¿Cómo funciona el mecanizado por electroerosión? Física de descarga, dieléctrico y descarga de chispas

Una esquina interior de 0,3 mm en la parte inferior de un inserto de matriz 58 HRC H13 es el punto donde el fresado deja de ser una opción. El radio de la esquina es más pequeño que el de cualquier cortador práctico, el material matará una punta de carburo en una sola pasada y la característica está demasiado profunda para que un portaherramientas pueda alcanzarla. Ese es el trabajo para el que se construyó el mecanizado por descarga eléctrica.

La respuesta breve a cómo funciona el mecanizado por electroerosión: elimina el metal con chispas eléctricas controladas en lugar de fuerza de corte. Se alimenta un electrodo moldeado hacia la pieza de trabajo a través de un baño de fluido dieléctrico, un voltaje pulsado descompone el fluido en un espacio de unas pocas centésimas de milímetro y cada descarga derrite y vaporiza un cráter microscópico de metal. El electrodo nunca toca la pieza.

Debido a que el material se elimina térmicamente en lugar de mecánicamente, la dureza de la pieza de trabajo deja de ser importante y la conductividad eléctrica se convierte en un requisito. Lo que sigue es el mecanismo en detalle, los sistemas que lo mantienen estable y los números prácticos que deciden si la electroerosión es el proceso correcto para una característica determinada.

Lo que realmente sucede en el Spark Gap

La brecha es todo el proceso. En el acabado suele tener entre 0,01 y 0,05 mm de ancho; en desbaste pesado puede abrirse hasta aproximadamente 0,1 mm. Ese espacio se llena con fluido dieléctrico, que aísla el electrodo de la pieza de trabajo hasta que el generador decida lo contrario.

Cuando se aplica un pulso, el voltaje aumenta hasta que el fluido ya no puede contenerlo. Se forma un canal de plasma a través del punto más estrecho de la brecha, la corriente fluye y la temperatura local alcanza aproximadamente entre 8.000 y 12.000 grados Celsius, lo suficientemente caliente como para derretir y vaporizar parcialmente la superficie de la pieza de trabajo. El pulso dura microsegundos. Cuando se apaga, el canal colapsa, el charco fundido implosiona y arroja la mayor parte de su material al fluido, y el dieléctrico se lleva los desechos.

Luego vuelve a suceder. Dependiendo del generador, una máquina puede producir desde unos pocos miles hasta varios cientos de miles de descargas por segundo, cada una de las cuales crea un cráter de unas pocas micras de profundidad. El servosistema alimenta el electrodo hacia adelante para mantener constante la separación: demasiado cerca y la descarga se convierte en un arco dañino, demasiado lejos y no se forma ninguna chispa.

Un detalle sorprende a la gente. En una máquina de inmersión, el electrodo es un bloque perfilado de cobre o grafito; en una máquina de alambre es un alambre de latón en movimiento. La física es compartida, las herramientas y las aplicaciones no, y vale la pena resolver la diferencia antes de especificar una máquina. una comparación de electroerosión por plomo versus electroerosión por hilo cubiertas donde cada uno se gana la vida.

Los sistemas que mantienen estable una descarga

Cada máquina de electroerosión, desde una ZNC manual hasta una platina totalmente programable, se ensambla a partir de los mismos componentes básicos. Si uno de ellos es superado, los demás no pueden compensarlo.

Tabla 1: Los sistemas centrales de una máquina de electroerosión por inmersión y el síntoma que produce cada uno cuando es superado.
Sistema	lo que controla	¿Qué sale mal cuando es débil?
Fuente de alimentación pulsada (generador)	Corriente de descarga, tiempo de encendido y apagado del pulso, polaridad, los ajustes que deciden la tasa de eliminación y el acabado de la superficie	Salida inestable de baja corriente, acabado a la deriva, formación de arcos en nervaduras profundas
servocontrol	Ancho del espacio y qué tan rápido reacciona el electrodo ante un cortocircuito o un espacio abierto	El electrodo golpea la pieza de trabajo o se detiene, y el corte se vuelve lento e inconsistente.
Electrodo y accesorio	La forma copiada en la pieza; El cobre o el grafito deciden el detalle frente a la velocidad.	Cavidades sobredimensionadas, mala definición de las esquinas, desgaste impredecible
Dieléctrico y lavado	Aislamiento, enfriamiento y eliminación de escombros del espacio.	Acumulación de carbón, descargas secundarias, esquinas quemadas en trabajos profundos
Control CNC	Rutas orbitales, programas multicavidad, cambio automático de electrodos.	Reposicionamiento manual, una cavidad a la vez

