Lavorazione Elettrochimica (ECM)

• Lezione 4 tratta i processi elettrochimici, nello specifico la lavorazione elettrochimica e la foratura elettrochimica.

Introduzione alla Lavorazione Elettrochimica (ECM)

• La lavorazione elettrochimica (ECM) è un processo moderno che rimuove atomi dal pezzo tramite dissoluzione elettrochimica (ECD) in base ai principi di Faraday (1833).
• Gusseff ha brevettato l'ECM nel 1929, ma lo sviluppo significativo è avvenuto negli anni '50, usando leghe ad alta resistenza e termoresistenza.

Principi dell'Elettrolisi

• L'elettrolisi si verifica quando una corrente passa tra due elettrodi in una soluzione elettrolitica, formando una cella elettrolitica.
• Le reazioni agli elettrodi sono reazioni anodiche o catodiche; l'elettroscarica (ED) del pezzo anodico è la base dell'ECM dei metalli.
• La quantità di metallo disciolto o depositato si calcola con le leggi di Faraday: la massa disciolta è direttamente proporzionale alla quantità di elettricità e al tempo.
• Formula: M ∝ I × t, dove M è la massa disciolta, I è la corrente in ampere e t è il tempo in minuti.
• Per diverse sostanze disciolte con la stessa elettricità, la quantità è proporzionale al peso chimico equivalente, formula: M ∝ ε = m/υ, dove m è il peso atomico ev la valenza.

Teoria dell'ECM

• L'ECM usa corrente continua ad alta densità (0,5-5 A/mm²) e bassa tensione (10-30 V) che passa attraverso la soluzione tra pezzo anodico ed utensile catodico preformato.
• L'elettrolita fluisce ad alta velocità (superiore a 5 m/s) nella fessura interelettrodica per intensificare il trasferimento di massa e carica.
• L'elettrolita rimuove prodotti di dissoluzione (idrossidi metallici, calore, gas) generati nella fessura.
• Applicando una differenza di potenziale tra gli elettrodi, si verificano reazioni all'anodo e al catodo.
• La reazione tipo è la dissoluzione del ferro in soluzione acquosa di cloruro di sodio (NaCl).

Reazioni chimiche nell'ECM

• La dissociazione dell'elettrolita e la dissoluzione di NaCl portano a H2O → H+ + OH- e NaCl → Na+ + Cl-.
• Gli anioni (OH- e Cl-) migrano verso l'anodo, mentre i cationi (H+ e Na+) verso il catodo.
• All'anodo, Fe si trasforma in Fe++ perdendo due elettroni (Fe → Fe++ + 2e).
• Al catodo, la reazione genera idrogeno gassoso e ioni idrossile (2H2O + 2e- → H2 + 2(OH)-).
• Gli ioni Fe si combinano con altri ioni per formare idrossido di ferro (Fe(OH)2), con la reazione Fe + 2H2O → Fe(OH)2 + H2.
• L'idrossido ferroso può reagire ulteriormente con acqua e ossigeno per formare idrossido ferrico (Fe(OH)3), formula: 4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4Fe(OH)3.
• L'elettrolisi comporta la dissoluzione del ferro all'anodo e la generazione di idrogeno al catodo.

Apparecchiature ECM

• I componenti principali della macchina ECM sono: sistema di controllo dell'avanzamento, sistema di alimentazione dell'elettrolita, unità di alimentazione e dispositivo di mantenimento del pezzo.
• Il sistema di controllo dell'avanzamento alimenta l'utensile a velocità costante per una lavorazione in equilibrio.
• L'alimentatore aziona la corrente di lavorazione a tensione continua (o pulsata).
• L'unità di alimentazione dell'elettrolito fornisce la soluzione alla velocità, pressione e temperatura desiderate.
• Le macchine includono strutture per filtrare l'elettrolito, controllare la temperatura e rimuovere i fanghi.
• Le macchine ECM eseguono duplicazione, affondamento e perforazione.
• Strutture semiautomatiche e automatizzate sono usate per lavorazioni di grandi dimensioni (sbavatura nell'industria automobilistica).
• A differenza delle macchine utensili tradizionali, le macchine ECM resistono alla corrosione grazie a materiali non metallici o metalli con rivestimenti.

Alimentazione nell'ECM

• L'alimentatore CC ha le seguenti caratteristiche: tensione da 2 a 30 V (pulsata o continua), corrente da 50 a 10.000 A (densità di corrente da 5 a 500 A/cm²).
• Presenta regolazione continua della tensione del gap, controllo della corrente in emergenza, protezione da cortocircuito (0,001 s), alto fattore di potenza, alta efficienza, dimensioni e peso ridotti e basso costo.

