ES2315440T3 - Aparato y metodo para mecanizado por electroerosion. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para el mecanizado electroerosivo de una pieza de trabajo por medio de un electrodo-herramienta, en el que: - se aplica un impulso de erosión al electrodo-herramienta, con una corriente de descarga (Ie) controlada a un valor constante, que fluye al menos durante una etapa de la duración del impulso de erosión en una descarga al electrodo-herramienta, - durante la duración del impulso de erosión se registra la tensión (Ue) existente en el electrodo-herramienta, caracterizado porque - con una corriente de descarga controlada de manera constante después de haber determinado un desarrollo constante en el tiempo de la tensión (Ue) registrada o una magnitud derivada de la misma, tal como la potencia de descarga o la relación de tensión registrada a la corriente que fluye en este caso, a continuación se interrumpe el impulso de erosión.
Description
Aparato y método para mecanizado por
electroerosión.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y a un dispositivo para el mecanizado electroerosivo
de una pieza de trabajo según los preámbulos de las
reivindicaciones 1 y 10 de patente.
Uno de los problemas principales en el
mecanizado electroerosivo consiste en la optimización por un lado de
la capacidad de arranque del mecanizado y por otro lado, de la
calidad de la superficie de la pieza de trabajo que va a
mecanizarse. La pieza de trabajo mecanizada debe presentar una
determinada rugosidad final y una determinada precisión de forma.
Además se exige una zona de la superficie de la pieza de trabajo
influida térmicamente lo más pequeña posible y un desgaste del
electrodo lo menor posible. Estas condiciones límite determinan la
duración del mecanizado y por tanto, los costes para el acabado de
la pieza de trabajo.
En el mecanizado electroerosivo, un generador de
descargas eléctricas proporciona series de impulsos de erosión
controlados al electrodo-herramienta y la pieza de
trabajo, que permiten el proceso electroerosivo. Según el estado de
la técnica son habituales los siguientes tipos de series de
impulsos:
- -
- series de impulsos en isofrecuencia, tal como se muestran por ejemplo en la figura 1a. En ésta, está representado el desarrollo en el tiempo de la tensión U_{FS} existente en el electrodo-herramienta mediante tres impulsos de erosión sucesivos. Un impulso de erosión está caracterizado por una subida de tensión hasta una tensión en vacío U_{i} preestablecida, una persistencia de la tensión en vacío U_{i} que se mantiene constante hasta el disparo del impulso de erosión, una caída de tensión durante la descarga (con una tensión de descarga U_{e} media) y una interrupción de la descarga con una caída de tensión hasta el valor cero. Tras un impulso de erosión con la duración de tiempo t_{i} sigue un intervalo entre impulsos t_{0}, antes de que se genere un impulso de erosión siguiente. La figura 1b muestra el desarrollo de la corriente I_{FS} en el tiempo correspondiente de la corriente que fluye durante un impulso de erosión al electrodo-herramienta. Este desarrollo de la corriente aumenta durante la descarga hasta un valor de descarga I_{e} medio que se mantiene constante y disminuye hacia el final del impulso de erosión hasta cero. En el caso de series de impulsos en isofrecuencia la duración del impulso t_{i} y la duración del intervalo t_{0} se mantienen constantes. El comportamiento estocástico del tiempo de retraso de disparo (el tiempo entre la aplicación de la tensión en vacío U_{i} y la subida de la corriente o la caída de la tensión en vacío) cambia en este método la energía de descarga (la corriente de descarga también se mantiene constante) para cada impulso de corriente, y por tanto el arranque, el desgaste relativo y la rugosidad final.
- -
- series de impulsos isoenergéticas, tal como se muestran por ejemplo en las figuras 2a y b, en las cuales la duración de descarga t_{e} y la duración de intervalo t_{0} se mantienen constantes. En este caso se consigue una mejor constancia de los resultados tecnológicos. El mecanizado isoenergético consigue en comparación con el mecanizado en isofrecuencia un menor arranque, ya que se utilizan menos impulsos de erosión por unidad de tiempo para el mecanizado.
En el estado de la técnica para el mecanizado
electroerosivo de piezas de trabajo son habituales además formas de
impulsos de corriente rectangulares o trapezoides. Si bien los
impulsos de corriente trapezoides presentan frente a los impulsos
de corriente rectangulares la ventaja de que el desgaste del
electrodo es menor debido a la menor densidad de corriente en la
fase de formación del canal de descarga, sin embargo también tienen
la desventaja de que el arranque es menor debido a la menor integral
de corriente-tiempo.
El documento de publicación PCT WO 01/32342
intenta eliminar las desventajas del mecanizado con impulsos de
corriente trapezoides, porque tras un tiempo predeterminado desde el
inicio de la descarga se conecta adicionalmente un generador de
corriente adicional, que superpone al impulso de corriente normal un
impulso de corriente muy corto y triangular de elevada energía. El
tiempo predeterminado se determina de manera empírica y sirve para
reducir la densidad de corriente, para mantener el desgaste del
electrodo reducido. Si bien de este modo puede aumentarse el
arranque especialmente en el caso del mecanizado de metal duro, sin
embargo no puede reducirse simultáneamente el desgaste del
electrodo, porque en cada impulso de corriente predominan otras
condiciones. El proceso de erosión es concretamente estocástico, de
modo que la densidad de corriente para cada impulso de corriente
sigue un gradiente propio. Además el uso de un generador adicional
es complejo y más caro.
