"Amico, come fa a tagliare il metallo senza toccarlo?" mi ha chiesto.
Ed è stato allora che ho capito che siamo in questo settore da così tanto tempo che diamo per scontato che tutti sappiano cos'è l'elettroerosione a filo. Non lo fanno. Anche i nostri clienti a volte si confondono, e si tratta di persone che ordinano pezzi di precisione che richiedono tolleranze più strette di... beh, non importa, hai capito il punto.
Quindi eccoci qui. L'elettroerosione a filo spiegata da chi fa questo lavoro da 18 anni e ha i problemi alla schiena che lo dimostrano.
Il nome vero e proprio (e perché nessuno lo usa)
Wire EDM sta per Wire Electrical Discharge Machining. Alcuni la chiamano erosione a filo, lavorazione a scintilla o, se sei davvero della vecchia-scuola, erosione a scintilla. Gli yankee a volte lo chiamano "taglierino per formaggio", cosa che trovo divertente ma anche in qualche modo accurata.
Il punto però è questo: nessuno nella nostra officina in realtà dice "Wire EDM" per intero. È semplicemente "la macchina per il filo" o "la Fanuc" (perché è quella la marca che ne abbiamo tre) o talvolta "quella maledetta macchina capricciosa nell'angolo" quando ci dà dolore.
Il che, lasciatemelo dire, avviene più spesso di quanto vorrei.
Quindi di cosa si tratta, davvero?
Giusto, immagina di provare a tagliare un blocco di acciaio temprato. Indurito, il che significa che non puoi perforarlo, fresarlo o fare altro con i metodi tradizionali. È semplicemente troppo duro: vero acciaio per utensili, 60 HRC, roba che fa ridere rispetto alle frese in metallo duro.
All'elettroerosione a filo non importa. Lo taglierà come il burro. Beh, burro molto lento. Burro molto costoso e molto preciso.
Ecco come funziona (e prometto che questa è la versione semplificata):
Hai un filo super-sottile (tipicamente parliamo di 0,25 mm, più sottile di una corda di chitarra) teso tra due guide. Questo filo funge da elettrodo. Il tuo pezzo è l'altro elettrodo. Entrambi sono immersi in acqua deionizzata (maggiori informazioni su quel disastro in attesa di accadere più tardi).
Quindi fai passare la corrente elettrica attraverso il filo, creando migliaia di minuscole scintille al secondo – come fulmini in miniatura – tra il filo e la tua parte. Ogni scintilla scioglie una piccola parte del metallo e l'acqua elimina i detriti.
Il filo non tocca mai effettivamente il pezzo. C'è sempre un piccolo spazio – forse 0,01 mm – dove si verificano tutte le scintille. È come la magia, tranne che è fisica ed è molto più costosa della magia.
Perché lo facciamo (quando esiste una lavorazione regolare)
Bella domanda. La fresatura CNC regolare è più veloce, più economica e più semplice. Allora perché preoccuparsi dell’elettroerosione a filo?
Perché a volte è necessario fare cose che la normale lavorazione meccanica semplicemente non può fare:
Materiali induriti– Ne ho già parlato, ma è enorme. Tagliamo tutto il giorno parti in acciaio per utensili che distruggerebbero qualsiasi normale utensile da taglio.
Forme impossibili– Prova a fresare un angolo interno quadrato. Vai avanti, aspetterò. Non si può fare, vero? La taglierina è rotonda. Ma con l’elettroerosione a filo, puoi avere angoli interni ben affilati perché il filo può cambiare direzione. Il mese scorso abbiamo svolto un lavoro per un'azienda di dispositivi medici (NDA, non posso dire chi, ma produce strumenti chirurgici) con angoli interni assolutamente critici. L’elettroerosione a filo era l’unica opzione.
Piccole caratteristiche– Scanalature più strette di qualsiasi fresa a candela? Nessun problema. Recentemente abbiamo tagliato fessure larghe 0,3 mm attraverso 50 mm di acciaio temprato. Provalo su un mulino, ti sfido.
