Tipi di lavorazione EDM: guida alla lavorazione tramite elettroerosione

Nel settore della lavorazione meccanica, i produttori si trovano spesso di fronte a componenti troppo resistenti, troppo sottili o semplicemente troppo complessi per i metodi di lavorazione convenzionali. È proprio qui che l'elettroerosione (EDM) dimostra il suo valore. Rimuovendo il materiale con scariche elettriche controllate anziché con la forza, questa tecnica di lavorazione CNC mantiene tolleranze ristrette su acciai per utensili, carburi, titanio e altre leghe esotiche.

Questo processo di elettroerosione può essere suddiviso in numerose varianti a seconda del metodo di lavorazione; le più comunemente utilizzate sono l'elettroerosione a filo, l'elettroerosione a tuffo e l'elettroerosione a foro.

Elettroerosione a filo (WEDM)

Principio di funzionamento e configurazione

L'elettroerosione a filo utilizza un filo elettricamente carico e sotto tensione, tipicamente in ottone o ottone rivestito, alimentato in modo continuo, come elettrodo mobile. Il filo non entra mai in contatto con il pezzo da lavorare. Viene invece mantenuta una distanza controllata mentre il CNC guida il filo lungo un percorso programmato. Il pezzo da lavorare è immerso in acqua deionizzata, che funge da dielettrico e rimuove efficacemente i detriti. Le guide del filo superiore e inferiore consentono di inclinare o rastremare il filo per creare angolazioni.

Il generatore della macchina modula l'energia, la durata e la frequenza degli impulsi durante la sgrossatura e le passate multiple di rasatura. Le passate di sgrossatura danno priorità alla velocità, lasciando spazio per le passate successive che regolano la tolleranza e la finitura superficiale. L'attrezzatura è importante: una configurazione solida e termicamente stabile, riferimenti precisi e buoni percorsi di lavaggio influiscono direttamente su precisione e produttività.

Applicazioni e materiali tipici

Le macchine per elettroerosione a filo sono tipicamente utilizzate per profili complessi: matrici, punzoni, ingranaggi, profili scanalati, componenti medicali e profili 2.5D complessi difficili o impossibili da fresare. Eccelle su acciai per utensili temprati (A2, D2, H13), carburo di tungsteno, titanio, Inconel e altre superleghe. Gli scenari più comuni includono il taglio. stampi per pressofusione da un blocco, producendo inserti di precisione, sezionando parti fragili o indurite senza indurre stress e creando sottili reti o caratteristiche delicate senza distorsioni.

Vantaggi e limitazioni

• Precisione e finitura: Mantenere ±0,0001–0,0002″ è una routine su configurazioni stabili e finiture superficiali inferiori a 1 μm Ra sono ottenibili con più passaggi di rasatura.
• Stress meccanico minimo: L'assenza di forze di taglio significa che le pareti sottili e i dettagli più fini rimangono intatti. Le zone interessate dal calore sono piccole e gli strati di rifusione sono sottili.
• Adatto all'automazione: L'auto-threading, il recupero dei cavi rotti e il sondaggio integrato consentono di eseguire lavori affidabili anche senza l'ausilio di luci, in particolare sui profili più lunghi.

Limitazioni: Il filo deve accedere fisicamente al contorno, il che significa che non è possibile realizzare sottosquadri o cavità chiuse. L'ingresso richiede un foro di partenza, a meno che il punto di partenza non si trovi su un bordo. Le parti alte potrebbero richiedere attente strategie di lavaggio per mantenere la stabilità e ridurre al minimo l'erosione e le rotture del filo.

Elettroerosione a tuffo (elettroerosione a tuffo/elettroerosione convenzionale)

Elettrodi, utensili e formazione di cavità

L'elettroerosione a tuffo, nota anche come elettroerosione a tuffo, utilizza un elettrodo sagomato, solitamente in grafite o rame, montato su un pistone. L'elettrodo viene posizionato sul negativo della cavità, quindi "affonda" nel pezzo da lavorare sotto controllo servoassistito mentre la scarica di scintille erode il materiale. L'olio a base di idrocarburi è un dielettrico comune. L'orbitazione (piccoli movimenti programmati come orbite circolari o vettoriali) migliora il lavaggio, la finitura superficiale e garantisce le dimensioni finali senza bruciature eccessive sugli angoli.

