ES2249642T3 - Hilo para electroerosion a gran velocidad de mecanizacion. - Google Patents
Hilo para electroerosion a gran velocidad de mecanizacion.Info
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Abstract
Hilo de electrodo para mecanización por descarga erosionante, que comprende un ánima metálica (16) con un revestimiento de una capa de recubrimiento (17) de aleación de zinc difundido, caracterizado porque: - el ánima (16) es de cobre no aleado, - la capa de recubrimiento (17) es de aleación de zinc y de cobre difundido, - el espesor (E) de la capa de recubrimiento (17) de aleación de cobre y de zinc es superior al 10% del diámetro (D) del hilo de electrodo.
Description
Hilo para electroerosión a gran velocidad de
mecanización.
La presente invención se refiere a hilos de
electrodos utilizados para la mecanización por descargas
erosionantes, que permiten el corte o acabado de piezas conductoras
de electricidad.
Las descargas erosionantes permiten mecanizar una
pieza conductora de la electricidad, generando chispas entre la
pieza a mecanizar y un hilo, conductor de la electricidad. El hilo
conductor de la electricidad pasa por las proximidades de la pieza
en el sentido de la longitud del hilo y es desplazado
progresivamente en el sentido transversal con respecto a la pieza
por traslación del hilo o por traslación de la pieza.
Las chispas erosionan progresivamente la pieza y
el hilo. El paso longitudinal del hilo permite conservar
permanentemente el diámetro de hilo suficiente para evitar su
ruptura en la zona en la que se producen las chispas. El
desplazamiento relativo del hilo y de la pieza en el sentido
transversal permite efectuar el corte de la pieza o tratar su
superficie, en caso deseado.
Las máquinas para electroerosión con hilo
presentan medios para mantener y tensar un tramo de hilo en las
proximidades de la pieza a mecanizar en una zona de generación de
chispas llena de un dieléctrico tal como agua, medios para obligar
al hilo desplazarse longitudinalmente en la zona de las chispas,
medios para generar una corriente de descarga entre el hilo y la
pieza a mecanizar, y medios para producir un desplazamiento relativo
del hilo y de la pieza transversalmente con respecto a la dirección
longitudinal del hilo.
Existen en la actualidad numerosos tipos de hilos
para electroerosión, que se clasifican en dos familias
principales.
En la primera familia, los hilos tienen una
estructura transversal en general homogénea, constituida, por
ejemplo, por cobre, latón, tungsteno, o molibdeno. La aleación
escogida debe satisfacer las exigencias de conductividad eléctrica y
de resistencia mecánica. La conductividad es necesaria para llevar
energía a la zona de la descarga. La resistencia mecánica es
necesaria para evitar la rotura del hilo en la zona de descarga. Si
es posible, la aleación se escoge para que el hilo tenga un
comportamiento favorable a la erosión, es decir, para que el hilo
permita realizar una erosión rápida. La velocidad de erosión máxima
de un hilo es el límite de velocidad más allá de la cual el hilo se
rompe cuando se aumenta la energía de descarga para acelerar la
erosión.
En general, cada estructura del hilo confiere una
velocidad de mecanización, una precisión de mecanización y un estado
de superficie determinado.
Se ha propuesto, por lo tanto, hilos de latón que
contienen de 35 a 37% de zinc, que constituyen un compromiso
económicamente aceptable, pero obtenido al precio de una velocidad
de erosión relativamente reducida.
La segunda familia de hilos para electroerosión
comprende hilos con revestimiento, es decir, constituidos por un
ánima metálica revestida de una capa superficial en general
homogénea de metal o de aleación. Cuando tiene lugar la mecanización
por descarga erosionante mediante hilo, el arco eléctrico formado
entre la superficie del hilo y la superficie de la pieza, a través
del dieléctrico tal como agua, no llega al centro del hilo, excepto
con el riesgo de rotura de este último. El desgaste del hilo tiene
lugar por su revestimiento.
El interés de los hilos con revestimiento es que
se puede escoger el ánima del hilo en función de sus características
eléctricas y mecánicas, y escoger el recubrimiento en función de sus
características de erosión y de resistencia de contacto.
Así, por ejemplo, en el documento FR 2 418 699,
se ha propuesto el revestimiento de un ánima de cobre o de latón
mediante una aleación de zinc, cadmio, estaño, plomo, bismuto o
antimonio. El documento muestra que la velocidad de mecanización se
mejora por el revestimiento. Un ejemplo es un ánima de cobre
revestida por un revestimiento cuyo espesor es aproximadamente de 15
\mum para un diámetro total de 180 \mum.
No obstante, se observa que un hilo de
electroerosión de este tipo no permite obtener una velocidad de
mecanización óptima, existiendo la necesidad de aumentar todavía
esta velocidad.
En el estado de la técnica conocido en la
actualidad, relativo a hilos de electroerosión constituidos por un
ánima a base de cobre revestida por un revestimiento de aleación, se
ha preconizado siempre utilizar cobres aleados o microaleados para
aumentar sus características mecánicas. El interés de aumentar las
características mecánicas del ánima y, por lo tanto, las
características mecánicas del hilo es muy importante para la
obtención de hilos rectos que puedan ser enhebrados en las máquinas
de electroerosión sin tener que sufrir un recocido de enderezado, y
se ha considerado siempre que esto permite además reducir los
riesgos de rotura del hilo durante la electroerosión.
