Como funciona a usinagem EDM? Física de Spark Gap, Dielétrico e Descarga

Um canto interno de 0,3 mm na parte inferior de uma pastilha de matriz 58 HRC H13 é o ponto onde o fresamento deixa de ser uma opção. O raio do canto é menor do que qualquer fresa prática, o material matará uma ponta de metal duro em uma única passagem e o recurso fica muito profundo para ser alcançado por um porta-ferramenta. Esse é o trabalho para o qual a usinagem por descarga elétrica foi construída.

A resposta curta sobre como funciona a usinagem Música eletrônica: ela remove metal com faíscas elétricas controladas em vez de força de corte. Um eletrodo moldado é alimentado em direção à peça de trabalho através de um banho de fluido dielétrico, uma tensão pulsada quebra o fluido através de uma lacuna de alguns centésimos de milímetro e cada descarga derrete e vaporiza uma cratera microscópica de metal. O eletrodo nunca toca a peça.

Como o material é removido termicamente em vez de mecanicamente, a dureza da peça deixa de ser importante e a condutividade elétrica torna-se um requisito. O que se segue é o mecanismo em detalhes, os sistemas que o mantêm estável e os números práticos que decidem se o EDM é o processo certo para um determinado recurso.

O que realmente acontece no Spark Gap

A lacuna é todo o processo. No acabamento, normalmente tem 0,01 a 0,05 mm de diâmetro; em desbaste pesado pode abrir até aproximadamente 0,1 mm. Esse espaço é preenchido com fluido dielétrico, que isola o eletrodo da peça de trabalho até que o gerador decida o contrário.

Quando um pulso é aplicado, a tensão aumenta até que o fluido não consiga mais retê-la. Um canal de plasma se forma no ponto mais estreito da lacuna, a corrente flui e a temperatura local atinge cerca de 8.000 a 12.000 graus Celsius, quente o suficiente para derreter e vaporizar parcialmente a superfície da peça. O pulso dura microssegundos. Quando desligado, o canal entra em colapso, a poça derretida implode e joga a maior parte de seu material no fluido, e o dielétrico carrega os detritos embora.

Então acontece de novo. Dependendo do gerador, uma máquina pode produzir de alguns milhares a várias centenas de milhares de descargas por segundo, cada uma escavando uma cratera com alguns mícrons de profundidade. O sistema servo alimenta o eletrodo para frente para manter a folga constante: muito perto e a descarga se transforma em um arco prejudicial, muito longe e nenhuma faísca se forma.

Um detalhe surpreende as pessoas. Em uma máquina de punção, o eletrodo é um bloco moldado de cobre ou grafite; em uma máquina de arame, é um fio de latão em movimento. A física é compartilhada, as ferramentas e as aplicações não, e vale a pena acertar a diferença antes de especificar uma máquina. Uma comparação de EDM de chumbada vs EDM de fio cobre onde cada um ganha seu sustento.

Os sistemas que mantêm a descarga estável

Cada máquina EDM, desde um ZNC manual até um deslocador totalmente programável, é montada a partir dos mesmos blocos de construção. Se um deles for superado, os outros não poderão compensar.

Um ciclo de descarga, passo a passo

Seguir um único pulso facilita a leitura do comportamento na tela de controle.

1. O servo avança o eletrodo até que a lacuna tenha aproximadamente a largura de um fio de cabelo humano.
2. O gerador aumenta a tensão no intervalo; o dielétrico o retém até a quebra.
3. Um canal de plasma se forma e a corrente aumenta em microssegundos até o valor de pico programado.
4. A superfície sob o canal derrete e vaporiza parcialmente, deixando uma cratera.
5. O pulso termina, o canal entra em colapso e a cratera implode, ejetando metal derretido no fluido.
6. A lavagem transporta os detritos para fora e o dielétrico fresco flui para dentro.
7. As etapas dois a seis são repetidas milhares de vezes por segundo enquanto o CNC orbita o eletrodo para varrer a cavidade.

A dureza é irrelevante, a condutividade não é

Sem nenhuma força de corte envolvida, a EDM usina uma matriz de aço 62 HRC, metal duro e Inconel com o mesmo eletrodo e o mesmo acessório. Não há deflexão da ferramenta, não há endurecimento por trabalho, não há trepidação e as nervuras finas não se flexionam para longe do corte. O único requisito difícil é que a peça de trabalho conduza eletricidade.

O material do eletrodo segue a lógica oposta. O cobre retém detalhes finos e desgasta-se lentamente em correntes baixas, razão pela qual domina o trabalho de acabamento em cavidades detalhadas. A grafite remove mais material por minuto em alta corrente e é muito mais fácil de usinar em formas grandes e complexas, mas deixa uma superfície mais grosseira e se desgasta mais rapidamente nas arestas vivas que definem uma cavidade.

O desgaste dos cantos é o detalhe que silenciosamente custa dinheiro. Um eletrodo se desgasta nos cantos várias vezes mais rápido do que nas faces planas, de modo que uma cavidade que mede corretamente na primeira passagem sai da tolerância à medida que o eletrodo se arredonda. É por isso que os eletrodos são cortados em tamanho menor para permitir o centelhador e a tolerância ao desgaste, e é por isso que um segundo eletrodo de acabamento costuma ser mais barato do que um molde sucateado.

