LAVORAZIONI MEDIANTE ELETTRO - EROSIONE. Electro Discharge Machining - EDM

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1 LAVORAZIONI MEDIANTE ELETTRO - EROSIONE Electro Discharge Machining - EDM 1 Tecnologie Speciali ELETTROEROSIONE Processo di sagomatura in cui una serie di scariche elettriche si innescano tra l elettrodo utensile e il pezzo in lavorazione (elettrodo pezzo) provocandone l erosione. Sul pezzo viene riprodotta in negativo la forma dell utensile. 2 Tecnologie Speciali 1

2 Si tratta di un processo principalmente termico (un materiale elettricamente conduttore viene eroso da una successione di scariche elettriche) Alcune caratteristiche, quali la struttura o la durezza o il carico di rottura del metallo in lavorazione sono ininfluenti sia sulla velocità di asportazione sia sulla qualità ottenibile L asportazione del materiale non richiede il contatto diretto tra utensile e pezzo Proprietà fondamentali: 1) possibilità di lavorare metalli o leghe dure di difficile lavorabilità con i metodi convenzionali 2) possibilità di riprodurre qualsiasi forma geometrica in 2 o 3 dimensioni 3 Tecnologie Speciali Confronto tra tecnologie ad asportazione di materiale MRR Tolleranza Ra Stato superficiale [mm 3 /min] [mm] [ m] Truciolo incrudito Rettifica incrudito Lappatura poco incrudito Elettroerosione fuso Laser fuso AWJ incrudito Elettrochimiche inalterato Ultrasuoni incrudito MRR: Material Removal Rate; in tabella sono riportati valori medi MRR truciolo In funzione della durezza del materiale elettroerosione HB 4 Tecnologie Speciali 2

3 ELETTROEROSIONE A TUFFO Si basa sulla azione termica di scariche elettriche tra utensile e pezzo (l asportazione di materiale si ha per effetti termici, ma anche elettrici e meccanici) Per aumentare l efficienza delle scariche, queste vengono fatte scoccare all interno di un liquido dielettrico. Il dielettrico diminuisce la sezione dell arco Pezzo Dielettrico Utensile Gap (0.025 mm) Volume asportato 5 Tecnologie Speciali La lavorazione non dipende dalle caratteristiche meccaniche del materiale ma dalle sue caratteristiche fisico/termiche La scintilla scocca dove si ha la distanza minima utensile-pezzo e/o dove si ha la massima conducibilità locale del fluido. Si ha sempre soltanto una scintilla alla volta. 6 Tecnologie Speciali 3

4 IL SISTEMA Dielettrico in pressione Servo meccanismo di avanzamento dell'utensile Utensile Velocità di rimozione (400A): 0 cm 3 /min Generatore di impulsi Dielettrico Pezzo f Tolleranze dimensionali: mm Isolante Rugosità superficiale (Ra): m Pompa (sono indicati i range più ampi) Serbatoio dielettrico 7 Tecnologie Speciali IL CIRCUITO DI LAZARENKO (1943) Il primo circuito è stato messo a punto da Lazarenko (circuito RC o a rilassamento ): Tensione al generatore Vr Tensione di rottura V Corrente (>1000 A) I s I t ton toff t ttot 8 Tecnologie Speciali 4

5 PARAMETRI TIPICI DEL PROCESSO (LAZARENKO) Tensione (in continua) V Tensione al generatore Vr Tensione di rottura V Corrente 1000 A Tempo scarica 0.1 µs Corrente (>1000 A) I s I t Tempo totale 200 µs ton toff t ttot 9 Tecnologie Speciali PARAMETRI TIPICI DEL PROCESSO (LAZARENKO) Temperature d esercizio molto elevate Frequenze di scarica molto bassa alta probabilità di fondere l utensile processo lento 10 Tecnologie Speciali 5

6 CIRCUITO DI GENERAZIONE DEGLI IMPULSI V r V Utilizzando dei circuiti elettronici di potenza è possibile controllare la forma dell impulso I s I t t on t off t tot t 11 Tecnologie Speciali VANTAGGI RISPETTO AL CIRCUITO DI LAZARENKO alto rendimento del processo possibilità di regolare tempo di scarica e intervallo fra una scarica e l altra possibilità di regolare la corrente di scarica tensione di scarica costante frequenze di funzionamento elevate possibilità di controllare la forma dell impulso di corrente temperatura massima raggiunta nel processo inferiore (minore usura dell utensile e minori sollecitazioni sul pezzo in lavorazione) 12 Tecnologie Speciali 6