El documento
US-A-4.700.038 determina el valor de
velocidad de la caída de tensión tras activar el intersticio de
trabajo y utiliza este valor para determinar el arranque de material
de una única descarga y da a conocer las características del
preámbulo de las reivindicaciones 1 y 10. Sumado a lo largo de cada
una de las descargas calcula además el desgaste del electrodo y a
partir de aquí parámetros para ajustar el impulso de erosión, tales
como la duración de descarga, intervalo entre impulsos, frecuencia
de descarga, etc.
El documento
DE-A-28 41 596 describe un generador
de impulsos con detección de cortocircuito, suprimiendo el impulso
de erosión en caso de detectar un cortocircuito. Un cortocircuito se
detecta cuando la tensión de descarga ha disminuido en un intervalo
de tiempo preestablecido por debajo de la tensión de arco.
\newpage
La invención se basa en el objetivo de mejorar
un procedimiento y un dispositivo para el mecanizado electroerosivo
de piezas de trabajo.
La invención soluciona este objetivo en cada
caso con los objetos de las reivindicaciones 1 y 10. Configuraciones
preferidas de la invención se describen en las reivindicaciones
dependientes.
A continuación se explican con más detalle la
invención así como características adicionales de la invención
mediante ejemplos de realización preferidos con referencia al dibujo
adjunto. En el dibujo muestra:
la figura 1 un desarrollo en el tiempo de la
tensión (figura 1a) y un desarrollo en el tiempo correspondiente de
la corriente (figura 1b) de series de impulsos de corriente en
isofrecuencia según el estado de la técnica;
la figura 2 un desarrollo en el tiempo de la
tensión (figura 2a) y un desarrollo en el tiempo correspondiente de
la corriente (figura 2b) de series de impulsos de corriente
isoenergéticas según el estado de la técnica;
la figura 3 un desarrollo en el tiempo de la
tensión (figura 3a), un desarrollo en el tiempo correspondiente de
la derivada del desarrollo de la tensión (figura 3b) y un desarrollo
en el tiempo correspondiente de la corriente (figura 3c) de un
impulso de corriente isogeométrico según la presente invención;
la figura 4 un circuito de base esquemático del
dispositivo para interrumpir el impulso de erosión según un ejemplo
de realización de la presente invención;
la figura 5 desarrollos en el tiempo de la
tensión, de tensiones de salida del dispositivo representado en la
figura 4 para interrumpir el impulso de erosión;
la figura 6 un desarrollo en el tiempo de la
tensión de los impulsos de erosión, en los que la duración del
impulso depende de la duración de la descarga y el retraso del
tiempo de disparo, según otro ejemplo de realización de la presente
invención;
la figura 7 un desarrollo en el tiempo de la
corriente de un impulso de erosión, en el que se aumenta el valor
de la corriente antes de interrumpir el impulso de erosión, según
otro ejemplo de realización de la presente invención;
la figura 8 un desarrollo en el tiempo de la
corriente de un impulso de erosión, en el que el dispositivo para
interrumpir el impulso de erosión no está sincronizado con el
control de la corriente integrado en el generador de descargas
eléctricas, según el estado de la técnica; y
la figura 9 un desarrollo en el tiempo de la
corriente de un impulso de erosión, en el que el dispositivo para
interrumpir el impulso de erosión está sincronizado con el control
de la corriente integrado en el generador de descargas eléctricas,
según otro ejemplo de realización de la presente invención.
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación, ante todo, para entender mejor
la invención y los términos técnicos utilizados para su descripción
se describe el principio general del mecanizado electroerosivo
mediante las figuras 1 y 2, que para series de impulsos de erosión
según el estado de la técnica muestran el desarrollo en el tiempo de
la tensión U_{FS} y de la corriente I_{FS} correspondiente.
El mecanizado electroerosivo de piezas de
trabajo se basa en el arranque de materiales eléctricamente
conductores, que se produce mediante operaciones de descarga
eléctricas entre dos electrodos
(electrodo-herramienta y pieza de trabajo) en un
medio de trabajo (líquido dieléctrico). El arranque se origina por
descargas (chispas) separadas espacial y temporalmente entre sí, no
estacionarias. Para ello, la pieza de trabajo y el
electrodo-herramienta se colocan en la posición de
trabajo de modo que entre ambos quede un intersticio de trabajo. Si
ahora se aplica una tensión eléctrica a los electrodos (en forma de
una serie de impulsos de erosión), entonces tras superar la
resistencia a descargas disruptivas del medio de trabajo,
determinada por la distancia entre electrodos y la conductibilidad
eléctrica del líquido dieléctrico, se produce la formación de un
tramo de descarga de elevada energía. Los generadores de descargas
eléctricas adecuados proporcionan la energía necesaria para generar
los impulsos de erosión. En el estado de la técnica se utilizan a
este respecto sobre todo generadores de impulsos estáticos.
