Discharge machining for industry

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Lavorazioni per Elettroerosione (Electro Discharge Machining ‐ EDM)

Tecnologia Meccanica II

(Electro Discharge Machining EDM)

Il processo

Il principio fisico

L’attrezzatura

I i di

17, 21, 23/06/2011 Tecnologia Meccanica II Prof. Luigi Tricarico

I parametri di processo

Le capacità del processo

Le applicazioni

Una delle tecnologie non convenzionali più recenti

Chi ha visto i danni creati da un fulmine che colpisce

Il Processo

il terreno, ha un’idea delle potenzialità di un arco elettrico

La necessità di controllare l’arco è stata uno dei primi problemi da risolvere


Un funzionamento in regime di arco voltaico determina l’asportazione del materiale del pezzo ma anche dell’utensile

I coniugi Lazarenko furono i primi ricercatori che nel 1943 inventarono un servo‐sistema di controllo che permetteva di mantenere costante l’ampiezza del gap tra utensile e pezzo

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Il ProcessoDopo un lungo periodo di studi, prove di laboratorio e perfezionamenti, l’EDM è oggi il processo non convenzionale maggiormente diffuso

Il processo è basato su una serie di scariche elettriche, controllate e non stazionarie

nell’industria meccanica in generale, e nella realizzazione di stampi in particolare

L’EDM è un processo termico adatto per lavorare materiali conduttori


Il processo è basato su una serie di scariche elettriche, controllate e non stazionarie che si innescano tra l’elettrodo utensile ed il pezzo in lavorazione (elettrodo pezzo) provocando l’erosione di quest’ultimo

Durante il processo elettroerosivo, milioni di scariche elettriche forniscono localmente il calore necessario per la formazione di piccoli crateri sulla superficie colpita

I prodotti della fusione e della successiva evaporazione sono allontanati dalla zona di lavoro con azioni meccaniche e/o elettromeccaniche, per consentire una condizione stazionaria del fenomeno e permettere pertanto il controllo

Il Processo

delle finiture superficiali ottenibili

L’elettrodo utensile definisce con la sua superficie la zona del pezzo che viene erosa; il movimento di alimentazione dell’utensile permette di ottenere cavità o fori nel materiale in lavorazione

Lo schema del processo è relativamente semplice: pezzo e utensile sono collegati ai poli del generatore elettrico e posizionati in modo tale da mantenere un piccolo gap tra i due elettrodi per tutta la lavorazione. Questo è


p g p p Qottenuto movimentando l’utensile con un moto di alimentazione

I due elettrodi sono immersi in un fluido dielettrico che ha la funzione di isolarli, permettendo ad intervalli stabiliti, l’instaurarsi di una scarica elettrica

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Indipendentemente dalla durezza del materiale del pezzo, il processo permette di:

lavorare leghe e metalli duri, difficilmente lavorabili con metodi convenzionali: acciai temprati, acciai rapidi, stelliti, acciai ad elevata tenacità

Il Processo

tenacità

Lavorare materiali ceramici in cui sono stati inseriti rinforzi elettricamente conduttivi come TiN, TiC, TiCN, e TiB2, tali da aumentare la conducibilità elettrica ad un valore idoneo per la lavorazione per EDM

ottenere forme molto complesse con elevata precisione, a patto che sia garantita sempre la possibilità di estrarre l’utensile alla fine dell’operazione erosiva


Le lavorazioni basate sul principio della scarica elettrica, possono essere classificate fondamentalmente nelle seguenti tipologie:

Elettroerosione a tuffo

Taglio per elettroerosione

Fresatura per elettroerosione

Elettroerosione a tuffo: il pezzo in lavorazione e l’elettrodo utensile sono immersi nel fluido dielettrico. Tra essi si innesca una serie di scariche elettriche stazionarie che provocano l’erosione del pezzo

Il Processo

E’ utilizzata per la produzione di sagomature su tre o più assi. Oltre che del semplice moto di avvicinamento al pezzo (asse z), nelle moderne macchine sono possibili anche movimenti relativi


utensile/pezzo nel piano xyNell’erosione planetaria per esempio il movimento relativo tra utensile e pezzo è ottenuto attraverso una combinazione di tre movimenti (verticale, eccentrico ed orbitale)

4

Il Processo

Nel pezzo da lavorare; tale processo

Taglio per elettroerosione: l’elettrodo utensile è costituito da un filo, generalmente di rame purissimo, che scorre verticalmente e avanza

elettroerosivo è utilizzato per produrre dei profili precisi e complessi; il fluido dielettrico è diverso dal precedente poiché si


precedente poiché si fa uso di acqua deionizzataSi evidenzia che l’erosione a filo si è evoluta dopo quella a tuffo, a partire dal 1960 circa: la prima macchina a filo della AGIE risale al 1969 e negli ultimi anni il mercato ha molto premiato tale tecnologia

Il ProcessoFresatura per elettroerosione: un elettrodo cilindrico rotante (in genere tubolare per facilitare il lavaggio e permettere alte densità di corrente e quindi alti tassi di asportazione) si sposta seguendo un percorso e penetrando nel pezzo in modo analogo ad una fresa tradizionale.

Anche se tutte le macchine a tuffo con 4 assi controllati (tre cartesiani ed uno di


Anche se tutte le macchine a tuffo con 4 assi controllati (tre cartesiani ed uno di rotazione attorno ad un asse cartesiano) possono seguire dei percorsi definiti, la fresatura per elettroerosione diviene efficiente grazie ad un sistema di controllo computerizzato sensibilmente diverso da quelli usati nelle comuni macchine a CNC. Il rapido consumo dell’elettrodo (usura relativa elevata) è compensato dal controllo numerico

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Il Principio fisico

Sono schematizzabili le seguenti fasi:1. Preparazione della scarica (1; 2; 3)2. Formazione del canale di scarica e

scarica (4; 5; 6)


3. Lavaggio (7; 8; 9)Il ciclo EDM, del tipo ON/OFF, si ripete con frequenza anche di 250kHz. Nelle macchine ad un canale, non si può avere contemporaneamente più di una scarica

Il Principio fisico11. L’utensile (per esempio in grafite) è

avvicinato al pezzo; entrambi sono gli elettrodi del circuito elettrico. Tra utensile e pezzo c’è un olio isolante (il fluido dielettrico). Anche se il dielettrico è b l ffè un buon isolante, un sufficiente potenziale elettrico può causare la rottura dell’isolamento con generazione di ioni ed il passaggio di una corrente elettrica tra utensile e pezzo. La rottura del dielettrico è resa più semplice quanto nel fluido sono sospese particelle (di grafite e metalliche) che


particelle (di grafite e metalliche) che aiutano la ionizzazione del dielettrico

Il campo elettrico è più intenso nel punto dove è minore la distanza tra utensile e pezzo, così come evidenziato in figura. Lo stadio iniziale della formazione della scarica (ciclo di ON) è perciò caratterizzata da un aumento del potenziale (la tensione), mentre la corrente è ancora nulla

6

Il Principio fisico2 3

2. Con l’aumento del numero di particelle caricate elettricamente (gli ioni), le


proprietà isolanti del dielettrico diminuiscono; questo avviene nella zona dove il campo elettrico è più intenso. La tensione è al valore massimo, mentre la corrente è ancora nulla

3. Nel momento in cui il dielettrico perde le sue capacità isolanti, un passaggio di cariche si ha lungo uno stretto canale tra utensile e pezzo. La tensione diminuisce, mentre la corrente inizia a crescere


4. Il calore aumenta rapidamente con l’aumentare del passaggio di cariche. Il calore vaporizza parte del dielettrico, del materiale del pezzo e dell’utensile. Si inizia a


p p pformare un canale di scarica. La corrente elettrica aumenta, mentre la tensione diminuisce

5. La bolla di vapore in formazione si espande verso l’esterno. La sua espansione è però limitata dagli ioni che sono attratti nel canale di scarica dove si è concentrato il campo elettro‐magnetico. Corrente e tensione continuano rispettivamente ad aumentare e a diminuire

7


6. In prossimità della fine della fase di ON del ciclo, corrente e tensione si stabilizzano, mentre calore e pressione all’interno della bolla di vapore hanno raggiunto il valore massimo. Sulla superficie di pezzo parte di materiale è stato rimosso, mentre altro


è allo stato fuso ed è tenuto in posizione dalla pressione del vapore. Il canale di scarica è ora un plasma surriscaldato di vapori metallici, dielettrico e carbonio.

