Elettroerosione a tuffo

L’Elettroerosione o EDM (dall’inglese Electrical Discharge Machining) è un processo di lavorazione non convenzionale, ovvero che non presenta contatto tra l’utensile e il pezzo durante l’asportazione di materiale, con cui è possibile ottenere feature tridimensionali complesse con elevato livello di dettaglio e rugosità superficiali basse. Rappresenta una delle tecniche di lavorazione più promettente nel campo delle lavorazioni di precisione per l’ottenimento di profili geometricamente complessi e con un rapporto di forma elevato poiché non genera bave e non risente delle caratteristiche meccaniche del materiale che si sta lavorando. Il processo, presenta il vincolo generico di poter lavorare solo materiali conduttori; limite che però si sta cercando di superare attraverso le attività di ricerca e sviluppo.

Principio di funzionamento

Il punto di forza delle lavorazioni non convenzionali e, in particolare dell’elettroerosione, è il meccanismo di rimozione svincolato dal contatto meccanico tra elettrodo-utensile e pezzo. In questo caso, il processo di asportazione avviene grazie alla formazione di rapide scariche elettriche all’interno dello sparking gap presente tra l’elettrodo-utensile e il pezzo in lavorazione. Lo sparking gap è, solitamente, impostato in modo tale da essere abbastanza piccolo per far sì che la tensione raggiunta risulti sufficientemente alta per permettere la ionizzazione del fluido dielettrico in cui sono immersi i due elementi. È proprio questa la caratteristica che consente di evitare tutti quei problemi legati allo stress fisico-meccanico, di eliminare la presenza di tensioni residue sul pezzo e sollecitazioni legate alla lavorazione che possono compromettere l’integrità del pezzo stesso. Il meccanismo primario di rimozione del materiale dal pezzo si basa sulla trasformazione dell’energia elettrica delle scariche in energia termica. Elettrodo-utensile e pezzo sono immersi in un liquido dielettrico, tradizionalmente rappresentato da cherosene oppure da acqua demineralizzata, per le loro caratteristiche di fluidi isolanti. In generale, il processo di asportazione del materiale può essere descritto individuando cinque diverse fasi:

  1. Applicazione differenza di potenziale tra utensile e pezzo. Genera un forte campo elettrico tra utensile e pezzo in lavorazione permettendo la ionizzazione del mezzo dielettrico.
  2. Rottura del dielettrico e apertura del canale di scarica. Il fluido viene completamente ionizzato dagli elettroni accelerati dal campo elettrico creando un canale a bassa resistenza dove può passare la scarica elettrica.
  3. Ampliamento del canale di scarica e fusione del materiale. Il continuo verificarsi di urti porta alla formazione di un canale di plasma ad altissima temperatura (8.000°C – 12.000°C) che trasferisce energia alla superficie del pezzo fondendo il materiale superficiale, e creando dei piccoli crateri.
  4. Interruzione della scarica e implosione del canale di scarica. Interrompendo le scariche, il canale di plasma implode.
  5. Espulsione del materiale fuso dal cratere. Il dielettrico fluisce nella zona interessata dalla lavorazione permettendo l’espulsione del materiale. Il materiale fuoriuscito, raffreddandosi, solidifica generando detriti.

Macchine e tecnologie per l'elettroerosione

L’utensile per elettroerosione a tuffo

Le macchine per lavorazioni EDM sono in genere caratterizzate dalla presenza da una vasca in cui il pezzo viene posizionato in modo che sia completamente immerso nel mezzo dielettrico durante l’intera lavorazione. L’EDM a tuffo è una delle tre configurazioni del processo di elettroerosione caratterizzata da un elettrodo-utensile avente la geometria del negativo della feature da realizzare. Nelle lavorazioni a tuffo, il materiale usato per gli elettrodi-utensile deve essere in grado di resistere alle scariche, essere facilmente lavorabile per poter riprodurre le forme più o meno complesse che si vogliono riprodurre e, dal punto di vista economico, avere costi contenuti. L’esperienza ha portato alla diffusione di tre materiali principali per la realizzazione i questi elettrodi: grafite, rame e ottone.

  • Grafite. Presenta un’elevata resistenza alle scariche grazie all’alto punto di fusione, ma non è adatto alla lavorazione di parti sottili e per finiture superficiali elevate. L’usura genera pulviscolo che può compromettere la funzionalità della macchina.
  • Rame e ottone. Presentano un’alta resistenza grazie all’elevata dissipazione del calore generato dalle scariche, sono due materiali facilmente lavorabili e idonei alla realizzazione di particolari estremamente fini e complessi con rugosità superficiali basse.

Per questo, si consiglia, di realizzare due utensili: uno in grafite per le lavorazioni di sgrossatura e uno in rame o ottone per la finitura.

Parametri di processo e performance

Il processo EDM è influenzato da diversi parametri che vengono impostati dall’operatore in funzione della combinazione di materiali di pezzo da lavorare e elettrodo-utensile.

  • Durata dell’impulso (ton). Indica la durata della scarica elettrica generata tra utensile e pezzo. Maggiore è la durata dell’impulso, maggiore è il tasso di rimozione di materiale.
  • Intervallo tra due scariche successive (toff). Indica il tempo che intercorre tra due scariche successive. Se breve, il tasso di rimozione di materiale aumenta, ma la zona di lavorazione risulterebbe instabile a causa dell’eccessivo numero di scariche.
  • Indica la distanza tra l’utensile e il pezzo; se questo è mantenuto costante.
  • Tensione di scarica (V). Indica la differenza di potenziale raggiunta per il verificarsi della scarica. All’aumentare della tensione di scarica, aumenta il materiale rimosso e quindi la velocità di lavorazione.
  • Corrente di scarica (I). Identifica l’intensità dei picchi di corrente delle scariche. Minore è il valore di picco, minore sarà la velocità di asportazione, ma migliore è la finitura superficiale.
  • Polarità. L’utensile può rappresentare sia il polo positivo che quello negativo rispetto al pezzo. Per impulsi brevi è consigliabile attribuire all’utensile polarità negativa.

Performance di processo

Le lavorazioni eseguite attraverso EDM possono essere caratterizzate e valutate attraverso indicatori delle performance di processo che ne valutano l’efficienza.

  • Material Removal Rate – MRR. Valuta la velocità di asportazione in termini di quantità di materiale asportato per unità di tempo. MRR Risulta direttamente proporzionale ai valori di tensione, intensità di corrente e durata della scarica; allo stesso tempo, all’aumentare del picco di corrente, cresce anche la rugosità superficiale.
  • Tool Wear Ratio – TWR. Valuta il tasso di usura dell’utensile in funzione del materiale asportato dal pezzo, è fortemente influenzato dalle proprietà elettriche e termiche del materiale.

Applicazioni

Applicazioni tipiche dell’elettroerosione a tuffo sono legate a settori in cui è necessario lavorare materiali comunemente definiti come “difficult-to-cut” in quanto, a causa delle loro elevate caratteristiche meccaniche, fisiche e termiche, risulterebbero difficilmente lavorabili con tecniche tradizionali.

Settori tipici che impiegano l’EDM sono quello energetico (turbogas e vapore) e aeronautico, o comunque campi applicativi in cui viene richiesto un elevato valore aggiunto che giustifichi l’alto costo di lavorazione. Tipici esempi sono gli anelli diffusori per il turbovapore, pale per turbine e i relativi fori di raffreddamento, oppure la realizzazione della finitura superficiale per stampi per injection molding.

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