Nessuna forza di taglio– Questa è la parte che lascia a bocca aperta le persone. Poiché il filo non tocca mai la parte, la forza di taglio è pari a zero. Zero. Ciò significa che puoi tagliare parti incredibilmente delicate o-con pareti sottili senza distorsioni. L'anno scorso abbiamo tagliato alcune staffe aerospaziali con uno spessore di parete di 0,5 mm. Su un mulino vibrerebbero e si romperebbero.
I diversi tipi (perché ovviamente ci sono)
Ci sono davvero due gusti principali:
Macchine a due-assi– Il tipo base. Il filo va dritto su e giù, taglia le pareti verticali. Questo è ciò che abbiamo di più nel negozio. Le nostre tre macchine Fanuc sono tutte a due-assi e gestiscono probabilmente l'80% del nostro lavoro.
Macchine a quattro-assi– Quelli fantasiosi in cui le guide del filo superiore e inferiore possono muoversi indipendentemente. Ciò significa che puoi tagliare pareti affusolate, forme 3D complesse, pale di turbine, quel genere di cose. Abbiamo un'unità Mitsubishi a quattro-assi che costa più di casa mia (letteralmente: ho controllato la fattura quando l'abbiamo acquistata nel 2019, poi ho controllato il mio mutuo e ho pianto un po').
In passato esistevano distinzioni tra "filo mobile" e "filo fisso", ma il filo mobile ha vinto quella battaglia decenni fa. Adesso dovresti andare in un museo per trovare una macchina fissa per il filo.
Il filo stesso (una cosa così semplice, un tale incubo)
Penseresti che il filo sia semplice, vero? E' solo filo.
Oh, dolce bambino estivo.
Usiamo principalmente filo di ottone: in realtà è ottone-rivestito di zinco, che conduce bene l'elettricità e non si spezza facilmente. La dimensione tipica è un diametro di 0,25 mm, anche se disponiamo di tutto, da 0,1 mm (per lavori veramente fini) fino a 0,3 mm (per tagli grossolani).
Il filo è costoso. Non è costosa da "auto di lusso", ma una bobina da 5 kg costa circa £ 80-120 a seconda del grado, e queste macchine la passano come... beh, immagina di lavorare a maglia con il filo che butti via mentre procedi. Probabilmente spendiamo 15.000 sterline all'anno solo per i cavi. Jenny dei conti parla di questo ogni. Separare. Bilancio. Incontro.
Ed ecco la parte divertente: il filo viene utilizzato una volta e poi gettato via. Passa attraverso la zona tagliata esattamente una volta, viene eroso e indebolito elettricamente, quindi va direttamente nel contenitore dei rottami. Abbiamo un enorme contenitore di filo usato nell'angolo del negozio. La raccolta del riciclaggio avviene ogni due martedì e anche loro sembrano confusi dalla quantità di filo che produciamo.
Le rotture dei cavi sono la rovina della nostra esistenza. La macchina funziona bene, taglia una parte e poi scatta. Rotture del filo. La macchina si ferma. Devi infilare il nuovo filo (che in alcune parti può richiedere 20 minuti), trovare il punto in cui ti trovavi nel taglio, riavviare. Tempo perso, soldi persi e, se sei me, hai perso la pazienza perché questa è la TERZA pausa oggi.
Perché il filo si rompe? Fai la tua scelta:
Impostazioni Spark troppo aggressive
Tensione del filo errata
Fluido dielettrico contaminato
Sfortuna (questo è un motivo legittimo)
Mercurio retrogrado (scherzo, ma solo poco)
La situazione idrica (o: perché le nostre bollette elettriche sono assurde)
Ricordi che ho menzionato l'acqua deionizzata? Sì, è tutto.
L’acqua in una macchina per elettroerosione a filo ha molteplici scopi:
Raffredda la zona delle scintille
Elimina i detriti metallici
Funziona come un dielettrico (isolante elettrico finché la tensione non diventa abbastanza alta da innescare)
Ma DEVE essere deionizzato, il che significa che tutti i minerali e gli ioni vengono rimossi. La normale acqua del rubinetto condurrebbe l'elettricità troppo facilmente e si otterrebbe solo un cortocircuito invece di scintille controllate.