7. All’inizio della fase di OFF del ciclo, corrente e tensione cadono a zero. La temperatura diminuisce rapidamente, la bolla di vapore non è più sostenuta e collassa (implosione), causando l’espulsione del metallo fuso dalla superficie del pezzo


8. Dielettrico fresco è richiamato velocemente nella zona, lavando i prodotti della scarica e raffreddando la superficie del pezzo. Il metallo fuso non espulso nell’implosione, solidifica rapidamente formando un layer molto duro


9. Il metallo espulso nell’implosione, forma piccole sfere che si disperdono nel dielettrico insieme con le particelle di grafite dell’utensile. Il vapore si disperde parte in superficie e parte in forma di sfere cave (cenosfere). Una durata non sufficiente della fase di OFF del ciclo, non permette un adeguato lavaggio di queste particelle, portando ad una instabilità nella successiva scarica e condizioni di archi voltaici che danneggiano utensile e pezzo

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Qualità della superficie e particelle rimosse


L’erosione che inevitabilmente si ha sull’elettrodo è definita usura, mentre quella che si ha sul pezzo è definita asportazioneIl pezzo in lavorazione è collegato al catodo o all’anodo?

Quando l’impulso è brevemigrano più particelle negative (gli elettroni, piccola massa) che positive (gli ioni, grande massa): sull’elettrodo positivo

Il Principio fisico

piccola massa) che positive (gli ioni, grande massa): sull elettrodo positivoviene conseguentemente generato più calore (pezzo collegato all’anodo) Quando invece la durata dell’impulso è grande, a parità di velocità di impatto, gli ioni positivi sono in grado di generare una quantità di calore maggiore sul catodo, a causa della maggiore massa rispetto a quella degli elettroni; in queste condizioni l’effetto erosivo più elevato si ha sull’elettrodo negativo (pezzo collegato al catodo)

Erosione asimmetrica dei due elettrodi. E’ legata oltre che alla polarità ed alla


Erosione asimmetrica dei due elettrodi. E legata oltre che alla polarità ed alla durata della scarica, anche alla temperatura di fusione dei materiali ed alla intensità delle scariche. Si possono ottenere asimmetrie notevoli, dell’ordine del 99.5% di asportazione e 0.5% di usura dell’elettrodo, grazie ad una opportuna scelta dei parametri operativi di scarica (durata, intensità e polarità) facendo in modo che la temperatura del pezzo in lavorazione non salga mai eccessivamente

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I generatori di nuova concezione sono in grado di generare impulsi di alta frequenza con riduzione della tensione media tra elettrodo e pezzo, con l’obiettivo di rendere asimmetrica l’erosione

Generatori di vecchia generazione

Il Principio fisico

generazione

Generatori di nuova

generazione Impulsi di breve durata

(alta frequenza)

Tempo

Tens

ione

ne

Soluzione ideale


Tempo

Componente di corrente continua per la riduzione dell’elettrolisi

Tens

ion

per pezzo collegato all’anodo

Livello di conducibilità nel canale di scarica ionizzato Conduttività

t1

t2

t3

t4

t5

103

Il Principio fisico – La conduttività del dielettrico

Durata della scarica teTempo di pausa to: intervallo tra due impulsi (deve

Ritardo di accensione td: tempo tra l’innesco dell’impulso e il momento in cui inizia il passaggio di corrente

Livello di conducibilità nel gap oltre il quale si verifica l’innesco di scariche continue (archi voltaici)

Tensione

Corrente

Log

Log

Con

dutti

vità

S/m

10 consentire una sufficiente

deionizzazione)Durata dell’impulso tiDurata del periodo tp: tempo tra due impulsit1 (t1 = td) + t2: Formazione del canale di scaricat P i d i i i t il


Tensione

Tempo

t0

te

td ti

tp

10-10

t3: Periodo in cui esiste il canale di scaricat4: Implosione del canale di scaricat5: Deionizzazione del canale di scarica

10

Il Principio fisico – Analisi dell’impulso in EDMMisure di performance come il valore di MRR, l’usura dell’utensile e la finitura superficiale a parità di energia, dipendono dalla forma dell’impulso di corrente. In funzione della situazione nel gap che separa il pezzo e l’utensile, si possono evidenziare 4 tipologie di impulso elettrico:

Impulso a vuoto (gap troppo grande)

Scarica di erosione

Archi Voltaici (falsa scarica)

Cortocircuito

Questa classificazione è in genere definita sulla base dell’andamento della tensione


dell andamento della tensione di scarica o della corrente di scarica nel tempo. L’effetto sul materiale asportato e sull’usura dell’utensile può essere significativamente differente

Il Principio fisico – Analisi dell’impulso in EDM

Il valore massimo della

euei

iu)La tensione a vuoto è la tensione a circuito aperto; i parametri elettrici di scarica sono invece rappresentati dalla tensione media di scarica e dalla corrente media di scarica

Tension

)(corrente in un impulso è la corrente di esercizio

L i di di

ii)

ne

Vn

Va

Tempo

Corrente

)(tu

)(ti

iu)

)

eu


La tensione media di scarica dipende dall’accoppiamento dei materiali utilizzati ed in genere rimane compresa tra 15V e 30V

Aa

AW

td

te

t0

ti

tp

Tempo

ii ei

11

Nella scala dei tempi è utile evidenziare i seguenti parametri e relazioni:

Frequenza di impulso fp: numero impulsi innescati nell’unità di tempo

Frequenza di scarica fe: numero di scariche elettriche avvenute nell’unità di tempo

Il rapporto tra la durata minima dell’impulso ti e la durata minima del ciclo tp

Il Principio fisico – Analisi dell’impulso in EDM

Il rapporto tra la durata minima dell impulso ti e la durata minima del ciclo tpdefiniscono il tasso di pulsazione τRapporto delle frequenza λ

oip

dei

tttttt

+=+=

pi

pp

tttf

//1

=

=

τ pe

ee

fftf/

/1==

λPer quanto riguarda i parametri di tensione e di corrente:

La tensione di lavoro è la media aritmetica delle u u


La tensione di lavoro è la media aritmetica delle ueLa corrente di lavoro è la media aritmetica delle ieL’energia della scaricaWe è l’energia trasformata durante una scarica

eeeee tiudttituWe ⋅⋅≈⋅⋅= ∫ )()(

eu

ei

Il Principio fisico – Analisi dell’impulso in EDMAttraverso l’energia di scarica è determinato il volume asportato nella singola scarica e quindi anche la conformazione della superficie erosaPer la valutazione dei risultati sono indicativi i seguenti parametri di lavorazione

