L'elettroerosione (EDM) è un metodo utilizzato per modellare i componenti rimuovendo il metallo tramite erosione. Questa erosione è causata dall'altissima temperatura generata istantaneamente da una scarica a impulsi che si verifica tra un elettrodo dell'utensile e un elettrodo del pezzo in lavorazione.
Il diagramma illustra il principio di funzionamento di un'elettroerosione a filo (EDM). I due poli di un generatore di impulsi sono collegati rispettivamente all'elettrodo dell'utensile e al pezzo in lavorazione. Quando i due poli vengono avvicinati all'interno del fluido di lavoro, la tensione ai capi dell'intercapedine rompe il fluido, creando una scarica di scintille. Questa scarica genera istantaneamente un'enorme quantità di calore nel canale di scarica, raggiungendo temperature molto elevate (oltre 10,000 °C). Questo calore intenso provoca la fusione o addirittura la vaporizzazione di minuscole aree localizzate del pezzo e delle superfici dell'utensile, con conseguente erosione che lascia un minuscolo cratere.
Poiché questo processo di scarica si ripete più volte, la superficie del pezzo viene ricoperta da innumerevoli crateri molto piccoli. L'elettrodo viene continuamente alimentato verso il basso e il contorno dell'elettrodo dell'utensile viene sostanzialmente replicato sul pezzo, completando la lavorazione del pezzo.
Componenti di una macchina EDM
Una macchina EDM è composta da un alimentatore a impulsi, un sistema di controllo automatico dell'avanzamento, il corpo macchina (la struttura principale) e un sistema di circolazione e filtraggio del fluido di lavoro.
Alimentatore a impulsi
Il ruolo dell'alimentatore a impulsi è quello di convertire la corrente alternata standard a 50 Hz in energia pulsata ad alta frequenza. Questa energia viene applicata all'elettrodo dell'utensile e al pezzo in lavorazione per fornire l'energia necessaria per la scarica elettrica. Il generatore di impulsi mostrato nel diagramma è di tipo fondamentale, composto da un resistore (R) e un condensatore (C). Una sorgente di alimentazione a corrente continua (E) carica il condensatore (C) attraverso il resistore (R). All'aumentare della tensione ai capi del condensatore, questa raggiunge un limite specifico in cui la distanza tra l'elettrodo dell'utensile (catodo) e il pezzo in lavorazione (anodo) si interrompe, dando luogo a una scarica a scintilla. Durante la scarica, il condensatore rilascia l'energia immagazzinata, la tensione tra gli elettrodi diminuisce improvvisamente e il fluido di lavoro riacquista le sue proprietà isolanti. L'alimentatore inizia quindi immediatamente a ricaricare il condensatore. Questo ciclo si ripete continuamente, generando da migliaia a decine di scariche a impulsi al secondo.
L'EDM deve utilizzare la scarica a impulsi. Durante l'intervallo di impulsi tra ogni scarica, il mezzo liquido tra gli elettrodi deve avere tempo sufficiente per ripristinare il suo stato isolante. Questo è essenziale affinché l'impulso successivo interrompa lo spazio e scarichi in un punto diverso, relativamente più vicino, impedendo la scarica continua nello stesso punto, che formerebbe un arco elettrico stabile. Un arco elettrico stabile dura troppo a lungo, crea uno strato fuso più profondo e provocherebbe solo saldatura o taglio, rendendo impossibile ottenere la precisione e la finitura liscia necessarie per la lavorazione dimensionale.
Nel processo EDM, sia il pezzo in lavorazione che l'elettrodo dell'utensile vengono erosi. Tuttavia, la velocità di erosione è diversa tra l'anodo (collegato al terminale positivo) e il catodo (collegato al terminale negativo). Questo fenomeno è chiamato "effetto polo". Per ridurre l'usura dell'elettrodo dell'utensile e migliorare la precisione di lavorazione e l'efficienza produttiva, è sempre auspicabile massimizzare l'effetto polo: il pezzo dovrebbe erodersi il più velocemente possibile e l'utensile il più lentamente possibile. Pertanto, un alimentatore a impulsi CC è la scelta obbligata per l'EDM. Se si utilizzasse un alimentatore a impulsi CA, la polarità del pezzo in lavorazione e dell'utensile cambierebbe costantemente, azzerando l'effetto polo totale. L'effetto polo è in genere correlato a fattori come la durata dell'impulso, il materiale dell'elettrodo e l'energia di un singolo impulso, che insieme determinano la selezione ottimale della polarità per un dato lavoro.
Sistema di controllo automatico dell'alimentazione
Il sistema di controllo automatico dell'avanzamento regola la velocità di avanzamento dell'elettrodo dell'utensile per mantenere la distanza di scarica richiesta tra l'utensile e il pezzo in lavorazione, garantendo il corretto funzionamento del processo di scarica a impulsi.
Corpo macchina
Il corpo macchina è il dispositivo meccanico utilizzato per bloccare, fissare e spostare l'elettrodo dell'utensile e il pezzo in lavorazione.
Sistema di circolazione e filtrazione del fluido di lavoro
Il sistema di circolazione e filtraggio del fluido di lavoro spinge il fluido di lavoro pulito attraverso lo spazio tra l'elettrodo dell'utensile e il pezzo in lavorazione sotto pressione. Questo rimuove rapidamente le particelle erose e quindi filtra il fluido per un riutilizzo continuo. Il cherosene o l'olio per macchine sono i fluidi di lavoro più comunemente utilizzati oggi.