Un ciclo de descarga, paso a paso

Seguir un único pulso hace que el comportamiento en la pantalla de control sea más fácil de leer.

El servo hace avanzar el electrodo hasta que la separación sea aproximadamente del ancho de un cabello humano.
El generador eleva el voltaje a través del espacio; el dieléctrico lo retiene hasta que se descompone.
Se forma un canal de plasma y la corriente aumenta en microsegundos hasta el valor máximo programado.
La superficie debajo del canal se derrite y se vaporiza parcialmente, dejando un cráter.
El pulso termina, el canal colapsa y el cráter implosiona, expulsando metal fundido al fluido.
El lavado elimina los residuos y entra dieléctrico fresco.
Los pasos del dos al seis se repiten miles de veces por segundo mientras el CNC orbita el electrodo para barrer la cavidad.

Esquema de una configuración de electroerosión por inmersión: un electrodo moldeado, sumergido en fluido dieléctrico, graba una cavidad en la pieza de trabajo. No a escala.

La dureza es irrelevante, la conductividad no.

Sin necesidad de fuerza de corte, la electroerosión mecaniza un troquel de acero 62 HRC, carburo cementado e Inconel con el mismo electrodo y el mismo accesorio. No hay deflexión de la herramienta, ni endurecimiento por trabajo, ni vibración, y las nervaduras delgadas no se flexionan alejándose del corte. El único requisito estricto es que la pieza de trabajo conduzca electricidad.

Máquinas de electroerosión por dureza de piezas de trabajo en una sola configuración

Aluminio 6061 20 HRC

Acero dulce 25 HRC

P20 preendurecido 30 HRC

Endurecido H13 52 HRC

D2 endurecido 60 HRC

Carburo cementado Equivalente a 68 HRC

Valores de dureza típicos para materiales comunes de matrices y moldes; La electroerosión no se ve afectada por ninguno de ellos.

El material del electrodo sigue la lógica opuesta. El cobre conserva los detalles finos y se desgasta lentamente con corrientes bajas, razón por la cual domina el trabajo de acabado en cavidades detalladas. El grafito elimina más material por minuto a alta corriente y es mucho más fácil de mecanizar en formas grandes y complejas, pero deja una superficie más basta y se desgasta más rápido en los bordes afilados que definen una cavidad.

El desgaste de las esquinas es el detalle que silenciosamente cuesta dinero. Un electrodo se desgasta en sus esquinas varias veces más rápido que en sus caras planas, por lo que una cavidad que mide correctamente en la primera pasada se sale de la tolerancia a medida que el electrodo se redondea. Es por eso que los electrodos se cortan a un tamaño más pequeño para tener en cuenta la distancia de chispa y el margen de desgaste, y por eso un segundo electrodo de acabado suele ser más barato que un molde desechado.

De áspero a espejo: cómo cada pasada cambia el acabado

No se mecaniza ninguna cavidad en una sola pasada. El primer electrodo realiza la eliminación intensa con alta corriente y descargas de larga duración, dejando una superficie mate y picada. Las pasadas posteriores utilizan el mismo electrodo con una corriente progresivamente menor y un tiempo de encendido más corto, por lo que cada chispa talla un cráter menos profundo encima de la anterior y la rugosidad cae paso a paso.

Acabado superficial después de cada pasada de electroerosión (escala logarítmica)

Valores típicos para electroerosión por inmersión en acero para herramientas; el acabado real depende de la configuración del generador, el material del electrodo y el lavado.