L’asportazione per ogni scarica :: è il volume di materiale eroso dal pezzo per ogni singola scarica

WeVp g gL’usura per ogni scarica : è il volume di materiale eroso dall’utensile per ogni singola scaricaIl tasso di asportazione MRR (Material Removing Rate): è il volume di materiale asportato sul pezzo nell’unità di tempoIl tasso di usura MWR (Material Wear Rate): è il volume di materiale asportato sull’utensile nell’unità di tempoL’usura relativa : è il rapporto tra il tasso di usura ed il tasso di

EeV

ϑ


L usura relativa : è il rapporto tra il tasso di usura ed il tasso di asportazione

ϑ

MRRMWR

=ϑ

Per valutare la qualità della superficie sono indicativi la rugosità media della superficie lavorata Ra e la profondità media della rugosità Rz

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Attrezzatura di una macchina EDMI principali sottosistemi dell’EDM sono:1. Generatore2 Sistema del2. Sistema del

dielettrico3. Elettrodo4. Servosistema


Attrezzatura ‐ GeneratoreGeneratori a rilassamento. Hanno un circuito di carica (sorgente di corrente continua più elementi di accumulo tipo RC, RLC e LC) ed uno di scarica che avviene quando si supera nel gap la rigidità dielettrica. I rapporti elettrici e geometrici all’interno del gap svolgono una funzione di controllo difficilmente controllabile


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Attrezzatura ‐ GeneratoreGeneratori ad impulsi statici. La corrente alternata è inizialmente raddrizzata; una piccola percentuale della corrente continua è usata per generare un preciso segnale con forma rettangolare. Il segnale è utilizzato per comandare transistor di potenza che regolano il flusso della restante parte di corrente continua (responsabile delle scariche). L’approccio permette di rispondere ai problemi di lavorazione più disparati (durata dell’impulso ti da 1ms a 2000ms, tasso di pulsazione da τ da 0.1 a 0.8, tensione a vuoto del generatore da 60V a 300V, corrente di scarica ie da 1A a 300A


Nei generatori di impulsi statici si ha il Controllo continuo della tensione esistente tra elettrodo e pezzo; poiché vi è infatti un legame tra tensione e distanza tra pezzo ed elettrodo, il segnale è usato per controllare un servosistema capace di mantenere un gap costante durante tutto il ciclo di lavoro

Per facilitare la selezione dei parametri di processo ottimali in un ampio range di

Attrezzatura ‐ Generatore

Per facilitare la selezione dei parametri di processo ottimali in un ampio range di condizioni di erosione, l’alimentatore di potenza deve essere in grado di controllare la tensione di impulso, la durata dell’impulso, la frequenza degli impulsi e la polarità degli elettrodi

Un circuito addizionale che è generalmente previsto nei sistemi EDM è quello di protezione contro i cortocircuiti; esso interviene interrompendo la fornitura di potenza, quando corrente o tensione superano i valori programmati o quando si verificano archi voltaici


verificano archi voltaici

I generatori di ultima concezione, usano impulsi brevi e una tensione media più bassa. Riducendo la durata degli impulsi, ovvero lavorando a frequenze dell’ordine di 103kHz sino a MHz, la zona termicamente alterata si riduce e si possono ottenere rugosità inferiore a 0.1µm

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Il sistema del Dielettrico: è definito dai seguenti elementifluido dielettricodispositivi per la circolazione del fluido ed il lavaggio della zona di lavoro(pompa e tubazioni)dispositivi per il controllo e la regolazione delle caratteristiche del fluido

Attrezzatura – Sistema del Dielettrico

(filtri, flussometri)Le principali funzioni del fluido sono:

Isolare l’elettrodo ed il pezzo nel gapTenere contratto il canale di scarica per una maggiore densità di energiaLavare i prodotti della scarica, ovvero allontanarli dalla zona di lavoro e quindi consentirne la rimozione attraverso il passaggio nel sistema di filtriRaffreddare le aree riscaldate durante la lavorazioneEssere altamente filtrabile


Essere altamente filtrabileAvere una elevata velocità di ionizzazione e deionizzazioneAvere una adeguata viscositàAvere un punto di infiammabilità relativamente altoEssere inodore e incoloreAvere una scarsissima tendenza all’evaporazione

I fluidi più usati sono gli oli basati su idrocarburi minerali e l’acqua deionizzata. Gli oli hanno maggiore viscosità. Questo da un lato porta al vantaggio di tenere concentrato il canale di scarica e quindi la densità di energia della scarica, mentre dall’altro pone difficoltà al lavaggio dei prodotti della scaricaTra i dielettrici a base di oli minerali, il kerosene con additivi è uno dei più

Attrezzatura – Sistema del Dielettrico: Il dielettrico

comuni dielettrici utilizzati in EDM; ha il vantaggio di prevenire la formazione di bolle di gas e lo sviluppo di odori sgradevoli. Risultati eccellenti si hanno anche con miscele di petrolio e fluidi a base di silicone.Nella valutazione di un dielettrico gli aspetti più importanti da analizzare sono:

Punto d’infiammabilitàR i t d l di l tt i


Resistenza del dielettricoViscosità ColoreOdoreDensitàFiltrabilità

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Punto d’infiammabilità (Flash point): La temperatura a cui i vapori del fluido si infiammano in presenza di una fonte di ignizione (generalmente deve essere superiore a 75°C). Questo è un valore semplicistico perché calcolato in condizioni che possono essere diverse da quelle di lavoro; esso comunque è un indicazione e per ragioni di sicurezza dovrebbe essere il più alto

Attrezzatura – Sistema del Dielettrico: Dielettrico

p g ppossibile. In genere si lavora a temperature inferiori di 15°C al Flash Point

Resistenza del dielettrico: abilità del fluido nel mantenere un elevata resistività prima della scarica e quindi l’abilità di recuperare tale resistività in un tempo minimo durante l’intervallo tra due impulsi t0. L’emissione di ioni elettricamente conduttivi con la formazione del canale di scarica dipende dalla conduttività del fluido dielettrico: questa deve essere compresa tra 1S/ 1000S/ (Si / ) L i d l di l i


1S/m e 1000S/m (Siemens/metro). La resistenza del dielettrico:

E’ influenzata dalle bolle di gas e dai contaminanti solidi (particelle di carbonio dovute alla scissione degli idrocarburi del dielettrico, microsfere originatesi dal metallo fuso e vaporizzato)

Influenza, a parità di tensione di scarica, la dimensione del gap

In funzione della resistività del dielettrico si può infatti lavorare con:o Gap minori, quando si ha un maggiore isolamento elettrico. Questo

comporta: (i) possibilità di lavorare anche in condizioni di lavaggio povere; (ii) controllo in modo più fine della lavorazione e quindi aumento della precisione dimensionale del pezzo in lavorazione; (iii) di i i d ll l ità di t i


diminuzione della velocità di asportazione o Gap maggiori, quando si ha un minore isolamento elettrico. Questo

comporta: (i) diminuzione di td; (ii) aumento della velocità di asportazione; (iii) diminuzione della qualità della lavorazione