Las características de los cobres aleados o
microaleados se han publicado en especial en la publicación "Les
propietés du cuivre et de ses alliages", por el Centre
d'Information du Cuivre, Laitons et Alliages, París, 1992. Estas
características se reproducen en la siguiente tabla:
\newpage
| Aleación | Límite de elasticidad a 0,2%, para | Conductividad IACS |
| el estado H14 AFNOR, (Mpa), o | ||
| después de suavización estructural | ||
| Cobre no aleado Cu. | 320 carga de rotura | 100 |
| Composición según normas | 350 | |
| Cobre al cadmio CuCd1 | 480 | 86 |
| 1% de Cadmio | ||
| Cobre a la plata CuAg | 320 | 100 |
| 0,08% de plata | ||
| Cobre al estaño CuSn0,12 | Carga de rotura 400 | 88 |
| 0,12% de estaño | ||
| Cobre al cromo | 450 | 80 |
| 0,5 a 1% de cromo | ||
| Templado, revenido, | ||
| laminado en frío | ||
| Cobre al hierro 2,3 | 415 | 65 |
| fósforo 0,03 | ||
| 2,3% de hierro, | ||
| 0,03% de fósforo | ||
| Templado, revenido, | ||
| laminado en frío | ||
| Aleación | Límite de elasticidad a 0,2%, | Conductividad IACS |
| para el estado H14 AFNOR, | ||
| (Mpa), o después de | ||
| suavización estructural | ||
| Cobre al níquel y silicio | 680 | 35 |
| CuNi2Si1,6 a 2,5% de níquel, | ||
| 0,5 a 0,8% de silicio | ||
| Templado, revenido, | ||
| laminado en frío | ||
| Cobre al berilio | 1060 | 22 |
| CuBe2 | ||
| 2% de berilio | ||
| Templado y revenido | ||
| Cobre al cobalto y berilio | 440 | 60 |
| CuCo2Be 2,5% de cobalto, | ||
| 0,5% de berilio | ||
| Endurecido en fábrica, | ||
| alta conductividad | ||
| Latón CuZn20 | Aprox. 400 | 32 |
| 20% de zinc | ||
| Latón CuZn35 | Aprox. 400 | 28 |
| 35% de zinc |
Se comprueba que cualquier adición de un metal
distinto de la plata, por ejemplo, cadmio o estaño, mejora
sensiblemente las características mecánicas del cobre, pero en
detrimento de la conductividad.
\newpage
Así, por ejemplo, el documento EP 0 526 361 A que
representa el estado de la técnica más próximo, da a conocer el
prever un electrodo de electroerosión que comprende una capa
metálica externa que contiene zinc, que rodea un ánima metálica que
comprende cobre o una aleación de cobre. Uno de los objetivos
perseguidos es la obtención de una resistencia mecánica del hilo.
Para ello, el técnico en la materia comprende necesariamente que el
cobre utilizado es un cobre microaleado. El documento preconiza
además contaminar o dopar el cobre mediante uno o varios elementos
tales como hierro, cobalto, titanio, fósforo, manganeso, cromo,
zirconio, aluminio, estaño o níquel. El documento preconiza
igualmente utilizar aleaciones, y el único ejemplo que se facilita
en el documento es un hilo cuya ánima es de latón CuZn20.
En el documento US 4.977.303 A se muestra la
realización de un hilo de ánima de cobre recubierto de zinc sometido
posteriormente a un tratamiento térmico de difusión de zinc en el
cobre. En dicho documento, el técnico en la materia comprende que el
cobre utilizado no es un cobre puro no aleado, puesto que la figura
4 representa, a partir de una profundidad de 11 micras, en el ánima
más allá de la capa de difusión, una concentración de cobre
claramente inferior a 100%, mientras que la concentración de zinc es
nula.
El documento US 2001/0050269 A desaconseja
utilizar cobre solo en el ánima, a causa de su resistencia mecánica
a alta temperatura excesivamente reducida.
Ninguno de estos documentos describe ni sugiere
utilizar un cobre no aleado, es decir, un cobre con alto grado de
pureza.
La presente invención resulta de una
investigación destinada a optimizar la estructura de un hilo para
electroerosión, con la finalidad de obtener una gran velocidad de
erosión.
Para ello, una primera observación demostrada por
el documento EP 0 185 492 A es que un aumento de espesor del
revestimiento de aleación de zinc sobre un ánima de acero con un
recubrimiento de cobre es favorable para la velocidad de
electroerosión, pero no más allá de un espesor de 15 \mum para un
diámetro total de 200 \mum.
En el documento antes citado EP 0 526 361 A, se
persigue simultáneamente una gran duración de vida del electrodo y
una buena calidad superficial de la pieza mecanizada. El documento
muestra que el grosor de la capa metálica superficial aumenta con el
diámetro del hilo. Para un hilo de un 1mm de diámetro, la capa
superficial tiene un espesor preferentemente comprendido entre 10 y
100 micras. Eso corresponde a un espesor relativo de capa
superficial comprendido entre 1 y 10%. El único ejemplo facilitado
en el documento es un hilo cuyo diámetro total es de 0,25 mm y que
comprende una capa superficial metálica de 20 micras de espesor, lo
que corresponde a 8% en espesor relativo. No existen, en este
documento, sugerencias para prever un espesor relativo de capa
superficial superior al 10% del diámetro del hilo del electrodo.