Elettroliti nell'ECM

• Le funzioni principali degli elettroliti nell'ECM sono: creare condizioni per la dissoluzione anodica del materiale da lavorare e condurre la corrente.
• Devono inoltre rimuovere i detriti dalle reazioni elettrochimiche, trasportare il calore e mantenere una temperatura costante nella zona di lavoro.
• Le caratteristiche ideali sono: garantire una dissoluzione anodica uniforme ad alta velocità e prevenire la formazione di pellicole passive (usando anioni come Cl-, SO4, NO3, ClO3 e OH-).
• Non devono depositarsi sul catodo e devono avere un'elevata conducibilità elettrica e bassa viscosità per ridurre le perdite e garantire buone condizioni di flusso.
• Gli elettroliti devono essere sicuri, non tossici, non corrosivi e mantenere stabili i componenti e il pH durante il processo.
• Devono presentare piccole variazioni di conduttività e viscosità con la temperatura ed essere poco costosi.
• Gli elettroliti più usati sono cloruro di sodio (NaCl), nitrato di sodio (NaNO3) e idrossido di sodio.
• Le operazioni industriali spesso utilizzano elettroliti misti per soddisfare vari requisiti.

Scelta dell'Elettrolita

• La scelta dipende dal materiale, dalla precisione dimensionale, dalla finitura superficiale e dalla produttività desiderata.
• L'elettrolita influisce sul controllo dimensionale.
• Il nitrato di sodio è preferibile perché ha un alto tasso di rimozione del metallo nei punti ad alta densità di corrente.
• La velocità di rimozione è bassa nelle fessure più grandi con bassa densità di corrente, uniformando la distribuzione del gap.
• L'efficienza della corrente dipende dal materiale anodico e dall'elettrolita.
• L'uso di tensione pulsata e la corretta gestione dei parametri dell'impulso possono migliorare l'efficienza della corrente e la qualità superficiale.
• La scelta del metodo di alimentazione dell'elettrolito (flusso diretto, flusso inverso, ecc.) dipende dalla geometria del pezzo, dal metodo di lavorazione, dalla precisione e dalla finitura.
• Le condizioni tipiche dell'elettrolita includono una temperatura tra 22 e 45°C, una pressione tra 100 e 200 kPa e una velocità tra 25 e 50 m/s.

Utensili ECM

• La progettazione di un utensile adatto per la forma e le dimensioni desiderate è importante.
• La forma interna del pezzo deve prevedere dimensioni superiori a quelle dell'utensile per consentire il sovradimensionamento.
• Bisogna specificare in anticipo la forma della superficie da lavorare, la velocità di avanzamento dell'utensile, la tensione del gap, la lavorabilità elettrochimica del materiale, la conducibilità dell'elettrolita e le tensioni di polarizzazione.
• I catodi vengono prodotti a costi inferiori e con maggiore precisione tramite la fabbricazione integrata al computer usando sistemi CAD progettati per la produzione CNC.
• Dopo l'ECM, una macchina di misura a coordinate ispeziona il pezzo e invia i dati all'unità CAD/CAM per l'analisi dei risultati.
• I materiali degli utensili devono essere elettricamente conduttivi e facilmente lavorabili (rame, ottone, inox, titanio, rame-tungsteno).
• L'isolamento dell'utensile controlla la corrente laterale e il sovradimensionamento, applicato a spruzzo o immersione.
• Un isolamento durevole deve garantire: elevata ricettività elettrica, uniformità, resistenza al calore e agli agenti chimici, basso assorbimento d'acqua e resistenza all'usura.
• Teflon, resine fenoliche, epossidiche e rivestimenti in polvere sono usati per isolare gli utensili.

Principi di Funzionamento di Base

• Il caso più semplice è dato da elettrodi piani paralleli normali alla direzione di alimentazione.
• Si consideri un elettrolita di conducibilità k e densità p che scorre a velocità media u, in direzione crescente di x.
• La posizione della superficie del pezzo rispetto all'utensile, ovvero lo spessore della fessura, è rappresentata dalla coordinata y.
• La superficie del pezzo si allontana dalla superficie dell'utensile nella direzione dell'aumento di y ad una velocità proporzionale alla densità di corrente J.
• L'efficienza di corrente (γ) è il rapporto tra la quantità osservata di metallo disciolto e la quantità teorica prevista dalle leggi di Faraday.
• Valori anomali di efficienza di corrente possono dipendere da: scelta di una valenza sbagliata, passivazione della superficie anodica e attacco dei confini dei grani o evoluzione del gas.
• La costante di lavorazione C per una specifica combinazione pezzo-elettrolita influenza la velocità di lavorazione.