7 CONTROLLO IN ANELLO CHIUSO DELL AVANZAMENTO Per mantenere costante la distanza pezzo - utensile occorre controllare l avanzamento dell utensile. Il controllo in anello chiuso viene effettuato rilevando la forma dell impulso (rilevando un corto circuito o un eccessiva tensione di break-down) e imponendo l avanzamento. 13 Tecnologie Speciali PARAMETRI TIPICI DEL PROCESSO GENERATORE DI IMPULSI LAZARENKO Tensione V Tensione (in continua) V Corrente 1-10 A Corrente 1000 A Tempo scarica µs (t on ) Tempo totale µs (t tot ) Tempo scarica 0.1 µs (t on ) Tempo totale 200 µs (t tot ) 14 Tecnologie Speciali 7

8 EFFICIENZA DEL CIRCUITO Il processo di conduzione del calore richiede tempo. A parità di energia per impulso si ha: I elevata ton breve I bassa ton lungo Bassa velocità di rimozione Elevata finitura superficiale Elevata velocità di rimozione Scarsa finitura superficiale Circuito di Lazarenko Circuito a generazione di impulsi Alcuni impianti utilizzano il circuito di Lazarenko per la finitura e il generatore di impulsi per la sgrossatura. 15 Tecnologie Speciali INFLUENZA DEI PARAMETRI DI PROCESSO La massa di materiale rimosso ad ogni impulso aumenta sia all aumentare della corrente, sia all aumentare del tempo di scarica t on. Anche all aumentare della tensione di scarica, aumenta il materiale rimosso. A parità degli altri parametri, aumentare uno di questi fattori significa aumentare anche la rugosità. Effetto della corrente: 1A 2A 3A 4A Effetto del tempo di scarica: t0 2t0 3t0 4t0 16 Tecnologie Speciali 8

9 INFLUENZA DEI PARAMETRI DI PROCESSO A pari energia erogata in un dato lasso di tempo, aumentare la frequenza di scarica significa migliorare la rugosità. Effetto della frequenza: Frequenze tipiche f: 180 Hz in sgrossatura f: centinaia di khz in finitura Più piccolo è il gap e migliore risulta la qualità; il flusso del dielettrico incontra però maggiori resistenze. Gap tipico: mm (controllato tramite le grandezze elettriche) 17 Tecnologie Speciali IL MECCANISMO La generazione della scarica elettrica può essere suddivisa in diversi momenti: Aumento della tensione. Si forma un campo elettrico nella posizione di minore resistenza (minore distanza e/o maggiore conducibilità). Si forma un ponte di particelle a carica negativa emesse dal catodo. Parziale ionizzazione del dielettrico. Termina l effetto isolante del fluido dielettrico. La tensione diminuisce e inizia il passaggio di corrente. Ionizzazione. 18 Tecnologie Speciali 9

10 Le particelle con carica negativa e positiva migrano rispettivamente verso l anodo ed il catodo. La corrente aumenta e la tensione diminuisce. Inizia a formarsi un canale di vapore e incomincia il processo di fusione. Il canale di scarica si espande, la tensione e la corrente iniziano a stabilizzarsi Aumento della temperatura ( C) e della pressione del vapore (fino a 20 MPa). La scarica elettrica e il calore arrivano alla massima intensità. La bolla di vapore si espande. A questo punto il circuito elettrico viene aperto. 19 Tecnologie Speciali Cessa la generazione di calore per la caduta della corrente. Il canale di scarica rapidamente scompare. Il metallo vaporizzato si solidifica rapidamente nel fluido dielettrico sotto forma di microsfere cave, quello fuso si solidifica in microsfere piene. La bolla di vapore implode generando un azione dinamica che ha l effetto di proiettare il metallo fuso all esterno del cratere. I residui generati durante il processo sono costituiti da particelle di metallo, carbonio (dalla scissione del dielettrico) e gas. Viene chiuso il circuito per dare inizio all impulso successivo. 20 Tecnologie Speciali 10

11 Microsfere formate dal metallo fuso e vaporizzato Le microsfere realizzate dal metallo fuso sono piene mentre quelle che si condensano dal metallo vaporizzato sono vuote (cenosfere) Sfera cava Sfera piena 21 Tecnologie Speciali e - + All inizio del ciclo, il contributo più importante è dato dagli elettroni (massa piccola quindi più mobilità) che colpiscono l anodo. - Velocità di erosione [volume/tempo] (MRR) Catodo All aumentare di t on interviene anche il contributo degli ioni positivi (meno mobili), che accelerano verso il catodo aumentandone l erosione. Il catodo può arrivare a subire il 99% dell erosione totale. Anodo 0,5 s 3 s 30 s t on 22 Tecnologie Speciali 11

12 La velocità di rimozione agli elettrodi è differente e dipende da polarità, temperatura di fusione dei metalli, durata e intensità delle scariche. Elettroerosione a tuffo (EDM): si usa polarità diretta (CATODO: materiale; ANODO: utensile); t on > 30 s Elettroerosione a filo (WEDM): si usa polarità inversa (CATODO: utensile; ANODO: materiale); t on 2 s Catodo Catodo Volume asportato al catodo WEDM Anodo Anodo EDM Volume asportato all anodo 23 Tecnologie Speciali 12