Una segunda observación es que, en ciertas
máquinas de mecanización por electroerosión, la velocidad de
mecanización puede ser aumentada adicionalmente si el metal de la
capa superficial es un latón obtenido por difusión térmica de zinc
periférico con una capa subyacente que contiene cobre.
El documento US 4.977.303 A describe esta
observación, y propone un hilo para electroerosión en el que un
ánima de cobre aleado o microaleado (ver figura 4) está recubierto
con una capa gruesa de una aleación de cobre y de zinc obtenida por
difusión térmica y trefilado posterior. La capa de aleación
difundida de cobre y de zinc es recubierta por una capa de óxido
cuyo espesor es aproximadamente de 1 micra. El documento facilita la
indicación de un espesor absoluto de capa superficial metálica,
igual a 22 micras, pero no facilita indicación con respecto al
grosor o espesor relativo de la capa superficial con respecto al
diámetro del hilo.
En los hilos con capa superficial de aleación de
cobre y de zinc difundido en fases \alpha y \beta, se ha
comprobado, no obstante, que un aumento del espesor de la capa
superficial sobre un ánima de latón al 37% de zinc tiende a reducir
la velocidad de mecanización, lo que es contrario al objetivo
buscado. Por lo tanto, se han efectuado ensayos de corte de una
pieza de acero de 50 mm, por una parte, con un hilo que tiene una
estructura homogénea de latón al 37% de zinc y, por otra, con un
hilo que tiene un ánima de latón al 37% de zinc con un recubrimiento
de una capa superficial de aleación de zinc y de cobre difundida por
tratamiento térmico. Siendo idénticos los diámetros de los hilos y
las condiciones de mecanización, las velocidades de mecanización (en
mm^{2}/min) se han encontrado, respectivamente, en las
proporciones de 98 para el hilo homogéneo y 67 para el hilo con capa
superficial, mostrando el efecto negativo de la capa
superficial.
Se ha comprobado igualmente que un aumento del
contenido de zinc de la capa superficial mejora la eficacia de la
electroerosión. La capa superficial está constituida entonces por
una fase \beta, o incluso por una fase \gamma, que tienen mayor
dureza y rigidez. Sin embargo, no se sabe, en este caso, aumentar
el espesor de la capa superficial, puesto que el hilo es frágil y
difícil de trefilar, sobre todo si el ánima es de cobre no
aleado.
Por otra parte, no se ha encontrado, hasta el
momento, ninguna utilidad al aumento del espesor de la capa
superficial metálica de aleación más allá de las dimensiones de los
cráteres que las máquinas de electroerosión podían realizar en la
capa superficial del hilo de electroerosión en el curso de la
mecanización. Las dimensiones de estos cráteres eran aproximadamente
de 5 micras, tal como se indica en el documento US 4.977.303. No
había sido por lo tanto posible remarcar el interés de aumentar el
espesor de las capas superficiales más allá de un espesor relativo
de 10% del diámetro de los hilos habituales, y todavía menos
remarcar el interés de una combinación de capa superficial gruesa
con un ánima de cobre no aleado.
El problema que se pretende solucionar con la
presente invención es el de idear una nueva estructura de hilo de
electrodo para la mecanización por chispas erosionantes que permite
aumentar sensiblemente la velocidad de mecanización por
electroerosión, para un diámetro determinado, y en condiciones de
mecanización determinadas.
La invención tiene igualmente por objetivo dar a
conocer un procedimiento de fabricación de dicho hilo de electrodo,
y proponer un método de mecanización que permite aumentar la
velocidad de mecanización.
Para conseguir estos objetivos, así como otros,
la invención parte de la observación sorprendente según la cual,
cuando el ánima es de cobre no aleado, un aumento de espesor
relativo de la capa superficial de latón difundido produce un
aumento sensible de la velocidad de mecanización. Por lo tanto, la
invención prevé un hilo de electrodo para mecanización por descargas
erosionantes, que comprende un ánima metálica con un revestimiento
de una capa de aleación de zinc difundido, en la cual:
- -
- el ánima es de cobre no aleado,
- -
- la capa de revestimiento es de aleación de zinc y de cobre difundido,
- -
- el espesor relativo de la capa de recubrimiento de aleación de cobre y de zinc es superior al 10% del diámetro del hilo de electrodo.
Una estructura de electrodo de este tipo para
electroerosión está especialmente bien adaptada para una utilización
con máquinas de electroerosión cuyos generadores eléctricos permiten
suministrar una potencia eléctrica más elevada, que permite
aprovechar la presencia de una capa superficial más gruesa.
Se pueden obtener, por ejemplo, buenos resultados
para el diámetro (D) del hilo de electrodo de 0,20 mm, con un
espesor (E) de la capa de revestimiento superior o igual a 20
micras; para un hilo de electrodo de diámetro (D) de 0,25 mm, el
espesor (E) de la capa de revestimiento puede ser ventajosamente
superior o igual a 25 micras; para un hilo de electrodo con diámetro
(D) de 0,30 mm, el espesor (E) de la capa de revestimiento puede ser
ventajosamente superior o igual a 30 micras; para un hilo de
electrodo de diámetro (D) de 0,33 mm, el espesor (E) de la capa de
revestimiento puede ser ventajosamente superior o igual a 33 micras;
y para un hilo de electrodo de 0,35 mm de diámetro (D), el espesor
(E) de la capa de revestimiento puede ser ventajosamente superior o
igual a 35 micras. En todos los casos, se puede observar un aumento
aproximado de 30% de la velocidad de electroerosión, con respecto a
un hilo de igual diámetro de latón o de latón zincado.
