumen a arrancar en el caso de desbaste de agujero cilíndrico
pasante o no, es:
VD (mm3) = SD (mm2) x h (mm)
Si la cavidad es tridimensional (pasante o no pasante) se debe de recurrir a
fórmulas geométricas apropiadas.
Cálculo del tiempo de la operación de acabado.
a. Caso de orificios
cilíndricos pasantes.
b. Suponiendo una
forma cualquiera, la
línea punteada
corresponde a la que
ha quedado en la
pieza tras la operación
de desbaste. La parte
sombreada
corresponde a la
superficie frontal de erosión en acabado (SA). En la Fig. se ve ampliada y
Fig. Nº 1.59
Procesos No Tradicionales de Manufactura
99
la forma de calcular la anchura (b) de la parte sombreada. Dicha anchura
multiplicada por el perímetro de la pieza dará como resultado SD.
Se cumple
MmlD + (RtA/2) = gD + (RtD/2) + b
b = MmlD - gD - (RtD - RtA) / 2
c. Se han considerado las
líneas medias de acabado y
desbaste. La parte entre
ambas corresponde al
material que se debe
arrancar. Se ha de tener
precaución y poner todos los
números en mm
.
Superficie frontal
SA (mm2) = b (mm) x p (mm)
Volumen a arrancar
VA (mm3) = SA (mm2) x h (mm)
Una vez calculado el volumen se procede como en la operación de
desbaste.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
100
Tiempo de acabado
tA (min) = VA (mm3) / VW
Caso de cavidades cilíndricas
no pasantes.
d. El procedimiento es muy
parecido al anterior. En la
Fig. Nº 1.61, el volumen a
arrancar se halla rayado
en cruz. El vacío que
aparece es el que ha
quedado en la operación
de desbaste. V1 representa el volumen a arrancar que se puede calcular de
la misma forma que en el caso anterior. V2 representa el volumen del fondo
de la cavidad, que se debe de procurar que sea el mínimo posible. No
obstante se ha de profundizar lo suficiente como para pulir la cavidad, o sea
una cantidad mayor que la suma del gap y la rugosidad total del proceso de
desbaste. Realizado el cálculo del volumen total se procede como en el
caso a).
Caso de agujeros pasantes no cilíndricos.
Fig. Nº 1.61 Cavidad cilíndrica no
pasante
Procesos No Tradicionales de Manufactura
101
e. En este caso es importante
conocer la superficie lateral
del orificio o superficie
desarrollada (Sd), que
multiplicacada por la anchura
(b), dará como resultado el
volumen a mecanizar (Fig. Nº
1.62).
VA (mm3) = Sd (mm2) x b
(mm)
Caso de cavidades no cilíndricas.
f. Para el cálculo de volumen
a arrancar en el proceso de
acabado se deben de sumar
los volúmenes V1 (caso c,
agujeros pasantes no
cilíndricos) y el volumen V2
(caso b, cavidades cilíndricas no pasantes) (Fig. Nº 1.63).
Consideraciones para el caso de cavidades y orificios no cilíndricos.
En estos casos, al ser la sección frontal de erosión variable conforme avanza el
proceso se pueden elegir varias formas de actuación. Se puede elegir uno solo o
dos electrodos.
Fig. Nº 1.62
Fig. Nº 1.63
Procesos No Tradicionales de Manufactura
102
En caso de elegir dos electrodos (uno para desbaste y otro para acabado), el
régimen de desbaste se realizará cambiando de régimen, según la superficie de
erosión que se vaya presentando en cada momento, para terminar con el régimen
de mayor velocidad de arranque posible. En el régimen de acabado se elegirá
aquel régimen que permita el estado superficial que se desea. Con el electrodo de
desbaste se debe llegar hasta muy pocas décimas antes de llegar a la profundidad
deseada.
A veces se puede realizar el desbaste y el acabado en el mismo electrodo,
dependiendo de la forma que tenga el electrodo. Para ello se comienza con un
régimen determinado, se cambia a regímenes más fuertes conforme va
aumentando la penetración y presentando más superficie frontal y al final se
cambia al régimen de acabado. En este caso el electrodo se ha de dimensionar
con las medidas de acabado.
Otras veces (dependiendo siempre de la forma) se puede dimensionar el
electrodo con las medidas de desbaste, incluyendo la medida menor por lado, y
después realizar el acabado moviendo el carro de la máquina en ambos sentidos
una cantidad que puede ser calculada.
De todas formas en estos casos, de todo tipo de cavidades y agujeros pasantes
no cilíndricos, lo que interesa es la reproducción más perfecta posible de la forma
del electrodo. Por ello siempre se deberá de elegir regímenes con desgastes
relativos mínimos, como pueden ser todos los marcados en las tablas con V < =
0,5 por 100.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
103
Otra nota a tener en cuenta es que en estos casos la limpieza se ha de hacer
normalmente a través del electrodo. Ello da lugar a que se dificulte algo la
operación y se obtenga un rendimiento menor que el marcado en las tablas.
Resumen de este proceso
El mecanizado por electro-descarga, o mecanizado por chispas, se
fundamenta en el efecto erosivo de una chispa eléctrica sobre los electrodos
utilizados para producirla. Se ha demostrado que la mayor erosión se produce en
el electrodo positivo, es por esto que la pieza es conectada como polo positivo y
la herramienta como polo negativo, con el fin de obtener una máxima remoción de
material.
Fig. Nº 1.64: Mecanizado por electro-descarga
Procesos No Tradicionales de Manufactura
104
La figura. ilustra este tipo de proceso. La pieza se coloca sumergida en un
tanque lleno con fluido dieléctrico. Este fluido es circulado a presión por una
bomba a través de un agujero en el electrodo herramienta. Un servomotor controla
el avance vertical de la herramienta, y mantiene a ésta a una distancia de entre
0,025 y 0,05 mm de la pieza. Cuando en principio se suministra potencia no hay
flujo de corriente, solo cuando el voltaje alcanza un cierto nivel salta la chispa, se
ioniza el fluido dieléctrico y luego comienza el ciclo nuevamente, desionizándose
el fluido y haciéndose aislante nuevamente. De esta forma se obtiene una rápida
sucesión de chispas, el intervalo entre dos chispas sucesivas es del orden de 100
µs.
Cada chispa genera una temperatura muy elevada, de unos 12000 ºC, en
su vecindad inmediata. Esta temperatura evapora en parte el fluido dieléctrico y
funde y vaporiza el metal formando así un cráter pequeño sobre la superficie de
trabajo. Así se va logrando un efecto continuo, moviendo la herramienta con el
motor sobre la pieza. Este último tiene una resistencia variable que le permite
mantener la distancia a la pieza constante, detectando posibles cortocircuitos o
cambios bruscos de voltaje.
Como se presumirá, la herramienta sufre un desgaste importante. El
desgaste elevado de la herramienta tiene como consecuencia un mecanizado
poco preciso. Sin embargo, y para no exagerar los costos, ya que las
herramientas deben ser precisamente mecanizadas, para propósitos generales se
usan el latón o el cobre como materiales para las herramientas. Cuando debe
minimizarse el desperdicio de electrodos se utilizan ventajosamente el grafito de
Procesos No Tradicionales de Manufactura
105
cobre y el carburo de tungsteno, pues cuanto más elevado sea el punto de fusión
de la herramienta, menos se erosionará.
Los fluidos dieléctricos comúnmente usados son el aceite de parafina y el
aceite para transformadores. Estos dos fluidos están constituidos por
hidrocarburos y se ha demostrado que el hidrógeno en estos fluidos desempeña el
papel de agente desionizante, lo que permite al fluido recuperar sus
características después de cada descarga. El fluido dieléctrico debe mantenerse
como no conductor hasta que ocurra su ruptura; cuando se alcance el voltaje
crítico, su capacidad de aislamiento debe romperse e igualmente debe
desionizarse rápidamente. El calor latente de vaporización debe ser elevado para
que se vaporice solo una pequeña cantidad y la chispa sea confinada a un área
pequeña. El dieléctrico debe poseer una viscosidad baja que le permita fluir
fácilmente y remover en forma eficiente los glóbulos metálicos que se forman en la
zona de trabajo. Antes de recircular el dieléctrico es necesario filtrarlo para
remover las partículas metálicas producidas en la operación.
