En este artículo vamos hablar sobre la electroerosión por hilo EDM y sus aplicaciones en la industria. Gracias a tener experiencia sobre ello, espero dar una visión clara y óptima, sobre este proceso de mecanizado tan interesante.
Primero vamos a ver una pequeña introducción sobre que es la electroerosión EDM.
Introducción sobre la Electroerosión por Hilo EDM en la Industria
La electroerosión por hilo EDM, se la conoce como «Electrical Discharge Machine, por sus siglas en inglés. Es una tecnología que ha revolucionado el mecanizado y como se fabrican, algunos componentes que no son posibles fabricar sin la ayuda del EDM.
La electroerosión por hilo EDM, se inventó a medidados del siglo XX. Podemos decir que es una de las últimas grandes innovaciones, en lo que ha procesos o métodos de fabricación se refieren, junto a los métodos de fabricación aditiva.
Gracias a la electroerosión por hilo EDM, podemos fabricar piezas con geometrías imposibles, en materiales de gran dureza como el inconel, el titanio o aleaciones termorresistentes de base níquel entre otras.
Lo más destacado, es que sin esta tecnología, no sería posible fabricar componentes, con los métodos de mecanizado tradicionales.
¿Qué es la Electroerosión por hilo EDM?
La electroerosión por hilo EDM, es un proceso que utiliza energía eléctrica para cortar el material. En este proceso, el hilo genera un arco eléctrico con la pieza.
Cuando el hilo se encuentra a escasas centésimas de milímetro de la pieza, se crea un arco eléctrico. Popularmente, se ha pensado que el hilo hace contacto con la pieza, pero la verdad es que el hilo, nunca llega a tocar la pieza.
Para generar el arco eléctrico de forma controlada, tenemos que rellenar una serie de parámetros para que la máquina, genere el arco eléctrico adecuado al material y espesor de la pieza que tenemos que cortar.
Tanto la pieza, como el hilo, durante los procesos de corte, se encuentran sumergidos en agua desionizada. El agua desionizada, es agua sin carga eléctrica. Es el mismo agua que se utiliza en máquinas de planchar ropa.
Con el agua desionizada, además de mantener la pieza fría, durante los procesos de corte, hacemos que las descargas eléctricas no afecten al resto de la pieza y estas, estén unicamente en la zona de corte.
El hilo que se utiliza en los procesos de electroerosión por hilo EDM, por norma general es de latón o de latón revestido con zinc en algunos casos muy concretos.
Historia y Evolución del EDM
El origen del mecanizado por descarga eléctrica EDM se remonta a 1770, cuando el científico inglés Joseph Priestly, descubrió el efecto erosionador de las descargas eléctricas sobre los metales.
No fue hasta 1943, cuando dos científicos soviéticos: Boris Rostislavovich Lázarenko y su hermano Ni. Lazarenko, tuvieron la idea de aprovechar el efecto destructivo de las descargas eléctricas y desarrollaron un proceso productivo controlado, para mecanizar materiales que fueran conductores de la electricidad. Con esa idea nació el EDM que conocemos hoy en día.
Estos científicos, fueron perfeccionando el proceso, que consistía en una sucesión de descargas eléctrícas, entre dos conductores separados entre sí por un líquido no conductor (arco dieléctríco).
Este descubrimiento marcó el comienzo de una nueva era en el mecanizado, ya que ofrecía una manera de trabajar con materiales de gran dureza, sin necesidad de aplicar fuerzas físicas, ni grandes fuerzas de corte.
En las décadas siguientes, el EDM siguió desarrollándose y se fueron refinando los procesos, con unos grandes avances tecnológicos de control. En 1970 con los controles numéricos por computadora (CNC), permitieron obtener al EDM, gran precisión y repetibilidad a unos niveles desconocidos hasta aquellos años.
Electroerosión por Hilo EDM en la Actualidad
Hoy en día como conocemos el EDM, sus avances son impresionantes. En el caso de la electroerosión por hilo EDM, podemos trabajar en 4 ejes continuos, obteniendo perfiles cónicos. Realizar trabajos de una extrema precisión +/-0.002 mm. Gracias a ello podemos trabajar con estas máquinas, en cualquier sector por exigente que sea.
Un dato importante sobre las máquinas de electroerosión de hoy en día, es que podemos realizar programaciones automáticas. Podemos dejar la máquina cortando durante horas, con diferentes programas sin la presencia de operarios. Podemos automatizar centrajes, orientaciones, mediciones y diferentes tipos de cortes.