El cobre que constituye el ánima es un cobre no
aleado, cuya pureza se define en la norma NF A 51050. Según la
invención, se ha recomendado la utilización de un cobre escogido
entre la familia siguiente de cobres recomendados, designados por
sus referencias según la norma NF A 51050, e indicando entre
paréntesis las referencias ISO correspondientes:
Cu-a1 (Cu-ETP);
Cu-a2 (Cu-FRHC);
Cu-C1 (Cu-OF); Cu-c2
(Cu-OFE).
En la práctica, se puede escoger el cobre no
aleado en función de su conductividad eléctrica. El cobre no aleado
recomendado presenta una conductividad eléctrica aproximada de 100%
IACS, es decir, 58 Méga Siemens/metro a 20ºC. A 20ºC, la
conductividad eléctrica del ánima de cobre no aleado, endurecido
superficialmente por trefilado, es del orden de 99% IACS.
La gran conductividad eléctrica del ánima de
cobre no aleado endurecido por trefilado evita el calentamiento
excesivo del hilo de electrodo en la descarga, y le protege de esta
manera de la rotura, contrariamente a los cobres microaleados.
Un segundo aspecto de la invención es poner en
evidencia la influencia de la conductividad global del hilo de
electrodo en los rendimientos de la electroerosión, y aprovechar
esta influencia para aumentar la velocidad de mecanización en la
hipótesis de una alimentación de energía eléctrica por generadores
cada vez más potentes.
La conductividad eléctrica global del hilo de
electrodo es la suma de las conductividades del ánima y de la capa
de revestimiento, multiplicadas por sus superficies respectivas en
la sección del hilo. El hilo de electrodo según la invención
presenta una conductividad eléctrica mínima de 60% IACS (60% de la
conductividad normalizada del cobre puro recocido). A defecto de
ello, se comprueba una disminución progresiva de la velocidad de
electroerosión.
De manera más precisa, se ha podido comprobar que
la conductividad eléctrica global del hilo de electrodo puede estar
comprendida ventajosamente entre 65% IACS y 75% IACS.
Por debajo de 65% IACS, los rendimientos de corte
por descargas erosivas no son óptimos a falta de una conductividad
suficiente del hilo de electrodo. Éste se rompe más fácilmente por
calentamiento en la zona de la descarga. Ello es debido
simultáneamente al efecto Joule, más intenso, y a una menor
refrigeración relacionada con una conductividad térmica más
reducida.
Por encima del 75% IACS, no se puede obtener el
tipo de hilo de electrodo deseado, puesto que se está obligado a
reducir el grosor de la capa difundida más allá del 10% del diámetro
del hilo de electrodo. A defecto de ello, el hilo es demasiado
rígido y frágil, y no se puede trefilar durante su fabricación.
La conductividad eléctrica global recomendada del
hilo de electrodo es del orden de 69% IACS, y corresponde a una capa
difundida con un grosor aproximado de 35 \mum para un hilo de
electrodo de 0,33 mm, es decir, aproximadamente 11% de grosor
relativo. En este caso, el coeficiente \beta de variación de la
resistividad global del hilo de electrodo con respecto a la
temperatura es de 0,0034ºK^{-1}. Se debe recordar que la
resistividad R(T) de un hilo está afectada por la
temperatura, según la ley R(T) / R_{o} = 1 +
\beta(T-T_{o}), siendo R(T) la
resistividad a la temperatura T considerada, siendo R_{o} la
resistividad del hilo a la temperatura de referencia T_{o}.
Los valores de espesor relativo 11% y de
conductividad eléctrica global 69% IACS facilitan buenos resultados
dentro de la gama de diámetros de hilo comprendida entre 0,20 mm y
aproximadamente 0,35 mm.
Para obtener estos valores de conductividad, se
disponen dos parámetros por parte del operador cuando tiene lugar la
fabricación del hilo de electrodo: el grosor de la capa de zinc
inicialmente depositada, y la importancia del tratamiento térmico
para realizar la difusión del zinc y del cobre. El operador escoge,
por lo tanto, estos dos parámetros de manera apropiada, sin
dificultad.
Las consideraciones y los valores de
conductividad eléctrica global que se han indicado han sido
aplicados con éxito para realizar hilos de electrodo de capa
superficial de aleación de zinc y de cobre, cuyo espesor es superior
o igual a 10% del diámetro sobre un ánima de cobre no aleado.
Igualmente, pueden ser aplicadas de manera
ventajosa para realizar hilos de electrodo con estructura distinta,
por ejemplo, con capa superficial más delgada, capa superficial de
otros metales o aleaciones, capas superficiales múltiples, sobre un
ánima de cobre no aleado o en otro metal o aleación.