Viscosità: La viscosità del fluido ostacola la diffusione del vapore e del gasMaggiore è la viscosità del fluido, più contratto sarà il canale di scarica e quindi maggiore sarà la densità di energia ed il rendimento erosivo. Oli ad


alta viscosità possono utilizzarsi nelle operazioni in cui è richiesta una moderata finitura, ma elevati MRR garantiti da elevate correnti, come nella realizzazione delle matrici di forgiatura. La viscosità in queste condizioni può essere elevata per il valore più grande del gap e questo previene anche la perdita del fluido per vaporizzazione

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Minore è la viscosità del fluido, migliore è l’accuratezza e le finiture che possono essere ottenute. Nelle finiture a specchio o nelle operazioni con strette tolleranze di lavorazione, il gap può ridursi a 5micron. In queste condizioni estreme è molto più semplice effettuare il lavaggio con oli a


bassa viscosità

Colore: un olio dielettrico diventa più scuro con l’utilizzo. E’ logico comunque iniziare con un olio che è il più chiaro possibile per permettere l’osservazione del componente durante la lavorazione. Fluidi non chiari potrebbero contenere contaminanti non desiderati o pericolosi

Odore: oli con odori forti danno un’indicazione della presenza di zolfo che è non d d l


desiderato nel processo EDM

Densità: Più leggero è l’olio, più velocemente le particelle pesanti (truciolo) sedimentano. Questo riduce la contaminazione del gap e la possibilità del regime di archi voltaici

Filtrabilità: Un fluido per EDM deve avere grande filtrabilità. La filtrabilità è influenzata da numerosi fattori, i più importanti dei quali sono la viscosità e la suscettibilità del fluido alla degradazione termica e ossidativa. La composizione del fluido EDM, deve essere tale da ridurre al minimo la tendenza all’ossidazione e alla polimerizzazione in modo da evitare la


tendenza all ossidazione e alla polimerizzazione in modo da evitare la formazione di resine, gomme, che probabilmente si depositerebbero nella zona del gap

I dispositivi per il controllo delle particelle presenti nel dielettrico devono essere in grado a trattenere le particelle di dimensioni maggiori di 5µm; queste infatti sono indice dell’inizio del processo ossidativo del fluido e quindi del decadimento del rendimento della macchina


Le particelle con dimensioni comprese tra circa 1µm e 3µm facilitano la ionizzazione e la formazione del canale di scarica (per questo sono stati messi a punto dielettrici innovativi che prevedono piccole percentuali di polvere semiconduttrice)

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Il pezzo è immerso in una vasca in cui è contenuto il fluido dielettrico. La vasca è collegata tramite una pompa ad un serbatoio e ad un sistema di filtri. La pompa realizza la pressione

Attrezzatura – Sistema del Dielettrico: Lavaggio

per il lavaggio dell’area di lavoro e trasporta l’olio mentre il sistema di filtri rimuove e intrappola i prodotti della scarica contenuti nell’olioIn generale sopra la parte più alta del pezzo devono esserci almeno 40mm di fluido. Una quantità insufficiente


di fluido può causare l’emissione di fumi, un inadeguato lavaggio della zona di lavoro e, in casi limite, determinare l’innesco di archi voltaici anomali

Il lavaggio riveste una importanza pari a quella dei parametri di regolazione della macchina.

All’inizio dell’erosione le scariche elettriche avvengono in ritardo; il fluido dielettrico è infatti privo di particelle di erosione. Le particelle originate dalle prime scariche erosive riducono la resistenza dielettrica del fluido; le


scariche successive si innescano perciò più facilmente, migliorando le condizioni di lavoro Quando in alcune zone del gap la densità di particelle diventa notevole, si ha una eccessiva riduzione della resistenza dielettrica, che facilita la formazione di scariche anomale che possono degenerare in archi voltaici, danneggiando sia l’elettrodo utensile che il pezzo. Questo eccesso di particelle deve essere eliminato con il lavaggio, ovvero dalla facile


circolazione del fluido dielettrico nella zona del gap Tra gli aspetti importanti che regolano il lavaggio si evidenziano:

La pressione di lavaggioLa portata di lavaggioIl tipo di lavaggio ovvero il metodo di circolazione del fluido

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1040110

Ci sono valori ottimali sia per la pressione che per la portata di lavaggioQuando deve essere erosa una cavità profonda, la pressione che i i i l è i d di i fl d d l fl id l

I0


inizialmente è in grado di assicurare un flusso adeguato del fluido, al procedere dell’erosione non sarà più sufficiente ad assicurare un adeguato lavaggio della zona di lavoroUna portata del fluido dielettrico elevata o insufficiente, può causare una diminuzione della velocità erosiva e un aumento eccessivo dell’usura dell’elettrodo utensile

Le differenti modalità operative portano a scegliere la tipologia di lavaggio più adeguata; le principali sono: (i) In iniezione; (ii) In aspirazione; (iii) Con effetto pompa del pistoneIn iniezione: Invio del fluido dielettrico in pressione, tramite un pozzetto posto quando possibile sotto il pezzo o attraverso l’elettrodo utensile. Nel i il è i f i ll i d i fl ibili di


primo caso il pezzo è prima forato, e poi collegato ai condotti flessibili di alimentazione del fluido; nel secondo caso l’elettrodo utensile è forato e il fluido lo attraversa. Si determina una conicità delle pareti dell’impronta anche con elettrodi a sezione costante, poiché le particelle erose risalgono favorendo le scariche laterali. Per questo motivo è spesso utilizzato nella lavorazione di matrici per tranciatura


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In aspirazione: il fluido è aspirato o dal pozzetto posto sotto l’elettrodo pezzo o dall’elettrodo utensile. A differenza del sistema a iniezione, sono ridotte le scariche laterali, e


quindi la conicità

Lavaggio con effetto pompa del pistone: è ottenuto mediante il movimento di pulsazione dell’elettrodo utensile. Quando l’elettrodo è sollevato il volume del gap aumenta e di conseguenza arriva fluido pulito che si miscela con quello di particelle erose; quando invece l’elettrodo ridiscende, le particelle erose vengono allontanate. Il lavaggio con effetto pompa del pistone è utile nei casi i i d l ità f d i l i f t d l fl id


in cui devono lavorare cavità profonde, senza circolazione forzata del fluido

Attrezzatura – Sistema del Dielettrico: ElettrodoTutti i materiali elettricamente conduttori possono essere impiegati come utensili;la scelta comunque è influenzata dal materiale in lavorazione e dai parametri dilavoro. In generale è preferibile avere materiali a più alto punto di fusione e conminore resistività. Nelle EDM a tuffo il costo dell’elettrodo può inciderenotevolmente sul costo totale di una lavorazioneTra i materiali utilizzati nella costruzione degli elettrodi utensile:

Materiali non metallici: le grafiti; sono i migliori ma allo stesso tempo i piùcostosiMateriali metallici: rame elettrolitico, rame al tellurio o al cromo, rame ‐tungsteno, leghe di alluminio, ottone, tungsteno puro (principalmente sottoforma di filo) e acciaioMateriali combinati: cuprografiti


Parametri di confronto sonola lavorabilità, i parametri diperformance (tasso diasportazione, rugosità) el’usura dell’elettrodo

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Attrezzatura – Sistema del Dielettrico: ElettrodoLe grafiti sono diventate un materiale molto diffuso nella realizzazione di elettrodi per elettroerosione

VantaggiVantaggi

o Insensibilità agli sbalzi termici: mantengono le loro qualità meccaniche a temperature elevate

o Deformazione trascurabile


o Facilmente lavorabili

o Hanno bassa densità e quindi gli utensile sono meno pesanti.

