Erosión por chispa con WC fabricado aditivamente

Jun 21, 2023

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Actualmente, los investigadores están explotando aún más el potencial de la fabricación aditiva para producir electrodos de herramientas de carburo de tungsteno-cobalto para el mecanizado por descarga eléctrica, con la vista puesta en aplicaciones industriales.

La creciente complejidad de los componentes y los continuos avances en la fabricación de herramientas y moldes requieren desarrollos constantes en procesos de fabricación como el mecanizado por descarga eléctrica (EDM). Esto se consigue, por ejemplo, mediante el desarrollo de nuevos tipos de cadenas de proceso para la producción de electrodos para herramientas complejas. La fabricación aditiva (AM) permite la producción de geometrías complejas de electrodos de herramientas con canales de lavado internos para procesos de electroerosión con pocas restricciones en términos de diseño. El carburo de tungsteno-cobalto (WC-Co) representa un material adecuado para electrodos de herramientas de electroerosión que tiene una alta estabilidad térmica y mecánica y que también puede procesarse de forma aditiva. Este artículo muestra los primeros resultados de estudios sobre el uso de electrodos de herramientas WC-Co fabricados aditivamente en electroerosión por inmersión. Participan el Instituto de Máquinas Herramienta y Gestión de Fábricas IWF de la Universidad Técnica de Berlín y el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Producción y Tecnología de Diseño IPK.

Dr.-Ing. M. Polte, ingeniero superior, IWF, Universidad Técnica de Berlín; R. Hörl, M. Sc., asistente de investigación, IFW, Universidad Técnica de Berlín; R. Bolz, M. Sc., investigador asociado, IWF, Universidad Técnica de Berlín; Th. Braun, M. Sc., Investigador Asociado, IWF, Universidad Técnica de Berlín; RJ Neuschäfer, B. Sc., Científico Asistente, FMI, Universidad Técnica de Berlín

Estudios previos ([1], [2] y [3]) sobre el proceso AM Laser Powder Bed Fusion de material WC-Co demostraron una influencia de la densidad de energía Ev en el contenido de cobalto CCo de las muestras fabricadas. En el presente estudio, los electrodos de herramientas se fabricaron mediante el proceso AM con cámara de procesamiento precalentada y WC-Co 83/17 (como material en polvo) y se analizaron con respecto a su influencia en el proceso de electroerosión.

Al variar la densidad de energía en un rango de 300 J/mm3 ≤ Ev ≤ 900 J/mm3 en cuatro pasos, se influyó en el contenido de cobalto CCo y las propiedades materiales asociadas de los componentes, como la densidad relativa ρrel y la conductividad eléctrica κ. Para cada densidad de energía Ev, se fabricaron y analizaron dos muestras en consecuencia. Para evaluar la idoneidad de la electroerosión por penetración, se llevaron a cabo pruebas adicionales con electrodos de herramientas fabricados aditivamente. Las muestras se evaluaron determinando la tasa de eliminación VW y el desgaste relativo de la herramienta ϑrel para las respectivas pruebas de electroerosión.

Además, se realizaron simulaciones numéricas para investigar el lavado interno de los electrodos de la herramienta para mejorar el comportamiento de eliminación de material. Para determinar la velocidad de flujo máxima v y el flujo volumétrico V en la ranura de trabajo se investigaron tres geometrías diferentes de canales de lavado. Las pruebas se llevaron a cabo para diferentes secciones de canales de lavado en un rango de 0,196 mm2 < Ac < 0,785 mm2 y diferentes presiones de entrada en un rango de 2 bar ≤ pc ≤ 40 bar.

Los resultados mostraron que para los procesos de AM con una densidad de energía de Ev = 500 J/mm3, la densidad relativa más alta podría lograrse con ρrel = 87 por ciento. De hecho, se requiere una densidad relativa suficientemente alta para que la resistencia mecánica σm de los electrodos de herramienta para su uso en electroerosión por inmersión pueda soportar altas presiones de lavado pS. Las muestras, que se produjeron con una densidad de energía de Ev = 900 J/mm3, fueron No es adecuado para el proceso de hundimiento por erosión por chispa debido a su baja densidad relativa ρrel.