Do áspero ao espelhado: como cada passagem muda o acabamento

Nenhuma cavidade é usinada em uma única passagem. O primeiro eletrodo faz a remoção pesada com alta corrente e longos períodos de descarga, deixando uma superfície fosca e esburacada. Passagens posteriores usam o mesmo eletrodo com corrente progressivamente mais baixa e tempo de ativação mais curto, de modo que cada faísca esculpe uma cratera mais rasa no topo da anterior e a rugosidade diminui passo a passo.

Seguem-se duas consequências. Primeiro, a taxa de remoção diminui à medida que o acabamento melhora, de modo que um acabamento espelhado em uma cavidade grande leva horas em vez de minutos e tem um preço correspondente. Em segundo lugar, os passes finais têm que remover a camada danificada deixada pelos passes anteriores: a camada reformulada ou branca tem normalmente alguns mícrons a algumas dezenas de mícrons de espessura e, em uma matriz que será polida, ela deve sair em vez de ser empurrada.

A sequência que a maioria das ferramentas usa é de três a cinco passes com corrente decrescente, terminando um grau mais fino do que o exigido pelo desenho se a cavidade for polida manualmente posteriormente.

Onde o EDM ganha e onde perde

O EDM é lento na remoção em massa e imbatível nos detalhes. A seleção do processo geralmente se resume a uma pequena lista de critérios.

A regra que a maioria das oficinas de ferramentas segue é simples: fresar tudo o que uma fresa pode alcançar e depois queimar o que sobrar, cantos, nervuras profundas, arestas internas afiadas e qualquer característica em aço temperado.

ZNC, PNC e CNC: o que o nível de controle compra para você

A diferença de preço entre as máquinas EDM está no sistema de controle, não no tanque. Uma máquina ZNC possui servocontrole apenas no eixo Z: X e Y são posicionados manualmente e cada passagem é uma simples alimentação descendente com retração. É barato, robusto e ainda é a resposta certa para trabalhos em cavidade única com eletrodo moldado.

Uma máquina PNC adiciona ciclos programáveis ​​do eixo Z, retração em vários estágios e profundidades armazenadas, o que reduz a configuração e melhora a descarga em trabalhos mais profundos. Full CNC adiciona servo controle em X, Y e frequentemente em C, para que o eletrodo possa orbitar, varrer e espiralar. O mesmo eletrodo corta tamanhos diferentes alterando o raio da órbita, a lavagem pode ser reposicionada automaticamente e várias cavidades funcionam sem supervisão.

Em toda a linha, esses três níveis de controle são divididos tanto pelo tamanho da mesa de trabalho quanto pela eletrônica, e o máquinas EDM de afundamento estão agrupados exatamente nessas linhas.

Um exemplo compacto de extremidade totalmente programável é a CNC-450, uma máquina de mesa pequena que ainda realiza acabamento orbital e multipasse, o que normalmente é suficiente para trabalhos de inserção e pequenos moldes multicavidades.

Máquina de afundamento CNC 450 EDM EDM de chumbada compacta controlada por CNC com caixa servoelétrica Panasonic opcional, apresentada para trabalhos de inserção e pequenos moldes com múltiplas cavidades. Ver Produto →

Combinando a máquina com o trabalho, e não o contrário

Três números decidem se um trabalho cotado realmente se ajusta: deslocamento da mesa de trabalho, dimensões do tanque de trabalho e peso máximo do eletrodo. O deslocamento define a maior cavidade que você pode posicionar, o tanque define a maior peça de trabalho que você pode submergir e o peso do eletrodo define o peso da peça bruta de grafite que o cabeçote pode carregar sem perder o controle de folga.

A corrente áspera é a segunda armadilha. Um gerador grande em uma máquina pequena não é uma vantagem. O desbaste pesado com um eletrodo grande precisa de um volume de lavagem que um tanque compacto não pode fornecer, então a máquina acaba funcionando bem abaixo de sua corrente nominal para evitar arcos, o que significa que você pagou por uma capacidade que não pode usar.

Na prática, uma máquina de tamanho médio cobre a maior parte do trabalho de moldagem: o CNC-650, por exemplo, combina uma mesa e um tanque maiores com um gerador dimensionado para combiná-los, que é a configuração que mantém a corrente de desbaste, a lavagem e a resposta do servo em equilíbrio.

Máquina de afundamento CNC 650 EDM EDM por imersão CNC de tamanho médio com caixa servoelétrica Panasonic opcional, equilibrando corrente de desbaste, lavagem e resposta servo para trabalho de placa de molde. Ver Produto →

Cavidades Profundas e Moldes Grandes: O Verdadeiro Limite

Cavidades profundas expõem o verdadeiro limite da EDM, que é a evacuação de detritos. À medida que a profundidade aumenta, a área de descarga diminui em relação ao volume do intervalo, as partículas de carbono permanecem presas e a descarga torna-se instável, independentemente da configuração do gerador. A lavagem através do eletrodo, a retração periódica do eletrodo e a execução de menos corrente do que a máquina pode teoricamente fornecer são as contramedidas padrão.

Em trabalhos grandes, como bases de moldes, blocos de matrizes e nervuras profundas, o teto prático é definido pelo deslocamento Z, tamanho do tanque e rigidez da máquina, e não pela corrente de pico, portanto, as máquinas desta classe são especificadas em torno da estrutura e da logística de descarga. Um modelo como o CNC-1260, com mesa e tanque substancialmente maiores, existe exatamente para essa classe de trabalho.

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Usinagem EDM: Perguntas Frequentes