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Estudio experimental de las condiciones eléctricas en el proceso de electroerosión por penetración

Un proceso más complejo de lo esperado

J.L. Diéguez, J.A.G. Barbeito, J.M. Juncal, A. Pereira.Área Ing. Procesos de Fabricación EUITI - Universidad de Vigo15/03/2003

¿Cómo actúa el mecanismo de arranque en la electroerosión? miembros del área de ingeniería de procesos de fabricación de la Universidad de Vigo se hicieron esta misma pregunta y para responderla estudiaron el proceso empleando una curva de corriente y tensión completamente cuadrada. Los resultados no son tan regulares y cíclicos como cabría esperar.

El presente trabajo pretende conocer en mayor profundidad el mecanismo de arranque de material en los procesos de electroerosión por penetración.

Se ha empleado una máquina de desprendimiento electroerosivo de material por penetración que posee un generador transistorizado con alta tensión de encendido y con frecuencia de descargas constante.

En esta máquina se puede disponer un tiempo de impulso (ti), un tiempo de pausa (tp) y un tiempo td, llamado tiempo de retardo de encendido es el tiempo que necesita el generador para cebar la descarga después de haber ionizado el dieléctrico.

Estos tiempos hace que teóricamente cómo reflejan los manuales, se obtenga una curva de tensión y corriente completamente cuadrada. Esto sería el comportamiento teórico del generador, pero que no refleja fielmente lo que sucede en el proceso erosivo.

Comportamiento teórico del generador de impulsos.

Si se realiza una representación gráfica de los valores de la tensión e intensidad a lo largo del tiempo se espera poder obtener unas curvas de variación de estos dos factores primordiales en el proceso, cuando empleamos generadores de impulsos transistorizados, de la forma que se puede observar en la figura 1.

Figura 1

En estos esquemas existe un tiempo de duración de un impulso de tensión (ti), un tiempo de descanso o pausa (to) que sumados nos dan el tiempo de periodo (tp). El tiempo de descarga (tf) dentro de un impulso se ve reducido por la existencia de un tiempo de establecimiento del arco (td).

En estas condiciones este esquema se puede ver alterado de dos formas. La primera es por el deseo de mantener impulsos de igual valor energético, por lo tanto de igual tiempo de descarga. Al ser diferente, según las condiciones de establecimiento del arco, el tiempo de retardo de descarga o establecimiento del arco, se producen descargas a diferente frecuencia. La segunda manera de alterarse la anterior gráfica es lanzar impulsos a iguales períodos de tiempo, con lo cual según varíe td, se producirá en cada uno de los impulsos diferente arranque de material.

Condiciones experimentales de trabajo.

Para la realización de este trabajo, se ha empleado un máquina de electroerosión por penetración de la marca ONA, modelo Compact 2. Este modelo de máquina dispone de controles separados de todos los parámetros que influyen en el proceso de eliminación de material en el frontal de la máquina mediante accionamiento manual de potenciómetros y pulsadores que hacen variar los valores del parámetro correspondiente, y cuyo valor se observa en escalas graduadas e indicadores luminosos respectivamente.

Al ser esta una máquina de desprendimiento de partes de la pieza a variar su forma, mediante el empleo de un electrodo-útil, que se traslada por penetración en la dirección de avance, este dejará la impronta de una determinada forma sobre la pieza a tratar, siendo así esta forma uno de los parámetros a tener en cuenta, y que hemos fijado en este estudio, como se observa en la figura 2.

Figura 2

En la realización de este trabajo se ha optado por un electrodo de fondo plano y paredes cilíndricas de 20 mm de diámetro con un orificio de 4 mm por su interior por el que se ha podido realizar la limpieza, tanto por aspiración como por presión, del intersticio que es necesario que exista entre electrodo y pieza para que se establezca el arco eléctrico. El material de dicho electrodo ha sido cobre electrolítico.

Con el electrodo descrito, si tenemos en cuenta la máxima densidad de corriente recomendada por el fabricante para el proceso que es de 0,1 A/mm2, se pueden emplear el mencionado electrodo para condiciones eléctricas que exijan intensidades de menos de 30 A.

Para las realizaciones de las medidas aquí expuestas se ha empleado un osciloscopio digital Tek TDS720P de las siguientes características técnicas:

Ancho de banda: 200 MHz.
Disparo por señales: PWM.
Frecuencia de muestreo ajustable hasta 500 MS/s.
Medida de armónicos hasta 31º (1550 Hz)
Medidas realizadas en dos canales digitales aislados: una sonda de tensión P5102 (atenuación 10 y 1kV máximo) y una sonda de corriente por efecto Hall A622 (cc/ca 0 a 50 KHz)
Software de captación Wave Star v.11.2.

