Tipos de mecanizado EDM: Guía para el mecanizado por descarga eléctrica

En la industria del mecanizado, los fabricantes a menudo se enfrentan a piezas demasiado resistentes, delgadas o simplemente complejas para los métodos de mecanizado convencionales. Es precisamente aquí donde la electroerosión (EDM) demuestra su valor. Al eliminar material mediante descargas eléctricas controladas en lugar de fuerza, esta técnica de mecanizado CNC mantiene tolerancias ajustadas en aceros para herramientas, carburos, titanio y otras aleaciones especiales.

Este proceso de mecanizado por descarga eléctrica se puede clasificar en muchas variaciones dependiendo de su método de mecanizado; los más utilizados son la electroerosión por hilo, la electroerosión por penetración y la electroerosión por perforación de orificios.

Electroerosión por hilo (WEDM)

Principio de funcionamiento y configuración

La electroerosión por hilo utiliza un hilo cargado eléctricamente y alimentado continuamente bajo tensión, generalmente latón o latón revestido, como electrodo móvil. El hilo nunca entra en contacto con la pieza. En cambio, se mantiene una separación controlada mientras el CNC guía el hilo a lo largo de una trayectoria programada. La pieza se sumerge en agua desionizada, que actúa como dieléctrico y elimina eficazmente los residuos. Las guías de hilo superior e inferior permiten inclinar o ahusar el hilo para crear formas angulares.

El generador de la máquina modula la energía, la duración y la frecuencia de los pulsos durante el desbaste y las múltiples pasadas de desbaste. Los cortes de desbaste priorizan la velocidad, dejando margen para desbaste sucesivo que ajustan la tolerancia y el acabado superficial. La fijación es fundamental: una configuración sólida y térmicamente estable, datos de referencia precisos y buenas trayectorias de limpieza influyen directamente en la precisión y el rendimiento.

Aplicaciones y materiales típicos

Las máquinas de electroerosión por hilo se utilizan habitualmente para perfiles complejos: matrices, punzones, engranajes, formas estriadas, componentes médicos y contornos 2.5D complejos que son difíciles o imposibles de fresar. Destacan en aceros para herramientas endurecidos (A2, D2, H13), carburo de tungsteno, titanio, Inconel y otras superaleaciones. Entre los escenarios más comunes se incluyen el corte. matrices de fundición a presión a partir de un bloque, produciendo insertos de precisión, seccionando piezas frágiles o endurecidas sin inducir tensión y creando bandas delgadas o características delicadas sin distorsión.

Ventajas y limitaciones

• Precisión y acabadoMantener ±0,0001–0,0002″ es habitual en configuraciones estables, y se pueden lograr acabados de superficie por debajo de 1 μm Ra con múltiples pasadas de desbaste.
• Estrés mecánico mínimoLa ausencia de fuerzas de corte significa que las paredes delgadas y los detalles finos se mantienen intactos. Las zonas afectadas por el calor son pequeñas y las capas de fundición son delgadas.
• Compatible con la automatización:El enhebrado automático, la recuperación de cables rotos y el sondeo integrado admiten ejecuciones confiables en condiciones de iluminación insuficiente, especialmente en perfiles más largos.

LimitacionesEl alambre debe acceder físicamente al contorno, lo que significa que no se pueden lograr socavaduras ni cavidades cerradas. La entrada requiere un orificio de inicio, a menos que este se encuentre en un borde. Las piezas altas pueden requerir estrategias de limpieza cuidadosas para mantener la estabilidad y minimizar la erosión y las roturas del alambre.

Electroerosión por penetración (electroerosión por penetración/convencional)

Electrodos, herramientas y formación de cavidades

La electroerosión por penetración, también conocida como penetración de matriz, utiliza un electrodo conformado, generalmente de grafito o cobre, montado en un pistón. El electrodo se coloca en el negativo de la cavidad y se hunde en la pieza bajo servocontrol, mientras la descarga de chispa erosiona el material. El aceite a base de hidrocarburos es un dieléctrico común. La órbita (pequeños movimientos programados, como órbitas circulares o vectoriales) mejora el barrido, mejora el acabado superficial y garantiza las dimensiones finales sin quemar las esquinas.