La medición del contenido de cobalto CCo mostró los valores más altos con densidades de energía de Ev = 300 J/mm3. Debido a la configuración de la medición, se mostró una compensación para los valores del contenido de cobalto. Para contenidos de cobalto de CCo > 17 por ciento, también se puede concluir que no se vaporizó cobalto durante el proceso de AM. Un alto contenido de cobalto puede posiblemente aumentar la conductividad eléctrica κ del electrodo de la herramienta, lo que tiene un efecto positivo en el proceso de electroerosión. Esto pudo confirmarse en las pruebas de electroerosión por inmersión. Allí, la tasa de eliminación fue más alta con V̇w = 5,53 mm3/min a una densidad de energía de Ev = 300 J/mm3.

El análisis del desgaste relativo de la herramienta ϑrel mostró que las muestras producidas con una densidad de energía de Ev = 700 J/mm3 estaban sujetas al mayor desgaste relativo de la herramienta, que fue del 10,2 por ciento. Esto puede atribuirse a estructuras porosas creadas por el proceso de fabricación aditiva. Las muestras fabricadas aditivamente con una densidad de energía de Ev = 300 J/mm3 y Ev = 500 J/mm3 mostraron un desgaste ligeramente menor con ϑrel = 9,6 por ciento. De ello se deduce que las densidades de energía entre 300 y 500 J/mm3 son las más adecuadas para la fabricación aditiva de electrodos de electroerosión. Por lo tanto, esta gama se investigará más a fondo en el futuro.

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Además, se desarrolló un modelo numérico para el estudio de los canales de lavado internos de los electrodos de la herramienta para poder realizar los estudios ahorrando tiempo y recursos. Se investigaron las secciones transversales de los canales de lavado redondos, rectangulares y en forma de trébol para diferentes presiones de entrada y las áreas de la sección transversal Ac del canal de lavado. Al analizar la velocidad del flujo v en el espacio de trabajo lateral, una geometría en forma de trébol mostró las velocidades de flujo más altas para cada pasador de presión de entrada y cada área de la sección transversal del canal de lavado.

Se llevaron a cabo más investigaciones en la zona del espacio de trabajo frontal. Aquí es donde se producen la mayoría de las descargas de chispas durante el proceso de electroerosión y donde se producen depósitos de partículas perturbadoras. Por esta razón, es necesario un lavado eficaz en esta área para un proceso de electroerosión estable.

El análisis de la velocidad del flujo v y la viscosidad turbulenta νt mostró que una geometría rectangular como sección transversal del canal de lavado conduce a los valores más altos para ambos parámetros. Una representación visual de las partículas de acero en la ranura de trabajo frontal durante el enjuague confirmó que la mayor velocidad del flujo y la viscosidad de remolino en el canal de enjuague de geometría rectangular conducen a un transporte significativamente mayor de partículas de ablación. Es probable que una geometría del canal de lavado que conduzca a una mayor turbulencia en el espacio de trabajo garantice un mejor efecto de lavado general durante el proceso de electroerosión.

En resumen, la estructura de canal rectangular es la más adecuada para el lavado interno, aunque tiene velocidades de flujo más bajas vc en el espacio de trabajo lateral que las geometrías de comparación. Con los resultados obtenidos se encontraron parámetros adecuados para la fabricación aditiva de electrodos de herramientas fabricados en WC-Co para su uso en procesos de electroerosión. De este modo, en el futuro se podrá aprovechar el potencial de canales de lavado internos más complejos basándose en estos hallazgos. Los resultados del modelo numérico ya mostraron tendencias positivas para mejorar la eliminación de la brecha laboral.

[1] Uhlmann E, Bergmann A, Bolz R, Gridin W. Aplicación de electrodos de herramientas de carburo de tungsteno fabricados con aditivos en electroerosión. Procedimiento CIRP. 2018; 68: 86 – 90.

[2] Uhlmann E, Polte J, Bolz R, Yabroudi S, Streckenbach J, Bergmann A. Aplicación de electrodos de carburo de tungsteno y cobalto fabricados aditivamente con canales de lavado interiores en S-EDM. Procedimiento CIRP. 2020, 95: 460 – 465.

[3] Polte J, Neuwald T, Gordei A, Kersting R, Uhlmann E. Efectos sobre la densidad de piezas para una fabricación altamente productiva de WC-Co mediante fusión por láser en lecho de polvo. Actas euspen, Conferencia y Exposición Internacional. 2021, 21.

* Todos los autores realizan investigaciones en el Instituto de Máquinas Herramienta y Gestión de Fábricas IWF de la Universidad Técnica de Berlín. Eckart Uhlmann y Mitchel Polte también trabajan en el Fraunhofer IPK de Berlín.

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