Las características ventajosas e inesperadas de
los hilos según la invención han sido verificadas en el curso de
observaciones experimentales. De este modo, se han realizado en una
máquina Charmilles Robofil 2020, mecanizaciones comparativas de
piezas de acero Z 160 CDV12 de 50 mm de altura con ayuda de los
hilos que se indica, todos los cuales tenían el mismo diámetro de
0,25 mm.
| Número | Ánima | Capa, espesor | Conductividad (% IACS) |
| 1 | Cobre no aleado | Difundido al 5% | 82 |
| 2 | Cobre no aleado | Difundido al 11% | 67 |
| 3 | Cobre no aleado | Difundido al 16% | 63 |
| 4 | Cobre al magnesio | Difundido al 11% | 61 |
| 5 | Cobre al hierro y fósforo | Difundido al 11% | 45 |
Se ha comprobado simultáneamente la velocidad de
electroerosión y la resistencia mecánica a la rotura de cada uno de
los hilos realizando la mecanización en condiciones cada vez más
difíciles por reducción progresiva de la presión de inyección de
agua en la zona de mecanización.
El hilo número 1, con capa superficial de cobre
no aleado más delgada, ha permitido una velocidad de mecanización de
145 mm^{2}/min con una presión de inyección de agua máxima, y se
ha roto cuando la presión de inyección de agua era inferior
aproximadamente a 3,2 bar.
El hilo número 2, según la invención, con una
capa superficial de cobre no aleado de espesor al 11%, ha permitido
una velocidad de mecanización superior a 168 mm^{2}/min, y se ha
roto cuando la presión de inyección de agua era inferior a 4 bar
aproximadamente.
El hilo número 3, con una capa superficial de
cobre no aleado con un espesor de 16%, ha permitido una velocidad de
mecanización todavía superior de 171 mm^{2}/min, pero se ha roto
desde el momento en que la presión de inyección de agua era inferior
a 8 bar aproximadamente. Se puede estimar que una capa superficial
de este tipo de 16% constituye un límite superior que es mejor no
superar.
Los hilos número 4 y 5, con ánima de cobre,
aleado han permitido velocidades de mecanización respectivas de 165
mm^{2}/min y 161 mm^{2}/min, pero se han roto en el momento en
que la presión de inyección de agua era inferior aproximadamente a 5
bar.
Los ensayos anteriormente indicados demuestran
las características ventajosas e inesperadas de los hilos según la
invención: de manera no evidente, los hilos con ánima de cobre
aleado, normalmente mejores a alta temperatura, han resistido menos
satisfactoriamente que los hilos con ánima de cobre no aleado con
mecanizaciones en condiciones poco favorables de refrigeración.
La fabricación de un hilo de electrodo, tal como
se ha definido anteriormente, puede comprender las siguientes
etapas:
- a.
- prever un hilo de ánima de cobre no aleado de diámetro superior al diámetro del hilo a realizar,
- b.
- recubrir el hilo de ánima con zinc puro según un espesor apropiado,
- c.
- someter al hilo de ánima recubierto a un tratamiento térmico de difusión, para realizar una capa de recubrimiento,
- d.
- trefilar para llevar el hilo de electrodo al diámetro final, teniendo entonces la capa de recubrimiento un espesor superior al 10% del diámetro final del hilo de electrodo.
Preferentemente, en la etapa b, el zinc es
depositado sobre el hilo de ánima de cobre por depósito
electrolítico.
Después de la etapa de difusión (c) o después de
la etapa de trefilado (d), se puede recubrir además el hilo de
electrodo con una delgada capa superficial de contacto, por ejemplo,
zinc, cobre níquel, plata u oro. Esto se puede conseguir
especialmente por depósito electrolítico.
Según la invención, se puede utilizar
ventajosamente un hilo de electrodo definido, de este modo, para un
procedimiento de mecanización de una pieza por electroerosión. En
este caso, en una máquina de mecanización con generador eléctrico
que produce energía eléctrica de descarga, el generador es regulado
para producir energía de descarga máxima compatible con la capacidad
de mecanización del hilo de electrodo sin rotura, permitiendo así
el aumento de la velocidad de mecanización.
Otros objetivos, características y ventajas de la
presente invención resultarán de la descripción siguiente de formas
de realización específicas, en relación con las figuras adjuntas en
las que:
- la figura 1 es una vista esquemática frontal de
una máquina de electroerosión con hilo;
- la figura 2 es una vista inferior que muestra
el proceso de electroerosión en la máquina de la figura 1;
- la figura 3 muestra una vista inferior de la
pieza mecanizada de las figuras 1 y 2;
- la figura 4 es una vista esquemática en
perspectiva, y mayor escala de un hilo de electrodo según una forma
de realización de la presente invención; y
- la figura 5 es una vista esquemática en sección
transversal de un hilo de electrodo según una forma de realización
preferente de la invención.