Este se ha colocado realizando las medidas directas de tensión entre electrodo-útil y pieza, y de intensidad mediante pinza amperimétrica que abraza al conductor que traslada la corriente eléctrica de la descarga al electrodo. El montaje sobre máquina se observa en la fotografía mostrada como figura 3.

Figura 3

Las pruebas que se han efectuado para evaluar el comportamiento dinámico se han ejecutado a cinco niveles diferentes de los factores principales, que conforman diferentes condiciones de arranque de material, a saber:

Las probetas a erosionar son de acero para moldes (F1272), y al ser el material del electrodo cobre la tensión empleada como voltaje de cebado para las descargas es de 200 V, según las recomendaciones de funcionamiento de la máquina.

Además se ha realizado la comparación del proceso, en tres condiciones de limpieza local de la zona trabajada. Esto es: con presión por lanza externa, con presión por el interior del electrodo, y con aspiración.

El resto de los factores como son el gap, la sensibilidad a cortocircuitos, la velocidad de desplazamiento del cabezal, así como la presión del dieléctrico, se ajustarán para que la tensión e intensidad se mantengan en los niveles establecidos.

Resultados experimentales

Como ya se ha expuesto, lo que se pretende exponer resumidamente en este trabajo son los resultados experimentales que se han obtenido de las capturas con osciloscopio de los valores dinámicos de corriente y tensión, en diferentes condiciones de arranque de material. Para ello se han seleccionado tres de los diferentes experiencias realizadas.

La primera de las experiencias expuesta en la figura 4 se corresponde con uno de los casos en los que se emplearon unos tiempos de impulso y pausa de 200 µs y 20 µs respectivamente, una intensidad del generador de 7,7 A, lo que se corresponde con el nivel 5 de los expuestos. La limpieza se realizó por lanza externa.

Como se observa los ciclos representados son de extremada regularidad, estado resaltados los principales tiempos. Es de reseñar que desde que se produce una pausa hasta que se restablece el paso de corriente, aparecen pausas suma de los tiempos de pausa y retardo de establecimiento del arco.

Figura 4

Nivel	ti (µs)	to (µs)	Intensidad (A)	Vw (mm3/min)
1	1000	100	24	152
2	600	60	18	102
3	400	40	14	62
4	200	20	10	43

En la actualidad se está trabajando en la obtención de series más largas de captura mediante tarjeta de adquisición de datos de National Instrument

Igualmente se puede ver como existe un tiempo de estabilización en la curva de intensidad, desde que se da la orden de encendido del arco (mediante un pico de tensión de 200 V) hasta que alcanza su valor máximo por lo que la curva no es cuadrada sino que posee ligeras rampas.

El segundo ejemplo seleccionado (figura 5) se corresponde a unas condiciones de nivel 2 de las establecidas.

Figura 5

Lo más destacable de este ejemplo es el exagerado tiempo de establecimiento del arco que se produce en el primer y último ciclo, lo cual puede ser debido a problemas coyunturales en esos ciclos de limpieza del intersticio entre pieza y electrodo. En este caso la limpieza se realizaba por aspiración a través de electrodo.

El último ejemplo expuesto (figura 6) se corresponde al nivel 1 de los descritos y a limpieza por presión a través de electrodo.

Este ejemplo es el caso contrario del anterior, en el que se observan tiempos de establecimiento de arco muy pequeños, salvo en un ciclo, lo que repercute en la homogeneidad de los ciclos descritos.

Figura 6

Conclusiones y líneaS futuras de trabajo

El proceso de electroerosión por penetración que clásicamente se describe por unos tiempos y valores de parámetros eléctricos constantes es de una complejidad mayor a la esperada, que lo hace variable en el tiempo, pudiendo contribuir el presente trabajo a su mayor conocimiento.

Los primeros resultados que se pueden observar de la captura de las variaciones de intensidad y tensión eléctricas es la constatación de que el proceso que se produce en el momento de la descarga eléctrica no es un proceso perfectamente cíclico ni de valores que se puedan describir por ondas tan estrictamente cuadradas.

En la actualidad se está trabajando en la obtención de series más largas de captura mediante tarjeta de adquisición de datos de National Instrument, controlada en entorno LabView, y se está realizando la necesaria calibración y puesta a punto de las medida