Analisi del Gap

• La Figura mostra come y varia con il tempo avvicinandosi al valore di equilibrio ye in modo asintotico.
• Ad una velocità di avanzamento costante a, la superficie del pezzo rimane stazionaria e lo spessore del gap diventa costante quando dy/dt = 0, dunque Ye = C/a.
• Se lo spessore del gap è maggiore di ye, il gap si chiude verso ye; se è inferiore a ye, il gap tende a ye.
• Durante la foratura ECM, una diminuzione dell'avanzamento causa gap più ampi e una perdita di precisione; un gap troppo piccolo provoca scintille o un cortocircuito che danneggia l'utensile.

Caratteristiche del Processo

• L'ECM si basa principalmente sulla fase ECD che avviene attraverso il movimento di ioni tra l'utensile catodico e il pezzo anodico.

Tasso di Rimozione del Materiale

• Le leggi di Faraday descrivono la velocità di rimozione del materiale per i metalli puri, il tasso di rimozione (qe) in mm³/(minxA) è dato dalla formula.
• La rimozione specifica qe descrive con quanta efficacia la corrente lavora sul pezzo, più alto è il valore, migliore è il tasso di rimozione.
• La determinazione esatta della velocità di rimozione teorica è difficile a causa dei fenomeni casuali che si verificano nella distanza interelettrodica, specialmente poiché la maggior parte dei metalli si dissolve con valenze diverse.
• Per una corrente di lavorazione I, la velocità di asportazione volumetrica Qv (mm³/min) è data e l'asportazione lineare Ql (mm/min) è funzione della densità di corrente J
• L'ECM è usata su materiali duri e leghe, la precisione del tasso di rimozione è difficile per leghe con n componenti.
• Formula per il tasso di rimozione volumetrica Qv per una lega e formula del tasso di rimozione lineare Ql.
• Per indici ECM migliori e maggiore precisione, è essenziale scegliere la composizione chimica dell'elettrolita e la densità di corrente adeguate.
• Si dovrebbe usare un elettrolita multi-componente per ogni elemento della lega.
• Nella pratica si sceglie l'elettrolita in base al componente principale della lega.
• Bassi valori di efficienza della corrente indicano una scorretta scelta delle condizioni di lavorazione ottimali che portano ad elevati tassi di rimozione.
• Le perdite di corrente possono essere dovute a cambiamenti nelle proprietà dell'elettrolita, come un sottile strato di gas elevato o un film di ossido sull'anodo.
• L'acciaio 4340 ha il tasso di rimozione più alto (100%), diversamente da lega di litio L605.
• La concentrazione dell'elettrolita determina la resistenza del gap e controlla la corrente di lavorazione.
• A basse portate di elettrolita, la corrente si riduce a causa dell'accumulo di prodotti di lavorazione che impedisce la dissoluzione del metallo.
• L'accumulo di gas catodici può portare a cortocircuiti tra l'utensile e il pezzo.
• Riscaldare l'elettrolita può migliorare il tasso di asportazione e la lavorabilità aumentando la sua conduttività, ma la temperatura non deve superare i 60-70°C.
• La circolazione e il reintegro dell'elettrolito aumentano la tensione di scarica e mantengono il pH tra 4 e 10, consentendo tensioni di lavoro fino a 20 V.

Indice di Lavorabilità

• L'indice di lavorabilità dipende dalla velocità di lavorazione con densità di corrente costante.

Precisione dell'ECM

• La precisione dipende dalla densità di corrente, influenzata da: equivalente materiale e tensione del gap, velocità di avanzamento/fenomeni nel gap, proprietà dell'elettrolita (tasso, pH, temperatura, concentrazione, pressione, tipo e velocità).
• Per alta precisione si raccomandano piccole condizioni di lavorazione del gap, alta velocità di avanzamento, elettroliti ad alta conduttività ed elettroliti passivanti come NaNO3, e isolamento dell'utensile (azione di lavorazione laterale limitata).
• Il controllo delle dimensioni nell'ECM si spiega tramite il passaggio della corrente e la densità a cui la superficie è esposta.
• Le tolleranze dimensionali tipiche sono ±0,13 mm (gap frontale) e ±0,25 mm (gap laterale). Parametri lavorazione controllati portano a una tolleranza ristretta di ±0,025 mm.
• È difficile lavorare raggi interni inferiori a 0,8 mm e raggi esterni inferiori a 0,5 mm. Sovrataglio di 0,5 mm, una conicità di 0,001 mm/mm e raggi d'angolo di 2,5 mm sono possibili.