Existe la posibilidad de integrar un quinto eje (plato divisor CNC), dentro de la máquina para poder realizar cortes con inclinaciones más allá de los 45º de inclinación, y trabajar de forma continua con los 4 ejes de la máquina.
Si a todo esto, le sumamos la ayuda incondicional de los softwares Cad/Cam, las posibilidades son casi infinitas. Aunque más adelante en otro artículo, te voy hablar sobre las ventajas y desventajas del proceso de electroerosión por hilo EDM.
¿Cuántos Ejes Tiene una Máquina de Electroerosión por Hilo EDM?
Una máquina de electroerosión por hilo, puede tener desde 3 ejes hasta 6 ejes. Las más convencionales, tienen los ejes lineales X,Y,Z. Igual que los de una fresadora. Las máquinas modernas disponen de 5 ejes que son: X,Y,Z,U,V. Los ejes U y V, son ejes auxiliares o también llamados ejes paralelos. El eje U es el eje paralelo del eje lineal X y el eje V, es el eje paralelo del eje lineal Y.
Gracias a los ejes U y V, podemos realizar contornos con inclinación de forma continua. Tenemos que destacar que el eje Z, es únicamente de posicionamiento, no trabaja de forma continua, ya que no es necesario en el corte por electroerosión por hilo.
Existe la posibilidad de incorporar un eje adicional, que sería nuestro sexto eje. Este eje es un plato divisor incorporado de manera opcional en la máquina, gracias a ello, podemos realizar cortes inclinados con total libertad de inclinación. Es algo muy concreto, que muy rara vez nos vamos a encontrar, pero es interesante saber que existe, por si nos pudiera hacer falta.
En este video, podemos ver como se incorpora un quinto eje y un sexto eje, en una máquina de electroerosión por hilo EDM Robocut Fanuc C600, igual que la maquina en la que suelo realizar estos trabajos.
Principios Básicos del Funcionamiento de la Electroerosión por Hilo EDM
Cómo ya hemos explicado, este proceso se basa en la generación de chispas eléctricas controladas para cortar un material conductor de la electricidad.
Estas chispas, crean una serie de microexplosiones que erosionan el material de la pieza, de forma controlada. Tenemos que destacar, que para que este proceso se pueda realizar, tenemos que tener una serie de componentes.
Componentes Para el Sistema EDM
Los componentes del sistema EDM, son 4 y son los siguientes:
Fuente de Energía
Para poder realizar un proceso de electroerosión por EDM, necesitamos una fuente de energía. Esta fuente de energía, en el caso de las máquinas de corte por hilo, es trifásica de 380V a 400V.
Hilo Conductor
El hilo conductor por norma general, es de latón o de latón revestido de zinc, en aplicaciones muy concretas. El hilo se va moviendo de forma contina a medida que va cortando el material. El diámetro del hilo por norma general es de 0.25mm, los hay de varios diámetros pero oscilan entre 0,2mm y 0,3mm. Todo va a depender del recubrimiento y del material.
Los hilos recubiertos con zinc, ofrecen una mejor conductividad y un menor desgaste. Son los recomendados, si tenemos que cortar con mucha frecuencia aleaciones de aluminio.
Dieléctrico
Con dieléctrico, nos referimos al agua desionizada, que ayuda a controlar las descargas eléctricas y ayuda a eliminar los residuos de la zona de corte. Además, permite mantener fría la pieza, durante los proceso de corte.
Sistemas de Control CNC
Gracias al CNC, podemos controlar la tensión del hilo, los movimientos del hilo, la velocidad de corte y las trayectorias de mecanizado, entre otros parámetros.
Video un proceso de corte por electroerosión por hilo EDM, realizando una pasada de acabado, sobre el perfil de los dientes de un engranaje.
Parámetros Críticos en el Proceso de Electroerosión por Hilo EDM
Como todas las técnicas de mecanizado, el proceso de electroerosión por hilo EDM, tiene sus propios parámetros críticos.
Estos parámetros, tenemos que ajustarlos de forma adecuado al tipo de pieza que vayamos a cortar. Podemos decir que es lo mismo a los parámetros de corte en los procesos de fresado.
Corriente de Descarga en el Proceso de Electroerosión por Hilo EDM
La corriente de descarga, afecta directamente al material que tenemos que cortar y a la velocidad de corte. Esta corriente, va a cambiar en función del espesor de la pieza, del material que tengamos que cortar, numero de cortes y la distancia a la que se encuentren las boquillas de la pieza a cortar.