Quindi abbiamo questo massiccio sistema di deionizzazione. Fondamentalmente è un impianto di trattamento dell'acqua nell'angolo della nostra officina. Filtri, serbatoi resina, pompe, i lavori. Solo la manutenzione di questa cosa ci costa circa 3.000 sterline all'anno.
E le portate dell'acqua! Stiamo pompando centinaia di litri al minuto attraverso queste macchine. La Mitsubishi consuma circa 60 litri al minuto. Cioè una vasca da bagno ogni 2-3 minuti. Semplicemente circolando, filtrando, raffreddando, ricircolando costantemente.
Il nostro ispettore ambientale ha fatto visita l'anno scorso (una donna gentile, molto scrupolosa, che ci ha assolutamente terrorizzato) ed è rimasto davvero colpito da quanto sia pulita la nostra gestione dell'acqua. Apparentemente la maggior parte dei negozi sono molto peggio. Ci sentivamo stranamente orgogliosi, come quando tua suocera--si complimenta con te per le pulizie.
Programmare queste bestie (o: perché paghiamo troppo James)
La programmazione dell’elettroerosione a filo è… speciale.
Non è come la normale programmazione CNC in cui puoi semplicemente azionarlo e regolarlo mentre procedi. Se sbagli, o avrai rovinato un pezzo molto costoso, oppure rimarrai seduto lì per 20 ore a tagliare l'aria perché i tuoi offset sono sbagliati.
James è il nostro principale programmatore di elettroerosione a filo. È qui dal 2007, conosce queste macchine meglio dei suoi figli (parole sue, non mie, anche se sua moglie ha riso quando lo ha detto alla festa di Natale dell'anno scorso). Lo paghiamo molto bene perché trovare qualcuno che capisca davvero la programmazione Wire EDM è come trovare un unicorno. Un unicorno bravo in matematica e a cui non dispiace fissare modelli CAD tutto il giorno.
Il software genera il percorso utensile, ma è necessario tenere conto di:
Offset filo (lo spazio tra filo e parte)
Passaggi multipli (taglio grezzo, tagli di rasatura, taglio di finitura)
Compensazione della conicità (per il lavoro a quattro-assi)
Strategie di entrata/uscita
Condizioni d'angolo
La maggior parte delle parti necessita di almeno due passaggi. Il primo passaggio, chiamato taglio grezzo, rimuove rapidamente la maggior parte del materiale. Quindi si eseguono uno o più passaggi di rasatura con impostazioni molto più precise per ottenere la finitura superficiale e la precisione dimensionale.
Quel lavoro di cui ho parlato prima per l'azienda di dispositivi medici? Cinque passaggi in totale. Il taglio approssimativo ha richiesto circa 6 ore. Ogni skipass aggiungeva altre 3-4 ore. James ha trascorso più tempo a programmarlo di quanto la macchina ne abbia impiegato a tagliarlo.
I numeri che tutti vogliono (ma state seduti)
"Quanto è accurato?" – Ogni cliente, sempre.
Solitamente tratteniamo ±0,005 mm nella maggior parte dei lavori. Sono cinque millesimi di millimetro. Cinque micron. Circa 1/10 dello spessore di un capello umano.
Sulla nostra Mitsubishi a quattro-assi, quando James sta vivendo una bella giornata e gli dei delle macchine sorridono, possiamo raggiungere ±0,002 mm. Ciò significa entrare nel territorio dell'incertezza della misurazione in cui non siamo del tutto sicuri che i nostri strumenti di misurazione siano sufficientemente precisi da verificare ciò che abbiamo effettivamente realizzato.
Finitura superficiale? Di solito intorno a 0,2-0,4 Ra (che è una misura di rugosità) sui tagli di scrematura. Scendi a 0,1 Ra se ci stiamo davvero provando, anche se a quel punto stai spendendo anni sui passaggi finali.