Durante una descarga las operaciones físicas,
que llevan al arranque de material, se dividen en tres fases
principales sucesivas, la fase de formación, de descarga y de
reducción. En la descripción a continuación de estas tres fases
diferentes se supone que al electrodo-herramienta se
aplican impulsos de erosión con tensión positiva y por tanto, éste
asume la función del ánodo. Evidentemente, la presente invención
también encuentra aplicación para otros procesos de erosión, en los
que por ejemplo al electrodo-herramienta se le
proporcionan impulsos de erosión negativos.
Durante la fase de formación se forma el canal
de descarga entre los dos electrodos. Para ello el generador de
descargas eléctricas aplica un impulso de erosión con un valor de
tensión ajustado a los electrodos, la denominada tensión en vacío
U_{i}, que en el tramo de descarga aparece como valor máximo,
cuando todavía no fluye ninguna corriente I_{FS} a través del
canal de descarga. La tensión en vacío U_{i} ajustada determina
entre otras cosas el ancho del intersticio al que puede dispararse
la descarga. Transcurrido el denominado tiempo de retraso de
disparo tras aplicar el impulso de erosión fluye una corriente
I_{e} casi exclusivamente sobre la superficie lateral del canal
de descarga, y el ánodo se evapora parcialmente por bombardeo
electrónico. En este punto se produce fundamentalmente el desgaste
del electrodo-herramienta. El
electrodo-herramienta que actúa como ánodo absorbe
concretamente energía de los electrones negativos acelerados en el
campo eléctrico del tramo de descarga. Éstos tienen una masa
reducida en comparación y por tanto se aceleran en un intervalo de
tiempo relativamente corto.
En la fase de descarga la energía eléctrica
suministrada por el generador de descargas eléctricas provoca una
fusión o evaporación de material fundamentalmente en la pieza de
trabajo. La fase de descarga se caracteriza por una tensión de
descarga dependiente del tiempo, que aparece en el tramo de descarga
cuando se ha disparado la descarga y fluye la corriente
correspondiente de descarga I_{e}. Con frecuencia se define una
tensión de descarga U_{e} media que depende del par de materiales
utilizado y que en la mayor parte de los casos de aplicación se
encuentra entre 15 y 30 V. La corriente de descarga I_{e} puede
ajustarse en el generador a un valor preestablecido. Con frecuencia
una tensión de trabajo se define también como el valor medio
aritmético de la tensión existente durante el mecanizado en el
tramo de descarga y una corriente de trabajo, como el valor medio
aritmético de la corriente de descarga I_{e} que fluye durante el
mecanizado a través del tramo de descarga. La tensión de trabajo y
la corriente de trabajo son dos magnitudes de medición a las que se
recurre para ajustar y supervisar el proceso de erosión. La energía
de descarga es la energía transformada en el tramo de descarga
durante una descarga. A través de la misma se determina el volumen
de cada una de las descargas y además también fundamentalmente la
configuración de la superficie erosionada.
La fase de reducción se inicia con la
desconexión de la corriente de descarga I_{e}. El canal de plasma
se colapsa y se eyecta el material en parte evaporado, en parte
líquido. Por ello, en un mecanizado con polaridad positiva el
arranque de material tiene lugar fundamentalmente durante la fase de
reducción.
Para un buen proceso de erosión deben crearse
además en el intersticio de trabajo condiciones de descarga, que en
la medida de lo posible excluyan la aparición de cortocircuitos,
descargas erróneas e impulsos en vacío. Para detalles adicionales
respecto al mecanizado electroerosivo se remite a Wilfried
König-Fritz Klocke "Fertigungsverfahren, Abtragen
und Generieren", Springer Verlag, ISBN
3-540-63201-8.
Ahora la invención se describirá con más detalle
con referencia a la figura 3, en la figura 3a se muestra el
desarrollo en el tiempo de la tensión U_{FS} de un impulso de
erosión, la figura 3b, el desarrollo correspondiente de la derivada
en el tiempo -dU_{FS}/dt del desarrollo de la tensión mostrado en
la figura 3a para la duración de la fase de descarga (tras la caída
de la tensión en vacío U_{i} hasta la tensión de descarga U_{e})
y la figura 3c, el desarrollo en el tiempo de la corriente I_{FS}
correspondiente que fluye al
electrodo-herramienta.
Se conoce que el cráter de descarga originado
por el plasma de descarga en el ánodo y en el cátodo aumenta al
prolongar la duración de descarga t_{e}. Incluso, tras un cierto
tiempo, en el cátodo el punto de base de plasma empieza a
desplazarse sobre la superficie del cátodo, y origina cráteres
secundarios menores (véase Arnd Karden, "Funkenerosive
Senkbearbeitung mit leistungssteigernden Elektrodenwerkstoffen und
Arbeitsmedien", Band 2/2001, Shaker Verlag, ISBN
3-8265-8392-2). La
rugosidad de la superficie de material mecanizada corresponde al
radio del punto de base de chispa (Daryl di Bitonto et al.
"Theoretical models of the electrical discharge machining
process", "I. A. simple cathode erosion model" y "II. The
anode erosion model", Journal of Applied Physics, Vol. 66, 1989,
No. 9, págs. 4095-4111).
