¿Cuándo debería usarse el electroerosionado?

En la versión de 1995 de este artículo, sugerí que el electroerosionado o mecanizado por descarga eléctrica (Electric Discharge Machining), podría también representar Mecanizado de Exactitud Difícil (Exact Difficult Machining) porque las aplicaciones mejor adaptadas para este proceso se caracterizaban por tolerancias extremadamente exactas, difíciles o imposibles de lograr con cualquier otro método de mecanizado. Debido a las drásticas mejoras en el desempeño y automatización de las máquinas electroerosionadoras, otros dos juegos de palabras podrían servir ahora para la abreviatura EDM. Todo Diseño es Fabricable (Every Design is Manufacturable) refleja el enorme beneficio que el EDM ha traído a los ingenieros de diseño, permitiéndoles olvidar los límites de la manufactura tradicional y diseñar productos con funcionalidad óptima. Manufactura Doméstica Eficiente (Efficient Domestic Manufacturing) refleja el hecho que el EDM es, cada vez más, el proceso elegido por fabricantes en países con remuneraciones altas como Estados Unidos, porque el proceso de electroerosionado requiere menos mano de obra que casi cualquier otro proceso de mecanizado.

El EDM ha sido una fuerza creciente en los talleres norteamericanos de fabricación de herramental, moldes y matrices desde los años cincuenta. En 2003, la venta de máquinas electroerosionadoras de hilo y de penetración (o de carnero) representó 7,3% de las ventas totales de máquinas-herramienta para corte metálico en Estados Unidos.

Las electroerosionadoras son usadas para producir herramental (moldes, dados de estampado, dados de extrusión, dados de forja, fijaciones y medidores) y partes para las industrias de aviación, médica y otras. Desde 1994 hasta 2004, el tamaño relativo de las categorías de herramental y fabricación de partes ha cambiado drásticamente.

Las ventas de unidades electroerosionadoras creció consistentemente hasta 1998 y luego cayó hasta casi la mitad del promedio en 2003. Con la recuperación siguiente, las ventas en 2005 volvieron a acercarse al nivel de 1994. Sin embargo, la mezcla ha cambiado. Previamente, la mayoría de electroerosionadoras era adquirida para herramental, pero hoy, las compras están más divididas por igual entre herramental y fabricación de partes. La compra de electroerosionadoras para herramental cayó bruscamente por la pérdida de producción de herramental y partes plásticas con los fabricantes de Asia suroriental. En contraste, los mercados de dispositivos médicos y otros ha crecido fuertemente en Estados Unidos.

EDM como Manufactura Doméstica Eficiente 
(Efficient Domestic Manufacturing)
La tendencia hacia el uso de electroerosionado para producción de partes tiene varias causas. Por un lado, el proceso de electroerosionado ha mejorado drásticamente gracias a velocidades de corte más altas. Por otro, la automatización de este proceso ha avanzado en gran medida, reduciendo bastante la cantidad de mano de obra. Como evidencia, el porcentaje de máquinas electroerosionadoras de hilo vendidas, con capacidad de roscado automático con hilo, ha ido de 40% en 1994 hasta 90% en 2004. Además, las roscadoras modernas son mucho más confiables que las versiones anteriores.

Con una fuerte tendencia hacia el manejo de las piezas de trabajo, con robots, y para máquinas de penetración, también con robots la carga y descarga de herramientas, ahora es posible que una persona atienda un turno y se corte en tres. Como resultado de la eficiencia intrínseca del electroerosionado, la relación de horas de corte a horas de mano de obra para el EDM es dos a tres veces más alta que casi cualquier otro proceso de mecanizado. Así, los altos costos de mano de obra en Estados Unidos tienen menos impacto en la competitividad estadounidense con el EDM que con otros procesos de mecanizado.

Generalidades del electroerosionado
El origen del electroerosionado se remonta a 1770, cuando el científico inglés Joseph Priestly descubrió el efecto erosivo de las descargas eléctricas. En 1943, los científicos rusos B. Lazarenko y N. Lazarenko tuvieron la idea de explotar el efecto destructor de una descarga eléctrica para desarrollar un proceso de mecanizado controlado para materiales eléctricamente conductivos.

Con esa idea nació el proceso de electroerosionado. Los Lazarenko perfeccionaron un proceso por el cual una sucesión de descargas toma lugar entre dos conductores separados por un líquido no conductor, llamado un dieléctrico. El circuito eléctrico que hace que esto ocurra lleva su nombre. Hoy, muchas unidades de electroerosionado usan una versión avanzada del circuito Lazarenko.