Se considerarán inicialmente las figuras 1 a 3,
que muestran un procedimiento de mecanización por descarga
erosionante por medio de un hilo de electrodo. La máquina de
electroerosión que se ha mostrado en la figura 1 comprende
esencialmente una envolvente (1) de mecanización que contiene un
dieléctrico tal como el agua, medios tales como poleas (2) y (3) y
guías de hilos (20) y (30) para mantener un hilo de electrodo (4) y
mantenerlo en la zona de descarga (5) en el interior de la
envolvente (1), un soporte de pieza (6) y medios (7) para desplazar
el soporte de pieza (6) con respecto al hilo de electrodo (4) en la
zona de descarga (5). La pieza a mecanizar (8), soportada por el
soporte de pieza (6), es colocada en la zona de descarga (5). Las
guías de hilos (20), (30) se encuentran a uno y otro lado de la
pieza a mecanizar (8), y guían el hilo de electrodo (4) con
precisión. Tienen, por ello, una posición próxima a la pieza a
mecanizar (8), y su diámetro es poco superior al del hilo de
electrodo (4), por ejemplo, un diámetro de 254 \mum para un hilo
de electrodo (4) de 250 \mum. El hilo de electrodo (4) se desplaza
longitudinalmente, tal como se ha indicado con la flecha (9), en la
zona de descarga (5) con respecto a la pieza a mecanizar (8). Un
generador eléctrico (10), conectado eléctricamente por un lado al
hilo de electrodo (4) por una línea (18) y un contacto (18a) que
establece contacto con el hilo de electrodo (4) cuando tiene lugar
su paso en el dieléctrico de la envolvente (1) entre la polea (2) y
la guía de hilo (20) y, por otra parte, en la pieza a mecanizar (8)
por una línea (19), genera en la zona de descarga (5) una energía
eléctrica apropiada para que aparezcan arcos eléctricos entre la
pieza a mecanizar (8) y el hilo de electrodo (4).
La máquina comprende medios de control para
adaptar la energía eléctrica, la velocidad de paso del hilo de
electrodo (4), y el desplazamiento de la pieza a mecanizar (8) en
función de las etapas de mecanización.
Tal como se aprecia en la figura 2, por
desplazamiento de la pieza a mecanizar en una dirección transversal
según la flecha (11), la descarga erosionante produce
progresivamente la penetración del hilo de electrodo (4) en la masa
de la pieza a mecanizar (8) que es conductora de la electricidad, y
produce una ranura (12). A continuación, por desplazamiento de la
pieza a mecanizar (8) en el sentido de la flecha (13), se produce un
corte perpendicular para realizar finalmente una pieza tal como se
ha mostrado en la figura 3, con una primera faceta (14) y una
segunda faceta (15) mecanizadas.
Se comprende que una energía eléctrica elevada
generada por el generador eléctrico (10) permite una descarga rápida
y permite, por lo tanto, un desplazamiento más rápido de la pieza a
mecanizar con respecto al hilo de electrodo (4) para una
mecanización rápida. En efecto, el desplazamiento de la pieza debe
seguir la erosión producida por las chispas, sin excederse. Una
velocidad demasiado lenta reduce la velocidad de mecanización. Una
velocidad demasiado rápida produce el contacto del hilo y de la
pieza, y el paro de la máquina por el cortocircuito.
Sin embargo, la energía eléctrica produce un
calentamiento del hilo en la zona de mecanización, y el aumento de
esta energía aumenta simultáneamente los riesgos de rotura del hilo.
Por lo tanto, para una estructura determinada del hilo de electrodo,
la velocidad de mecanización máxima se obtiene para la energía
eléctrica justamente inferior a la energía que provoca la rotura del
hilo de electrodo.
Consideraremos a continuación nuevamente los
ensayos que han permitido la realización de la presente
invención.
Se han efectuado ensayos de mecanización por
electroerosión en una máquina de marca Charmilles Robofil 2020, en
el régimen de corte E3, con una pieza de acero de 50 mm de
altura.
Un primer ensayo comparativo ha sido realizado
por una parte con un hilo de electrodo de latón con 37% de zinc y,
por otra, con un hilo de electrodo cuya ánima de latón al 37% de
zinc está recubierta por una capa de 8 micras de aleación de cobre y
de zinc en fases \alpha y \beta obtenido por un tratamiento
térmico de difusión. Los dos hilos de electrodo tenían el mismo
final de 0,25 mm. En velocidad de mecanización relativa, el hilo de
electrodo de latón ha permitido una velocidad de mecanización de 98,
mientras que el hilo de electrodo con ánima de latón recubierta de
aleación de zinc y de cobre difundido sólo ha permitido una
velocidad de 67.
Un segundo ensayo comparativo ha sido realizado
utilizando, por una parte, un hilo de electrodo cuya ánima es una
aleación de cobre y de zinc al 80% de cobre, con una capa de
recubrimiento de 20 micras de aleación de cobre y de zinc difundido
en fases \alpha y \beta, y por otra parte, con un hilo de
electrodo cuya ánima es de cobre no aleado recubierta por una capa
de 14 micras de aleación de cobre y de zinc difundido. Los dos
hilos de electrodo han permitido una mecanización de unas
velocidades relativas de 109 y 125, respectivamente. Esto demuestra
la ventaja de un ánima de cobre no aleado, que mecaniza más
rápidamente que el ánima de latón incluso si la capa de
recubrimiento es más fina.
Un tercer ensayo ha utilizado sucesivamente tres
hilos de electrodo con un ánima de cobre no aleado, con capas de
recubrimiento de aleación de cobre y de zinc difundido,
respectivamente, de 11 micras, 14 micras y 28 micras, para un
diámetro de hilo 0,25 mm. Las velocidades relativas que han sido
obtenidas son, respectivamente, de 115, 125 y 133. Se comprueba que,
con una potencia de descarga idéntica, un espesor mayor de la capa
difundida acelera el corte, en los casos de hilos de electrodo con
ánima de cobre no aleado.