Debido al aumento del diámetro del punto de base
de chispa al prolongar la duración de descarga t_{e} se reduce la
densidad de corriente en el canal de plasma, y por tanto, la tensión
de descarga entre el electrodo-herramienta y la
pieza de trabajo (véase Matthias Timm, "Elektronische Stromquelle
für das funkenerosive Schneiden von elektrisch schlecht leitfähigen
Werkstoffen",
Otto-von-Guericke-Universität
Magdeburg, 1996, Dissertation, páginas 30 y ss.).
Los inventores han descubierto que a partir de
la tensión de descarga U_{e} puede derivarse en qué instante ya
no se amplía el diámetro del punto de base de chispa, ya que se
consigue un equilibrio térmico entre la energía suministrada y la
energía térmica emitida por la semiesfera fundida a la pieza de
trabajo. Además también han descubierto, que el impulso de descarga
no tiene que perdurar más tiempo, ya que la rugosidad deseada se ha
conseguido a partir de este instante. Este instante se consigue
precisamente cuando existe un comportamiento asintótico de la
tensión de descarga U_{e}. En el caso de una corriente de descarga
I_{e} que se mantiene constante, el comportamiento asintótico es
una tensión de descarga U_{e} que discurre fundamentalmente de
manera constante en el tiempo. En determinados casos puede ser más
sencillo determinar el comportamiento asintótico a partir de otra
magnitud derivada a partir de la tensión de descarga U_{e}.
Esta magnitud derivada puede ser por ejemplo la
potencia de descarga que puede determinarse a partir del producto
de la tensión de descarga U_{e} registrada por unidad de tiempo y
de la corriente de descarga I_{e} que fluye por unidad de tiempo.
También puede ser una magnitud que se derive por la división de la
tensión de descarga U_{e} registrada por unidad de tiempo por la
corriente de descarga I_{e} que fluye por unidad de tiempo. En
conjunto, por el término utilizado en este caso de "comportamiento
asintótico" se entiende el comportamiento que adopta la tensión
de descarga U_{e} (o la magnitud derivada, tal como la potencia de
descarga) en equilibrio, en el que el diámetro del cráter con la
corriente de descarga I_{e} que fluye en ese momento ha adoptado
fundamentalmente un máximo. A cada corriente de descarga I_{e}
corresponde precisamente un diámetro de cráter máximo y así también
una tensión de descarga U_{e} correspondiente, que dado el caso se
ajusta sólo con retraso.
En las figuras 3a-c mediante la
línea vertical de puntos y rayas se indica el instante en el que
existe un comportamiento asintótico de la tensión de descarga
U_{e}. Para una corriente de descarga I_{e} constante, este
comportamiento asintótico, tal como se indicó anteriormente, es una
tensión de descarga U_{e} constante en el tiempo. Esta constancia
en el tiempo puede determinarse por ejemplo por la derivada
-dU_{FS}/dt en el tiempo de la tensión del intersticio U_{FS}
(o de la tensión de descarga U_{e}), que en el comportamiento
asintótico es fundamentalmente igual a cero (o menor que un valor
umbral preestablecido). Inmediatamente antes del instante en el que
la derivada en el tiempo es menor que un valor umbral
preestablecido, en la figura 3 aún se indica además otro instante
como línea vertical continua, a partir del cual la derivada
-dU_{FS}/dt en el tiempo de la tensión de descarga U_{e} cae
considerablemente (también puede recurrirse a este instante para
determinar el haber alcanzado el comportamiento asintótico de la
tensión de descarga U_{e}).
Para un par de cobre/acero
(electrodo-herramienta/pieza de trabajo), el valor
asintótico de la tensión de descarga U_{e} se encuentra por
ejemplo en aproximadamente 24 V. Sin embargo, este valor no es igual
para todos los impulsos de descarga y pares de
electrodo-herramienta/pieza de trabajo, ya que la
caída de tensión a través del intersticio de erosión depende por
ejemplo de la corriente de descarga I_{e} y de la geometría del
electrodo. Además, una propiedad conocida del proceso de erosión es
su carácter en su mayor parte estocástico, que está condicionado
por las relaciones físicas que varían continuamente en el
intersticio de trabajo.
La duración de tiempo requerida por el impulso
de descarga para alcanzar este estado no es constante, ya que la
velocidad, con la que una descarga alcanza un diámetro de punto de
base de plasma determinado, depende de la situación macroscópica en
el intersticio y de la geometría local en la zona del tramo de
descarga. Si por ejemplo de la descarga de chispas anterior queda
material fundido localmente de manera momentánea y la nueva
descarga se realiza en la proximidad de la descarga anterior,
entonces ha de utilizarse menos energía y tiempo para conseguir el
diámetro deseado.
Preferiblemente, el proceso de erosión se
optimiza aprovechando los conocimientos anteriores tal como sigue.
Ante todo, con ayuda de mediciones empíricas para valores
preestablecidos de la corriente de descarga I_{e} (que
preferiblemente se mantiene constante) se determina la rugosidad de
superficie correspondiente, que se alcanza en el instante en el que
la tensión de descarga U_{e} se convierte en asintótica. Estos
pares de valores de corriente de descarga I_{e} y rugosidad de
superficie se almacenan en el generador de descargas eléctricas
como parámetro tecnológico, para que cuando posteriormente quiera
alcanzarse una rugosidad de superficie puede determinarse la
corriente de descarga I_{e} correspondiente que ha de ajustarse
por el generador de descargas eléctricas.