La elección del electrodo marca una gran diferencia: el grafito garantiza mayor velocidad, resiste el calor y es adecuado para cavidades más grandes; el cobre retiene bien los detalles y permite obtener acabados más finos. Los fabricantes experimentados suelen preparar varios electrodos: uno de desbaste para el desbaste, uno de semiacabado para estabilizar las paredes y uno de acabado para una tolerancia y un Ra ajustados.

Aplicaciones, tolerancias y acabado superficial

La electroerosión por penetración es una opción ideal para cavidades de moldes 3D, relieves, nervaduras, cavidades profundas, logotipos y geometrías a las que un hilo recto simplemente no puede acceder. Las tolerancias de ±0,0002–0,001″ son realistas según el tamaño y la configuración, con acabados superficiales inferiores a 1 μm Ra posibles en las quemas de acabado. Dado que el electrodo imparte la geometría, las mezclas complejas y las formas libres son típicas en moldes de inyección y herramientas de fundición a presión.

Ventajas y limitaciones

• Capacidad 3D real: Su principal fortaleza es la creación de cavidades ciegas, socavados y formas tridimensionales complejas que son imposibles de producir mediante electroerosión por hilo.
• Acabado superficial superior: Capaz de producir acabados superficiales excepcionalmente finos en contornos intrincados, eliminando a menudo la necesidad de pulido manual.

LimitacionesEsta erosión constante requiere compensación de desgaste en la programación y, a menudo, la fabricación de múltiples electrodos para un solo trabajo. La velocidad de remoción volumétrica suele ser más lenta que la de la electroerosión por hilo, lo que la hace menos eficiente para la remoción de material a gran escala. Además, cada cavidad requiere un electrodo específico, y las características profundas y estrechas suelen presentar dificultades para el lavado dieléctrico, lo que puede comprometer tanto la velocidad como la precisión.

Perforación de agujeros por electroerosión (agujero rápido/agujero pequeño)

Mecánica de procesos

El núcleo de la electroerosión por perforación es un electrodo tubular giratorio de alta velocidad, generalmente de latón, cobre o cobre-tungsteno resistente al desgaste. Este tubo hueco actúa generalmente como cátodo y la pieza de trabajo como ánodo. Un generador emite pulsos eléctricos de alta frecuencia a través del espacio entre ellos, creando una serie de chispas controladas que vaporizan y erosionan el material.

Un elemento crucial del proceso es el fluido dieléctrico presurizado (generalmente agua desionizada), que se bombea a través del centro del electrodo giratorio. Este cumple dos funciones vitales: expulsa con fuerza las partículas erosionadas del estrecho espacio para evitar cortocircuitos y desioniza el canal para mantener una condición de chispa estable. La rotación del electrodo garantiza un desgaste uniforme y ayuda a lograr un orificio más recto al estabilizar el tubo. Un servosistema ajusta constantemente la posición del electrodo para mantener la distancia de chispa precisa a medida que el orificio se profundiza, lo que permite crear orificios profundos de pequeño diámetro en materiales endurecidos sin la deflexión de la herramienta que representaría un problema en el mecanizado tradicional.

Casos de uso: Orificios de arranque y enfriamiento

Es una práctica común que los fabricantes utilicen la perforación por electroerosión para los orificios iniciales antes de la electroerosión por hilo, cuando el perfil comienza alejándose de un borde. También es el estándar para orificios de refrigeración pequeños y de alta relación de aspecto en álabes y paletas de turbinas, patrones de refrigeración por efusión y película, y orificios precisos en componentes médicos o microfluídicos. Las superaleaciones a base de níquel, el titanio y los aceros endurecidos son candidatos adecuados, siempre que sean conductores.

Velocidad, precisión y limitaciones

• Velocidad de perforación de agujeros: La perforación por electroerosión es excepcionalmente rápida para crear agujeros pequeños y profundos, especialmente en materiales conductores y resistentes, donde la perforación convencional es lenta o imposible. La velocidad depende principalmente de la presión dieléctrica, el material del electrodo y la aleación específica que se esté perforando, lo que permite agujeros de inicio rápido y patrones de agujeros de alto rendimiento.
• Precisión en diámetro: Este proceso se destaca por su precisión posicional y por producir orificios rectos de alta relación de aspecto con diámetros tan pequeños como 0,015 pulgadas.