La superficie que se obtiene por el mecanizado por electro-descarga posee
una apariencia opaca, debido a los bombardeos de pequeñas partículas y a los
cráteres esféricos producidos. El acabado carece de orientación y se han logrado
asperezas menores a 0,25 µm. La remoción de metal por unidad de tiempo
depende principalmente de los parámetros eléctricos, sin embargo, una remoción
de metal por unidad de tiempo baja implica un mejor acabado superficial. La
duración de las chispas afecta la cantidad de metal removido, y si el tiempo de
descarga es muy corto, la herramienta se desgasta excesivamente y se reduce la
precisión del proceso.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
106
La precisión del proceso está íntimamente relacionada con el ancho de la
separación entre la pieza y la herramienta; mientras más pequeña sea dicha
separación mayor es la precisión, pero una separación pequeña implica un voltaje
de trabajo menor y una remoción por unidad de tiempo menor.
El mecanizado por electro-descarga tiene su mayor aplicación en la
construcción de herramientas; particularmente en la manufactura de herramientas
para troqueladoras, dados de extrusión, dados para forja, y moldes. Después de
haber sido endurecidos, los dados o herramientas pueden ser mecanizados
mediante este proceso, lográndose una gran precisión. El acabado obtenido por
este proceso retiene muy bien el aceite, por lo que este método se utiliza también
en la terminación de piezas y metales de motores de combustión interna.
.
1.14 EDM Hilo - Introducción
Generalidades
Una variante del mecanizado por electro-descarga, es el corte por
electro.descarga con alambre, en el cual el electrodo es un alambre de pequeño
diámetro. Una máquina de este tipo se puede ver en la figura el alambre es
alimentado por un rollo y pasa a través de la pieza cortándola por erosión de
chispas. Para controlar la forma del corte se mueve el tablero de trabajo, mediante
sistemas NC.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
107
Fig. Nº 1.65 Corte por electro-descarga con alambre
El alambre se usa sólo una vez, ya que se daña y produciría un corte poco
preciso en la segunda pasada. La zona de corte es enfriada mediante el rociado
con un fluido dieléctrico, muchas veces agua desionizada. Viéndose desde arriba,
se puede apreciar la forma en que se produce el corte. El ancho de este corte es
igual al diámetro del cable más un sobrecorte.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
108
Fig. Nº 1.66 Vista superior de la zona de corte
Las aplicaciones de este sistema también están restringidas a los
materiales conductores de electricidad. Se usa en materiales duros para fabricar
moldes de estampado con significativos ahorros. También se usa en la
manufactura de prototipos y moldes. En el campo de la fabricación de
herramientas de corte para tornos, este sistema ha mostrado ventajas en relación
a los métodos tradicionales como el rectificado y pulido.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
109
Fig. Nº 1.67 Diagra esquematico del proceso EDM hilo
La máquina de electroerosión por hilo es una máquina-herramienta que
puede cortar un perfil deseado en una pieza por medio de descargas eléctricas
que saltan entre la pieza, que va fijada en la mesa controlada por el control CNC,
y el hilo (de cobre o latón), que se desplaza continuamente como herramienta.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
110
Fig. Nº 1.68 Máquina de Hilo
La máquina de electroerosión por hilo puede cortar una pieza,
independientemente de su dureza, ya que la mecanización se lleva a cabo por un
proceso de arranque eléctrico y termodinámico producido por las descargas. Es
por esto que se puede utilizar el acero templado como material para las piezas a
mecanizar.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
111
Fig. Nº 1.69 Piezas hechas por EDM hilo
El control numérico acciona los motores que mueven la mesa, según el
perfil que se quiera cortar por la acción de las descargas enviadas desde el hilo.
Las señales de mando de los motores se originan en el CNC a partir de la
información almacenada en la cinta perforada que ha sido programada
previamente según las dimensiones del plano.
El generador proporciona los impulsos eléctricos que darán lugar a las
descargas que saltarán entre el hilo y la pieza.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
112
Como liquido dieléctrico se utiliza agua desionizada, que se obtiene a partir
de agua normal mediante resinas desionizadoras. Este líquido dieléctrico es
movido desde su depósito por una bomba que lo envía a la zona de trabajo.
Debido a la utilización del hilo comercial de cobre o de latón, el precio del
material del electrodo es muy inferior al caso de electroerosión por penetración, en
que el electrodo tiene que ser mecanizado para darle la forma necesaria en cada
caso.
La técnica de electroerosión por hilo no tiene peligro de incendio debido a la
utilización de agua y gracias al trabajo completamente controlado
automáticamente, es posible dejar la máquina trabajando durante la noche, sin
riesgo.
La técnica de electroerosión por hilo se utiliza en las siguientes aplicaciones:
• Punzones y matrices de corte.
• Matrices para plástico.
• Matrices metálicas para pulvimetalurgia.
• Matrices de extrusión y de embutición.
• Prototipos, pequeñas series, piezas de recambio.
• Plantillas.
• Calibres.
• Levas de disco.
• Herramientas de troquelado de corte fino y normal.
• Electrodos para electroerosión convencional.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
113
Fig. Nº 1.70 Ejemplos de piezas fabricadas mediante electroerosión por hilo
Mediante la técnica de corte por hilo se puede producir en un solo proceso
el producto final, así el plazo de entrega del producto puede ser acortado
extremadamente, comparado con el sistema tradicional que se sirve de las
máquinas convencionales de arranque de viruta.
En la mayor parte de las aplicaciones consideradas, la electroerosión por
hilo permite una reducción de costos de fabricación entre el 30 y el 60% en
comparación con procedimientos convencionales.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
114
Fig. Nº 1.71 Máquina ONA-EBAGOKI
Ventajas de la aplicación de la electroerosión por hilo
La electroerosión por hilo presenta, en relación con los métodos
convencionales, ventajas en las áreas de concepción de las piezas, preparación
del trabajo y mecanizado. Por otra parte, su flexibilidad y las posibilidades que
ofrece en cuanto a una integración del trabajo, desde la concepción del mismo
hasta la fabricación final, garantizan una organización y resultados muy superiores
a los métodos convencionales.
A continuación se detallan las ventajas específicas de cada área, así como
su justificación:
Procesos No Tradicionales de Manufactura
115
Concepción de las piezas
• Utillajes más compactos, debido a la posibilidad de suprimir chasis de
matrices.
• Simplificación de piezas, por la posibilidad de realizar matrices más
complicadas.
• Normalización de elementos, por la utilización de placas normalizadas
sobre las que se pueden mecanizar mediante la electroerosión con hilo
toda clase de orificios de corte, centrado, etc.
Preparación del trabajo
• Preparación rápida del trabajo, no es necesario el estudio de electrodos ni
su fabricación.
• Puesta en fabricación inmediatamente, el plazo de puesta en fabricación a
partir del diseño puede ser inferior a una jornada.
• Tecnología simplificada, las variables de trabajo son menos que en el
mecanizado convencional.
Fabricación
• Tiempos de fabricación reducidos, volumen de material a arrancar mínimo.
• No son necesarios utillajes, el electrodo de hilo es universal y sirve para
cualquier configuración de pieza.
• Trabajo automático, el trabajo se desarrolla sin vigilancia suplementaria.
• Alta utilización de la máquina, como consecuencia de la posibilidad de
trabajo automático.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
116
• Mano de obra sin cualificación especial, porque el mecanizado mediante
electroerosión por hilo, no exige conocimientos tecnológicos previos
especiales y el operario puede ser formado en poco tiempo.
Calidad
• Menos rechazos, debido a que el trabajo se desarrolla automáticamente y a
la posibilidad de comprobación gráfica previa del programa.
• Tiempos de control reducidos, los controles intermedios no son necesarios.
• Rebarbas mínimas en las piezas obtenidas con el utillaje, debido a la
precisión de ajuste de punzones y matrices.
• Se evitan las deformaciones de tratamiento térmico, puesto que el
tratamiento se realiza antes del corte.
Flexibilidad
• Facilidad de modificación, los programas pueden ser fácilmente
modificables sobre la misma máquina.
• Rapidez de puesta a punto, posibilidad de corte rápido de prototipos para
su ensayo.
Integración
• Posibilidad de coordinar, de manera sencilla, el diseño, la preparación del
trabajo y la fabricación, en virtud de las facilidades ofrecidas por el sistema
de corte por hilo y la programación de la máquina.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
117
Clasificación de las Piezas
En los trabajos de erosión de hilo se pueden encontrar diferentes tipos de
piezas, ateniéndose a la geometría. Las diferentes formas geométricas se pueden
clasificar en dos grandes grupos:
• Un Contorno + Un Angulo: Las piezas cuya geometría viene definida por
un contorno (perfil) y una simple inclinación del hilo. Este ángulo de
inclinación del hilo se puede considerar bien a derecha o bien a izquierda.
Además dicho ángulo, puede ser variado a lo largo del contorno, tanto en
su magnitud como en su dirección. Este grupo de piezas puede abarcar
más del 99% de la producción habitual.