Durante un mecanizado de piezas de trabajo, para
cada etapa de mecanizado se aplican series de impulsos de erosión
con una corriente de descarga I_{e} preestablecida para alcanzar
una rugosidad de mecanizado deseada. Entonces, para cada impulso de
descarga se permite que la corriente de descarga I_{e} fluya hasta
que se determine un comportamiento asintótico de la tensión de
descarga U_{e}. En este instante tanto la densidad de corriente
como el desgaste del electrodo son mínimos. A continuación o bien se
interrumpe el impulso de descarga o bien antes de la interrupción
se procede como se explica a continuación (aumento de la corriente
de descarga I_{e}). Preferiblemente, en el caso de estos impulsos
de erosión puede aumentarse además la duración de descarga (inicio
de la descarga al subir la corriente de descarga I_{e} hasta
alcanzar el comportamiento asintótico de la tensión de descarga
U_{e}) por un factor de seguridad. En el caso de los impulsos de
erosión así obtenidos de duración de descarga adaptativa puede
hablarse de series de impulsos isogeométricas, ya que la geometría
del cráter es constante.
Tras interrumpir el impulso de erosión el
generador de descargas eléctricas introduce un intervalo entre
impulsos, que preferiblemente es proporcional a la duración de
descarga transcurrida. De manera especialmente preferida, este
intervalo entre impulsos es una función de la duración de descarga y
del tiempo de retraso de disparo del impulso de erosión anterior.
La función puede elegirse de tal modo, que el intervalo entre
impulsos sea proporcional a la duración de descarga, cuando el
tiempo de retraso de disparo del impulso de erosión anterior es
mayor que un valor de umbral inferior, y que sea un valor constante,
cuando el tiempo de retraso de disparo caiga por debajo del valor
umbral. La figura 6 muestra tres intervalos entre impulsos 20, 21,
22 cuya duración t_{0} es proporcional a la duración de descarga
t_{e} anterior. El intervalo 23 mostrado en la figura 6 tiene una
duración t_{0}, que por ejemplo es aproximadamente igual al
intervalo 22 más largo de entre los intervalos 20, 21 y 22. El
intervalo 23 se ha elegido por ello mayor que por ejemplo los
intervalos 20 y 21, ya que en el caso de un tiempo de retraso de
disparo demasiado pequeño con frecuencia el material de la pieza de
trabajo tras la evaporación no se ha resolidificado completamente.
Esto puede llevar a la metalización de los electrodos, y existe el
riesgo de una generación de arco voltaico.
Para el ajuste óptimo de la duración del
intervalo puede utilizarse un sistema con lógica difusa (fuzzy
logic) o una red neuronal, que además de las magnitudes de entrada
mencionadas (tiempo de retraso de disparo, duración de descarga
t_{e}) recurre a magnitudes de entrada adicionales (por ejemplo
conductibilidad del intersticio, frecuencia de cortocircuitos,
inestabilidad del proceso, tasa de alta frecuencia durante la
descarga, etc.) para calcular la duración del intervalo, ya que no
existe una correlación sencilla ente las magnitudes de entrada
citadas y la duración del intervalo. Para ello se remite a la
bibliografía pertinente, por ejemplo a la tesis de Dirk F. Dauw,
"Online Identification and Optimisation of
Electro-Discharge Machining", Dissertation
Katholieke Universiteit Leuven, 1985.
Con las medidas anteriormente mencionadas se
garantiza que cada impulso de descarga sólo dure lo necesario, y
que se optimice el número de impulsos de erosión por unidad de
tiempo y por tanto, el arranque. De manera ventajosa se consigue
una mayor tasa de arranque con un desgaste del
electrodo-herramienta reducido, en conjunto un
mayor arranque de material por impulso de erosión, sin aumentar la
rugosidad de superficie y sin empeorar las demás características
del mecanizado que determinan la calidad (por ejemplo desgaste del
electrodo, calidad de superficie, dimensión por debajo de lo
normal, etc.). Otra ventaja consiste en que el ancho del intersticio
permanece proporcionalmente pequeño, y por tanto, los objetivos de
calidad requeridos se consiguen antes. Además, de manera ventajosa,
se reduce la capa de superficie dañada por la solicitación térmica
durante la descarga.
Las medidas mencionadas pueden utilizarse
preferiblemente tanto para el mecanizado de desbaste como también de
acabado.