Svantaggi:

o Sono abrasive: protezione guide macchina utensile

o Formano polveri durante l l i i hi d

Attrezzatura – Sistema del Dielettrico: Elettrodo

la lavorazione: richiedono aspiratori efficaci e determinano una più rapida saturazione dei filtri

o Sono più fragili, per cui nella costruzione degli elettrodi è necessario fare


attenzione a non danneggiare spigoli o bordi

Elettrodi in grafite per applicazioni di stampi per la realizzaione di bottiglie di plastica di 1,5l

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Tra i materiali metallici più frequentemente utilizzati si evidenziano:Rame elettrolitico: ha una densità di 8.9g/cm3, una temperatura di fusione di 1083°C e una resistività elettrica di 0.0167Ωmm2/m (0 0167 Ω )


Elettrodo in rame durante la lavorazione

(0.0167μΩm)

Rame al tellurio o al cromo: ha prestazioni inferiori al rame elettrolitico ed è ottenuto aggiungendo a questo 1‐3% di tellurio o cromo: l’usura aumenta del 15‐20% e il rendimento erosivo cala del 10%


del 10%Rame‐tungsteno: le percentuali di tungsteno variano dal 50% all’80%: maggiore è la percentuale di tungsteno più difficile diventa la lavorabilità dell’utensile ma diminuisce nello stesso tempo l’usura. La resistività elettrica è compresa tra 0.045Ωmm2/m ÷ 0.055Ωmm2/m e la densità tra 15g/cm3 e 18g/cm3

Leghe di alluminio: si utilizzano, generalmente, quando si lavorano cavità tridimensionali di grosse dimensioni, per le quali non è richiesto un elevato grado di finitura superficiale

Ottone: è un metallo sempre meno utilizzato in considerazione


pdell’elevata usura specifica

Tungsteno: è principalmente utilizzato per lavorazioni di microfori. In commercio è disponibile in fili calibrati con tolleranze inferiori a 1µm

Acciaio: ha rendimento inferiore a quello ottenuto utilizzando rame o grafite. La sua applicazione tipica è nelle lavorazioni acciaio‐acciaio, per stampi utilizzati nel settore delle materie plastiche, della pressofusione


di leghe leggere, o di matrici per la deformazione plastica dei metalli

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Le cuprografiti sono materiali combinati. In genere grafite in cui la porosità è riempita con rame

Vantaggi

Più facilmente lavorabili

M f ili i di i t d ll h i t d li


Meno fragili, quindi con minore tendenza alla scheggiatura degli spigoli

Adatte alla costruzione di piccoli elettrodi utensili

Svantaggi

Quelli delle grafiti ma con un più elevato costo costruttivo

Elettrodi sinterizzati: Recenti ricerche hanno portato alla realizzazione di l tt di i t i ti d i l di l i di Z B C t li l tt di


elettrodi sinterizzati da una miscela di polveri di ZrB2‐Cu: tali elettrodi asportano come i tradizionali in Cu o grafite, ma l’usura è minore dato l’alto punto di fusione e la buona conduttività termica ed elettrica. Tali elettrodi possono essere realizzati anche per sinterizzazione selettiva laser (SLS).

Parametri di Processo


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Parametri di Processo – corrente di scarica Il processo di elettroerosione può essere regolato attraverso i parametri elettrici e di lavaggioLa più grande influenza sui valori caratteristici dell’erosione è svolta dall’energia della scarica, che in genere può essere variata cambiando il valore della corrente di scarica, nonché della durata di scaricaLa corrente media di scarica è misurata durante il processo con uniLa corrente media di scarica è misurata durante il processo, con un amperometro. E’ un’indicazione dell’efficienza della lavorazione con riferimento a tasso di materiale asportato MRR

A parità di durata dell’impulso e intervallo tra gli impulsi, una corrente di scarica maggiore, comporta una velocità di asportazione più grande ma, nello stesso tempo, una notevole usura.Rispetto agli elettrodi in rame, quelli in grafite, hanno una maggiore resistenza all’usura in presenza di amperaggi elevati

ei


Parametri di Processo – corrente massima

Usura re

lativa

sull’elettrod

oà di

e

La corrente massima è un fattore da controllare per la sicurezza dell’elettrodo (in

[ ]maxii)

Velocità

erosione

Corren

te

di scarica

dell elettrodo (in genere < 65 A/sq.inc) e quindi:

Dove Sfw e la Superficie Frontale dell’elettrodo in pollici quadrati. La corrente

[ ] 65max ⋅= fwi Si)


di picco è comunque un valore conservativo che dipende dal materiale dell’elettrodo. Utensili in grafite possono sopportare valori di corrente maggiori

Attualmente valori molto elevati di corrente non sono utilizzati in quanto essi spesso portano a danneggiamenti termici sulla superficie del pezzo

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Durata dell’impulso: Corrisponde alla fase di lavoro del processo (ionizzazione del gap nel tempo di ritardo e passaggio di corrente nella durata della scarica).

Parametri di Processo – durata dell’impulso

Usura re

lativa

sull’elettrod

o

+

e‐

Più lunga è la durata della scarica, maggiore è l’energia della scarica ed il cratere risultante sarà più ampio e profondo

Velocità di

erosione

Durata

impu

lso

o Aumenta la quantità di materiale asportatoeee tiuWe ⋅⋅≈

‐


o Aumenta la rugosità della superficie lavoratao A parità di durata tra due impulsi e con elettrodo collegato al polo positivo, si

riduce l’effetto degli elettroni che colpiscono l’utensile rispetto agli ioni che colpiscono il pezzo (diminuzione usura relativa). Il processo si comporta in modo opposto alle lavorazioni convenzionali perché l’utensile si usura maggiormente in finitura rispetto alle operazioni di sgrossatura

Rappresentando graficamente la velocità di erosione e l’usura dell’elettrodo utensile al variare della corrente, della durata dell’impulso e dell’energia di scarica si evidenzia:

Al crescere della corrente di scarica, a

Parametri di Processo – durata dell’impulso

Eros

ione

mm

3 /min

1000 500

100 50

0.007 ms 30A

50A

100A

τ = 0.9 Utensile: +

,parità di durata dell’impulso, si registra un aumento iper‐proporzionale del tasso di asportazione per l’aumento dell’energia utilizzabile per l’erosione. Allo stesso modo aumenta l’usura relativaAl crescere della durata dell’impulso o d ll i l’ l i di i i od

o, %

V

eloci

tà d

i E

Durata dell’impulso

0.007ms

0.08ms

100 50

Durata dell’impulso

10 5

1

0.08 ms

0.3 ms

1.7 ms

Corrente di scarica

20A

τ = 0.9


della scarica, l’usura relativa diminuisce, mentre MRR aumenta, raggiunge un massimo e quindi diminuisce. Questo può essere giustificato analizzando la dimensione del canale di scarica, ipotizzato cilindrico