• Dos Contornos: Las piezas cuya geometría viene definida por dos
contornos diferentes, los cuales representan los perímetros superior e
inferior. Estas piezas no llegan a suponer (salvo en contadas excepciones)
el 1% de la producción.
Inclinación del Hilo
Tal como ha quedado dicho en el punto anterior, las piezas cuya geometría
se engloba en el primer grupo (un contorno + un ángulo), se pueden definir por
una inclinación del hilo a derechas o a izquierdas. Para aclarar lo que representa
inclinar el hilo a derechas o a izquierdas, se dispone de la figura que se muestra a
continuación.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
118
Fig. Nº 1.72 Inclinación del Hilo
Para aclarar con más detalle como se determina si el hilo se inclina a
derechas o a izquierdas, se puede recurrir al siguiente método: se ha de observar
el hilo en la dirección de avance en el momento de cortar la pieza, después se ha
de prestar atención a la parte del hilo que queda por encima de la pieza; pues
bien, si la parte superior del hilo se desplaza hacia la derecha, esto significa que el
hilo se está inclinando a derechas, mientras que si el desplazamiento lo lleva a
cabo hacia el lado izquierdo, esto significa que el hilo se está inclinando a
izquierdas.
Por otro lado cabe destacar que cuando se está generando un programa
CN, es exactamente igual generar un código de inclinación a derechas de un
ángulo especificado, que generar el código de inclinación a izquierdas con el valor
inverso (negativo) del mismo valor del ángulo. Esto es, el control numérico
Procesos No Tradicionales de Manufactura
119
entenderá de igual modo un código de inclinar 5 grados a derechas que -5 grados
a izquierdas, y viceversa.
Parámetros de Corte
En la tecnología del corte por hilo se han de tener en cuenta varios
parámetros, los cuales están continuamente relacionados entre sí. A continuación
se enumeran algunos de estos parámetros:
Parámetros de Potencia:
- Tensión del Hilo
- Velocidad del Hilo
- Pausas
etc...
Sobreespesor:
- Offset
Estos parámetros varían en función del material a mecanizar, la calidad del
mecanizado a obtener, etc...; los valores de dichos parámetros es frecuente
encontrarlos en la información entregada por el fabricante de la máquina, en
algunos casos en los manuales de usuario y en otros casos incorporados en el
propio control numérico.
Offset:
El offset es un valor igual al radio del hilo más el "GAP". Esto es, un hilo de 0.25
mm de diámetro realiza una ranura al mecanizar, de mayor tamaño. La diferencia
entre la anchura de la ranura realizada al cortar y el diámetro del hilo, es a lo que
Procesos No Tradicionales de Manufactura
120
se llama "GAP". El valor del GAP varía en función de ciertos parámetros. Algunos
de estos parámetros son: material a mecanizar, condiciones tecnológicas
seleccionadas para el corte, etc...
Tipos de mecanizado
La diversidad de piezas a cortar por erosión de hilo puede conllevar diferentes
tipos de mecanizado.
Uno de los modos de clasificar, de una forma sencilla, los tipos de mecanizados
que se pueden realizar es el siguiente:
• Mecanizados de un solo contorneado (una sola pasada).
• Mecanizados de varias pasadas (desbaste y acabado).
Como más adelante se explicará, esto es posible debido a la posibilidad de
dejar cuellos (pestañas) inicialmente. Estos cuellos se cortan una vez que se ha
terminado de mecanizar el contorno. Este tipo de mecanizado suele requerir que
se modifiquen los parámetros de corte (tanto los de potencia, como el offset) entre
las diferentes pasadas de contorneado.
Los mecanizados con cuellos se llevan a cabo debido a dos principales causas:
• con el fin de conseguir mayor calidad en la pieza final, tanto en lo referente
a conceptos dimensionales, como superficiales.
• con el fin de poder cortar más de un contorno en un mismo programa
cuando la máquina dispone de sistema de enhebrado automático.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
121
Fig. Nº 1.73 Pieza obtenida por EDM
Fig. Nº 1.74 Wire EDM Cortando con el hilo
Procesos No Tradicionales de Manufactura
122
Fig. Nº 1.75 Matrizes hechas por EDM
Fig. Nº 1.76 Engranajes manufacturados por EDM
Procesos No Tradicionales de Manufactura
123
CAPITULO II
PROCESOS ELÉCTRICOS
Introducción
El incremento en la utilización en la ingeniería de materiales duros, de alta
resistencia mecánica y a la temperatura, ha requerido el desarrollo de técnicas
nuevas de mecanizado. Aunque la mayor parte de estos nuevos procesos han
sido desarrollados para este tipo de materiales, algunos han encontrado aplicación
en la producción de formas complejas y de cavidades en materiales más blandos
y más fáciles de mecanizar.
En este capítulo estudiaremos algunos de los nuevos procesos de
mecanizado, en los cuales la energía eléctrica es usada como primera fuente de
energía para remover material. Esto elimina la conversión ineficiente de potencia
Procesos No Tradicionales de Manufactura
124
eléctrica en potencia mecánica que caracteriza a los procesos convencionales de
mecanizado. Además se atenúa o elimina el roce y el desgaste de herramientas.
Las ventajas más notables de este tipo de procesos son, por tanto, que el
material de la herramienta puede ser más blando que el material de trabajo, y que
el valor óptimo para la remoción por unidad de tiempo del material de la pieza es
independiente de su dureza.
La limitación más importante de los procesos de electro-mecanizado es que
el material de trabajo debe ser conductor de electricidad.
2.1 Mecanizado Electroquímico
El mecanizado electroquímico (MEQ) es un proceso en el cual se utiliza la
acción electrolítica para disolver el metal de la pieza. Es, en efecto, el proceso
inverso de la galvanoplastía. La siguiente figura muestra este proceso.
En este caso, la pieza (la cual debe ser un conductor de electricidad) es
colocada en un tanque ubicado sobre la mesa de la máquina y conectada al
terminal positivo de una fuente de corriente continua. El electrodo herramienta,
que tiene la forma de la cavidad requerida en la pieza, se monta en el
portaherramientas y se conecta al terminal negativo de la fuente. Un electrolito
fluye a través de la separación entre la herramienta y la pieza y es recirculado
hacia la zona de trabajo, bien sea a través de la herramienta o externamente,
dependiendo de la aplicación.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
125
Figura 2.1.:Configuración del mecanizado electroquímico
La acción de la corriente que fluye a través del electrolito es la de disolver el
metal del ánodo, es decir, de la pieza. La resistencia eléctrica es pequeñísima (y
por lo tanto la corriente es elevadísima) en la zona en donde la herramienta y la
pieza están más próximas. Como el metal de la pieza es disuelto más
rápidamente en esta zona, la forma de la herramienta es reproducida en la pieza.
No existe contacto entre la pieza y la herramienta, y cualquier tendencia del
metal de la pieza a recubrir la herramienta (el cátodo) es contrarrestado por el flujo
del electrolito, el cual remueve el metal disuelto de la zona de trabajo. Por
consiguiente no existe desgaste de la herramienta ni se deposita el material de la
Procesos No Tradicionales de Manufactura
126
pieza sobre la herramienta, de tal forma que una herramienta puede producir un
gran número de componentes durante su vida útil. El voltaje y la corriente son
constantes en el proceso de mecanizado electroquímico.
El electrolito proporciona el medio para que se produzca la electrólisis y
remueve el calor generado en la zona de trabajo, fluyendo en una cantidad tal que
permita evitar que el líquido alcance su punto de ebullición. En lo que se refiere a
su naturaleza química, el electrolito debe ser suficientemente activo para
ocasionar una remoción eficiente del material y no debe ser muy corrosivo, pues
sino deterioraría las partes de la máquina que entren en contacto con él. La salina
(solución de cloruro de sodio en agua) es el electrolito más comúnmente usado.
La velocidad de avance está en directa relación con la densidad de
corriente: a mayor densidad de corriente, más elevada es la velocidad de
mecanizado. La densidad de corriente está limitada tanto por la capacidad de la
fuente como por la capacidad del material de la pieza, del material de la
herramienta y del electrolito para conducir la corriente. La corriente no debe ser
tan elevada como para generar calor excesivo.
Si la densidad de corriente permisible para un trabajo específico es menor
que las capacidades de la máquina y de la fuente, debe considerarse la
posibilidad de mecanizar dos o más piezas simultáneamente. En esta forma se
puede utilizar la máquina en toda su capacidad y los costos generales por
componente se mantienen a un nivel bajo.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
127
La remoción de metal por unidad de tiempo más elevada que se ha
obtenido en aplicaciones industriales es de alrededor de 0,08 µm3/s. El material no
se afecta térmicamente ni se inducen esfuerzos residuales en la superficie
trabajada. El poco calor que se genera proviene de la resistencia eléctrica, y la
temperatura se controla dentro de valores inferiores al punto de ebullición del
electrolito.