Como medida adicional puede utilizarse un
impulso de corriente especial, que inmediatamente antes de finalizar
el impulso aumente momentáneamente su amplitud de corriente, de
modo que al colapsar el canal de plasma el baño de fusión en el
lado del cátodo se eyecte mejor y se intensifique el grado de acción
del efecto de erosión. Además, un aumento de corriente al final del
impulso de descarga actúa contra una posible resolidificación de la
fase fundida en la pieza de trabajo, y se reduce la capa de borde
térmicamente dañada. De este modo se reduce la duración total del
mecanizado, ya que en el mecanizado de acabado posterior tiene que
utilizarse menos tiempo para retirar esta capa de borde. Un impulso
de corriente de este tipo se representa esquemáticamente en la
figura 7, en el que al alcanzar el comportamiento asintótico de la
tensión de descarga se aumenta la corriente de descarga I_{e} del
generador de descargas eléctricas durante una duración de tiempo
preestablecida hasta un valor de corriente, que es mayor que la
corriente de descarga I_{e} durante la descarga (es decir, antes
de alcanzar el comportamiento asintótico de la tensión de descarga
U_{e}). La relación de este valor de corriente elevado con
respecto a la corriente de descarga "normal" puede ajustarse a
este respecto dependiendo del resultado que haya de alcanzarse.
El impulso de corriente de la corriente de
descarga presenta además preferiblemente al inicio un flanco de la
densidad de corriente que sube lentamente (véase el impulso de
corriente en la figura 7), que en la fase de descarga o al final de
la fase de formación limita el desgaste del electrodo (véase para
ello, por ejemplo el documento US 5.187.341, cuya publicación se
incorpora al presente documento como referencia), y hacia el final
un flanco que cae con la mayor pendiente posible.
Los generadores de descargas eléctricas
modernos, por ejemplo tal como los que se describen en el documento
US 5.280.153, están realizados en una técnica sincronizada. Así, un
único generador puede proporcionar tanto el flanco de corriente que
aumenta lentamente al inicio del impulso de corriente, como también
el aumento de corriente al final, sin costes adicionales de
hardware, ya que el control para la formación de los impulsos de
corriente se implementa preferiblemente en un FPGA (Field
Programmable Gate Array).
Ya que con frecuencia la corriente de descarga
I_{e} se regula mediante la conexión y desconexión de
transistores, que mantienen la corriente de descarga I_{e} entre
una envolvente preestablecida inferior y una superior, se produce
un impulso de corriente con una ondulación de corriente
característica, tal como se representa en las figuras 7 a 9. La
pendiente de los flancos de ondulación de corriente no se elige
normalmente demasiado grande, para mantener la frecuencia de
conmutación lo más reducida posible. Tal como ya se mencionó
anteriormente, el flanco de corriente que cae debería tener al
final del impulso de corriente la mayor pendiente posible, para
maximizar el arranque de material y favorecer el efecto de erosión.
Por tanto, el generador de descargas eléctricas se configura de tal
forma, que el final del impulso se introduce en aquel instante, en
el que tal como representa la figura 9 la amplitud de corriente es
máxima. De este modo se garantiza, que el flanco discurre con la
mayor pendiente posible a lo largo de todo su desarrollo. Esto se
aclara mediante una comparación con la figura 8, que muestra un
ejemplo contrario sin esta configuración especial del generador de
descargas eléctricas. En este caso se elimina el impulso de
corriente con una amplitud de corriente reducida. Si se considera
todo el flanco de corriente que cae en la figura 9, éste comienza
con una parte plana y finaliza sólo tras una duración de tiempo
determinada (que corresponde a la mitad de la duración del periodo
de la ondulación de corriente) con la parte con pendiente. Este
caso desfavorable sólo lleva a un efecto de erosión reducido. Un
buen efecto de erosión se requiere sin embargo, para configurar la
denominada capa blanca que se produce durante el proceso de erosión
sobre la superficie de la pieza de trabajo por la solicitación
térmica menos rígida y quebradiza. En principio, una capa blanca
rígida y quebradiza reduce la calidad de las superficies de pieza
de trabajo, y por tanto, por ejemplo la vida útil de herramientas de
punzón fabricadas con electroerosión.
Las dos medidas de un aumento de corriente y
garantía de un flanco de caída con pendiente pueden preverse
evidentemente combinadas.
La figura 4 muestra un circuito de base
esquemático de un dispositivo para la interrupción adaptativa del
impulso de corriente según un ejemplo de realización preferido de la
presente invención, que está configurado para registrar el instante
en el que la tensión de descarga U_{e} alcanza su comportamiento
asintótico. Este dispositivo está integrado de manera funcional en
un generador de descargas eléctricas, tal como se describe por
ejemplo en el documento US 5.280.153, cuya publicación se incorpora
al presente documento como referencia. Comprende un elemento de
debilitamiento 10, que como señal de entrada obtiene la tensión de
intersticio U_{FS} (corresponde a la tensión de descarga U_{e})
registrada habitualmente por el generador de descargas eléctricas y
emite esta tensión por ejemplo debilitada por el factor 20. La
tensión debilitada se filtra entonces en cada caso por dos filtros
paso bajo 11 y 12 conectados en paralelo, siendo la constante de
tiempo del filtro paso bajo 12 mayor que la del filtro paso bajo
11.