Ma ecco lo sporco segreto che nessuno ti racconta:L'elettroerosione a filo è LENTA.
Quella piastra d'acciaio spessa 50 mm di cui ho parlato prima? Taglio approssimativo con le nostre impostazioni tipiche? Circa 30-40 millimetri quadrati al minuto. Quindi un ritaglio di 100 mm x 100 mm richiede 3-4 ore. POI fai i tuoi skipass.
La scorsa settimana abbiamo citato un lavoro in cui il cliente era scioccato dal fatto che sarebbero state necessarie 40 ore di tempo macchina. "Non puoi semplicemente... accelerare?" hanno chiesto. Ebbene sì, tecnicamente, ma poi il tuo pezzo sembra spazzatura e la precisione dimensionale va fuori dalla finestra. Non c'è pranzo gratis nell'elettroerosione a filo.
Velocità vs finitura vs precisione: scegline due, non puoi averli tutti e tre.
Quando NON utilizzare l'elettroerosione a filo (la parte onesta che il mio capo vorrebbe non scrivessi)
Guarda, guadagniamo quando usi i nostri servizi di elettroerosione a filo. Ma lascia che ti faccia risparmiare tempo e denaro:
Se puoi macinarlo, macinalo. La normale lavorazione CNC è probabilmente 10 volte più veloce e costa la metà della maggior parte dei lavori.
Se le tue tolleranze sono inferiori a ±0,02 mm, probabilmente non hai bisogno dell'elettroerosione a filo.
Se il materiale è morbido (alluminio, acciaio dolce, plastica), sicuramente non utilizzare l'elettroerosione a filo. Funzionerà, ma è enormemente eccessivo.
Se hai bisogno solo di forme esterne e non sono particolarmente complesse, il taglio a getto d'acqua è probabilmente più economico.
Il mese scorso abbiamo rinunciato a un lavoro: un ragazzo voleva che eseguissimo l'elettroerosione tramite filo e tagliassimo alcune staffe di alluminio. Gli ho detto chiaramente: "Amico, fatti fresare. Qualsiasi officina meccanica può farlo in un quarto del tempo alla metà del prezzo." Ha apprezzato l'onestà e ha finito per inviarci un lavoro diverso che in realtà richiedeva l'elettroerosione a filo. A volte essere onesti ripaga.
Ma non dire alle vendite che sto regalando lavoro. Sono già arrabbiati con me per il post sul blog che ho scritto ad agosto sugli strumenti troppo cari. Ciò ha causato alcune... discussioni.
Problemi comuni (o: perché faccio sogni stressanti sulla rottura dei cavi)
Rotture del filo– Già menzionato, ma sul serio, questo rappresenta l’80% dei nostri problemi. Abbiamo provato fili diversi, tensioni diverse, sacrificando un pollo agli dei della macchina (scherzando... soprattutto). Alcuni giorni la macchina decide semplicemente che ti odia.
Contaminazione dielettrica– Nell’acqua si accumulano detriti metallici, la conduttività aumenta, le scintille diventano incoerenti, le parti appaiono ruvide. Cambiamo i nostri filtri religiosamente ogni settimana. Religiosamente. È sul programma, a penna rossa, sottolineato due volte.
Strato rifuso– Il processo di accensione scioglie il metallo e piccole quantità di esso si solidificano sulla superficie tagliata. Questo "strato rifuso" ha uno spessore di circa 0,001-0,01 mm, ma è più duro e fragile del materiale di base. Per alcune applicazioni questo non ha importanza. Per altri (parti critiche per la fatica, ad esempio), è un grosso problema e deve essere rimosso mediante lucidatura a mano. L'anno scorso abbiamo realizzato un lotto di parti per un team di F1 (di nuovo, NDA, ma sono rossi) in cui la rimozione dello strato di rifusione ha aggiunto 2 ore di lavoro manuale per parte.