Se va ajustar de forma automática a medida que el hilo se vaya encontrando con el material. Si por ejemplo, estamos cortando una pieza con unos perfiles a diferente altura y después con un perfil de mayor espesor. La corriente eléctrica, se va ajustar de forma automática.
Cantidad de Cortes en los Procesos de Electroerosión por Hilo EDM
La cantidad de cortes que realicemos en los procesos de electroerosión por hilo EDM, es un factor crítico por varios motivos. El primero y más fundamental, es la precisión. Aunque el corte por hilo sea preciso, cómo cualquier otro mecanizado de precisión requiere de un desbaste y un acabado, si queremos obtener buenos resultados.
Si realizamos un único corte en los procesos de electroerosión por hilo EDM, podemos obtener una rugosidad aritmética Ra de 1.5 a 2µm aproximadamente. Para algunas piezas como pueden ser matrices de troqueles o piezas que van a estar expuestas a rozamientos, es una rugosidad inaceptable. Va a disminuir de forma drástica la vida útil de los matrices y punzones.
Con un único corte, no podemos obtener tolerancias de ajuste tipo H7, ya que se requiere de dos cortes. En el corte por hilo EDM, podemos dividir un proceso de corte en las pasadas que queramos. Cuanto más pasadas, mayor precisión geométrica y menos rugosidad en la superficie.
En las tablas que venía comentando anteriormente, con cada pasada, la compensación del hilo va disminuyendo. Por ejemplo, si tenemos un hilo de 0,25mm de diámetro y realizamos 3 pasadas. La pasada de desbaste el hilo está a 0,20mm el semiacabado a 0,17mm y el acabado a 0,13mm.
Cada tabla va con su cantidad de pasadas, espesor del material y tipo de material. También podemos configurar, si el corte se trata de una matriz (corte de interiores) o punzón (corte de exteriores).
Más cortes, es igual a más tiempo y piezas más costosas. Es otro factor determinante, que debemos de analizar. No todas las piezas van a necesitar de 2 cortes o más, todo va a depender del tipo de precisión que vayamos a necesitar.
Tensión del Hilo en los Procesos de Electroerosión por Hilo EDM
Cuando hablamos de tensión del hilo, nos referimos a la tensión que tiene que tener el hilo, para mantener su posición ya se vertical o cónico. Las máquinas de electroerosión EDM, para mantener su tensión en los procesos de corte, tiene un sistema de embobinado del hilo.
Tenemos un motor en la parte superior y otro en la parte inferior, entre ambos mantienen el hilo tenso, mediante sistemas del PLC. Podemos ver la tensión del hilo en tiempo real, en un reloj analógico que tiene la máquina dónde nos indican los MPA (megapascales) de tensión que tiene el hilo.
Velocidad de Avance del Hilo en los Procesos de Corte por Electroerosión por Hilo EDM
La velocidad de avance, nosotros no podemos programarla como tal, ya que al menos en las máquinas que trabajo (Robocut Fanuc), dependen directamente del material y el espesor de la pieza.
Si estos parámetros no los ajustamos adecuadamente, podemos tener resultados no deseados. Por ejemplo si utilizamos tecnología de corte para carburo de tungsteno, cuando en realidad estamos cortando acero F-1140. La trayectoria que hayamos programado, nos va a quedar más grande en el caso de ser una matriz y más pequeña si es un punzón.
Para materiales duros, la maquina usa más recursos tanto de carga eléctrica, como de compensaciones de radio del hilo. La velocidad de avance, se va a justar de forma automática a medida que el hilo, se va encontrando con el material, a lo largo de su trayectoria.
Tipos de Máquinas EDM
En este artículo me he querido centrar en las máquinas de corte por electroerosión por hilo EDM. Existen otros dos tipos de máquinas EDM, a mayores de la máquina de corte por electroerosión por hilo, de las que ya hablaremos más adelante.
Máquina de Electroerosión por Penetración (Sinker EDM)
La electroerosión por penetración utiliza electrodos mecanizados a partir de un material especial de grafito o de cobre, con la forma o el contorno de la pieza final. Normalmente, los usos incluyen la producción de cavidades y formas pequeñas o complejas para herramientas de matrices/moldes, pero también han encontrado su uso en muchas otras aplicaciones.