Usu

ra d

ell’e

lettro

0.5 1 5 10 50 100 500 1000 5000 Energia di scarica, mJ

Corrente di scarica

20A

30A

50A

100A

0.3ms 1.7 ms

10

5

1

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Per diametri del canale di scarica inferiori ad un valore ottimale, si ha un aumento della porzione di energia che è utilizzata per l’asportazione

tr = ett ≤≤0 Dove r è in micron e t in p∙sec

Parametri di Processo – durata dell’impulsoDurante la scarica, infatti, il raggio del canale di scarica si espande durante la durata dell’impulso con la seguente relazione

aumento della porzione di energia che è utilizzata per l asportazione

Per valori del diametro maggiori di quello ottimale, l’aumento delle superfici di scambio porta ad un incremento delle perdite per conduzione ed irraggiamento. Si ha una diminuzione di MRR

In fase di sgrossatura di pezzi in acciaio, con utensili in grafite, si scelgono impulsi di durata situati tra la più alta velocità di erosione e l’usura minima dell’elettrodo utensile


L’aumento della sezione del canale di scarica comporta inoltre che a parità di energia di scarica, la densità di calore sulla superficie dell’elettrodo diminuisce proporzionalmente al tempo

I valori della durata dell’impulso vanno dall’ordine dei micro‐secondi all’ordine dei milli‐secondi

Parametri di Processo – Intervallo tra gli impulsi

Usura re

lativa

sull’elettrod

ocità

ione

Intervallo tra impulsi: Inquesta fase avviene ladeionizzazione deldielettrico. La velocitàdella lavorazione èinfluenzata da questo

L’intervallo tra impulsi governa comunque la stabilità del processo perché una duratainsufficiente può portare a cicli errati, con retroazioni e avanzamenti del servosistemadi regolazione, rallentando quindi la lavorazione

Velo

eros

Intervallo

tra im

pulsi

influenzata da questotempo, in quanto un suoaumento riduce il tempodi lavorazione

L id i d ll’i ll i l i d d ll f di


La riduzione dell’intervallo tra impulsi, porta ad un aumento della frequenza di scarica. Quando il processo è realizzato a parità di energia nell’unità di tempo, si ha:

Un miglioramento della finitura superficialeUn aumento del tasso di asportazione Una riduzione dell’usura relativa.

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Parametri di Processo – Tensione nominale

Confronto realizzato a parità di energia rilasciata su pezzo

La frequenza è in genere compresa tra 180Hz, in condizioni di sgrossatura (superfici rugose), a circa 300kHz per le condizioni di finitura (superfici lisce).

La tensione nominale: Al crescere della tensione nominale e della tensione dilavoro è raggiunto un massimo di volume asportato e contemporaneamente


lavoro, è raggiunto un massimo di volume asportato e contemporaneamentesi registra una caduta dell’usura relativa. Un ulteriore aumento della tensionenominale provoca, oltre ad un aumento del gap SEK, delle scariche con tempidi ritardo eccessivamente lunghi

Parametri di Processo – Tensione nominaleIn questo caso l’energia di scarica si riduce a causa della riduzione della duratadi scarica, che a sua volta porta ad una riduzione del tasso di asportazione. Pervalori elevati della tensione a vuoto, il gap diventa tanto elevato, al punto chenon si innesca alcuna scarica ed il processo si arresta


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Controllo del gap: Il gap frontale e laterale sono determinati. Entrambi sono controllati dalle scariche e dalle regolazioni del generatore di impulsi

Al crescere dell’energia di scarica per il

Parametri di Processo – Il gap

Al crescere dell energia di scarica per il prolungamento della durata dell’impulso, aumenta il gap e con questo la rugosità superficiale del pezzo in lavorazione

Quando il fluido è inviato a velocità costante, ad ogni variazione del gap fa seguito una variazione dell’afflusso del


fluido. Ciò influenza negativamente il lavaggio, la velocità di erosione e l’usura dell’elettrodo utensile.

In generale il gap varia da 0.012mm a 0.05mm

Parametri di Processo – Il materiale del pezzoInfluenza del materiale del pezzo: L’attitudine di un materiale ad essere lavorato è indipendente dalle caratteristiche meccaniche, mentre sono importanti la composizione chimica e determinate caratteristiche fisiche

In generale si è evidenziato una diminuzione del tasso di asportazione al crescere della temperatura di fusione del materiale


materiale

Il fatto che elementi come Ag e Cu abbiano comportamento diverso dal previsto indica che la temperatura di fusione non è l’unico parametro

Altri parametri da considerare sono il calore specifico, la conducibilità termica, la temperatura di ebollizione, la densità, la resistività elettrica

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Influenza del materiale dell’utensile: Come materiali per l’elettrodo si possono utilizzare tutti i materiali con elevata conducibilità elettrica

L’usura relativa degli elettrodi in rame aumenta al crescere della corrente di scarica. Comportamento inverso si registra con quelli in grafite che

ò è l d (d l l

Parametri di Processo – Il materiale dell’utensile

perciò è consigliata per operazioni di sgrossatura (da realizzare con elevate correnti e durata di scariche), mentre il rame è interessante per operazioni di finitura


Capacità del ProcessoL’EDM può lavorare qualunque materiale conduttore, indipendentemente dalla sua durezza. Si presta molto bene alla realizzazione di fori e forme irregolari

Il tasso di asportazione nell'elettroerosione è moderato. In funzione dell'energia delle scariche l'asportazione è compresa tra 1mm3/ora‐100mm3/ora

Benché si utilizzino scariche elettriche, il procedimento non presenta alcun pericolo per l'utilizzatore e per l'ambiente

Gli stati con migliore finitura superficiale possono raggiungere un valore di Ra compreso tra 0.18µm e 0.25µm; l'effetto visivo è quello della lappatura a specchio Finiture superficiali standard (facili da ottenere) hanno valori di Ra


specchio. Finiture superficiali standard (facili da ottenere), hanno valori di Ra compresi tra 0.8µm e 3.1µm

Le tolleranze dimensionali sono comprese tra ±0.025mm e ± 0.127mm; con particolari accorgimenti possono raggiungere ±0.007mm

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Capacità del Processo – Qualità della superficie lavorata


Capacità del Processo – Qualità della superficie lavorata

Il layer risolidificato è compreso tra 0.0025mm e 0.05mm; la durezza supera 65HRC

bbWL

bPT


bWL +bPT

bWL

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Capacità del Processo – Tensioni residue nel layer superficiale


Capacità del Processo – Tensioni residue nel layer superficiale


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Capacità del Processo – resistenza a fatica e confronto con altre lavorazioni


ApplicazioniDie casting form for cylinder cover

uld

of a

g


Inje

ctio

n m

oucl

ock

hous

ing

33

Applicazioni


ApplicazioniSi riescono ad ottenere fori con aspetto di forma di 30:1 su spessori di 50mm e con accurate tecniche di lavaggio si arriva anche a 100:1. Poiché non c’è contatto con il pezzo, si possono ottenere fori inclinati con inclinazione minima di circa 20°

Cooling holes in turbine buckets


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ApplicazioniL’usura dell’utensile è compensata ad ogni ciclo con un servosistema

Il servosistema alla fine di ogni ciclo valuta l’entità dell’usura ed aumenta della stessa quantità l’avvicinamento dell’elettrodo al pezzoNell’esempio in figura l’utensile è avvolto su un rullo, ed alla fine di ogni foratura, una slitta estrae dal foro l’utensile e lo posiziona ad una certa di d ll fi i d f I i l i hdistanza dalla nuova superficie da forare. In particolare si ha:

Recentemente il settore automobilistico richiede fori di maggiore profondità e minore diametro


(50μm)

Un iniettore tipico ha fino a 12 fori di diametro variabile tra 150μm e 200μm, con uno spessore di circa 1mm. Il tempo di lavoro è di circa 20s/foro.