Está demostrado que si la velocidad de avance aumenta, el ancho de la
separación disminuye. Una separación menor entre la herramienta y la pieza
implica una precisión mayor en la reproducción y por consiguiente a una velocidad
de avance elevada (y por lo tanto una remoción de material elevada) se obtiene
una mayor precisión.
Las aplicaciones principales del mecanizado electroquímico corresponden
al mecanizado de materiales duros, tales como los que se utilizan cuando se
presentan temperaturas de servicio elevadas, porque en estas superficies logra
una mayor remoción que los otros sistemas. Sin embargo, en materiales blandos
puede utilizarse para la producción precisa de formas complejas. El MEQ ha sido
utilizado con éxito mecanizando agujeros pasantes (por trepanación), agujeros
ciegos con superficies laterales paralelas, cavidades conformadas y también para
corte de discos metálicos y mecanizado de formas externas complejas.
2.2 Torneado Electroquímico
Esta es una aplicación especial del sistema descrito anteriormente en que
la herramienta puede ser aplicada a una pieza mientras esta gira Mediante este
Procesos No Tradicionales de Manufactura
128
sistema se pueden hacer operaciones de refrentado y corte periféricos,
obteniéndose buenos resultados de rugosidad superficial.
Fig. Nº 2.2 Equipo de torneado electroquímico
2.3 Mecanizado Electrolítico con tubos de formas específicas
(Shaped Tube Electrolytic Machining, STEM)
Este es un proceso de perforado desarrollado por la división de aviación de
General Electric, es una variación del mecanizado electroquímico y se usa para
hacer agujeros de diámetros pequeños, entre 0,64 y 6,35 mm. Se aplica en
Procesos No Tradicionales de Manufactura
129
materiales conductores eléctricos, generalmente aleaciones duras, difíciles de
mecanizar con métodos convencionales.
Como en el mecanizado electrolítico normal, en este proceso se usa un
herramienta cargada negativamente, un electrolito y una pieza cargada
positivamente. La principal diferencia reside en el electrolito, que en este caso es
ácido. El material de la pieza es disuelto e incorporado al electrolito, evitando que
interfiera con la perforación en curso.
Debido a las características del electrolito, los electrodos deben ser tubos
de pequeño diámetro, resistentes al ácido y recubiertos para su aislación. De este
modo se logra que sólo el extremo expuesto desarrolle el corte de material. El
electrolito es bombeado a través del tubo y escurre por la pequeña separación
entre el electrodo y la pieza. Se pueden usar distintos electrodos
simultáneamente, que son introducidos en la pieza en proporción a la velocidad de
remoción de material, manteniendo una separación constante.
Con este sistema se pueden perforar agujeros de hasta 610 mm de
profundidad, con relaciones profundidad-diámetro de hasta 300:1, en materiales
como aceros inoxidables de las series 300 y 400, aleaciones y aceros para
herramientas, aleaciones de inconel, tungsteno, níquel, etc..
2.4 Electro-Stream (ES)
Este proceso permite el perforado de agujeros de diámetros entre 0,2 y
1,02 mm mediante el empleo de una tobera de vidrio con un cátodo metálico en su
interior, que proyecta contra la pieza a mecanizar un chorro de electrolito ácido.
De este modo, en el punto de impacto, el material cargado positivamente se
Procesos No Tradicionales de Manufactura
130
disuelve incorporándose al electrolito, evitando que este material removido
interfiera con el corte en curso.
En general se puede mecanizar cualquier material conductor de
electricidad, pero el sistema se usa para perforar materiales duros, aceros
inoxidables de la serie 300 y aleaciones de incolloy, inconel, etc.. Los orificios
pueden tener profundidades de hasta 19 mm usando voltajes altos, con relaciones
de profundidad-diámetro menores de 50:1. Como en el sistema descrito en el
punto precedente se pueden hacer hasta 100 perforaciones simultáneamente.
2.5 Rectificado por Descarga Electroquímica
En este sistema una corriente continua pulsada, o corriente alterna pasa
desde una rueda de grafito a la pieza que se quiere mecanizar, estando esta
cargada positivamente. Entre la rueda y la pieza se bombea un electrolito, sin
existir contacto directo entre ellas. Sin embargo se produce cierta fuerza de
separación debido al electrolito que es comprimido entre las dos partes.
La mayor parte del material es removido por acción electroquímica, los
óxidos que se producen como resultado de este proceso son removidas
eficientemente por descargas eléctricas. Para ello se requiere de corrientes de alta
intensidad y bajo voltaje.
Un detalle sobre la forma en que se remueve el material puede verse en la
figura allí se muestra la interacción entre la rueda de grafito y la pieza.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
131
Fig. Nº 2.3 Remoción de material en el rectificado por descarga electroquímica
Las máquinas de este tipo se fabrican generalmente a pedido, siguiendo las
especificaciones del cliente, usando materiales plásticos y acero inoxidable para
minimizar la corrosión. El rango de intensidad de corriente puede variar entre 20 y
1000A.
Aplicaciones
Las aplicaciones de esta técnica son un tanto limitadas, sin embargo es
usada en forma casi rutinaria en algunas aplicaciones como para pulir y afilar
herramientas de carburo de tungsteno. Casi cualquier material conductor puede
ser mecanizado usando este sistema, pero no necesariamente es mejor que otros
Procesos No Tradicionales de Manufactura
132
métodos que deben ser evaluados antes de tomar una decisión. Se obtienen
tolerancias de alrededor de 0,03 mm.
Otras aplicaciones en que el sistema ha mostrado éxito son el pulido y
afilado de pastillas de herramientas, obtención de perfiles delicados, pulido de
materiales tipo panal.
2.6 Rectificado Electrolítico
El rectificado electrolítico es una modificación del proceso de MEQ descrito
anteriormente. Como se ve en la figura, el electrodo herramienta es una muela
abrasiva, generalmente una muela de diamante con aglutinante metálico, que
puede conducir la electricidad. El electrolito es suministrado entre la muela y la
superficie de la pieza en la dirección del movimiento de la periferia de la muela
para que sea removido de la zona de trabajo por la rotación de la muela. Las
partículas abrasivas ayudan a mantener una separación constante entre la muela
y la pieza. La corriente fluye entre la muela, la cual está conectada al terminal
negativo, y la pieza, que está conectada al terminal positivo de una fuente de
corriente continua.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
133
Fig. Nº 2.4 .:Esquema general del proceso de rectificado electrolítico
La remoción de metal ocurre entonces de dos maneras: por remoción
electrolítica y por abrasión mecánica. Sin embargo, la primera remueve
aproximadamente el 90% del total de material en la práctica. Esto reduce el
desgaste de la muela a una cantidad despreciable y esto hace posible rectificar
materiales duros muy rápidamente.
En la aplicación del rectificado electrolítico, el área de contacto entre la
pieza y la muela debe ser lo más grande posible, de tal manera que exista una
alta remoción de metal con una corriente dada.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
134
El rectificado electrolítico ha sido empleado con éxito en el rectificado de
materiales duros conductores de la electricidad. Uno de los casos más notables de
éxito lo constituye el rectificado de herramientas previstas con pastillas de carburo,
en donde la ausencia de fracturas residuales del rectificado en el extremo afilado y
la gran remoción de material por unidad de tiempo constituyen una gran ventaja.
En el afilado de las herramientas de carburo se han obtenido acabados
superficiales del orden de 0,1 µm
Procesos No Tradicionales de Manufactura
135
CAPITULO III
PROCESOS MECÁNICOS
3.1 Mecanizado hidrodinámico (HDM)
El funcionamiento de este sistema, también conocido como water-jet, se
basa en el corte debido a la acción de un delgado chorro de agua (0,5 mm) o un
fluido acuoso con aditivos. Este flujo es expelido a través de una tobera a una alta
presión (más de 690 Mpa) y gran velocidad chocando contra el material y
cortándolo por efectos erosivos.
El agua es comprimida mediante un intensificador hidráulico y
posteriormente es llevada a un estanque de almacenamiento para evitar
pulsaciones en el flujo. Desde este estanque se extrae el fluido necesario para el
trabajo de la máquina. Bajo la pieza maquinada debe existir un sistema de drenaje
para eliminar el agua ocupada. En la figura.se puede ver un esquema de una
máquina de este tipo.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
136
Fig. Nº 3.1 .: Esquema de flujo en el mecanizado hidrodinámico
Fig. Nº 3.2 .: Detalle de boquilla y chorro de agua
En la figura se aprecia la posición y distancia a la pieza a la que se debe encontrar
la tobera de modo de producir una delgada franja de corte. Las toberas se fabrican con
materiales muy duros debido al desgaste al que se ven sometidas. También se han
Procesos No Tradicionales de Manufactura
137
desarrollado estas puntas de toberas en forma de pastillas intercambiables fabricadas con
carburo de tungsteno o con recubrimientos especiales. La vida útil de estas pastillas fluctúa
entre 250 y 500 horas.