Las señales de salida de los filtros paso bajo
11 y 12 se limitan durante el tiempo de retraso de disparo a un
valor máximo (este valor máximo puede corresponder por ejemplo a una
tensión de conmutación de 40 V). Para ello los filtros paso bajo
reciben una señal de control adicional como señal de entrada, por
ejemplo la señal "descarga" procedente del generador de
descargas eléctricas, que durante el tiempo de retraso de disparo
tiene un nivel bajo de manera lógica y durante el tiempo de descarga
t_{e} un nivel alto de manera lógica (es decir, al fluir una
corriente de descarga). El flanco que sube de esta señal de control
puede retrasarse algo mediante un elemento de retraso, para que por
ejemplo corresponda al instante, en el que la corriente de descarga
I_{e} ya tiene un valor diferente de cero (por ejemplo la mitad
del valor de la corriente de descarga I_{e} máxima ajustada o
bien el valor máximo). De manera correspondiente, la señal de
control también puede ser determinada por el generador de descargas
eléctricas directamente a partir de la corriente de descarga
I_{e}, por ejemplo cuando ésta ha alcanzado la mitad de su valor
máximo o bien el valor máximo.
Los filtros paso bajo 11 y 12 proporcionan las
señales de salida A y B representadas en la figura 5a (la línea
superior horizontal representa el valor máximo mencionado
anteriormente). La señal A representa la tensión de descarga
U_{e} instantánea, a la que sólo se eliminó el ruido mediante el
ajuste correspondiente de la constante de tiempo del filtro paso
bajo 11. Mediante el ajuste correspondiente de la constante de
tiempo del filtro paso bajo 12 la señal B es una variante de la
señal A filtrada con más intensidad, en la que sobre todo las
transiciones tienen un desarrollo más suave. Ambas señales A y B se
restan en un amplificador operacional 13 que emite una señal C
representada en la figura 5b. Su desarrollo durante la fase de
descarga corresponde fundamentalmente al gradiente de la ampliación
del cráter. Durante el tiempo en vacío, la señal C tiene picos de
impulso al alcanzar la tensión en vacío y en la caída de tensión
posterior. La señal C se compara entonces en un comparador 15 con
un valor umbral ref. proporcionado por una memoria de valores umbral
14. El comparador 15 proporciona una señal de salida D representada
en la figura 5c. La señal D se encuentra a un nivel bajo de manera
lógica, siempre que la señal C supere el valor umbral ref. y a un
nivel alto de manera lógica en el caso contrario (la figura 5c no
muestra los niveles altos de manera lógica, que realmente adopta la
señal D también durante el tiempo de retraso de disparo; dado el
caso, éstos podrían suprimirse ya en el comparador 15, obteniendo
éste también la señal de control "descarga" como señal de
entrada y manteniendo su salida a un nivel bajo de manera lógica,
siempre que la señal de control "descarga" se encuentre a un
nivel bajo de manera lógica). La señal D se introduce en un
elemento Y 16, que como entrada adicional obtiene la señal de
control "descarga" del generador de descargas eléctricas. La
señal "descarga" se encuentra, tal como se mencionó, a un
nivel alto de manera lógica, siempre que tenga lugar una descarga y
fluya una corriente de descarga I_{e}. El elemento Y 16
proporciona una señal de salida E que con un flanco en aumento de
nivel bajo de manera lógica a nivel alto de manera lógica indica
que se ha alcanzado el comportamiento asintótico de la tensión de
descarga U_{e} y que además con un flanco en disminución de nivel
alto de manera lógica a nivel bajo de manera lógica indica que se ha
finalizado la descarga.
Esta eliminación especial del impulso de
corriente puede realizarse de manera muy sencilla en técnica
analógica. Evidentemente también puede realizarse en técnica
digital codificándose las funciones descritas anteriormente de sus
componentes individuales por ejemplo, en un denominado módulo FPGA
(Field Programmable Gate Array, por ejemplo de la empresa Xilinx,
Inc., 2011 Logic Drive, San Jose, CA 95124). De manera alternativa
también son concebibles otras variantes de conmutación para
determinar el instante en el que se alcanza el comportamiento
asintótico de la tensión de descarga U_{e}. Por ejemplo, un filtro
paso alto ajustado de manera correspondiente y sencillo, al que se
suministra la tensión de descarga U_{e} durante la duración de la
descarga como magnitud de entrada, puede proporcionar un valor de
salida significativo al alcanzar un desarrollo casi constante en el
tiempo de la tensión de descarga U_{e}.
A la duración total de la descarga, cuyo inicio
se indica con un flanco en aumento de la señal de "descarga" y
cuyo final se indica con un flanco en aumento de la señal E, puede
recurrirse por ejemplo para derivar información adicional (con una
duración de descarga corta se erosiona por ejemplo sólo una punta,
etc.) sobre el mecanizado erosivo momentáneo y dado el caso,
ajustar parámetros de erosión adicionales en función de la duración
de descarga determinada.