Cómo trabaja
Durante el proceso de electroerosionado, una serie sincronizada de pulsos eléctricos no estacionarios, remueve material de una pieza de trabajo. La máquina-herramienta, que contiene también el dieléctrico, sostiene tanto el electrodo como la pieza de trabajo. Una fuente de energía controla los tiempos y la intensidad de cargas eléctricas y el movimiento del electrodo en relación con la pieza de trabajo.

En el punto donde el campo eléctrico es más fuerte se comienza a formar una descarga. Bajo el efecto de este campo, electrones e iones libres positivos se aceleran hasta altas velocidades y rápidamente forman un canal ionizado que conduce electricidad. En esta etapa puede fluir corriente cuando se forma una chispa entre el electrodo y la pieza de trabajo, causando un gran número de colisiones entre las partículas. Durante este proceso se desarrolla una burbuja de gas, cuya presión crece uniformemente hasta que se forma una zona de plasma. Esta zona de plasma alcanza con rapidez temperaturas muy altas, entre 8.000 °C y 12.000 °C, como resultado del número siempre creciente de colisiones de partículas. Estas altas temperaturas causan la implosión de la burbuja, que lleva consigo el material fundido de la superficie de la pieza de trabajo y deja un pequeño cráter. El material fundido se solidifica en el dieléctrico en forma de pequeñas esferas que son retiradas por el mismo dieléctrico.

Crecimiento del electroerosionado
El electroerosionado ha ganado su lugar junto con el torneado, el fresado y el rectificado, como una tecnología proactiva e influyente. El electroerosionado es más conocido por su capacidad de mecanizar formas complejas en metales muy duros. El uso más común del electroerosionado fue tradicionalmente el mecanizado de matrices, herramientas y moldes hechos de acero endurecido, carburo de tungsteno, acero rápido y otros materiales difíciles de mecanizar por los métodos tradicionales. El proceso también ha resuelto un gran número de problemas relacionados con el mecanizado de materiales ‘exóticos’, como hastelloy, nitralloy, waspaloy y nimonic, usados en gran escala en las industrias aeronáutica y aeroespacial.

Debido a las ventajas técnicas en el desgaste del electrodo, la precisión y la velocidad, el electroerosionado ha reemplazado muchos procesos tradicionales en algunas aplicaciones. Otro factor que contribuye al uso creciente del electroerosionado es la expansión del espacio de trabajo en máquinas electroerosionadoras, particularmente cuando se trata de alturas e inclinaciones. Las electroerosionadoras de hilo pueden cortar partes hasta de 16 pulgadas de altura, con una rectitud de ±0.0005 pulgadas por lado. El corte de alturas hasta 24 pulgadas también está disponible ahora en algunas máquinas.

EDM como Todo Diseño es Fabricable
(Every Design is Manufacturable)
En el pasado, el electroerosionado fue usado principalmente para producir partes difíciles de realizar con procesos convencionales. El crecimiento del electroerosionado en los últimos diez años puede atribuirse a la producción de partes diseñadas para tomar ventaja del proceso de electroerosionado en primer lugar. Así, el electroerosionado ya no es la última posibilidad para los fabricantes; en su lugar, es la primera opción para el equipo de diseño/manufactura. ¿Qué ha cambiado desde 1994 hasta 2004?

El proceso de electroerosionado ha cambiado. El mercado de las compañías que usan electroerosionado también ha cambiado. Esta es una lista de los cambios importantes en el proceso de electroerosionado.

Es mucho más rápido.
Es más automatizado. Las máquinas de hoy pueden equiparse con roscado automático con hilo, robots y eyección automática de material. Las máquinas son más sencillas de programar y mantener.

