Come funziona la lavorazione per elettroerosione? Fisica dello spinterometro, dielettrico e delle scariche

Un angolo interno di 0,3 mm nella parte inferiore di un inserto per matrice H13 da 58 HRC è il punto in cui la fresatura non è più un'opzione. Il raggio dell'angolo è più piccolo di qualsiasi fresa pratica, il materiale ucciderà una punta in metallo duro in un unico passaggio e la caratteristica è troppo profonda per essere raggiunta da un portautensile. Questo è il lavoro per cui è stata costruita la lavorazione con elettroerosione.

La risposta breve al funzionamento della lavorazione Elettroerosione: rimuove il metallo con scintille elettriche controllate invece che con forza di taglio. Un elettrodo sagomato viene alimentato verso il pezzo attraverso un bagno di fluido dielettrico, una tensione pulsata rompe il fluido in uno spazio di pochi centesimi di millimetro e ad ogni scarica scioglie e vaporizza un microscopico cratere di metallo. L'elettrodo non tocca mai la parte.

Poiché il materiale viene rimosso termicamente anziché meccanicamente, la durezza del pezzo non ha più importanza e la conduttività elettrica diventa un requisito. Quello che segue è il meccanismo in dettaglio, i sistemi che lo mantengono stabile e i numeri pratici che decidono se l’EDM è il processo giusto per una determinata caratteristica.

Cosa succede realmente nello spinterometro

Il divario è l'intero processo. Nella finitura il diametro è tipicamente compreso tra 0,01 e 0,05 mm; nella sgrossatura pesante può aprirsi fino a circa 0,1 mm. Questo spazio è riempito con fluido dielettrico, che isola l'elettrodo dal pezzo fino a quando il generatore non decide diversamente.

Quando viene applicato un impulso, la tensione aumenta finché il fluido non riesce più a trattenerla. Nel punto più stretto dello spazio si forma un canale di plasma, la corrente scorre e la temperatura locale raggiunge circa 8.000-12.000 gradi Celsius, abbastanza calda da fondere e vaporizzare parzialmente la superficie del pezzo. L'impulso dura microsecondi. Quando viene spento, il canale collassa, la pozza fusa implode gettando gran parte del suo materiale nel fluido, e il dielettrico porta via i detriti.

Poi succede di nuovo. A seconda del generatore, una macchina può produrre da poche migliaia a diverse centinaia di migliaia di scariche al secondo, ognuna delle quali scava un cratere profondo pochi micron. Il servosistema fa avanzare l'elettrodo per mantenere costante la distanza: troppo vicino e la scarica si trasforma in un arco dannoso, troppo lontano e non si forma alcuna scintilla.

Un dettaglio sorprende le persone. Nelle macchine a tuffo l'elettrodo è un blocco sagomato di rame o grafite; su una macchina a filo è un filo di ottone in movimento. La fisica è condivisa, gli utensili e le applicazioni no, e vale la pena stabilire la differenza prima di specificare una macchina. Un confronto di Elettroerosione a tuffo vs elettroerosione a filo copre dove ciascuno guadagna il suo mantenimento.

I sistemi che mantengono stabile la scarica

Ogni macchina per elettroerosione, da una ZNC manuale a una a tuffo completamente programmabile, è assemblata dagli stessi elementi costitutivi. Se uno di loro viene sconfitto, gli altri non possono compensarlo.

Un ciclo di scarica, passo dopo passo

Seguire un singolo impulso facilita la lettura del comportamento sullo schermo di controllo.

1. Il servo fa avanzare l'elettrodo finché lo spazio non raggiunge all'incirca la larghezza di un capello umano.
2. Il generatore aumenta la tensione attraverso l'intervallo; il dielettrico lo trattiene fino alla rottura.
3. Si forma un canale di plasma e la corrente aumenta in microsecondi fino al valore di picco programmato.
4. La superficie sotto il canale si scioglie e in parte vaporizza, lasciando un cratere.
5. L'impulso termina, il canale collassa e il cratere implode, espellendo metallo fuso nel fluido.
6. Il lavaggio porta fuori i detriti e fa entrare nuovi flussi dielettrici.
7. I passaggi da due a sei si ripetono migliaia di volte al secondo mentre il CNC fa orbitare l'elettrodo per spazzare via la cavità.