Se siguen dos consecuencias. En primer lugar, la tasa de eliminación disminuye a medida que mejora el acabado, por lo que un acabado de espejo en una cavidad grande lleva horas en lugar de minutos y su precio es acorde. En segundo lugar, las pasadas finales tienen que eliminar la capa dañada dejada por las pasadas anteriores: la capa refundida o blanca suele tener un espesor de unas pocas micras a unas pocas decenas de micras, y en un troquel que se pulirá tiene que desprenderse en lugar de ser empujada.

La secuencia que utilizan la mayoría de los cuartos de herramientas es de tres a cinco pasadas con corriente decreciente, terminando un grado más fino de lo que requiere el dibujo si la cavidad se pulirá a mano después.

Dónde gana el EDM y dónde pierde

La electroerosión es lenta en la eliminación masiva e inmejorable en los detalles. La selección del proceso suele reducirse a una breve lista de criterios.

Tabla 2: Electroerosión frente a fresado y rectificado según los criterios que deciden la selección del proceso.
Criterio	EDM	Fresado y rectificado
Dureza del material	Cualquier material conductor, incluido acero para herramientas 62 HRC y carburo.	El rendimiento cae bruscamente por encima de aproximadamente 45 a 50 HRC
Tasa de eliminación de material	Lento: una cavidad grande tarda de minutos a horas por pasada	Rápido: eliminación masiva en una fracción del tiempo
Esquinas internas	Limitado únicamente por el detalle del electrodo, hasta aproximadamente 0,05 mm	Limitado por el diámetro y el alcance del cortador
Fuerza de corte	Efectivamente cero, por lo que sobreviven paredes delgadas y nervaduras delicadas.	Cargas de deflexión, vibración y sujeción.
Integridad de la superficie	Deja una capa refundida que puede necesitar ser eliminada.	La molienda no produce ninguna capa afectada por el calor.
Estructura de costos	Alto coste de herramientas por electrodo, bajo volumen	Bajo costo de herramientas, alto volumen

La regla que siguen la mayoría de los cuartos de herramientas es simple: fresar todo lo que un cortador pueda alcanzar, luego quemar lo que queda, esquinas, nervaduras profundas, bordes internos afilados y cualquier característica del acero endurecido.

ZNC, PNC y CNC: lo que le ofrece el nivel de control

La diferencia de precio entre las máquinas de electroerosión reside en el sistema de control, no en el tanque. Una máquina ZNC tiene servocontrol solo en el eje Z: X e Y se posicionan a mano y cada pasada es un simple avance hacia abajo con retracción. Es económico, robusto y sigue siendo la respuesta adecuada para trabajos de una sola cavidad con un electrodo moldeado.

Una máquina PNC agrega ciclos programables del eje Z, retracción de múltiples etapas y profundidades almacenadas, lo que acorta la configuración y mejora el lavado en trabajos más profundos. El CNC completo agrega control de servo en X, Y y, a menudo, C, para que el electrodo pueda orbitar, barrer y girar en espiral. El mismo electrodo corta diferentes tamaños cambiando el radio de la órbita, el lavado se puede reposicionar automáticamente y varias cavidades funcionan sin supervisión.

En toda la gama, estos tres niveles de control se dividen tanto por el tamaño de la mesa de trabajo como por la electrónica, y el máquinas de electroerosión por inmersión están agrupados exactamente siguiendo esas líneas.

Un ejemplo compacto de extremo totalmente programable es el CNC-450, una máquina de mesa pequeña que aún cuenta con órbita y acabado de múltiples pasadas, que normalmente es suficiente para trabajos de inserción y moldes pequeños de múltiples cavidades.

Máquina de hundimiento por troquel CNC 450 EDM EDM por penetración compacta controlada por CNC con caja servoeléctrica Panasonic opcional, presentada para trabajos de inserción y moldes pequeños de cavidades múltiples. Ver producto →

Adaptar la máquina al trabajo, no al revés

Tres números deciden si un trabajo cotizado realmente encaja: recorrido de la mesa de trabajo, dimensiones del tanque de trabajo y peso máximo del electrodo. El recorrido establece la cavidad más grande que puede colocar, el tanque establece la pieza de trabajo más grande que puede sumergir y el peso del electrodo establece el peso de la pieza de grafito que puede transportar el cabezal sin perder el control del espacio.