La scelta dell'elettrodo fa un'enorme differenza: la grafite garantisce una maggiore velocità, resiste al calore ed è adatta a cavità più grandi; il rame mantiene bene i dettagli e può produrre finiture più fini. I produttori esperti spesso utilizzano più elettrodi: uno più grezzo per la sgrossatura, uno più semi-finitore per stabilizzare le pareti e uno più finitore per tolleranze e Ra più strette.

Applicazioni, tolleranze e finitura superficiale

L'elettroerosione a tuffo è un'opzione ideale per cavità di stampi 3D, goffrature, nervature, tasche profonde, loghi e geometrie a cui un filo dritto semplicemente non può accedere. Tolleranze di ±0,0002–0,001" sono realistiche a seconda delle dimensioni e della configurazione, con finiture superficiali inferiori a 1 μm Ra possibili sulle bruciature di finitura. Poiché l'elettrodo impartisce la geometria, miscele complesse e forme libere sono tipiche in stampi a iniezione e utensili per pressofusione.

Vantaggi e limitazioni

• Vera capacità 3D: Il suo punto di forza principale è la capacità di creare cavità cieche, sottosquadri e forme tridimensionali complesse, impossibili da produrre con l'elettroerosione a filo.
• Finitura superficiale superiore: In grado di produrre finiture superficiali eccezionalmente fini su contorni intricati, eliminando spesso la necessità di lucidatura manuale.

Limitazioni: Questa erosione costante richiede una compensazione dell'usura in fase di programmazione e spesso richiede la fabbricazione di più elettrodi per un singolo lavoro. La velocità di rimozione volumetrica è generalmente inferiore a quella dell'elettroerosione a filo, rendendola meno efficiente per la rimozione di materiale su larga scala. Inoltre, ogni cavità richiede un elettrodo dedicato e le caratteristiche profonde e strette spesso presentano difficoltà nel lavaggio dielettrico, il che può compromettere sia la velocità che la precisione.

Foratura EDM (foro veloce/foro piccolo)

Meccanica di processo

Il nucleo dell'elettroerosione a filo continuo è un elettrodo tubolare rotante ad alta velocità, tipicamente realizzato in ottone, rame o rame-tungsteno resistente all'usura. Questo tubo cavo, nella maggior parte dei casi, funge da catodo e il pezzo in lavorazione da anodo. Un generatore invia impulsi elettrici ad alta frequenza attraverso lo spazio tra i due, creando una serie di scintille controllate che vaporizzano ed erodono il materiale.

Fondamentale per il processo è il fluido dielettrico pressurizzato, solitamente acqua deionizzata, che viene pompato attraverso il centro dell'elettrodo rotante. Questo svolge due funzioni vitali: espelle con forza le particelle erose dallo stretto spazio per prevenire cortocircuiti e deionizza il canale per mantenere una condizione di scintillazione stabile. La rotazione dell'elettrodo garantisce un'usura uniforme e contribuisce a ottenere un foro più dritto stabilizzando il tubo. Un servosistema regola costantemente la posizione dell'elettrodo per mantenere la distanza di scintillazione precisa man mano che il foro si approfondisce, consentendo la creazione di fori profondi e di piccolo diametro in materiali temprati senza la flessione dell'utensile che rappresenterebbe un problema nelle lavorazioni tradizionali.

Casi d'uso: fori di avvio e raffreddamento

È prassi comune per i produttori affidarsi alla foratura EDM per i fori di partenza prima dell'elettroerosione a filo quando il profilo inizia lontano da un bordo. È anche lo standard per piccoli fori di raffreddamento ad alto rapporto d'aspetto in pale e palette di turbine, modelli di raffreddamento a effusione e a film e fori precisi in componenti medicali o microfluidici. Superleghe a base di nichel, titanio e acciai temprati sono tutti candidati idonei, a condizione che siano conduttivi.

Velocità, precisione e limitazioni

• Velocità di foratura: La foratura EDM è eccezionalmente rapida per la creazione di fori piccoli e profondi, soprattutto in materiali tenaci e conduttivi, dove la foratura convenzionale è lenta o impossibile. La velocità è determinata principalmente dalla pressione dielettrica, dal materiale dell'elettrodo e dalla lega specifica da forare, consentendo fori con avvio rapido e configurazioni di foratura ad alta produttività.
• Precisione nel diametro: Questo processo eccelle nella precisione di posizionamento e nella produzione di fori dritti, con un elevato rapporto di aspetto e diametri fino a 0,015 pollici.