Conicità– Anche su macchine a due-assi, se il filo non è perfettamente verticale, si ottiene una rastremazione. Solitamente minuscolo – forse 0,01 mm su un'altezza di 50 mm – ma c'è. Sulle parti critiche, James passa anni a controllare e regolare la verticalità del filo. Ha tutto questo rituale con un quadrante che sono abbastanza sicuro sia almeno al 50% superstizione, ma le parti escono dritte, quindi chi sono io per giudicare?
Lavaggio ad angolo– Negli angoli interni il lavaggio non è altrettanto buono, quindi si ottengono tagli inconsistenti. Esistono strategie di compensazione per questo, ma ciò significa più tempo di programmazione e di solito uno skipass extra. Il lavaggio degli angoli è la ragione per cui James borbotta tra sé e sé mentre programma.
Il futuro (o: cosa tiene svegli gli ingegneri la notte)
Dove sta andando la tecnologia dell’elettroerosione a filo?
Taglio più veloce– Ogni nuova generazione di macchine vanta velocità di taglio superiori del 20-30%. In realtà, è più simile al 10-15% e di solito comporta dei compromessi nella finitura superficiale. Ma lo prenderemo. Il nostro nuovo Fanuc (consegnato a marzo di quest'anno, che sta ancora dando i suoi frutti) è notevolmente più veloce del nostro modello del 2015.
Migliore automazione– La nostra Mitsubishi può funzionare incustodita durante la notte SE tutto va perfettamente. Grande "se" lì. Le macchine più recenti hanno sistemi di infilatura del filo migliori, regolazione automatica della tensione del filo, tutte quelle cose buone. Il sogno è la lavorazione a luci spente-. La realtà è che Steve arriva ancora alle 6 quasi tutte le mattine per controllare le corse notturne perché siamo stati tutti bruciati prima.
Misurazione integrata– Alcune macchine-di fascia alta sono ora dotate di sistemi di tastatura in grado di misurare la parte senza rimuoverla dalla macchina. Non lo abbiamo ancora (£ 40,000+ aggiuntivo-), ma ne ho visto una dimostrazione ed è davvero impressionante. Avrebbe risparmiato a James circa 30 minuti per parte su lavori complessi.
Migliore tecnologia di accensione– Nuovi generatori con maggiore controllo sulle caratteristiche della scintilla. Finiture superficiali più fini, meno rifusione, migliore precisione degli angoli. Queste cose stanno davvero migliorando, non solo sciocchezze di marketing.
Consigli pratici (da qualcuno che ha commesso tutti gli errori)
Dato che probabilmente stai prendendo in considerazione il lavoro di elettroerosione a filo, ecco alcuni suggerimenti-acquisiti a fatica:
1. Progettazione per elettroerosione a filo– Gli angoli interni devono avere raggi almeno pari al diametro del filo + offset. Quindi filo da 0,25 mm + 0.05mm offset=0.3mm raggio minimo. Riceviamo continuamente disegni con angoli acuti specificati e dobbiamo spiegare la fisica ai progettisti. Invecchia velocemente.
2. Concedetevi del tempo– Non chiamateci venerdì pomeriggio se avete bisogno di pezzi lunedì mattina. Non sta succedendo. L’elettroerosione a filo richiede TEMPO. Una piccola parte tipica è di minimo 8-12 ore. Le parti complesse possono durare giorni.
3. La preparazione del materiale è importante– Se il pezzo grezzo non è-alleviato dallo stress, può deformarsi mentre lo tagliamo a causa del rilascio delle tensioni interne. Allora le tue tolleranze sono spazzatura. Non saltare l'alleviamento dello stress sulle parti critiche.
4. Iniziare i buchi– Abbiamo bisogno di un foro in cui far passare il filo per iniziare a tagliare. La maggior parte delle parti necessita prima di un foro da 2-3 mm. Includili nel tuo progetto o ti addebiteremo la foratura.