Para controlar el funcionamiento de estas máquinas existen sistemas de
trazado óptico y también sistemas de control numérico. En general la tobera se
mantiene fija y la mesa de trabajo se mueve para lograr las diversas formas de
corte.
Aplicaciones
En general se usa este sistema para obtener cortes limpios, precisos y fríos
en materiales blandos y suaves, generalmente planchas que pueden estar
apiladas. La calidad superficial obtenida y el acabado en los bordes son buenos.
La velocidad de corte y la capacidad de cortar materiales más duros, como el
acero se ha visto aumentada en la medida en que se mejora la tecnología,
permitiendo en el chorro velocidades y presiones mayores.
3.2 Mecanizado ultrasónico
Ultrasonic Machining (USM)
También llamado Mecanizado ultrasónico abrasivo, este método remueve
material de la pieza dejando una forma especifica en ella . Esto ocurre cuando la
herramienta vibra, al penetrar la pieza, a altas frecuencias en un medio abrasivo,
en línea con su eje longitudinal. El fluido abrasivo es recirculado desde la zona de
corte y en este camino se enfría.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
138
Fig. Nº 3.3.: Esquema de funcionamiento del mecanizado ultrasónico
Como material para las herramientas suele usarse acero, acero inoxidable
303, molibdeno y otros. En general se prefieren materiales dúctiles. La forma de la
herramienta es importante para optimizar la vibración y evitar que la herramienta
absorba energía. La forma de la punta también influirá en la distribución del
material abrasivo contra la pieza trabajada. Esta punta nunca toca la pieza, sólo
mueve el material abrasivo que remueve el material.
En cuanto a los materiales abrasivos, se usan partículas extremadamente
duras como diamante, nitruro cúbico de boro, carburo de boro, carburo de silicio y
óxido de aluminio. Entre ellos el carburo de boro es el más usado.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
139
El equipo en sí tiene distintas variantes, existen dispositivos que pueden ser
usados en otras máquinas herramientas, actuando como cabezas cortantes.
También existe la posibilidad de usarlos en tornos como una variante de la
herramienta de corte tradicional, aumentando la versatilidad de dicha máquina.
La potencia de estos equipos fluctúa generalmente entre 200 y 2400 W, la
potencia influye sobre el área máxima de la herramienta a utilizar y por ende, en la
cantidad de material removido. La fuente de vibración en estos sistemas convierte
potencia de baja frecuencia (60 Hz) en potencia de alta frecuencia (20.000 Hz).
Los elementos más importantes del transductor son un electromagneto y una pila
de placas de níquel, cuya longitud varía en respuesta al campo magnético
alternado.
Aplicaciones
• El mecanizado ultrasónico es apropiado para materiales blandos y duros de
todo tipo, metálicos, no metálicos, cerámicos o compuestos.
• Se usa para producir perforaciones, cavidades y formas irregulares cuya
complejidad sólo está limitada por la variedad de formas disponibles para las
herramientas.
• La razón de profundidad-diámetro es baja, generalmente de 3:1.
• Dependiendo del abrasivo se pueden procesar materiales como el carburo de
tungsteno, cerámicas de alta densidad, duros compuestos sinterizados,
piedras preciosas, minerales, etc..
Procesos No Tradicionales de Manufactura
140
3.3 Mecanizado Ultrasónico Rotatorio - Rotary Ultrasonic Machining
(RUM)
Este sistema combina la vibración axial a altas frecuencias (20 kHz) con la
rotación a velocidades de alrededor de 5000 rpm. Esta combinación se usa para
mejorar el desempeño del taladrado, corte, fresado o roscado de materiales que
muestran dificultades en el mecanizado normal. A diferencia del mecanizado
ultrasónico, en el RUM se usan herramientas de diamante que tienen contacto
directo con la pieza maquinada.
En cuanto al equipo usado, éste se parece bastante al del sistema USM,
pero no requiere ningún sistema de recirculación del líquido abrasivo. Existen
equipos en una variada gama de configuraciones y también se fabrican compactos
equipos portátiles.
Fig. Nº 3.4: Roscado ultrasónico
Procesos No Tradicionales de Manufactura
141
Aplicaciones
Actualmente las aplicaciones de este procedimiento están limitadas por el
tamaño de la herramienta. Ésta no puede se muy grande ni muy pesada, ya que
debe tener una frecuencia natural de oscilación de aproximadamente 20 kHz. Al
aumentar el peso o tamaño, esta propiedad se ve afectada y la herramienta pierde
su capacidad oscilatoria.
En general materiales como el aluminio, compuestos de boro, cuarzo,
circonio, rubí, se pueden trabajar perfectamente con RUM. En especial los
materiales compuestos y los sinterizados encuentran una mejor forma de
mecanizado con este sistema, ya que generalmente se los maquinaba antes del
cocido, en que siempre se producen encogimientos que afectan la calidad
dimensional final de la pieza.
Se obtienen excelentes resultados en la perforación de agujeros profundos
de pequeño diámetro en materiales duros, verificándose aumentos en la velocidad
de corte y en las condiciones de operación en general. En el roscado se mantiene
estática la herramienta y se hace girar la pieza alrededor de ella a una velocidad
de 4 rmp.
El mecanizado ultrasónico rotatorio tiene importantes aplicaciones en
campos de alta tecnología , como por ejemplo electrónica, sistemas láser,
materiales para reactores nucleares, perforado de materiales compuestos para la
aviación, prototipos y modelos en materiales duros, etc..
Procesos No Tradicionales de Manufactura
142
3.4 Mecanizado Asistido por Medios Ultrasónicos - Ultrasonically Assisted Machining
(UAM)
Para aumentar la velocidad de corte y la capacidad de mecanizado de
materiales duros en las máquinas herramienta tradicionales, se han ideado
sistemas que añaden vibración a los portaherramienta y taladros convencionales.
Aplicaciones en el Torno
En el torno este sistema permite maquinar materiales que bajo condiciones
normales presentan serios problemas, como mulita de baja densidad. En algunos
materiales se ha conseguido disminuir las fuerzas de torneado en un 30-50%, con
una notoria mejoría en la calidad del acabado, condiciones de corte y formación
de viruta.
Bajo ciertas condiciones el torneado ultrasónico ha mostrado que puede
aumentar las razones de corte con factores de cuatro en aluminio, dos a tres en
aceros y aleaciones de titanio y de cinco en acero ESR 4340. Estas condiciones
también se ven mejoradas en el mecanizado de materiales no metálicos como el
silicato de magnesio que ve aumentada su velocidad de corte en cuatro veces.
En la figura se puede ver una configuración típica de este sistema montado en un
torno tradicional.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
143
Fig. Nº 3.5 .: Torno con herramienta de ultrasonido
Aplicaciones en el Taladro
En algunos casos la aplicación de esta tecnología al taladro, reduce el
torque y las fuerzas en la herramienta. El esfuerzo de corte bajó en un 30% en el
caso del cobre y acero y en un 54% al maquinar titanio. El torque experimentó
reducciones de 25% en el caso de acero, 50% para titanio y 65% para aleaciones
de aluminio.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
144
La viruta es removida con mayor eficiencia, reduciéndose las retracciones
periódicas de la broca. Por ejemplo al taladrar titanio se logran profundidades del
orden de dos a cuatro veces el diámetro de la broca, añadiendo vibración, esta
relación se duplica.
Por otra parte se ha determinado experimentalmente que la broca muestra
un desgaste parejo del filo principal cuando se usa la vibración ultrasónica, cuando
no se usa el desgaste se concentra en la periferia externa de la broca.
3.5 Mecanizado Electromecánico
Electromechanical Machining (EMM)
El mecanizado electromecánico es un proceso no tradicional que se
encuentra aún en una etapa experimental y mejora las capacidades de operación
de máquinas tradicionales como el taladro y el torno. La forma en que se procede
es la normal usando herramientas y máquinas convencionales, pero la pieza de
trabajo se polariza electroquímicamente. Se aplica un voltaje en la interfase
entre la pieza a mecanizar y un electrolito. En el torneado, la superficie de la pieza
se mantiene mojada con el electrolito y en operaciones de taladrado, la pieza se
sumerge en el electrolito.