Finitura superficiale

• Variazioni nella finitura superficiale dipendono dalle caratteristiche del pezzo e dalle condizioni di lavorazione (irregolarità cristallografiche, densità di corrente, etc.).
• La rugosità superficiale diminuisce con velocità elevate.
• Un miglioramento della qualità superficiale a correnti maggiori è legato alla formazione di uno strato di sale sciolto (distribuzione uniforme della densità).
• Strutture a grana fine producono qualità migliori.
• In generale, i grani grandi causano una finitura più ruvida delle inclusioni insolubili come la grafite che aumentano la rugosità.
• Le variazioni nella composizione del pezzo causano differenze nelle velocità di lavorazione.
• Nei sistemi di elettrodi non passivanti, una concentrazione inferiore di elettrolita e temperature maggiori migliorano la qualità.
• Nei sistemi passivanti, bassa concentrazione di elettrolita e temperature alte aumentano la formazione di uno strato protettivo, ma una densità di corrente maggiore rompe questo strato.

Controllo del Processo

• Le condizioni di lavorazione ECM devono essere mantenute invariate. La tensione della fessura influisce sovradimensionamento e la rugosità superficiale dipende dalla densità corrente.
• Altagamma (velocità di avanzamento dell'utensile / tensione della fessura / materiale di lavoro / fenomeno della fessura / condizioni dell'elettrolita) porta a alta precisione, bassa rugosità e alta produttività (alte densità di corrente).
• Bisogna tenere a mente surriscaldamento ed ebollizione dell'elettrolita (maggiori possibilità di scintille).
• Un controllo appropriato migliora la qualità e la produttività del processo.
• Il comportamento non stazionario ECM dipende alle variazioni degli elettrodi. Grandi componenti implicano un alto costo delle ore di lavoro. I costi di hardware diminusicono nel tempo, mentre le ore di lavoro automatizzate aumentano l'efficienza delle macchine ECM e migliorano l'integrazione dei processi nei sistemi CAD/CAM.

Vantaggi dell'ECM

• Nessuna usura dell'utensile (assenza di contatto) e alta precisione (raggiungendo 0.05mm)
• Produce profili complessi facili in un'unica operazione e non crea danni termici (bassa temperatura)
• Può lavorare materiali conduttivi duri, preservare rifiniture superficiali a 0.1-1.25 µm Ra e funziona con lavoro a bassi requisiti di manodopera.

Svantaggi dell'ECM

• Consuma alti requisiti energetici (100 volte superiore alla tornitura / foratura in acciaio)
• Le velocità di rimozione sono lenti rispetto ai metodi convenzionali, applicabile solo a pezzi elettricamente conduttivi, difficoltà con scarti di Idrogeno, e costi.
• Richiede pezzi puliti, manipolazione difficoltosa dell'elettrolita (attacchi all'apparecchiatura), risultati e precisione non semplici, e non crea bordi interni ed esterni.

Foratura Elettrochimica (ECDR)

• Produce diametri da 1-20 mm usando una velocità di avanzamento tra 1-20 mm/min.
• Utilizza un elettrodo tubolare come utensile catodico.
• Pompaggio dell'elettrolita dal centro dell'utensile nella superficie di lavorazione e dissoluzione elettrochimica che agisce in ritardo alle pareti e il componente.
• Il diametro del foro è determinato per: Cd=dw-dt.
• C'è alta precisione di lavorazione se la velocità di avanzamento è alta.
• La modalità di alimentazione influenza il sovataglio del foro.

Modalità di flusso ECM

• La modalità del flusso elettrolitico inverso di contropressione (0.6-2 MPa) riduce il sovrataglio nel foro.
• L'elettrolita elimina i prodotti gassosi di lavorazione a distanza dalla zona di lavorazione, e ne aumenta la pressione e conducibilità.
• L'uso di isolamento delle parti di utensile riduce gli effetti di lavorazione laterali e gli elettroliti passivanti come il NaNO3 creano sovrametalli piccoli, migliorando l'accuratezza.

Tasso di Rimozione per ECDR

• Si può calcolare col MRR (mm³/min): MRR = Coxlxη
• Il parametro η è l'efficienza che varia dal 90-100% e C è la costante del materiale dipendente dalla valenza del metallo.
• Se si lavora una superficie con area A0 espressa in (mm²), la velocità di avanzamento è: F = MRR/Ao