Applicazioni

L’avanzamento del filo della corsa di Anti Short


Lavanzamento del filo della corsa di Anti‐ShortL’avanzamento del filo sino a contatto con il pezzo, registrato mediante sensoriLa retroazione del filo della corsa di Anti‐Short La lavorazione con l’avanzamento della corsa programmataLa retroazione del filo alla posizione di Reset

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EDM – Varianti al processo


Improntatura per elettroerosione: tecnica a più canali

Utilizzata quando l’impiego rende necessario un aumento del tasso di

(asportazione (stampi con superfici dell’ordine dei metri quadrati)

Il volume di materiale eroso per ogni scarica è proporzionale:

all’energia della singola scarica (e quindi alla corrente ed alla durata della


all energia della singola scarica (e quindi alla corrente ed alla durata della scarica)

al numero di scariche per unità di superficie (proporzionale al rapporto delle frequenze ed al tasso di pulsazione)

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Un limite all’energia della scarica lo pone la rugosità della superficie lavorata

Quando si lavora a valori massimi del numero di scariche, un ulteriore d l d l è b l ù l d l


aumento del tasso di materiale asportato è possibile con più canali del generatore (collegati a segmenti di elettrodi isolati tra di loro) che permettono l’innesco di più scariche contemporaneamente (tante quanto sono i canali del generatore)

Non è possibile avere un aumento del tasso di asportazione proporzionale al numero dei canali. Tutti i canali sono infatti montati sullo stesso sistema di avanzamento ed un disturbo su un canale influenza il funzionamento degli


avanzamento ed un disturbo su un canale influenza il funzionamento degli altri canali

Quanto più piccoli sono il valore della corrente di scarica ed il rapporto delle frequenze, tanto più basso risulta anche l’aumento del


risulta anche l aumento del tasso di asportazione al crescere del numero dei canali

Nella pratica si limita il numero dei canali a 4

tf /1= ff /=λ


pp tf /1= pe ff /=λ

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L’improntatura per elettroerosione non è limitata alla riproduzione di cavità con elettrodi di forma


Improntatura per elettroerosione: Erosione planetariaMovimenti di base

dell’erosione planetariaNell’erosione planetaria, utilizzando un unico elettrodo, si amplia il campo di applicazione della EDM ad operazioni che richiedono

fi i V: VerticaleE: EccentricoO: Orbitale

Allargamenti Erosione conica

Erosioni angolari

sgrossatura e finitura e a realizzazioni come quelle con sottosquadri e fori conici


L’erosione planetaria si ottiene imponendo un movimento relativo tra pezzo e utensile, ottenendo una combinazione dei tre movimenti: Verticale, eccentrico ed orbitale

Erosione di scanalature interne

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L’elettroerosione a filo (Wire‐EDM), è un processo che trova il suo maggiore impiego nel taglio di profili 2‐3D molto complessi su


materiali conduttori; per questo motivo la lavorazione è anche conosciuta con l’acronimo EDWC (Electrical Discharge Wire Cutting). Il processo è un’evoluzione


dell’elettroerosione a tuffo ed ha fatto la sua prima comparsa alla fine degli anni ’60

L’EDWC differisce dall’EDM convenzionale per la presenza del filo che funge da elettrodo utensile; esso si svolge da un rocchetto, passa attraverso il pezzo, e si riavvolge su un secondo rocchetto. Il movimento del filo era inizialmente guidato da comandi a programma, in cui il movimento nominale era derivato da sagome o campioni Sistemi di


movimento nominale era derivato da sagome o campioni. Sistemi di comando di questo tipo sono oggi sostituiti dal controllo numerico, poiché quelli con sagome o campioni presentavano errori di trasmissione delle misure dai campioni al pezzo, generando errori di misura e di forma inaccettabiliUn’altra particolarità di questi impianti è nell’utilizzo dell’acqua deionizzata come dielettricol è l l d l l’


Il pezzo non è quasi mai completamente immerso nel dielettrico e l’acqua è introdotta nel gap da un getto localizzatoLe scariche elettriche sono le stesse dell’EDM ed il materiale è eroso davanti al filo che scorre senza instaurare contatti con il pezzo

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Il funzionamento è analogo a quello della sega a nastro con la differenza che in questo caso esiste un gap fra pezzo ed utensile, che è mantenuto costante da un sistema di controllo computerizzato; in genere il gap è compreso tra 0.025mm e 0.050mm. Con l’EDWC si possono operare tagli su metalli difficili da lavorare con tecnologie convenzionali e senza dover ricorrere ad operazioni di rettifica


tecnologie convenzionali e senza dover ricorrere ad operazioni di rettifica.


Sistema più diffuso

Taglio per elettroerosione: L’attrezzatura


Nel processo EDWC si possono distinguere i seguenti sottosistemi:GeneratoreSistema del dielettricoSistema di azionamento del filoSistema di posizionamento

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Generatore. Si differenzia da quello di un impianto EDM principalmente per l’intensità di corrente e la frequenza degli impulsi; quest’ultima può arrivare fino a 1MHz (nell’EDM è in genere inferiore a 300kHz). Questo consente di ottenere finiture superficiali molto spinte poiché le singole scariche rimuovono un piccolissima quantità di materiale lasciando


scariche rimuovono un piccolissima quantità di materiale lasciando piccolissimi crateri. L’intensità di corrente è limitata dal ridotto diametro del filo (0.05mm ÷ 0.3mm) e di solito non supera i 20A (nell’EDM l’intensità di corrente è compresa tra 0.5A e 400A)

Dielettrico. Si usa acqua deionizzata. Si evidenziano le seguenti caratteristiche:

Nei confronti degli idrocarburi, l’acqua ha conducibilità elettrica più


Nei confronti degli idrocarburi, l acqua ha conducibilità elettrica più elevata e minore viscosità, consentendo quindi la lavorazione con gap più piccoli; è migliorato inoltre il lavaggio ed è ridotto perciò il rischio di cortocircuiti

Mancando i prodotti della decomposizione degli oli, è favorita la rimozione delle particelle di materiale eroso, riducendo il pericolo di archi voltaiciSi ha una maggiore usura dell’utensile; tale usura non influenza significativamente il processo perché il filo non è riutilizzatoLa maggiore capacità termica permette un’alta velocità di raffreddamento


gg p pdel gap. Un aspetto negativo è la possibilità di generare layer risolidificatifastidiosiE’ possibile far lavorare l’impianto in assenza di operatori poiché scongiura il rischio di incendiIn genere il pezzo non è immerso completamente nell’acqua; si preferisce portare il dielettrico nella zona di lavoro in modo diretto con un tubo flessibile o con un getto coassiale al filo


gPer ragioni economiche si preferisce riciclare l’acqua deionizzata, dopo averla opportunamente filtrata e dopo aver corretto la sua resistività. Additivi specifici sono aggiunti per evitare la formazione di ruggine sulle superfici bagnate

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Sistemi di azionamento del filo.Ha il compito di liberare il filomantenendolo in tensione nellazona di lavoro (per evitaredanneggiamenti e vibrazioni


danneggiamenti e vibrazionipericolose). In genere il filocompie diversi passaggiattraverso pulegge tenditrici;nella zona di taglio il filo èguidato da una serie di guide inzaffiro o diamante