La corriente brusca es la segunda trampa. Un generador grande en una máquina pequeña no es una ventaja. El desbaste pesado con un electrodo grande necesita un volumen de lavado que un tanque compacto no puede ofrecer, por lo que la máquina termina funcionando muy por debajo de su corriente nominal para evitar la formación de arcos, lo que significa que usted paga por una capacidad que no puede utilizar.

En la práctica, una máquina de tamaño mediano cubre la mayor parte del trabajo de placa de molde: el CNC-650, por ejemplo, combina una mesa y un tanque más grandes con un generador de tamaño adecuado, que es la configuración que mantiene en equilibrio la corriente de desbaste, el lavado y la respuesta del servo.

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Cavidades profundas y moldes grandes: el verdadero límite

Las cavidades profundas exponen el verdadero límite de la electroerosión, que es la evacuación de escombros. A medida que aumenta la profundidad, el área de lavado se reduce en relación con el volumen del espacio, las partículas de carbón quedan atrapadas y la descarga se vuelve inestable sin importar cómo esté configurado el generador. Las contramedidas estándar son el lavado a través de los electrodos, la retracción periódica de los electrodos y el uso de menos corriente de la que la máquina teóricamente puede suministrar.

En trabajos grandes, como bases de moldes, bloques de troqueles y nervaduras profundas, el techo práctico se establece según el recorrido en Z, el tamaño del tanque y la rigidez de la máquina en lugar de la corriente máxima, por lo que las máquinas de esta clase se especifican en torno a la estructura y la logística de lavado. Existe un modelo como el CNC-1260, con una mesa y un tanque sustancialmente más grandes, exactamente para esa clase de trabajo.

Máquina de hundimiento por troquel CNC 1260 EDM Gran electroerosión por inmersión CNC para bases de moldes, bloques de matrices y nervaduras profundas, donde el recorrido en Z, el tamaño del tanque y la rigidez definen el techo de trabajo. Ver producto →

Mecanizado por electroerosión: preguntas frecuentes

P1: ¿Cómo funciona el mecanizado por electroerosión en una frase?

Elimina metal con chispas eléctricas controladas dentro de un fluido dieléctrico; el electrodo nunca toca la pieza de trabajo, por lo que la dureza no limita el proceso.

P2: ¿Cuál es la diferencia entre electroerosión por plomo y electroerosión por hilo?

La electroerosión por penetración utiliza un electrodo de cobre o grafito con forma para quemar una cavidad tridimensional, mientras que la electroerosión por hilo utiliza un alambre delgado en movimiento para cortar un perfil bidimensional a través de la pieza.

P3: ¿Se puede mecanizar por electroerosión acero endurecido?

Sí. El acero para herramientas endurecido a 62 HRC y más es un trabajo de rutina, y el carburo cementado se puede mecanizar siempre que conduzca electricidad.

P4: ¿Cuál es la vía de chispas en el mecanizado por electroerosión?

Normalmente, de 0,01 a 0,05 mm en pasadas de acabado y hasta aproximadamente 0,1 mm en desbaste, razón por la cual los electrodos se cortan a un tamaño inferior al ancho de ese espacio.

P5: ¿Qué precisión tiene el mecanizado por electroerosión?

Se pueden lograr tolerancias de aproximadamente 0,005 a 0,02 mm en una electroerosión por penetración en buen mantenimiento, siempre que el desgaste del electrodo y la condición del espacio se controlen paso a paso.

P6: ¿Cuál es la diferencia entre una máquina de electroerosión ZNC, PNC y CNC?

ZNC controla solo el eje Z con posicionamiento manual X e Y, PNC agrega ciclos Z programables y CNC agrega ejes impulsados y órbitas para trabajo automático con múltiples cavidades.