Claims (13)
1. Procedimiento para el mecanizado
electroerosivo de una pieza de trabajo por medio de un
electrodo-herramienta, en el que:
- -
- se aplica un impulso de erosión al electrodo-herramienta, con una corriente de descarga (I_{e}) controlada a un valor constante, que fluye al menos durante una etapa de la duración del impulso de erosión en una descarga al electrodo-herramienta,
- -
- durante la duración del impulso de erosión se registra la tensión (U_{e}) existente en el electrodo-herramienta,
caracterizado porque
- -
- con una corriente de descarga controlada de manera constante después de haber determinado un desarrollo constante en el tiempo de la tensión (U_{e}) registrada o una magnitud derivada de la misma, tal como la potencia de descarga o la relación de tensión registrada a la corriente que fluye en este caso, a continuación se interrumpe el impulso de erosión.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el desarrollo fundamentalmente constante en el tiempo de la
tensión (U_{e}) registrada se determina como instante, en el que
la derivada en el tiempo de la tensión (U_{e}) registrada cae por
debajo de un valor umbral (ref.) preestablecido.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, en
el que se determina el inicio de una descarga y tras interrumpir el
impulso de erosión se introduce un intervalo entre impulsos con una
primera duración de tiempo (t_{0}) que depende de una segunda
duración de tiempo (t_{e}) que está definida como tiempo entre el
inicio de la descarga y la determinación del desarrollo
fundamentalmente constante en el tiempo de la tensión (U_{e})
registrada en el impulso de erosión anterior.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en
el que la primera duración de tiempo (t_{0}) es proporcional a la
segunda duración de tiempo (t_{e}).
5. Procedimiento según la reivindicación 3 ó 4,
en el que la primera duración de tiempo (t_{0}) depende además de
un tiempo de retraso de disparo (t_{i}), que está definido como
tiempo entre la aplicación del impulso de erosión y el inicio de la
descarga.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, en
el que la primera duración de tiempo (t_{0}) depende del tiempo
de retraso de disparo (t_{i}) de tal modo que se le asigna un
valor mínimo, siempre que el tiempo de retraso de disparo (t_{i})
caiga por debajo de un segundo valor umbral.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, en el que la corriente de descarga
(I_{e}), que fluye durante la duración de un impulso de erosión
en una descarga al electrodo-herramienta, se
controla de tal modo que durante una tercera duración de tiempo,
que comienza tras determinar el desarrollo fundamentalmente
constante en el tiempo de la tensión (U_{e}) registrada y finaliza
con la interrupción del impulso de erosión, se eleva a un valor de
corriente preestablecido.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, en el que la corriente de descarga
(I_{e}), que fluye durante la duración de un impulso de erosión
en una descarga al electrodo-herramienta, se
controla por medio de una envolvente preestablecida inferior y
superior, de modo que sube y baja entre estas dos envolventes,
interrumpiéndose el impulso de erosión en un instante en el que el
valor de corriente de la corriente de descarga (I_{e}) es
máximo.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 2 a 8, en el que se ajustan parámetros de erosión
adicionales en función de la segunda duración de tiempo (t_{e}),
que está definida como tiempo entre el inicio de la descarga y la
determinación del desarrollo fundamentalmente constante en el tiempo
de la tensión (U_{e}) registrada en el impulso de erosión
anterior.
10. Dispositivo para el mecanizado
electroerosivo de una pieza de trabajo con un generador de descargas
eléctricas para generar los impulsos de erosión que han de
aplicarse al electrodo-herramienta, que está
diseñado de tal modo que durante la duración de un impulso de
erosión aplicado al electrodo-herramienta controla
la corriente de descarga (I_{e}), que fluye al menos durante una
etapa de la duración del impulso de erosión en una descarga al
electrodo-herramienta, a un valor constante y
registra la tensión (U_{e}) existente en el
electrodo-herramienta, caracterizado por un
dispositivo (10-16) unido con el generador de
descargas eléctricas, que está diseñado de tal modo, que hace que
el generador de descargas eléctricas, con una corriente de descarga
controlada de manera constante después de haber determinado un
desarrollo fundamentalmente constante en el tiempo de la tensión
(U_{e}) registrada o una magnitud derivada de la misma, tal como
la potencia de descarga o la relación de tensión registrada a
corriente que fluye en este caso, a continuación interrumpa el
impulso de erosión.
11. Dispositivo según la reivindicación 10, en
el que el generador de descargas eléctricas está diseñado de tal
modo que determina el inicio de una descarga y tras un impulso de
erosión interrumpido introduce un intervalo entre impulsos con una
primera duración de tiempo (t_{0}), que depende de una segunda
duración de tiempo (t_{i}), que está definida como tiempo entre
el inicio de la descarga y la determinación del desarrollo
fundamentalmente constante en el tiempo de la tensión (U_{e})
registrada en el impulso de erosión anterior.
12. Dispositivo según la reivindicación 10 u 11,
en el que el generador de descargas eléctricas está diseñado de tal
modo que controla la corriente de descarga (I_{e}), que fluye
durante la duración de un impulso de erosión en una descarga al
electrodo-herramienta de tal modo que durante una
tercera duración de tiempo, que comienza tras determinar el
desarrollo fundamentalmente constante en el tiempo de la tensión
(U_{e}) registrada y finaliza con la interrupción del impulso de
erosión, se eleva a un valor de corriente preestablecido.
13. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 10 a 12, en el que el generador de descargas
eléctricas está diseñado de tal modo que controla la corriente de
descarga (I_{e}) que fluye durante la duración de un impulso de
erosión en una descarga al electrodo-herramienta,
mediante una envolvente preestablecida inferior y una superior, de
modo que la corriente de descarga (I_{e}) sube y baja entre estas
envolventes, y que interrumpe el impulso de erosión en un instante
en el que el valor de corriente de la corriente de descarga
(I_{e}) es máximo.
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