Prima di essere raccolto sultamburo il filo attraversanuovamente una serie dipulegge che lo mantengono intensione

Molti sistemi utilizzano come base una pesante lastra di granito per garantire una maggiore stabilità; recentemente sono stati sviluppati dispositivi automatici che ripristinano


il filo dopo una sua eventuale rottura

I materiali di costruzione del filo dipendono dal diametro dello stesso. Fili grossi (0.15mm ÷ 0.30mm) sono di rame o di ottone; fili più sottili (0.03mm ÷ 0.15mm) sono di acciaio al molibdeno


Quando il filo attraversa il pezzo la scarica avviene maggiormente nella parte anteriore (direzione di avanzamento)

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Dopo un passaggio perciò, il filo non è più utilizzabile a causa della usura non simmetrica e deve essere sostituito. Esso è disponibile in bobine di circa 3.5kg ed il suo consumo si aggira intorno ai 30gr/h


suo consumo si aggira intorno ai 30gr/h

Sistema di posizionamento: si tratta di una tavola che può muoversi lungo 2 assi comandata da un CNC. In qualche caso è presente un ulteriore sistema di posizionamento del filo multi asse. Il sistema CNC ha il compito principale di operare un controllo adattativo tale da mantenere sempre costante il gap


p p g p

La velocità lineare di taglio è dell’ordine dei 100mm/h su spessori di 25mm di acciaio. Per questo motivo il tempo di elaborazione del sistema CNC non è così influente come nelle lavorazioni ad alta velocità



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Taglio per elettroerosione: Parametri di processo


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Nell’EDWC è utilizzato come parametro indicativo dell’asportazione, il tasso di taglio VW. Esso è pari al prodotto fra velocità lineare di taglio v, e l’altezza del pezzo h hvVW ⋅=


30 Sm=0.38mmSm=0.374mm

20

10

o di ta

glio, m

m2 /min

Wk=0.7mJ

Wk=1.7mJ

Sm=0.349mm


0 50 100 150 200 250

Frequenza di scarica kHz

0

Tasso

Wk=0.3mJWk 0.7mJ

Wk

Sm=0.353mm

Sm=0.357mm

Taglio per elettroerosione: Parametri di processoPer un dato diametro del filo, il tasso di taglio è determinato dall’energia e dalla frequenza di scarica

Un aumento dell’energia della scarica, a frequenza costante, porta ad un aumento del tasso di taglio per la maggiore quantità di materiale asportato per ogni scaricag

Un aumento della frequenza della scarica, a energia della scarica costante, porta ad un aumento più che proporzionale del tasso di taglio per: (i) l’aumento del numero di scariche nell’unità di tempo, a cui corrisponde un proporzionale aumento del volume di materiale asportato; (ii) una riduzione del volume di materiale da asportare per la riduzione della traccia di taglio

Il risultato della lavorazione è caratterizzato anche dalla qualità della superficie li


tagliata

Indice di precisione della lavorazione è la traccia media di taglio Sm, calcolata a partire dalle tracce di taglio corrispondenti alla zona superiore (So) ed inferiore del pezzo (Su):

2/)( uom SSS +=

45

hSStg 2/)()2/( +=α


Questo permette di calcolare la conicità della traccia del taglio causata da un errato lavaggio e\o da una posizione sfavorevole del pezzo:

La bombatura b è un altro errore di profilo e si può avere nel taglio di pezzi di grande spessore a causa di oscillazioni del filo o della non omogeneità delle condizioni di lavaggio lungo l’altezza

La variazione della frequenza di scarica influenza solo marginalmente

hSStg uo 2/)()2/( +α


la finitura superficialeUn aumento dell’energia di scarica, invece, peggiora la finitura a causa della maggiore quantità di volume asportata ad ogni scarica



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Taglio per elettroerosione: Capacità del processo

Si possono lavorare materiali conduttori con ottima finitura superficiale (0.12µm ÷ 0.25µm, che diventano 0.05µm ÷ 0.12µm in seconda passata), elevata precisione di forma e bordi di taglio lisci

A causa delle migliaia di scariche le superfici sono matte e si prestano bene ad assorbire oli lubrificanti migliorando le condizioni di attrito delle superficiassorbire oli lubrificanti migliorando le condizioni di attrito delle superfici lavorate

Molte macchine EDWC permettono una risoluzione di posizionamento di 0.001mm con accuratezza di ±7µm (±2.5µm su spessori di150mm, in casi particolari)

Il raggio minimo di un angolo interno è limitato dal diametro del filo, quello di un angolo esterno può arrivare a 38µm


La velocità di taglio lineare varia da 38mm/h a 115mm/h su uno spessore di 25 mm di acciaio, se lo spessore aumenta la velocità diminuisce (20mm/hr su uno spessore di 76mm). La velocità di taglio non dipende dalla forma del taglio da realizzare. In seconda passata si possono raggiungere velocità di taglio di 380mm/hr

La velocità del filo attraverso il pezzo varia da 8mm/sec a 42mm/sec

Per quanto riguarda lo spessore del pezzo che è possibile tagliare, teoricamente non vi è un limite; in realtà non è così perché non si può essere sicuri che la struttura dell'acciaio sia uniforme dall'esterno al cuore ed inoltre quando il

Taglio per elettroerosione: Capacità del processo

st uttu a de acc a o s a u o e da este o a cuo e ed o t e qua docanale di ionizzazione è troppo lungo, il lavaggio è più difficoltoso

Gli elevati spessori tagliati (200mm), l’elevato grado di accuratezza e di finitura superficiale consentono l’applicazione del processo nella realizzazione di matrici per lo stampaggio, filiere per l’estrusione e nella fabbricazione di elettrodi per l’EDM

In alcuni casi è utilizzata per realizzare prototipi, o piccoli lotti di parti che possono essere ta liate anche in catasta


possono essere tagliate anche in catasta

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L’uso del CNC permette di utilizzare lo stesso profilo per ottenere punzoni e matrici o elettrodi di sgrossatura e finitura (dando opportune compensazioni)

Grazie al controllo computerizzato ed ai tempi di lavorazione relativamente l h l ò ù h d d

Taglio per elettroerosione: applicazioni

lunghi, un solo operatore può gestire più macchine con evidente risparmio di manodopera qualificata

Quando si tagliano carburi sintetizzati e vari materiali riportati, si deve lavorare con tensioni basse per evitare l’elettrolisi. Questo perché l’alta tensione può provocare corrosione intergranulare per consumo di legante nel carburo sintetizzato

Tra le problematiche della EDWC la possibilità di formazione di cricche: una


Tra le problematiche della EDWC, la possibilità di formazione di cricche: una delle cause principali è legata allo sviluppo di tensioni residue

Taglio per elettroerosione: applicazioni


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Taglio per elettroerosione: Applicazioni

EDM‐cut punching dies Le parti sono accostate e le line di divisione sono invisibili


L’estrema accuratezza che può essere ottenuta, rende possibile la realizzazione di punzoni e matrici line‐to‐line (zero clereance). Nell’esempio in figura il gioco tra punzone e matrice è di 3µ

Taglio per elettroerosione: Applicazioni


EDM-cut warped stator blades EDM-Cutting of a extrusion die

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Taglio per elettroerosione: Rotating cutters of a razor


Discharge machining for industry

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