Estas máquinas, para cortar por electroerosión, usando un electrodo de cobre, con una forma fija. Como si fuera un punzón, se sumerge en la pieza de trabajo con muy poca profundidad, alrededor de 0.02mm por impulso. Lo que hace es realizar la forma del electrodo sobre la pieza. Se usan para crear cavidades y formas tridimensionales complejas.
Video del proceso de un mecanizado por electroerosión EDM por penetración.
Máquina de Perforación por EDM (EDM Drilling)
La perforación por electroerosión utiliza un electrodo de tubo hueco de pequeño diámetro hecho de aleaciones de cobre o latón para erosionar agujeros en la pieza de trabajo. Este método se utiliza normalmente para preparar orificios iniciales para el proceso de electroerosión por hilo, pero también ha avanzado hasta producir características de orificios pequeños que se encuentran en aplicaciones de producción dedicadas, como componentes de motores de turbinas y dispositivos médicos.
Otro de los usos de estas máquinas, es en la extracción de machos y trozos de brocas rotas en agujeros. Con las máquinas de perforación EDM, podemos destruir el macho o broca que ha quedado en la pieza. Estas máquinas son portátiles y funcionan con tensión monofásica a 220v.
Además de usar estas máquinas para extraer herramientas rotas de agujeros, también permiten realizar agujeros de gran precisión. Aunque tenemos que destacar que estas máquinas son fijas y llevan un sistema con mayor precisión.
Video de un proceso de taladrado por electroerosión EDM. Existe la posibilidad de que estas máquinas tengan menor precisión y sean portátiles, para poder extraer brocas y machos rotos incrustados en las piezas.
Mantenimiento de Máquinas de Corte por Electroerosión por Hilo EDM
Para que la máquina de corte por hilo EDM, realice cortes de gran precisión, el mantenimiento es fundamental.
Estas máquinas, como cualquier otra máquina-herramienta, tiene diferentes tipos de mantenimientos. Unos se realizan de forma mensual otros son de periodos largos semestral y otros en función de las horas de uso de la máquina.
Inspección Regular del Hilo y Electrodos
La máquina dispone de dos electrodos, uno en la guía superior y otro en la guía inferior que cada x horas de uso hay que moverlo. Estos electrodos son los encargados de retransmitir la energía al hilo de corte. En cuanto a lo que se refiere al hilo, tenemos que ver que los polipastos por dónde pasa están en perfectas condiciones y que están exentos de suciedad.
Calibración del Hilo
La calibración del hilo, es el factor más importante que debemos de atender, además de la limpieza de la máquina. Cuando cambiamos o limpiamos las boquillas de la máquina, debemos de realizar una calibración de verticalidad y de conicidad.
Cuando adquirimos la máquina, nos viene con dos patrones de referencia. Uno es el de verticalidad y otro que nos sirve tanto para verificar la verticalidad, como la conicidad.
Tenemos que ejecutar el ciclo correspondiente en la máquina para verificar su verticalidad y su conicidad. Estos parámetros, van a ser nuestra referencias de máquina tanto a verticalidad y conicidad.
Obviamente si no realizamos bien este paso, cualquier trabajo que realicemos en la máquina no va a ser el esperado ni mucho menos. Como podéis observar es un factor crítico. Es como si trabajamos en una fresadora con el cabezal que no se encuentra perpendicular al plano de trabajo.
Limpieza de Equipos de Filtración
Cuando cortamos material en una máquina de electroerosión por hilo EDM, el material desechado son partículas muy pequeñas del material.
Todas esas partículas, se acumulan en unos filtros de gran tamaño que dispone la máquina de corte por hilo EDM. Esos filtros tenemos que cambiarlos, en función de las horas de trabajo de la máquina.
Materiales a Cortar en una Máquina de Corte por Electroerosión por Hilo EDM
Los materiales que se pueden cortar en una máquina de electroerosión por hilo EDM, tienen que ser conductores de la electricidad. Si no conducen la electricidad, no podremos crear el arco dieléctrico que necesitamos.
Acero
El acero, es uno de los materiales más comunes en el mecanizado por EDM. Especialmente en moldes y matrices. Los aceros de gran dureza, como los aceros templados, son de gran aplicación en el corte por hilo EDM. Los aceros inoxidables, son otro tipo de acero que permiten el corte por hilo EDM.