Limitaciones: La especialización en precisión también conlleva ciertas desventajas. El acabado superficial dentro de los agujeros suele ser más rugoso que el logrado con la electroerosión por hilo o las pasadas de acabado en la electroerosión por penetración. Además, el proceso se limita principalmente a agujeros rectos y no puede crear formas curvas. Finalmente, el intenso calor localizado puede dejar una capa de fundición y pequeñas rebabas en los puntos de entrada y salida, lo que puede requerir un acabado secundario para aplicaciones críticas.

Máquinas de electroerosión especializadas y procesos híbridos

Electroerosión por electroerosión con mezcla de polvos (PMEDM)

Al suspender polvos conductores o semiconductores en el dieléctrico, esta técnica permite expandir el canal de descarga, reducir la densidad energética y mejorar el acabado superficial, a la vez que reduce el desgaste de la herramienta. El PMEDM es valioso para pasadas de acabado en moldes o componentes donde la integridad superficial es crucial. Requiere filtración y control del proceso para mantener una concentración constante.

Fresado/orbital EDM para formas 3D

También llamado fresado por electroerosión de ariete, este método utiliza un pequeño electrodo que sigue una trayectoria de herramienta 3D, orbitando para crear formas complejas, como lo haría una fresa esférica, sin fuerzas de corte. Es eficaz para detalles delicados o de difícil acceso y puede reducir el número de electrodos dedicados.

Comparación del rendimiento entre los distintos tipos de máquinas de electroerosión

Controladores de velocidad de corte y tiempo de ciclo

• Electroerosión por hiloAlta velocidad relativa en cortes periféricos, especialmente en perfiles largos de altura constante. El tiempo de ciclo depende de la altura de la pieza, la longitud del contorno, el número de desnatados y el barrido.
• Electroerosión por penetraciónTasas de remoción medias: área del electrodo, estrategia orbital y tiempo de limpieza. La fabricación del electrodo aumenta el tiempo de entrega.
• Perforación de agujeros:Rápido para agujeros pequeños y profundos: el rendimiento depende del desgaste del electrodo, la presión dieléctrica y la aleación.

Precisión, tolerancias y acabado superficial (Ra)

• Electroerosión por hilo:Precisión muy alta: ±0,0001–0,0002″ común, <1 μm Ra alcanzable con múltiples desnatados.
• Electroerosión por penetración:Alta precisión: ±0,0002–0,001″ típico: <1 μm Ra en quemaduras de acabado con energía ajustada y en órbita.
• Perforación de agujeros:Alta precisión posicional para la ubicación de los orificios; el acabado de la superficie es modesto en relación con el alambre/plomada.

Efectos térmicos: capa de refundición, microfisuras y ZAT

Todos los procesos de electroerosión producen una fina capa de fundición con potencial de microfisuras, aunque la zona afectada por el calor (ZAC) suele ser poco profunda. Esto se puede mitigar con pasadas de acabado de menor energía, parámetros de pulso optimizados, un lavado adecuado y un pulido o rectificado ligero posterior al proceso cuando la integridad de la superficie es crítica (por ejemplo, en componentes aeroespaciales propensos a la fatiga).

Selección para sus necesidades de mecanizado por descarga eléctrica

Ahora que conoce los diferentes tipos de electroerosión, es hora de resumirlos para que pueda elegir un proceso de mecanizado por electroerosión. Los criterios de selección se pueden dividir en cuatro aspectos.

Consideraciones sobre geometría y características

• Contornos abiertos y perfiles pasantesElija la electroerosión por hilo. Es ideal cuando el hilo puede acceder a toda la trayectoria sin socavaduras.
• Cavidades cerradas y formas 3D realesElija la electroerosión por penetración. Crea características inaccesibles para el hilo y transfiere geometría compleja desde un electrodo.
• Agujeros pequeños, profundos y rectos.Elija la perforación EDM. Es la ruta más rápida para obtener orificios iniciales y características de refrigeración de alta relación de aspecto.

Material, dureza y estado del tratamiento térmico

Todos los tipos de mecanizado por electroerosión requieren conductividad, pero la dureza no es un factor limitante, ya que la electroerosión se desarrolla con éxito en aceros para herramientas tratados térmicamente, carburos, titanio y aleaciones de níquel. Si la estabilidad dimensional tras el tratamiento térmico es importante, la electroerosión tras el temple elimina el riesgo de distorsión por las fuerzas de mecanizado. Para carburos o materiales delicados, se recomienda utilizar parámetros de hilo o de platina cuidadosamente ajustados para minimizar las microfisuras.