Aprovechando estos resultados, la invención
permite obtener una mejor velocidad de mecanización utilizando un
hilo de electrodo específico, tal como se ha mostrado en la figura 4
a mayor escala. El hilo de electrodo según la invención comprende un
ánima (16) de cobre no aleado, revestida de una capa de
recubrimiento (17) de aleación de cobre y de zinc difundido, cuyo
espesor (E) es superior al 10% del diámetro (D) del hilo de
electrodo.
Se puede tener interés en aumentar fuertemente el
espesor (E) de la capa de recubrimiento. No obstante, se observa un
límite en las capacidades de deformación relativa de los metales
cuando tiene lugar el trefilado permitiendo poner a dimensión el
hilo de electrodo: un espesor excesivo de capa de recubrimiento
presenta el riesgo de conducir a la rotura del hilo en el momento
del trefilado, lo que afecta las características de producción y de
utilización del hilo de electrodo. El trefilado es fácilmente
realizable cuando el espesor relativo de la capa de recubrimiento es
inferior aproximadamente al 16% del diámetro final (D).
Simultáneamente, un espesor (E) muy grande de la capa de
recubrimiento fragiliza el hilo a causa de una conductividad
eléctrica insuficiente.
El interfaz entre el ánima y la capa de
recubrimiento es en general deformado por la operación de trefilado,
lo que le suprime de manera natural el carácter liso y le confiere
una ligera irregularidad. Esta irregularidad no es inconveniente
para el proceso de electroerosión.
Se puede, añadir de manera ventajosa al hilo de
electrodo una capa superficial (21) de contacto, por ejemplo, de
zinc, cobre, níquel, plata u oro, o mejorando la conducción
eléctrica entre el hilo de electrodo (4) y el contacto (18a), y
mejorando la estabilidad de la descarga.
\vskip1.000000\baselineskip
Una capa de cobre gruesa reduce sensiblemente la
velocidad de electroerosión. Para evitar este inconveniente, la capa
de cobre debe ser extremadamente fina, por ejemplo, menor de 0,5
micras.
Una capa de níquel parece demasiado frágil para
ser continua con espesores reducidos del orden de 1 micra.
Una capa de zinc de 1 micra aproximadamente es
favorable. Esta capa, incluso discontinua, mejora de manera
inesperada el comportamiento eléctrico y la estabilidad de la
descarga.
La superficie del hilo de electrodo puede estar
recubierta por una delgada capa de óxido, resultado de las etapas de
fabricación. No es indispensable suprimir esta capa, si bien ello
es posible. Esta capa puede ser uniforme o no.
La superficie del hilo de electrodo puede
presentar fisuras, sin que ello reduzca la velocidad de
mecanización.
El hilo de electrodo obtenido según la invención
tiene en general un color amarillo-marrón.
La superficie del hilo de electrodo debe estar
relativamente limpia, con pocas trazas de lubrificantes de trefilado
u otros ensuciamientos.
Para un hilo de electrodo tal como se ha definido
anteriormente, se obtienen todavía mejores propiedades de
electroerosión cuando la capa de recubrimiento está realizada en una
aleación de cobre y de zinc con una mezcla heterogénea de fases
\alpha y \beta y/o \beta'. El contenido de zinc está
comprendido entonces entre 35% y 57%, preferentemente entre 35% y
50% en peso. En electrodos sometidos a comprobación, satisfactorios,
se han observado contenidos de zinc de 45,7%, 41,5% y 35,4%, y un
contenido de oxígeno de 0,5% en forma de óxidos de zinc o de cobre.
Las fases presentes en la capa superficial eran fases \alpha y
\beta y \beta' del diagrama cobre-zinc.
La figura 5 muestra esquemáticamente en sección
transversal la estructura de la capa superficial de un hilo según
una forma de realización preferente de la invención. La estructura
es hetereogénea, en el sentido de que ciertas partes de la capa
superficial están cristalizadas en fase \beta o \beta', desde el
ánima hasta la superficies externa, mientras que las otras zonas son
una mezcla de una fase en una matriz de otra fase.
Se distingue de este modo en la figura, el ánima
(16) de cobre no aleado, y el recubrimiento (17) de aleación de
cobre y de zinc cuyo espesor es superior al 10% de diámetro. La zona
(17a) es un cristal grande en fase \beta, que puede tener una
dimensión T de varias micras hasta una decena de micras. La zona
(17b) es una zona de mezcla de las fases \alpha y \beta, por
ejemplo, tal como se ha mostrado a mayor escala en el marco de la
parte superior derecha de la figura, microzonas de fase \beta, de
1 a varias micras, por ejemplo, repartidas en una matriz de fase
\alpha. Inversamente, en la zona (17c) se encuentran microzonas en
fase \alpha repartidas en una matriz de fase \beta. La zona
(17d) es una combinación de una capa superficial en fase \beta y
de una capa inferior en mezcla de las fases \alpha y \beta.
Esta estructura heterogénea es obtenida por una
elección apropiada de las condiciones de difusión térmica en el
momento de la realización de la capa de recubrimiento: calentamiento
rápido y duración apropiada de la difusión.
Se mantiene el calentamiento durante el tiempo
justo suficiente para la obtención de la mezcla de fases
deseada.
El interés de esta estructura es especialmente el
de facilitar el trefilado a pesar de la presencia a priori
desfavorable de la fase \beta, de manera que entonces resulta
posible aumentar el contenido de zinc y aumentar, en consecuencia,
la velocidad de electroerosión.