Le macchine per elettroerosione sono disponibili in un'ampia gamma di prodotti. In base al metodo di lavorazione, possono essere classificate in due tipologie principali:
- Elettroerosione a tuffo (Die Sinking EDM): questa macchina utilizza un elettrodo utensile di forma speciale per lavorare le caratteristiche corrispondenti su un componente. L'elettroerosione a tuffo è un processo di produzione che sfrutta l'effetto elettroerosivo delle scariche pulsate tra un elettrodo utensile e un elettrodo del pezzo in lavorazione all'interno di uno specifico mezzo dielettrico. L'elettrodo utensile è in genere un elettrodo sagomato in rame elettrolitico o grafite, che può essere fabbricato in qualsiasi geometria desiderata. La forma risultante lavorata nel pezzo in lavorazione è la corrispondente cavità negativa.
- EDM a filo (Wire-Cut EDM): questa macchina utilizza un elettrodo a filo per lavorare profili bidimensionali su un pezzo. L'elettroerosione a filo o WEDM si basa sul principio fondamentale dell'utilizzo di un sottile filo metallico in continuo movimento (elettrodo a filo) per rimuovere il metallo e modellare il pezzo tramite scariche elettriche pulsate.
- Il processo è generalmente suddiviso in elettroerosione a filo a bassa velocità ed elettroerosione a filo ad alta velocità. In genere, utilizza elettrodi a filo con diametri compresi tra 0.1 mm e 0.3 mm per lavorare componenti con superfici rigate passanti, come punzoni o cavità di matrici.
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L'elettroerosione a filo taglia un componente utilizzando l'erosione elettrica creata da una scarica a impulsi tra un filo metallico in continuo movimento (l'elettrodo dell'utensile) e il pezzo in lavorazione. Il filo dell'elettrodo utilizzato per il taglio a filo è molto sottile (tipicamente con un diametro compreso tra 0.04 mm e 0.25 mm) ed è realizzato in molibdeno, tungsteno o rame. Questo processo può offrire un elevato livello di precisione, con tolleranze fino a ±0.005 mm e una rugosità superficiale (Ra) compresa tra 3.2 μm e 1.6 μm. È in grado di lavorare cavità precise, strette e complesse e viene utilizzato nella produzione di stampi e utensili di formatura.
Lo schema mostra un dispositivo per elettroerosione a filo. La bobina di filo alterna il senso di rotazione per alimentare il filo. L'alimentatore a impulsi fornisce l'energia di lavorazione, provocando scariche elettriche tra il filo in continuo movimento e il pezzo. Il tavolo di lavoro CNC che sostiene il pezzo può muoversi indipendentemente lungo gli assi X e Y, che vengono combinati per creare diversi percorsi di movimento e lavorare il pezzo nella forma desiderata.
Rispetto all'elettroerosione a tuffo, l'elettroerosione a filo non richiede un elettrodo specifico. Inoltre, il filo metallico, che funge da elettrodo, è in continuo movimento durante la lavorazione, con conseguente usura praticamente nulla. A parità di pezzo lavorato, la quantità totale di materiale asportato dall'elettroerosione a filo è inferiore rispetto all'elettroerosione a tuffo standard, il che si traduce in un'efficienza produttiva molto più elevata, consentendo alla macchina di funzionare con una potenza inferiore.
Caratteristiche e applicazioni dell'EDM
L'elettroerosione è adatta alla lavorazione di materiali metallici che siano buoni conduttori elettrici, indipendentemente dalla resistenza, durezza, tenacità o punto di fusione del materiale. Questo la rende un metodo efficace per la lavorazione di materiali difficili da lavorare con i metodi di produzione tradizionali, come l'acciaio resistente al calore, l'acciaio temprato e il carburo cementato.
Poiché non vi è alcun contatto diretto tra l'utensile e il pezzo in lavorazione durante il processo, non si verificano forze di taglio. Ciò significa che l'elettrodo dell'utensile può essere realizzato con materiali più morbidi come rame puro o grafite. Consente inoltre la lavorazione di componenti con pareti sottili, piccoli fori e scanalature strette senza il rischio che la rigidità dell'utensile o del pezzo in lavorazione sia insufficiente per l'operazione. Inoltre, può essere utilizzato per la lavorazione in un'unica fase di cavità complesse e superfici curve tridimensionali, senza il timore che un'ampia area di lavorazione comporti forze di taglio eccessive.
Nel servizio di elettroerosione, un insieme di parametri elettrici regolati, come tensione, corrente, frequenza e larghezza di impulso, è chiamato specifica di lavorazione. Queste specifiche sono divise in due tipologie: sgrossatura e finitura, per soddisfare le diverse esigenze di lavorazione. La selezione della specifica di lavorazione è strettamente correlata alla precisione dimensionale richiesta e alla rugosità superficiale del pezzo. Generalmente, l'errore dimensionale per la foratura utilizzando la specifica di finitura può essere basso fino a 0.05 mm e circa 0.1 mm per la lavorazione di cavità, con un valore di rugosità superficiale (Ra) compreso tra 3.2 μm e 0.8 μm. L'elettroerosione ha una gamma molto ampia di applicazioni, tra cui:
- Lavorazione di vari tipi di fori, come fori per matrici di punzonatura, matrici per trafilatura e filiere.
- Lavorazione di cavità curve tridimensionali, come le cavità negli stampi per forgiatura, negli stampi per pressofusione e negli stampi per plastica.
- Esecuzione di taglio, sezionamento, rinforzo superficiale, incisione e marcatura di targhette e cartellini.
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