La durezza è irrilevante, la conduttività no

Senza l'utilizzo della forza di taglio, l'elettroerosione lavora un acciaio per stampi da 62 HRC, carburo cementato e Inconel con lo stesso elettrodo e lo stesso dispositivo. Non vi è alcuna deflessione dell'utensile, nessun incrudimento, nessuna vibrazione e le nervature sottili non si flettono lontano dal taglio. L'unico requisito difficile è che il pezzo conduca l'elettricità.

Il materiale dell'elettrodo segue la logica opposta. Il rame mantiene i dettagli più fini e si consuma lentamente a basse correnti, motivo per cui domina il lavoro di finitura su cavità dettagliate. La grafite rimuove più materiale al minuto a corrente elevata ed è molto più facile da lavorare in forme grandi e complesse, ma lascia una superficie più ruvida e si usura più velocemente in corrispondenza degli spigoli vivi che definiscono una cavità.

L'usura degli angoli è il dettaglio che costa tranquillamente denaro. Un elettrodo si consuma ai suoi angoli molte volte più velocemente che lungo le sue facce piatte, quindi una cavità che misura correttamente al primo passaggio va fuori tolleranza quando l'elettrodo si arrotonda. Questo è il motivo per cui gli elettrodi vengono tagliati sottodimensionati per consentire lo spinterometro e il margine di usura, e perché un secondo elettrodo di finitura è spesso più economico di uno stampo rottamato.

Da grezzo a specchio: come ogni passaggio cambia la finitura

Nessuna cavità viene lavorata in un unico passaggio. Il primo elettrodo esegue la rimozione pesante con corrente elevata e tempi di scarica lunghi, lasciando una superficie opaca e bucherellata. I passaggi successivi utilizzano lo stesso elettrodo con una corrente progressivamente inferiore e un tempo di accensione più breve, quindi ogni scintilla incide un cratere meno profondo sopra quello precedente e la rugosità diminuisce passo dopo passo.

Ne conseguono due conseguenze. Innanzitutto, la velocità di rimozione diminuisce man mano che la finitura migliora, quindi una finitura a specchio su una cavità di grandi dimensioni richiede ore anziché minuti e ha un prezzo di conseguenza. In secondo luogo, le passate finali devono rimuovere lo strato danneggiato lasciato dalle passate precedenti: lo strato rifuso o bianco ha in genere uno spessore compreso tra pochi micron e poche decine di micron e su uno stampo che verrà lucidato deve staccarsi anziché essere spostato.

La sequenza utilizzata dalla maggior parte delle attrezzerie è da tre a cinque passaggi con corrente decrescente, terminando con un grado più fine di quanto richiesto dal disegno se la cavità verrà successivamente lucidata a mano.

Dove l'EDM vince e dove perde

L'elettroerosione è lenta nella rimozione in blocco e imbattibile nei dettagli. La selezione del processo di solito si riduce a un breve elenco di criteri.

La regola seguita dalla maggior parte delle attrezzerie è semplice: fresare tutto ciò che una fresa può raggiungere, quindi bruciare ciò che rimane, angoli, nervature profonde, bordi interni affilati e qualsiasi caratteristica in acciaio temprato.

ZNC, PNC e CNC: cosa ti offre il livello di controllo

La differenza di prezzo tra le macchine per elettroerosione risiede nel sistema di controllo, non nel serbatoio. Una macchina ZNC ha un servocontrollo solo sull'asse Z: X e Y sono posizionati manualmente e ogni passata è un semplice abbassamento con retrazione. È economico, robusto e rappresenta comunque la risposta giusta per i lavori a cavità singola con un elettrodo sagomato.