Tamaño de lote, costo y economía de herramientas

• Prototipos y lotes pequeñosLa electroerosión por hilo minimiza el uso de herramientas iniciales y requiere pocos electrodos, por lo que resulta rentable para piezas únicas y tiradas cortas.
• Moldes de gran volumen o cavidades repetidasLa electroerosión por penetración resulta rentable al amortizar el diseño y la fabricación de electrodos en varias piezas. Las estrategias eficientes de electrodos (desbaste/acabado, geometrías compartidas) reducen el coste total.
• Celdas de perforación de pozos:Para patrones de orificios de enfriamiento recurrentes, la perforación EDM dedicada con automatización proporciona un rendimiento predecible.

Automatización, fijación y monitorización de procesos

La electroerosión moderna facilita la fabricación sin intervención humana. Los enhebradores automáticos, los cambiadores de herramientas, el sondeo en proceso y la monitorización de la máquina reducen el tiempo de inactividad y los desechos. Debe priorizar:

• Dieléctrico limpio y filtración estable para mantener la estabilidad de la chispa.
• Fijación rígida con datos confiables para garantizar la repetibilidad en todos los electrodos o capas.
• Generadores adaptativos y control de esquinas para proteger la precisión en radios internos estrechos.
• SPC y registro de conjuntos de parámetros para la trazabilidad en el mecanizado de precisión regulado en la producción de piezas médicas y aeroespaciales.

Conclusión

El mecanizado por descarga eléctrica permite diseños complicados mediante el uso de piezas precisas. Mecanizado CNC y superar la dureza del material mediante métodos complementarios: electroerosión por hilo para perfiles, electroerosión por penetración para cavidades y electroerosión por taladrado para agujeros profundos.

Equipado con el conocimiento de nuestros artículos, podrá tomar decisiones bien informadas al elegir EDM para mejorar la calidad de las piezas y la competitividad en la fabricación avanzada.

Preguntas frecuentes

¿La electroerosión es solo para metal? ¿Puedo usarla en materiales blandos, no endurecidos?

No exactamente. Por definición, la electroerosión se utiliza exclusivamente para materiales conductores de electricidad, y los aislantes como plásticos, vidrio, cerámicas comunes o materiales compuestos quedan descartados. Sin embargo, materiales como el grafito, los carburos de silicio, el diboruro de titanio y ciertos compuestos poliméricos también son conductores de electricidad. A pesar de ser el nicho de la electroerosión, también pueden procesarse mediante el método de mecanizado.

Además, si los materiales blandos en cuestión son metales blandos como el aluminio o el acero dulce, la electroerosión es totalmente viable a pesar de su uso común en materiales más duros. Sin embargo, los métodos de mecanizado tradicionales suelen ser más rápidos y rentables, a menos que la geometría sea extremadamente compleja o delicada.

¿Cómo limita el tamaño de la pieza la electroerosión?

Cada tipo de electroerosión tiene limitaciones de tamaño inherentes. Las electroerosiones por hilo están limitadas por su alcance y el tamaño del tanque. Las electroerosiones por penetración están limitadas por la capacidad de carga del tanque de trabajo y el electrodo. Para componentes muy grandes, como la hélice de un barco, se requieren máquinas de electroerosión de gran tamaño y especializadas.

¿Qué causa la capa de refundición y es siempre un problema?

La capa de refundición es una capa delgada de material resolidificado que se fundió, pero no fue arrastrada por el fluido dieléctrico. Si bien toda la electroerosión la crea, su importancia depende de la aplicación. Para muchos moldes y herramientas, es irrelevante o puede eliminarse mediante tratamiento de superficiesEn el caso de componentes aeroespaciales altamente estresados y sujetos a fatiga, es un factor crítico que debe minimizarse o eliminarse.

¿Se considera la EDM un proceso lento?

La electroerosión no suele ser un proceso de alta velocidad para la eliminación de material en masa en comparación con el mecanizado convencional. Su valor reside en su capacidad para el mecanizado de precisión, no en su velocidad bruta. La velocidad efectiva es alta si se considera que permite eliminar múltiples pasos (p. ej., mecanizado de desbaste, tratamiento térmico, mecanizado de acabado) y producir una pieza terminada a partir de una pieza bruta templada en una sola configuración.