El principio en que se basa el mecanizado electromecánico es la serie de
características que adquiere la superficie a mecanizar cuando se controla el
voltaje aplicado. Al ejercer un acabado control sobre las variables que afectan al
proceso, se puede lograr que la superficie del material cambie desde un estado
pasivo, con una capa de óxido en la superficie, a un estado activo de lenta
Procesos No Tradicionales de Manufactura
145
disolución o reducción de hidrógeno, en que la superficie descarga iones de
hidrógeno.
De acuerdo a este fenómeno se puede aprovechar el hecho de que los
materiales duros se cortan con mayor facilidad cuando su superficie se encuentra
en la región de disolución activa, en la cual el material se suaviza. Por otra parte
los materiales más blandos se cortan más fácilmente cuando la superficie de la
pieza es pasiva. En este estado la superficie se endurece por la presencia de la
capa de óxido, que además reduce la fricción durante el corte.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
146
CAPITULO IV
PROCESOS QUÍMICOS
Fundamentos de los procesos químicos
El factor común entre todos los procesos químicos para remover material,
es el uso de soluciones ácidas o alcalinas para disolver el material no deseado,
dejando la configuración o patrón deseado. Sin embargo existen diferencias entre
las distintas técnicas que se usan para la remoción de material por medios
químicos. Las similitudes y diferencias entre estos procesos se discuten en este
capítulo.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
147
Enmascaradores y Protectores (Maskants - Resists)
Los enmascaradores y protectores son recubrimientos barnices
usados para proteger áreas del material que no deben ser expuestas a la acción
de los materiales corrosivos y también para definir las áreas que deben ser
atacadas por los químicos.
Los enmascaradores y protectores se clasifican en tres categorías:
enmascaradores cut and peel, protectores fotográficos, y enmascaradores de
trama (screen resists).
Enmascaradores cut and peel
Este tipo de enmascaradores es usado casi exclusivamente para el fresado
químico en la industria aerospacial, en partes de misiles y piezas estructurales, se
aplican por rociado, inmersión o son esparcidos en espesores de 0,2 a 0,38 mm.
El exceso de protector se remueve cortándolo y descascarándolo. Para aumentar
la precisión se usan plantillas. Con este sistema se pueden lograr profundidades
de hasta 12,7 mm. Después de que una porción ha sido atacada por el corrosivo,
se puede remover otra parte del protector, de modo de obtener formas
escalonadas.
Protectores Fotográficos
Estos protectores permiten generar superficies resistentes a la acción de
los corrosivos mediante técnicas fotográficas. Al ser revelados después de ser
expuestos a través de un negativo de alto contraste, estos materiales reproducen
una imagen del mismo negativo. Existen protectores para trabajar con positivos o
con negativos y se usan con distintos propósitos. Los positivos e usan para la
fabricación de tramas, enrejados y semiconductores.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
148
En general, estos protectores se caracterizan por ser muy delgados,
producir un buen detalle y ser sensibles a la luz. El uso de los fotoprotectores
exige un manejo cuidadoso en un ambiente limpio y presentan mayor dificultad
para el mecanizado escalonado.
En la figura.se muestra el proceso de recubrimiento con protector
fotográfico y la forma en que el corrosivo ataca al material. Para los otros
protectores o enmascaradores, el proceso es similar, difiriendo en la aplicación y
remoción parcial de la protección.
Fig. Nº 4.1 Uso de fotoprotector
Procesos No Tradicionales de Manufactura
149
Enmascaradores de trama
Estos protectores se aplican a través de un tamiz de poliéster o acero
inoxidable, con una imagen grabada. El grabado de esta imagen se logra con
medios fotográficos, pero la técnica no es tan precisa como la de fotoprotectores,
pero es mejor que al usar protectores cut and peel. La resistencia química de
estos protectores es mayor que la de los protectores fotográficos, pero inferior que
la de los enmascaradores cut and peel. El uso de los enmascaradores de trama es
apropiado para producir rápidamente un gran número de piezas con una exactitud
moderada.
Corrosivos y su selección
La selección del medio que atacará químicamente al metal (también
llamado aguafuerte) depende de diversos factores como:
1. Material que será atacado.
2. Tipo de enmascarador o protector que se usará.
3. Profundidad de ataque.
4. Acabado superficial requerido.
5. Daño potencial a las cualidades metalúrgicas del material.
6. Velocidad esperada de remoción de material.
7. Ambiente de trabajo.
8. Economía de mecanizado.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
150
4.1 Fresado Químico
Este proceso se usa para dar forma a metales con una tolerancia exacta,
dada por la remoción química del material. La cantidad de metal removido, o la
profundidad de corrosión del material se controla de acuerdo al tiempo que se
sumerge la pieza en la solución corrosiva. Las partes que no deben ser afectadas
por el solvente se protegen con los protectores y enmascaradores antes
mencionados.
La protección del metal que no debe ser atacado se realiza siguiendo los
siguientes pasos: se limpia la superficie, se recubre con el barniz protector, se
recorta el exceso de protector, se aplica el aguafuerte y finalmente se retira el
enmascarador.
Aplicaciones
El fresado químico se usa para retirar una capa competa de material de
piezas irregulares, como fundiciones, piezas forjadas o extruidas.
• Para reducir el espesor de piezas que ya han sido mecanizadas con otros
métodos.
• Para obtener figuras y formas específicas, posibilitando la realización de
numerosos detalles en una sola pieza solidaria.
• Remoción de la capa descarburizada en piezas forjadas.
• Mejoramiento de la calidad superficial.
• Eliminación de irregularidades e imperfecciones en piezas fundidas.
• Mejorar al calidad superficial y control dimensional en fundiciones de aluminio.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
151
4.2 Mecanizado Fotoquímico
Con este proceso se fabrican piezas de diversas formas complejas
mediante acción química en materiales metálicos y no metálicos. En general el
sistema consiste en colocar imágenes resistentes a la acción de los corrosivos
sobre planchas de metal y someterlas a la acción del solvente, que disolverá todo
el material, excepto la parte protegida. La mayoría de las piezas fabricadas de
esta forma se parecen a las logradas mediante el estampado, siendo planas y de
formas complejas.
Aplicaciones
Esta técnica permite diversas aplicaciones ya que cuenta con especiales
ventajas. Entre ellas se pueden nombrar :
• Trabajos en materiales extremadamente delgados, cuando hay limitaciones de
precisión y manejo con métodos tradicionales.
• Trabajos en materiales muy duros, que de otra manera quedarían con
tensiones residuales, eventuales fracturas o grietas.
• Producción de piezas que no puedan tener ningún tipo de rebaba.
• Producción de partes de formas complejas eliminando los costos de un molde.
• Manufactura de partes de corta vida útil, aprovechando los escasos costos de
puesta en marcha y corto tiempo desde la impresión hasta la producción. Esto
es de interés para modelos o piezas para investigación.
En la siguiente figura se pueden apreciar las distintas etapas por las que
pasa el metal hasta que la pieza está terminada.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
152
Fig. Nº 4.2 Etapas en el mecanizado fotoquímico
RESUMEN
Los procesos de mecanizado tradicional vistos en un comienzo actúan
sobre el material por remoción de viruta, abrasión o microvirutas. Estos procesos
Procesos No Tradicionales de Manufactura
153
no son adecuados para todo tipo de situaciones. En general se recurre a los
procesos no tradicionales cuando:
• El material es muy duro, más de 400 HB
• La pieza es demasiado flexible, delicada o difícil de sujetar
• La forma de la pieza es complicada
• Se requieren tolerancias y acabados superficiales especiales
• Se quiere minimizar el efecto térmico sobre la pieza
Fig. Nº 4.3 Aspereza superficial y tolerancia con mecanizado no tradicional
Procesos No Tradicionales de Manufactura
154
Los diferentes procesos de mecanizado no tradicional no involucran
solamente herramientas de punto a punto o multipunto, sino que involucran fuentes
de energía química, eléctrica y de haces de alta potencia. Las propiedades
mecánicas del material no tienen ahora tanta importancia como sus propiedades
físicas, químicas y eléctricas.
La necesidad de encontrar nuevas formas de mecanizado, reduciendo los
costos involucrados, adecuándose al desarrollo de nuevos materiales sigue
impulsando la investigación en esta área, que ya ha creado múltiples sistemas que
son cada vez más usados en la industria moderna. Estos sistemas se han creado
en interrelación con tecnologías de control computacional y máquinas
complementarias como robots, mejorando continuamente la productividad.
En la figura. se muestra la aspereza superficial y la tolerancia que se puede
lograr con distintos procesos de mecanizado no tradicional.