Es más preciso. 
Utiliza hilos de diámetro más pequeño en máquinas de hilo.
Su costo de operación es bajo. Los precios de las máquinas son más menores. 
Produce mejor acabado e integridad superficial. 
Corta carburo sin disminuir el contenido de cobalto cuando se usa electroerosionado de hilo. Las máquinas de penetración también cortan mejor el carburo. 
El electroerosionado de hilo y la rotación de la pieza de trabajo pueden ocurrir simultáneamente. 
El electroerosionado por penetración no requiere descarga externa. 
El electroerosionado es más efectivo en condiciones difíciles de descarga. 
El electroerosionado es mucho más amigable. Se necesita menos entrenamiento y menor tiempo de programación. 
Los fabricantes de electroerosionadoras ofrecen mejor entrenamiento y soporte al cliente. Esto facilita el trabajo para usuarios de primera vez. 
El costo y calidad de electrodos complejos de grafito para el electroerosionado de carburo resultan mejores gracias a los avances en el fresado de alta velocidad. 
El costo de operación en el electroerosionado es bajo, en absoluto y en relación con otros procesos de mecanizado. Por ejemplo, el costo del hilo por parte producida es más bajo que el costo de herramientas de corte por parte en los procesos de fresado y torneado, especialmente en casos donde las herramientas de corte han sido mejoradas para obtener tiempos más cortos de ciclo. 
Los usuarios del electroerosionado enfrentan muchos cambios en sus mercados, que motivan un mayor uso de este proceso. 
Los clientes demandan entregas más rápidas. 
Los tamaños de lote son más pequeños. La producción justo a tiempo es más común. 
Los clientes demandan precios más bajos. La competencia debida a la baja remuneración en Asia suroriental está forzando los precios hacia abajo. 
Los clientes tienen partes con pequeñas características o partes difíciles de fijar. El uso creciente de MEMS (sistemas microelectromecánicos) está generando muchas de estas partes.

Lista de verificación útil 
La siguiente lista de verificación resume las características que indican el uso del electroerosionado. Entre más características de estas estén presentes, mayor es la probabilidad de que el electroerosionado sea la solución correcta.

Considere el electroerosionado cuando la geometría de la pieza de trabajo ofrezca:

Paredes muy delgadas
Radios internos pequeños
Altas relaciones de profundidad a diámetro
Dimensiones muy pequeñas
Dificultades en la fijación

Considere el electroerosionado cuando el material de la pieza de trabajo:

Es duro
Es tenaz
Deje rebabas
Tiene que ser tratado térmicamente

Considere el electroerosionado cuando el proceso que reemplace involucre:

Varios alistamientos, varias operaciones, varias operaciones de pulido manual.
Estampado en corridas cortas
Considere el electroerosionado cuando existan otras razones como:

Deseo de producir las 24 horas con sólo un turno para un operador 
Deseo de un proceso no intensivo en mano de obra

El potencial para realizar electroerosionado desatendido también lo hace rentable para una operación de tres turnos por día, sin adicionar mano de obra. Gracias al rápido tiempo de preparación en el electroerosionado para lotes pequeños de partes, el proceso también ayuda en los talleres a reducir inventarios y agilizar las entregas, dos factores que contribuyen a mejorar el flujo de caja y reducir los gastos de operación.

Si usted tiene un corte cóncavo y difícil por hacer, probablemente necesitará usar una electroerosionadora de penetración. En muchos casos, las herramientas de corte tradicionales no pueden alcanzar áreas de corte y aplicar la fuerza requerida.

¿Por qué el electroerosionado es el proceso preferido para materiales duros como Inconel, monel, hastelloy, nitralloy, waspaloy, nimonic y udimet? Porque el electrodo no entra en contacto con el material, no hay adhesión de la pieza de trabajo a la herramienta. Esto hace que las electroerosionadoras de hilo y de penetración sean útiles para hacer cabezales magnéticos de lectura para misiles, álabes de turbina y prototipos de motores de autos.

Vaporización
El electroerosionado no está influenciado por la dureza del material de la pieza de trabajo, de modo que es útil para cortar materiales que tienen una dureza por encima de 38 Rc. Estos incluyen acero endurecido, stellite y carburo de tungsteno. Ya que el proceso de electroerosionado vaporiza el material en lugar de cortarlo, la dureza del material no es un factor. Por eso, las electroerosionadoras de hilo y de penetración son usadas para crear dados complejos y otras herramientas a partir de materiales extremadamente duros.

Si una parte o producto involucra un material que tiende a dejar rebabas duras cuando se usa el mecanizado tradicional, el electroerosionado puede solucionar el problema. El electroerosionado no deja rebabas, y el material vaporizado se descarga a través del dieléctrico. El electroerosionado hace innecesaria la limpieza de rebabas y elimina los cambios dimensionales que pueden ocurrir durante el proceso de limpieza de rebabas. Por esta razón, el electroerosionado se usa a menudo para hacer herramientas de cirugía y electrodos de cobre.

Otra ocasión para considerar el uso del electroerosionado es cuando usted esté haciendo una parte con precisiones difíciles de mantener después de un tratamiento térmico. Con el electroerosionado, usted puede cortar materiales conductores de cualquier dureza.