Limitazioni: La specializzazione in termini di precisione comporta anche alcuni compromessi. La finitura superficiale all'interno dei fori è generalmente più ruvida rispetto a quella ottenuta con l'elettroerosione a filo o con le passate di finitura nell'elettroerosione a tuffo. Inoltre, il processo è limitato principalmente a fori rettilinei e non può creare forme curve. Infine, l'intenso calore localizzato può lasciare uno strato di rifusione e piccole bave nei punti di ingresso e uscita, che potrebbero richiedere una finitura secondaria per applicazioni critiche.

Macchine EDM specializzate e processi ibridi

EDM a polvere mista (PMEDM)

Sospendendo polveri conduttive o semiconduttive nel dielettrico, questa tecnica può ampliare il canale di scarica, ridurre la densità di energia e migliorare la finitura superficiale, riducendo al contempo l'usura degli utensili. Il PMEDM è prezioso per le passate di finitura su stampi o componenti in cui l'integrità superficiale è fondamentale. Richiede filtrazione e controllo del processo per mantenere costante la concentrazione.

Fresatura/orbitazione EDM per forme 3D

Chiamato anche fresatura EDM a ram, questo approccio utilizza un piccolo elettrodo che segue un percorso utensile 3D, orbitando per creare forme complesse, proprio come farebbe una fresa a testa sferica, ma con meno forze di taglio. È efficace per elementi delicati o difficili da raggiungere e può ridurre il numero di elettrodi dedicati.

Confronto delle prestazioni tra i diversi tipi di macchine EDM

Driver di velocità di taglio e tempo di ciclo

• Elettroerosione a filo: Elevata velocità relativa sui tagli periferici, in particolare su profili lunghi ad altezza costante. Il tempo di ciclo dipende dall'altezza del pezzo, dalla lunghezza del contorno, dal numero di passate e dal lavaggio.
• Elettroerosione a tuffo: Velocità di rimozione medie: area dell'elettrodo, strategia orbitale e tempo di lavaggio. La fabbricazione dell'elettrodo aumenta i tempi di consegna.
• Foratura: Veloce per fori piccoli e profondi: la produttività dipende dall'usura degli elettrodi, dalla pressione dielettrica e dalla lega.

Precisione, tolleranze e finitura superficiale (Ra)

• Elettroerosione a filo: Precisione molto elevata: ±0,0001–0,0002″ comune, <1 μm Ra ottenibile con più skim.
• Elettroerosione a tuffo: Elevata precisione: ±0,0002–0,001″ tipica: <1 μm Ra su bruciature finali con energia e orbita sintonizzate.
• Foratura: Elevata precisione di posizionamento per le posizioni dei fori; la finitura superficiale è modesta rispetto al filo/piombo.

Effetti termici: strato di rifusione, microfessure e HAZ

Tutti i processi EDM producono un sottile strato di rifusione con potenziali microcricche, sebbene la zona termicamente alterata (ZTA) sia generalmente poco profonda. Questo problema può essere mitigato con passate di finitura a bassa energia, parametri di impulso ottimizzati, un lavaggio adeguato e una lucidatura post-processo o una leggera rettifica quando l'integrità superficiale è critica (ad esempio, componenti aerospaziali soggetti a fatica).

Selezione per le vostre esigenze di elettroerosione

Ora che hai imparato a conoscere i diversi tipi di elettroerosione, è il momento di riassumerli per riferimento futuro nella scelta di un processo di lavorazione elettroerosiva. I criteri di selezione possono essere suddivisi in quattro aspetti.

Considerazioni sulla geometria e sulle caratteristiche

• Contorni aperti e profili passanti: Scegli l'elettroerosione a filo. È ideale quando il filo può accedere all'intero percorso senza sottosquadri.
• Cavità chiuse e vere forme 3D: Scegli l'elettroerosione a tuffo. Crea caratteristiche che un filo non può raggiungere e trasferisce geometrie complesse da un elettrodo.
• Fori piccoli, profondi e dritti: Scegli la foratura EDM. È la soluzione più rapida per ottenere fori di partenza e funzioni di raffreddamento ad alto rapporto di aspetto.

Materiale, durezza e stato del trattamento termico

Tutti i tipi di lavorazione EDM richiedono conduttività, ma la durezza non è un fattore limitante, poiché l'EDM dà il meglio di sé su acciai per utensili trattati termicamente, carburi, titanio e leghe di nichel. Se la stabilità dimensionale dopo il trattamento termico è importante, l'EDM dopo la tempra elimina il rischio di distorsione dovuto alle forze di lavorazione. Per i materiali in metallo duro o delicati, è preferibile utilizzare fili o parametri di immersione accuratamente regolati per ridurre al minimo le microcricche.