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CAPITULO V
PROCESOS TÉRMICOS
Los procesos térmicos de mecanizado no tradicional se caracterizan por las
altas temperaturas que son desarrolladas y por las altas densidades de energía con
que se trabaja. Generalmente afectan al material en términos físicos y metalúrgicos
mucho más comparados con otros métodos no tradicionales de mecanizado. Sobre
este tema se ha investigado en los últimos años para lograr un mayor conocimiento
sobre las variables que controlan los procesos que afectan al material.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
156
5.1 Láser
Aspectos Generales
Desde la invención de la tecnología láser hace más de treinta años hasta la
actualidad se han desarrollado diversas técnicas que han permitido su aplicación en
las más diversas áreas. De este modo existen hoy en día diversos tipos de láseres
que se usan en medicina, informática, meteorología, defensa, arte, metrología,
materiales y manufactura, etc.
En esta última área, las altas densidades de potencias que han logrado los
láseres en los últimos años han permitido el procesamiento en la industria
metalúrgica, compitiendo con oxicorte y soldadura-plasma. Esta misma
característica hace posible el soldado de materiales híbridos compuestos por
metales, cerámicas y vidrios. Así se hace evidente que esta tecnología no sólo
reemplaza otras técnicas, sino que permite el desarrollo de tecnologías
completamente nuevas.
En el procesamiento industrial de materiales se destacan: corte, ranurado o
prepicado, grabado, taladrado de agujeros pequeños, doblado, soldadura,
tratamientos superficiales, remoción de suciedad y pintura en objetos delicados. Los
materiales en que estas aplicaciones se ven cada vez con mayor frecuencia son
plásticos, madera, cuero, cerámica, acero, aluminio, aleaciones de titanio y
magnesio, etc.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
157
Las principales ventajas prácticas del láser en aplicaciones industriales son :
• El láser puede ser conducido a través de distancias relativamente largas, sin
presentar mayores pérdidas de potencia. La energía no requiere para su
transmisión un medio ni contacto físico.
• Puede ser dividido en varios haces de menor potencia, permitiendo operaciones
simultáneas.
• No emite rayos X y no es afectado por interferencia magnética ambiental.
• El haz puede ser conducido mediante espejos a distintos lugares.
• Gran cantidad de calor es focalizada en una pequeña área, mucho más que con
cualquier método convencional, afectando sólo a la zona seleccionada, con una
pérdida de material casi nula.
• Importante reducción de la zona térmicamente afectada, en procesos de corte y
soldadura de metales.
• Pueden ser integrados a un sistema CNC para facilitar y optimizar su uso.
• Inicio y detención instantánea del proceso, ya que la luz no tiene inercia.
• La pieza en proceso no necesita estar firmemente sujeta.
• No se disparan esquirlas ni virutas a gran velocidad.
• Las características de operación permiten el uso de analizadores y sensores
para controlar la calidad del proceso y del haz en tiempo real.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
158
Aspectos físicos del Láser
El acrónimo L.A.S.E.R. proviene de los términos Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation. Este tipo de luz está compuesta por fotones que
viajan en el espacio en la misma dirección, con idéntica longitud de onda (luz
monocromática) y están en fase entre sí.
En general la emisión de radiación lumínica es un fenómeno que consiste en
la excitación de una molécula o átomo haciéndolo subir a un nivel cuántico superior
de energía, mediante un estímulo externo (campo eléctrico, magnético, reacción
química). La molécula en cuestión tiende a volver a su estado de equilibrio después
de retirado el estímulo, emitiendo una cantidad de energía electromagnética con
una longitud de onda dada por la diferencia de energía entre el estado excitado y el
fundamental.
La frecuencia en que es emitida la onda es propia del material y su
correspondiente grado de excitación. El tiempo que tarda en volver a su estado
fundamental es probabilístico, tal como el número de moléculas que se encontrarán
en un estado particular de excitación. La probabilidad está sujeta a una distribución
exponencial según la fórmula de Bolzmann, la que depende de la temperatura
absoluta, el nivel energético del estado de excitación y algunas constantes.
En el caso del láser, la emisión de ondas es estimulada y puede ser
amplificada. El proceso de estimulación ocurre cuando un fotón, al pasar por una
molécula excitada, hace que esta baje su nivel de energía emitiendo otro fotón de
Procesos No Tradicionales de Manufactura
159
igual frecuencia, moviéndose en el mismo sentido, dirección y en fase con el
primero. De esta manera, cuando los dos fotones recién creados pasan por otro
átomo excitado, estimulan la emisión de un tercer fotón.
Si el tren de fotones creados en la materia excitada llega al borde del medio,
lo abandona. Si por el contrario, se hacen pasar los fotones repetidamente por el
mismo camino, entre dos espejos paralelos, manteniendo el medio excitado entre
ellos, se obtiene un haz de fotones de igual frecuencia viajando en la misma
dirección colinealmente. Si además los espejos se instalan a una distancia tal que
sea un múltiplo de la longitud de onda emitida, se obtiene una onda estacionaria en
el espacio entre los espejos y un haz de fotones que además están en fase.
En la figura. se muestra un esquema de la forma en que las partículas son
excitadas, produciéndose la reacción en cadena y la luz láser.
Fig. Nº 5.1 Reacción en cadena y producción de la luz láser
Procesos No Tradicionales de Manufactura
160
Si se mantiene la excitación del medio en un nivel tan estable como para que
no se despueble antes de formarse la onda estacionaria, y lo suficientemente
inestable como para permitir a algún fotón desencadenar la reacción en cadena en
la dirección axial de los espejos, empieza la formación de luz láser entre los
espejos, hasta que algún medio de absorción balancee la energía de excitación
transformada en luz. Para utilizar el haz se hace que uno de los espejos presente
una transparencia del orden del 70%, así la energía emerge a través de él. El frente
de onda así logrado es plano, lo que permite conducir la luz láser como un rayo
recto hasta el punto de aplicación.
El motivo por el cual no se usa sólo luz blanca, que es más fácil de generar
reside en que la luz monocromática cuenta con las características requeridas de
direccionalidad y monofrecuencia. La luz blanca está compuesta por un continuo de
frecuencias o colores, por este motivo, si su enfoca uno de ellos, los otros estarán
desenfocados. Si se filtra la luz se puede enfocar mejor, pero mientras más
monocromático sea el filtro, más energía se pierde por absorción o reflexión. Por
este motivo es mucho más eficiente generar luz monocromática en forma directa.
Tipos de Láser
A pesar que desde 1917 ya se tenían las principales bases teóricas para la
construcción de un láser, los primeros progresos se vieron dificultados por motivos
técnicos, como la falta de precisión y alineación de espejos. Sólo en la década del
`60 se dio inicio a una espiral creciente de interacción entre láser adecuado, nuevas
aplicaciones, láser más perfeccionado, etc. Un importante avance en este sentido
fue el láser de rubí desarrollado por Maiman en 1960.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
161
De acuerdo a las aplicaciones buscadas y el medio técnico de lograr la
producción de la luz láser, aparecieron las más diversas formas y variantes de
producción. Los distintos equipos se diferencian por ejemplo por emitir luz en
frecuencias fijas o variables, emisión continua o emisión pulsada, potencias altas,
medias o bajas. También se hacen diferencias entre láseres según el medio de
excitación que utilicen.
En la figura se indican las características de potencia y longitud de onda
para distintos tipos de láser.
Fig. Nº 5.2 .: Longitud de onda y potencia de distintos tipos de láser
Procesos No Tradicionales de Manufactura
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En la industria se usan principalmente cuatro tipos, el láser de CO2, el
excímero, el Nd:YAG y el de rubí. Los láseres de CO2 presentan la más alta
eficiencia eléctrica, del 5-15%, refiriéndose a la conversión de energía eléctrica a luz
láser. Este tipo de láser ha encontrado diversas aplicaciones industriales
desarrollando potencias de hasta 45 kW.
El láser de rubí proporciona grandes potencias, pero tiene un elevado costo.
Se usa principalmente cuando una gran cantidad de material debe ser removida en
un solo pulso.
Los láseres de excímero tienen baja eficiencia (2%), pero son capaces de
producir agujeros y ranuras de gran calidad, gracias al proceso denominado cold
cutting. Mediante este proceso la materia es removida en forma explosiva, sin
aumentos de temperatura, ya que aplica energías tan grandes que rompen los
enlaces atómicos o químicos de algunos materiales.
El láser Nd:YAG produce longitudes de onda pequeñas, esto permite que
pueda ser enfocado en puntos muy pequeños, haciendo posible el
micromecanizado. Usando este láser se pueden perforar agujeros de hasta 0,05
mm de diámetro. Dadas además estas características de onda, el haz puede ser
guiado por medio de fibra óptica hasta su punto de aplicación.