Sin rotación
La producción de esquinas internas agudas es otra área donde el electroerosionado destaca. El mecanizado convencional tiene problemas con radios internos menores o iguales a 1/32 de pulgada, que son paralelos al eje de la herramienta. El radio interno cortado por el electroerosionado es tan pequeño como el espacio de la chispa, más el radio del hilo o la esquina del electrodo.

En fresado y torneado, la herramienta de corte o la pieza de trabajo debe rotar. El radio más pequeño de la pieza de trabajo es igual al radio de la herramienta. En contraste, los electrodos para electroerosionado generalmente no rotan, y ya que el electroerosionado no aplica fuerzas de corte, pueden usarse herramientas largas y muy pequeñas.

Cuando se corta una pieza de 1 pulgada de espesor en acero para herramientas D2, el radio límite podría ser: para electroerosionado, alrededor de 0.0025 pulgadas con un diámetro de hilo de 0.004 pulgadas. Para fresado de alta velocidad, alrededor de 0.050 pulgadas con una fresa de 0.1 pulgada. Las dimensiones mínimas aproximadas de las características que pueden producirse por electroerosionado se muestran en la siguiente tabla

Por eso, las electroerosionadoras de hilo y de penetración se usan para hacer válvulas de dosificación de combustible, componentes para impresoras, moldes y reparaciones de moldes.

Herramental a bajo costo
Una consideración final para usar electroerosionado: cuando en otras circunstancias, una parte requiere herramientas de corte convencionales, especiales o únicas. Los electrodos son fáciles de mecanizar, a diferencia del carburo. De igual importancia, el hilo usado por una electroerosionadora de hilo está disponible como una herramienta estándar en inventario. Ejemplo de una pieza de trabajo producida porque el electroerosionado elimina herramientas de corte especiales es la caja de un actuador para un misil mostrado en la figura 3. Gracias al EDM, no se necesitaron costosas brochas en esta instancia.

El electroerosionado es una opción de herramental económica cuando se necesita una corrida corta de estampado (menos de 5.000 piezas) y brochado en bajos volúmenes. Con el electroerosionado, no hay necesidad de hacer un juego de dados o matrices. El electroerosionado se usa para hacer componentes de máquinas de coser y prototipos. De igual forma, como una alternativa a las costosas brochas, el electroerosionado se usa generalmente para producir líneas flexibles (splines) y dientes de engranajes.

Limitaciones del electroerosionado
Las aplicaciones del electroerosionado pueden restringirse por el tamaño del tanque o el espacio de trabajo en una máquina electroerosionadora. Aquí se presentan algunas cifras de tamaños derivadas de los modelos populares de electroerosionadoras estándar:

Las dimensiones máximas de la pieza de trabajo para electroerosionado con hilo se acercan a 59 pulgadas en Y, 24 pulgadas en Z y sin límite en X. Para el electroerosionado por penetración, las piezas de trabajo son de máximo 59 pulgadas en Y, 17 pulgadas en Z y 98 pulgadas en X.

La inclinación en una electroerosionadora de hilo es otra consideración. El ángulo máximo de inclinación es ±45 grados, aunque algunos talleres reportan éxito en la producción de inclinaciones de más de ±50 grados. La máxima combinación ángulo/altura es 30 grados, con 16 pulgadas de altura. La resistencia eléctrica máxima para la pieza de trabajo y la fijación es aproximadamente 0,5-5,0 ohm/centímetro, tanto para electroerosionadoras de hilo como de penetración.

La precisión de una máquina electroerosionadora está limitada a cerca de 0.00002 pulgadas para electroerosionadoras de hilo y ±0.0001 pulgadas para electroerosionadoras de penetración. El acabado superficial es aproximadamente VDI de 0 (4 micropulgadas) para hilo y VDI de -5 (2 micropulgadas) para penetración. Finalmente, la integridad de la superficie es 20 millonésimas de pulgada de un espesor de capa fundida por segunda vez para electroerosionado de hilo y por penetración y 20 millonésimas de longitud de una microgrieta para electroerosionado de hilo y por penetración. Los resultados pueden ser tan buenos o mejores que el acabado por rectificado.

Un reto
Los fabricantes de Estados Unidos apenas han comenzado a descubrir las múltiples formas en que el electroerosionado puede mejorar sus operaciones. Para muchas aplicaciones en manufactura de hoy, existe una tendencia a diseñar partes exactas y difíciles de mecanizar. El electroerosionado se convertirá en una opción cada vez más viable para operaciones de manufactura en todo el mundo, pero especialmente en países con alta remuneración como Estados Unidos.

®Reproducido de Modern Machine Shop con autorización expresa del editor