5. Il costo non è lineare– L'aggiunta di una seconda passata raddoppia il tempo macchina. Tolleranze più strette significano più skipass. 0.01costi di tolleranza in mm, forse il 20% in più rispetto a 0,02 mm. Ma tolleranza di 0,002 mm? È il doppio o il triplo perché abbiamo bisogno di più passaggi finali extra e tutto deve essere perfetto.
6. Finitura superficiale e tolleranza– Sono imparentati ma non sono la stessa cosa. È possibile avere una tolleranza stretta con finitura ruvida o una tolleranza ampia con finitura a specchio. Sii chiaro su ciò che conta di più per la tua candidatura.
Le applicazioni realmente realistiche
Dove vediamo maggiormente l’elettroerosione a filo?
Realizzazione di utensili e matrici– Questo è un lavoro quotidiano. Matrici per punzonatura, matrici per formatura, inserti per stampi a iniezione. Tutto ciò che necessita di forme complesse in acciaio temprato. Probabilmente svolgiamo il 40% del nostro lavoro per i produttori di utensili.
Componenti aerospaziali– Dentature delle pale delle turbine, raccordi strutturali con ritagli precisi-per risparmiare peso, qualsiasi cosa in titanio (che è orribile da lavorare con i metodi convenzionali). Il mese scorso ho realizzato un lotto di staffe in titanio che sarebbe stato davvero impossibile in qualsiasi altro modo.
Dispositivi medici– Strumenti chirurgici, componenti di impianti, tutto ciò che necessita sia di precisione che di buona finitura superficiale. Anche se le pratiche normative per il lavoro medico ci hanno quasi ucciso. Jenny ha dedicato TRE SETTIMANE alla documentazione per la nostra certificazione ISO 13485. È ancora amareggiata per questo.
Calibri di precisione– Calibri, blocchetti di riscontro, dispositivi di ispezione. Il laboratorio di calibrazione in fondo alla strada è uno dei nostri clienti abituali.
Automobilistico– Principalmente prototipi e lavori di sport motoristici. I volumi di produzione sono generalmente troppo elevati per l’economia dell’elettroerosione a filo. Ma per quella squadra di F1? Il denaro non è davvero un problema quando hai bisogno di parti che funzionino.
La conclusione-(perché la cosa sta diventando lunga)
Allora, cos’è l’elettroerosione a filo?
È un processo di taglio dei metalli di precisione che utilizza scintille elettriche per erodere il metallo, capace di incredibile precisione e in grado di tagliare materiali e forme che sarebbero impossibili con la normale lavorazione. È lento, piuttosto costoso, a volte capriccioso e assolutamente essenziale per certi tipi di lavoro.
Vale la pena informarsi? Se operi nel settore manifatturiero, assolutamente. Se mai avessi bisogno di parti complesse realizzate con materiali duri, probabilmente finirai per parlare con qualcuno come me.
Siamo di parte perché possediamo quattro macchine per elettroerosione a filo e dobbiamo tenerle occupate per giustificare la loro esistenza davanti a Jenny in contabilità? Forse. Ma sono macchine davvero straordinarie quando hai bisogno di quello che possono fare.
Se vuoi vederli in azione, facciamo tournée in negozio il primo giovedì di ogni mese (il prossimo è il 1° dicembre, invia un'e-mail a Sandra per prenotare un posto). Giusto avvertimento: non sono entusiasmanti da guardare: solo un filo sottile che si muove lentamente attraverso il metallo senza che succeda nulla di drammatico. Ma i risultati sono piuttosto spettacolari.
E portatevi i tappi per le orecchie. Le pompe dielettriche sono RUMOROSE.
P.S.– Oh, e se ti interessa l’elettroerosione a filo, dovresti conoscere suo cugino:Elettroerosione a tuffo(chiamato anche Ram EDM). Utilizza un elettrodo sagomato che si immerge per bruciare le cavità nel metallo: ottimo per la realizzazione di stampi. Stesso principio della scintilla, applicazioni completamente diverse. Non ne abbiamo una, il che mi evita di dover spiegare a Jenny l'ennesima bolletta elettrica enorme.