A continuación se señalan distintas aplicaciones del láser y los tipos de láser
que las cubren.
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Aplicaciones generales del láser en la manufactura
Aplicación Tipo de láser
Corte
Metales Co2 op, Co2 oc, Nd:YAG, rubí
Plásticos Co2 oc
Materiales cerámicos Co2 op
Perforado
Metales Co2 op, Nd:YAG, Nd:vidrio, rubí
Plásticos Excímero
Marcación
Metales Co2 op, Nd:YAG
Plásticos Excímero
Materiales cerámicos Excímero
Tratamientos de superficies
metálicas Co2 oc
Soldado Co2 op, Co2 oc, Nd:YAG, Nd:vidrio,
rubí
Nota: oc: onda continua, op: onda pulsante, Nd:YAG: Neodymium-doped:yttrium-
aluminum-garnet
Procesos No Tradicionales de Manufactura
164
Interacción del Láser con la Materia
Todos los materiales son sensibles a la radiación electromagnética,
respondiendo de tres modos básicos a su incidencia. Estos modos son reflexión,
transmisión y absorción. Si se suman las potencias individuales de estas
respuestas, se debe llegar a una cantidad igual a la de la potencia incidente.
La longitud de onda de la radiación influye en el grado de transparencia
relativa de los objetos. Por ejemplo, para un láser de CO2 con una longitud de onda
de 10,6 µm, objetos como el vidrio o el polietileno son opacos.
Mientras mayor sea el número de electrones libres en la periferia, como es el
caso de los conductores eléctricos, los materiales tenderán a ser más reflectivos.
Esto se debe a que sus electrones libres absorben y reemiten la energía incidente,
sin alterar la estructura cristalina subyacente.
Para poder procesar el material se busca una gran absorción de energía por
parte de éste, ya que esta energía tiende a destruir la red cristalina localizadamente.
Dependiendo de la densidad de energía, condiciones de operación y el material en
cuestión se logrará el procesamiento de éste por vaporización, fusión, reacción o
degradación química o bien por fractura controlada. En el caso de altas potencias,
sobrepasado el punto de vaporización, se puede lograr la formación de plasma en la
zona de corte.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
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En la figura. se aprecia la forma en que interactúa el cabezal de corte con la
herramienta, en este caso se trata de un láser de CO2.
Fig. Nº 5.3.: Cabezal de cortadora láser
5.2 Mecanizado por Arco de Plasma Plasma Arc Machining (PAM)
Por plasma se entiende el gas que ha sido calentado a una temperatura lo
suficientemente alta como para ionizarse parcialmente y por ende conducir
electricidad. La temperatura del plasma puede llegar a unos 27.800 °C,
aprovechándose de diversas formas para el maquinado de metales conductores.
Básicamente se genera un chorro de plasma, comprimiendo un arco eléctrico
a través de una tobera de pequeña sección transversal Durante la compresión la
Procesos No Tradicionales de Manufactura
166
temperatura y el voltaje aumentan en forma considerable. Al abandonar la tobera, el
arco se convierte en un chorro columnar de plasma de alta velocidad, a una alta
temperatura.
Fig. Nº 5.4 .: Corte por arco de plasma
El aumento de temperatura en la pieza procesada se debe a la
recombinación de moléculas disociadas, la transferencia de energía de electrones y
a la corriente de convección debida a la alta temperatura del plasma. En algunos
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167
casos se inyecta oxígeno al área de trabajo para aprovechar la reacción exotérmica
producida. Las condiciones de corte y vida de la tobera también pueden ser
mejoradas si además se produce un flujo de agua alrededor del arco.
Aplicaciones
Se puede cortar una amplia gama de metales conductores en diferentes
modalidades. Se pueden cortar planchas, pilas de planchas, se pude trabajar en un
torno, maquinando la pieza mientras esta rota. Se pueden biselar los bordes de
planchas para prepararlas para un posterior soldado. También se pueden perforar
agujeros con mayor velocidad que con métodos convencionales.
En general las condiciones de corte, velocidad y calidad superficial obtenidas
dependen de la corriente del arco, su duración, flujo de gas, composición del gas y
de la forma de la tobera y su separación del material a cortar.
En cuanto al equipo utilizado, se parece al equipo utilizado para el trabajo
con oxígeno-acetileno. Existen en forma compacta para su uso manual y también
en plataformas de trabajo con controladores NC, CNC, y con sistemas de control
óptico.
A continuación se enumeran algunas características del trabajo hecho con
esta tecnología.
• Se pueden hacer cortes rectos usando el sistema con flujo de agua.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
168
• Se obtienen cortes de alta calidad, con un costo menor que el equipo de
oxígeno-gas.
• La posición de corte puede variarse ampliamente.
• Las formas de corte pueden ser variadas, aumentando la versatilidad de su uso.
• Los electrodos son estandarizados y de fácil cambio cuando se gastan.
Los cables y tubos que son usados por el equipo son mínimos y permiten libertad
de movimientos.
En la siguiente tabla se muestran algunas velocidades de corte para distintos
materiales.
Material
Espesor
/mm
Corriente del
arco /A
Velocidad de corte /
mm/min
Acero Inoxidable 75 800 380
130 1000 150
Aluminio 75 900 760
180 1000 180
Bronce 13 400 1780
Titanio 13 400 2285
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5.3 Mecanizado por haz de electrones
Electron Beam Machining (EBM)
Este sistema usa esencialmente energía eléctrica para generar energía
térmica para la remoción de material. Un generador produce una corriente pulsante
a alta velocidad. Esta corriente es enfocada por campos electrostáticos y
electromagnéticos para concentrar la energía en una zona muy pequeña del
material trabajado (puntos de hasta 0,05 mm de diámetro).
La velocidad que alcanzan estas emisiones puede superar a la mitad de la
velocidad de la luz, de modo que la energía cinética de las partículas es alta. Esta
energía se transforma en calor que funde o evapora el material en forma localizada.
El proceso debe ser llevado a cabo en vacío para prevenir la colisión de los
electrones con moléculas de gas y para prevenir reacciones como la oxidación en la
pieza trabajada. También se debe considerar que el operario debe usar protección
de plomo para protegerse de las emisiones secundarias de radiación X. En la
figura.se puede ver un detalle del proceso de mecanizado.
Procesos No Tradicionales de Manufactura
170
Fig. Nº 5.5 .: Haz de electrones actuando sobre la pieza
Las características del proceso están determinadas por las siguientes
variables:
Parámetros del haz de electrones: Potencia total
Densidad de potencia
Duración del impacto
Parámetros del material : Capacidad calórica
Puntos de fusión y evaporación
Conductividad de calor
En general se requiere de múltiples pulsos para llegar a la forma y
dimensiones requeridas. También se puede manipular el punto de enfoque
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alterando los campos magnéticos que lo controlan. Estas secuencias y alteraciones
requieren ser repetidas desde cientos a miles de veces. La repetibilidad del
procedimiento se hace posible mediante el uso de sistemas de control numérico.
En cuanto al equipo usado, éste se puede ver en la figura, incluye un sistema
óptico que permite al operador ver la zona de trabajo y controlar con precisión el
punto de aplicación de haz, usando aumentos de hasta cuarenta veces. Por otro
lado cabe destacar que las características de esta tecnología la hacen apropiado
para su uso con sistemas de control numérico.
Fig. Nº 5.6: Configuración general de máquina de haz de electrones
Procesos No Tradicionales de Manufactura
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Aplicaciones
Todos los materiales, metálicos y no metálicos que puedan existir en el vacío
pueden ser mecanizados mediante esta técnica. Se pueden perforar agujeros con
relaciones de profundidad diámetro de 100:1. Las principales limitaciones del
sistema son el alto costo del equipo y las restricciones de espacio debidas a la
cámara de vacío.
Algunas aplicaciones específicas son, entre otras, perforaciones en
inyectores para motores diesel, orificios en válvulas, microperforaciones para
máquinas de producción de fibras sintéticas. Esta técnica se aplica con éxito en la
fabricación de sistemas de control diferencial de presión en los cuales se necesita la
perforación de orificios con gran exactitud dimensional, que controlan la cantidad de
gas que fluye a través de ellos en un determinado lapso de tiempo.
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Bibliografía:
• Teoría y práctica de la ELECTROEROSION. ONA ELECTRO-EROSION.
• TekSoft CAD/CAM SYSTEMS MODULO DE HILO. GOITEK SYSTEM.
• Por qué no podríamos vivir sin la eletroerosión. METALMECANICA
INTERNACIONAL.
• Nuevo concepto de “sistemas de herramientas” para manufactura
flexible. METALMECANICA INTERNACIONAL.