Una macchina PNC aggiunge cicli programmabili dell'asse Z, retrazione multistadio e profondità memorizzate, che riducono la configurazione e migliorano il lavaggio nei lavori più profondi. Il CNC completo aggiunge il servocontrollo su X, Y e spesso C, in modo che l'elettrodo possa orbitare, spazzare e spiraleggiare. Lo stesso elettrodo taglia dimensioni diverse modificando il raggio dell'orbita, il lavaggio può essere riposizionato automaticamente e diverse cavità funzionano incustodite.

In tutta la gamma questi tre livelli di controllo sono suddivisi in base alle dimensioni del tavolo di lavoro così come all'elettronica e al macchine per elettroerosione a tuffo sono raggruppati esattamente lungo quelle linee.

Un esempio compatto dell'estremità completamente programmabile è la CNC-450, una macchina a tavolo piccolo che esegue ancora la finitura orbitante e multi-passaggio, che normalmente è sufficiente per lavori con inserti e piccoli stampi multi-cavità.

Macchina per elettroerosione a tuffo CNC 450 Elettroerosione a tuffo compatta controllata da CNC con scatola servo elettrica Panasonic opzionale, presentata per la lavorazione con inserti e piccoli stampi multi-cavità. Visualizza il prodotto →

Adattare la macchina al lavoro e non il contrario

Tre numeri decidono se un lavoro citato è effettivamente adatto: corsa del piano di lavoro, dimensioni del serbatoio di lavoro e peso massimo dell'elettrodo. La corsa imposta la cavità più grande che puoi posizionare, il serbatoio imposta il pezzo più grande che puoi immergere e il peso dell'elettrodo imposta il peso del pezzo grezzo in grafite che la testa può trasportare senza perdere il controllo dello spazio.

La corrente di sgrossatura è la seconda trappola. Un grande generatore su una piccola macchina non è un vantaggio. La sgrossatura pesante con un elettrodo grande richiede un volume di lavaggio che un serbatoio compatto non è in grado di fornire, quindi la macchina finisce per funzionare ben al di sotto della sua corrente nominale per evitare la formazione di archi, il che significa che hai pagato per capacità che non puoi utilizzare.

In pratica, una macchina di medie dimensioni copre la maggior parte del lavoro su piastre stampo: la CNC-650, ad esempio, accoppia una tavola e un serbatoio più grandi con un generatore dimensionato per adattarli, che è la configurazione che mantiene in equilibrio la corrente di sgrossatura, il lavaggio e la risposta del servo.

Macchina per elettroerosione a tuffo CNC 650 Elettroerosione a tuffo CNC di medie dimensioni con scatola servo elettrica Panasonic opzionale, bilanciamento della corrente di sgrossatura, lavaggio e risposta servo per la lavorazione delle piastre dello stampo. Visualizza il prodotto →

Cavità profonde e stampi di grandi dimensioni: il vero limite

Le cavità profonde mettono in luce il vero limite dell’EDM, ovvero l’evacuazione dei detriti. All'aumentare della profondità, l'area di lavaggio si restringe rispetto al volume dell'intercapedine, le particelle di carbonio rimangono intrappolate e lo scarico diventa instabile, indipendentemente da come è impostato il generatore. Le contromisure standard sono il lavaggio attraverso l'elettrodo, la retrazione periodica dell'elettrodo e il consumo di una quantità di corrente inferiore a quella che la macchina può teoricamente fornire.

Su lavori di grandi dimensioni come basi di stampi, blocchi di matrici e nervature profonde, il limite pratico è fissato dalla corsa Z, dalle dimensioni del serbatoio e dalla rigidità della macchina piuttosto che dalla corrente di picco, quindi le macchine di questa classe sono specificate in base alla struttura e alla logistica di lavaggio. Esiste un modello come il CNC-1260, con un tavolo e un serbatoio sostanzialmente più grandi, esattamente per quella classe di lavoro.

Macchina per elettroerosione a tuffo CNC 1260 Elettroerosione a tuffo CNC di grandi dimensioni per basi di stampi, blocchi di stampi e nervature profonde, dove la corsa Z, le dimensioni del serbatoio e la rigidità definiscono il soffitto di lavoro. Visualizza il prodotto →

Lavorazione per elettroerosione: domande frequenti