Un hilo de electrodos, según la invención, puede
ser realizado según un procedimiento que comprende las siguientes
etapas:
a. disponer un hilo de ánima de cobre no aleado
de diámetro (D1) superior al diámetro (D1) del hilo a realizar,
b. recubrir el hilo de ánima con zinc puro según
un espesor apropiado que permite a continuación realizar el espesor
final;
c. someter el hilo de ánima recubierto a un
tratamiento térmico de difusión, consiguiendo una capa de
recubrimiento (17);
d. trefilar para llevar el hilo de electrodo al
diámetro final (D), teniendo entonces la capa de recubrimiento (17)
un espesor E superior al 10% del diámetro final (D) del
electrodo.
La presente invención no está limitada a los
modos de realización que se han descrito de manera explícita, sino
que comprende las diversas variantes y generalizaciones contenidas
en el campo de las siguientes reivindicaciones.
Claims (14)
1. Hilo de electrodo para mecanización por
descarga erosionante, que comprende un ánima metálica (16) con un
revestimiento de una capa de recubrimiento (17) de aleación de zinc
difundido, caracterizado porque:
- el ánima (16) es de cobre no aleado,
- la capa de recubrimiento (17) es de aleación de
zinc y de cobre difundido,
- el espesor (E) de la capa de recubrimiento (17)
de aleación de cobre y de zinc es superior al 10% del diámetro (D)
del hilo de electrodo.
2. Hilo de electrodo, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el espesor (E) de la capa de
recubrimiento (17) es inferior o igual al 16% del diámetro (D) del
hilo de electrodo.
3. Hilo de electrodo, según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la conductividad
eléctrica global del hilo de electrodo está comprendida entre 65%
IACS y 75% IACS.
4. Hilo de electrodo, según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la conductividad
eléctrica global del hilo de electrodo es próxima a 69% IACS.
5. Hilo de electrodo, según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el cobre no
aleado que constituye el ánima (16) es escogido entre la familia de
cobres recomendados: Cu-a1 (Cu-ETP);
Cu-a2 (Cu-FRHC);
Cu-C1 (Cu-OF); Cu-c2
(Cu-OFE).
6. Hilo de electrodo, según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque:
- para un diámetro (D) de hilo de electrodo de
0,20 mm el espesor (E) de la capa de recubrimiento es superior o
igual a 20 micras,
- para un diámetro (D) de hilo de electrodo de
0,25 mm el espesor (E) de la capa de recubrimiento es superior o
igual a 25 micras,
- para un diámetro (D) de hilo de electrodo de
0,30 mm el espesor (E) de la capa de recubrimiento es superior o
igual a 30 micras,
- para un diámetro (D) de hilo de electrodo de
0,33 mm el espesor (E) de la capa de recubrimiento es superior o
igual a 33 micras,
- para un diámetro (D) de hilo de electrodo de
0,35 mm el espesor (E) de la capa de recubrimiento es superior o
igual a 35 micras.
7. Hilo de electrodo, según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la capa de
recubrimiento (17) es de aleación de cobre y de zinc con mezcla de
fases \alpha y \beta y/o \beta' estando comprendido entonces
el contenido de zinc entre 35% y 57%, preferentemente entre 35% y
50% en peso.
8. Hilo de electrodo, según la reivindicación 7,
caracterizado porque la capa de recubrimiento es una mezcla
heterogénea de las fases \alpha y \beta y/o \beta'.
9. Hilo de electrodo, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la capa de
recubrimiento (17) está revestida por una débil capa superficial
(21) de contacto de zinc, cobre, níquel, plata u oro.
10. Procedimiento de realización de un hilo de
electrodo para descarga erosionante, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por comprender las
etapas:
a. disponer un hilo de ánima de cobre no aleado
de diámetro (D1) superior al diámetro (D) del hilo a realizar;
b. recubrir el hilo de ánima con zinc puro según
un espesor apropiado que permite a continuación realizar el espesor
final;
c. someter el hilo de ánima recubierto a un
tratamiento térmico de difusión, consiguiendo una capa de
recubrimiento (17);
d. trefilar para llevar el hilo de electrodo al
diámetro final (D), teniendo entonces la capa de recubrimiento (17)
un espesor (E) superior al 10% del diámetro final (D) del
electrodo.
\newpage
11. Procedimiento, según la reivindicación 10,
caracterizado porque, en la etapa b, el zinc es depositado
sobre el hilo de ánima de cobre por depósito electrolítico.
12. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones 10 u 11, caracterizado porque el tratamiento
térmico de difusión es realizado por calentamiento rápido y una
duración apropiada para obtener una mezcla heterogénea de las fases
\alpha y \beta y/o \beta'.
13. Hilo de electrodo, según las reivindicaciones
10 a 12, caracterizado porque se recubre el hilo de electrodo
de una capa delgada superficial (21) de contacto de zinc, cobre,
níquel, plata u oro, después de la etapa de difusión (c) o después
de la etapa de trefilado (d).
14. Utilización de un hilo de electrodos, según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, para un procedimiento de
mecanización de una pieza por electroerosión en una máquina de
mecanización con generador eléctrico que produce la energía
eléctrica de descarga, caracterizada porque el generador es
ajustado para producir la energía de descarga máxima compatible con
la capacidad de mecanización del hilo de electrodo sin rotura,
permitiendo de esta manera aumentar la velocidad de
mecanización.
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