Carburos Cementados
Los carburos cementados como el carburo de tungsteno, es uno de los materiales que se suelen utilizar en el corte por hilo EDM. Como nota importante, al ser un material duro y quebradizo, debemos de prestar especial atención al amarre de la pieza. Si amarramos la pieza con demasiada fuerza, podemos fracturar la pieza.
Aleaciones de Titanio
Las aleaciones de Titanio, se usan en la industria aeroespacial y en la industria médica. Gracias al corte por hilo EDM, podemos realizar cortes de gran precisión.
Aleaciones de Níquel
Las superaleaciones de base níquel como el inconel, waspaloy o monel entre otras, son aleaciones termorresistentes y con una gran resistencia a la corrosión.
El corte por hilo EDM, es una de las pocas que puede cortar de forma efectiva, este tipo de materiales.
Aleaciones de Aluminio
Las aleaciones de aluminio, son otro material que se puede realizar cortes con EDM. El aluminio, es un caso especial, ya que si la aleación tiene silicio, podemos tener problemas a la hora de cortar el material.
El silicio es un material semiconductor y nos puede romper el hilo, en nuestros procesos de corte. Existen hilos específicos para el corte de aluminio, si tuviéramos que cortar con mucha frecuencia, este tipo de material.
Materiales Compuestos
Los materiales compuestos, son materiales con matriz de cerámica y de matriz metálica. Son los llamados MMC y CMC, ya hablaremos más detenidamente sobre estos materiales, ya que tienen un futuro muy prometedor en nuestra industria.
Polímeros Conductores
Aunque los polímeros son generalmente no conductores de la electricidad, hay algunos polímeros que son conductores de la electricidad, como la fibra de carbono. En algunos casos los polímeros, pueden estar recubiertos con capas conductoras, que permiten ser mecanizados mediante EDM, para aplicaciones muy especializadas.
Aplicaciones Industriales del Corte por Electroerosión por Hilo EDM
La electroerosión por hilo EDM, gracias a sus ventajas tiene una amplia variedad de aplicaciones industriales. Ya que gracias a la electroerosión por hilo EDM, podemos cortar cualquier material metálico por duro que sea.
Vamos a ver cuáles son estas industrias, con ejemplos sencillos de cada una de ellas.
Fabricación de Moldes y Matrices
Como ya habíamos mencionado anteriormente, una de las principales industrias dónde se aplica la electroerosión por hilo EDM. Para realizar las matrices de descarga de recortes o los propios punzones para las matrices, son piezas que por su forma geométrica solo se puede realizar mediante esta técnica de mecanizado.
Componentes Aeroespaciales
Las aleaciones de titanio y níquel son utilizadas para fabricar piezas de gran responsabilidad en aviones y motores de reacción.
Dispositivos Médicos
Gracias a la electroerosión por hilo EDM, permite fabricar componentes de gran precisión para la industria médica. Instrumentos quirúrgicos y prótesis, son aplicaciones de gran valor para esta industria. Ya que se utilizan materiales biocompatibles, como el titanio y el acero inoxidable, más concretamente el AISI 316L.
Electrónica y Óptica
Materiales como el zafiro o el silicio, son cortados mediante EDM, para producir componentes electrónicos y ópticos de gran precisión. Utilizados como semiconductores.
Futuro de la Electroerosión por Hilo EDM
La tecnología en máquina-herramienta no para de crecer. La electroerosión, como cualquier otro proceso de fabricación seguirá evolucionando.
El monitoreo en tiempo real de máquinas, la inteligencia artificial y el big data. Nos va hacer analizar en detalle todos los procesos de mecanizado, junto a la electroerosión.
Video de un robot Fanuc, cambiando de pieza en una máquina de electroerosión de corte por hilo Fanuc Robocut. Sistema 100% automatizado.
La robótica aplicada a la electroerosión, ya es un hecho hoy en día. Es cierto que estas máquinas pueden trabajar sin presencia del operarios, pero para llegar a un nivel tan alto de automatización. Requiere de tener un trabajo seriado de gran volumen, para que la inversión merezca la pena.
Resumen
Llegamos al final del artículo, hemos dejado un artículo aparte hablando sobre las ventajas y desventajas de la electroerosión por hilo EDM, para no extendernos más en este artículo. Espero haberos dado una visión más detallada y precisa, sobre que son estas máquinas y que son capaces de hacer. Sobre todo desde mi propia experiencia profesional trabajando con 2 de estas máquinas durante más de 2 años. Nos vemos en la próxima.