Dimensioni del lotto, costi ed economia degli utensili

• Prototipi e piccoli lotti: L'elettroerosione a filo riduce al minimo l'attrezzatura iniziale e richiede pochi elettrodi, risultando quindi conveniente per lavorazioni singole e di breve durata.
• Stampi ad alto volume o cavità ripetute: L'elettroerosione a tuffo diventa economica quando si ammortizzano la progettazione e la fabbricazione degli elettrodi su più parti. Strategie di elettrodo efficienti (sgrossatura/finitura, geometrie condivise) riducono i costi totali.
• Celle di perforazione: Per modelli ricorrenti di fori di raffreddamento, la foratura EDM dedicata con automazione garantisce una produttività prevedibile.

Automazione, fissaggio e monitoraggio dei processi

L'EDM moderna supporta la produzione a luci spente. Infilatrici automatiche, cambio utensili, tastatura in-process e monitoraggio macchina riducono i tempi di fermo e gli scarti. È necessario dare priorità a:

• Filtrazione dielettrica pulita e stabile per mantenere la stabilità della scintilla.
• Fissaggio rigido con riferimenti affidabili per garantire la ripetibilità su più superfici o elettrodi.
• Generatori adattivi e controllo degli angoli per proteggere la precisione su raggi interni stretti.
• SPC e registrazione di set di parametri per la tracciabilità su lavorazioni meccaniche di precisione regolamentate nella produzione di componenti medicali e aerospaziali.

Conclusione

La lavorazione con scarica elettrica consente progetti complessi utilizzando lavorazioni precise Lavorazione CNC e superando la durezza del materiale attraverso metodi complementari: elettroerosione a filo per profili, elettroerosione a tuffo per cavità ed elettroerosione a foratura per fori profondi.

Grazie alle conoscenze acquisite nei nostri articoli, sarai in grado di prendere decisioni consapevoli nella scelta dell'EDM per migliorare la qualità dei componenti e la competitività nella produzione avanzata!

Domande frequenti

L'elettroerosione è adatta solo ai metalli? Posso usarla anche su materiali morbidi e non temprati?

Non esattamente. Per definizione, l'EDM è adatta esclusivamente a materiali elettricamente conduttivi, escludendo isolanti come plastica, vetro e ceramiche tradizionali o materiali compositi. Tuttavia, anche materiali come grafite, carburi di silicio, diboruro di titanio e alcuni compositi polimerici sono elettricamente conduttivi. Nonostante siano una nicchia dell'EDM, possono essere lavorati anche con il metodo di lavorazione meccanica.

Inoltre, se i materiali teneri in questione sono metalli teneri come l'alluminio o l'acciaio dolce, l'elettroerosione è assolutamente fattibile, nonostante sia comunemente utilizzata su materiali più duri. Il problema è che i metodi di lavorazione tradizionali sono spesso più rapidi ed economici, a meno che la geometria non sia estremamente complessa o delicata.

In che modo le dimensioni dei pezzi limitano l'EDM?

Ogni tipo di EDM presenta vincoli dimensionali intrinseci. Le EDM a filo sono limitate dalla loro escursione e dalle dimensioni della vasca. Le EDM a tuffo sono vincolate dalla capacità della vasca di lavoro e dalla capacità di peso dell'elettrodo. Per componenti molto grandi, come l'elica di una nave, sarebbero necessarie macchine EDM dedicate e di grandi dimensioni.

Cosa causa il recast layer ed è sempre un problema?

Lo strato rifuso è un sottile strato di materiale risolidificato, fuso ma non rimosso dal fluido dielettrico. Sebbene tutte le lavorazioni EDM lo creino, la sua importanza dipende dall'applicazione. Per molti stampi e utensili, è irrilevante o può essere rimosso mediante trattamento superficialePer i componenti aerospaziali sottoposti a forti sollecitazioni e soggetti a fatica, si tratta di un fattore critico che deve essere ridotto al minimo o eliminato.

L'EDM è considerato un processo lento?

L'elettroerosione non è generalmente un processo ad alta velocità per la rimozione di materiale in grandi quantità rispetto alla lavorazione convenzionale. Il suo valore risiede nella capacità di eseguire lavorazioni di precisione, non nella velocità pura e semplice. La velocità "effettiva" è elevata se si considera che può eliminare più fasi (ad esempio, sgrossatura, trattamento termico, finitura) e produrre un pezzo finito da un grezzo temprato in un'unica configurazione.