Introducción al Mecanizado por Electroerosión

El mecanizado por electroerosión, o por descarga eléctrica, es un proceso de mecanizado por arranque de viruta para materiales conductores de la electricidad que emplea chispas controladas con precisión producidas entre un electrodo, generalmente de grafito -que puede considerarse como la herramienta de corte– y una pieza de trabajo, en presencia de un fluido dieléctrico.

El origen del mecanizado por electroerosión se remonta a mediados del siglo XVIII, cuando se descubrió el efecto erosivo de las descargas eléctricas. Casi 200 años después y en plena Segunda Guerra Mundial, los científicos soviéticos B. y N. Lazarenko aprovecharon ese efecto con el objeto de desarrollar un proceso controlado para el mecanizado de aquellos materiales que fueran conductores. Con esa idea nació el proceso de electroerosión en 1943. Los Lazarenko perfeccionaron dicho proceso y diseñaron un circuito que llevaba su nombre y que consistía en una sucesión de descargas que se producían entre dos conductores separados entre sí por una película de líquido no conductor llamado dieléctrico. Hoy en día, muchas máquinas de electroerosión utilizan una versión avanzada del circuito Lazarenko.

La electroerosión se diferencia de la mayoría de las operaciones de mecanizado por arranque de viruta
en que el electrodo extrae el material sin tener contacto físico con la pieza de trabajo. Esta característica elimina la fuerza propia de la herramienta que se ejerce, por ejemplo, con una fresadora o una rectificadora y, por tal razón, con la electroerosión se pueden producir formas que romperían las herramientas de corte convencionales o que estas podrían romper.

Fundamento

La electroerosión es un proceso de mecanizado que emplea energía térmica, es decir, el material se extrae por calor, el cual es introducido en forma de chispa por el flujo eléctrico entre el electrodo y la pieza de trabajo.

¿Cómo sucede todo esto? Veamos primeramente los componentes esenciales del proceso en la figura siguiente.

Mecanizado por Electroerosión

Una fuente de alimentación pulsada controla el tiempo y la intensidad de las cargas eléctricas, así como el movimiento del electrodo en relación con la pieza de trabajo. Para que se pueda formar una chispa, el electrodo debe estar siempre separado de la pieza por una cierta distancia. Esta distancia, conocida como distancia de chispeo, sobrecorte o más sencillamente, del inglés, «gap», se mantiene gracias a un fluido dieléctrico que, dependiendo del tipo de máquina empleada para la electroerosión, puede ser parafina, aceites minerales ligeros o agua desionizada.

El fluido dieléctrico se comporta como aislante hasta que se aplica el voltaje suficiente para transformarlo en conductor. Como la superficie tanto del electrodo como de la pieza contiene pequeñas irregularidades, el campo eléctrico generado entre los puntos más cercanos entre el electrodo y la pieza es más intenso y, por lo tanto, se establece una descarga entre ambos puntos, tal como vemos en la figura siguiente.

Mecanizado por Electroerosión

Bajo el efecto de este campo eléctrico, los electrones y los iones libres positivos se aceleran a altas velocidades y rápidamente forman una columna ionizada de fluido dieléctrico que conduce la electricidad. En esta etapa, la corriente puede fluir y entre el electrodo y la pieza se forma una chispa, provocando una gran cantidad de colisiones entre las partículas.

Durante este proceso se forma una burbuja de gas, cuya presión se eleva constantemente hasta originar una zona de plasma. La zona de plasma alcanza rápidamente temperaturas muy altas, entre los 8.000 y 12.000 ºC, debido al efecto cada vez mayor de la cantidad de colisiones. Esto provoca la vaporización local instantánea de una cierta cantidad de material en la superficie del electrodo y en la de la pieza.

Cuando la chispa se apaga, el fluido dieléctrico se desioniza, vuelve a ser aislante y la reducción repentina de la temperatura provoca la implosión de la burbuja de gas, lo que desprende material vaporizado de la pieza, formando una nube en el dieléctrico y dejando un pequeño cráter sobre la superficie erosionada de la pieza (de ahí el nombre electroerosión).

Esa nube suspendida en el dieléctrico se enfría, solidifica en forma de pequeñas esferas denominadas viruta de electroerosión y es extraída del área de formación de chispas por el mismo flujo del dieléctrico. El proceso en que el fluido dieléctrico se transforma de aislante a conductor y retorna nuevamente a aislante se repite para cada chispa formada y, por lo tanto, es sumamente dinámico. En la figura siguiente observamos tres instancias de este proceso.

Mecanizado por Electroerosión

Resumiendo, el fluido dieléctrico cumple funciones muy importantes en el proceso de electroerosión, que son:

• Controlar el espaciado del “gap” entre el electrodo y la pieza.
• Enfriar el material calentado para formar la viruta de electroerosión.
• Extraer las virutas de electroerosión de la zona de chispeo.

Aplicaciones y generalidades

La electroerosión se utiliza para producir piezas muy pequeñas y precisas, así como grandes piezas tales como matrices de estampado para automóviles y componentes para el fuselaje de aviones. Todos los materiales que se someten a mecanizado por electroerosión deben ser eléctricamente conductores o semiconductores, sin zonas de corte no conductoras. Estos materiales incluyen aceros endurecidos y con tratamiento térmico, carburo, diamante policristalino, titanio, aceros laminados en caliente y en frío, cobre, bronce y aleaciones de altas temperaturas.

Son muchas las ventajas que reúne el mecanizado por electroerosión, entre las que podemos citar:

• Es un proceso sin contacto que no genera vibración ni fuerzas de corte, lo que permite la producción de piezas muy pequeñas, frágiles y de formas complejas.
• Se pueden obtener tolerancias más estrictas, detalles intrincados y acabados de calidad superior en una amplia gama de materiales que son difíciles o imposibles de fabricar con los procesos tradicionales.
• Se producen bordes sin rebabas.
• Se pueden trabajar metales muy duros porque el proceso vaporiza el metal en lugar de cortarlo.
• Pueden mecanizarse materiales explosivos o inflamables, porque el proceso tiene lugar dentro de un fluido.
• Las máquinas electroerosionadoras dotadas de una función de conocimiento de proceso permiten producir piezas complejas con una mínima intervención del operador.

Como todo proceso de fabricación, la electroerosión también presenta algunas desventajas o limitaciones, por ejemplo:

• No puede aplicarse en materiales no conductores.
• Posee bajas tasas de remoción del metal en comparación con métodos tradicionales del mecanizado por arranque de viruta.
• Se requiere un tiempo de elaboración para producir formas específicas de electrodos de grafito. Además, el grafito es un material frágil, por lo que la manipulación de los electrodos debe ser muy cuidadosa.
• Después del proceso suele quedar una capa superficial de metal fundido, frágil y de extrema dureza, que debe eliminarse en las piezas que requieran resistencia a la fatiga.
• EI acabado superficial rugoso no es perfecto, ya que es más rugoso sobre las caras planas que sobre Ias paredes verticales.

Existen tres tipos principales de mecanizado por electroerosión, como así también diversos tipos de máquinas, los cuales están desarrollados dentro de la categoría Máquinas.