Fresatura PCM

LAVORAZIONE ELETTROCHIMICA (ECM)

In questa lavorazione non c’è soltanto una parte chimica che agisce, ma anche

una parte elettrica, il che significa che stiamo dando una tensione, una

corrente e una variazione di potenziale e questo cambia molto le

caratteristiche del processo. processo di dissoluzione chimica o

L’idea di base è partire da un

elettrochimica principi di Faraday

basandosi su dei ben noti che sono quelli

e quindi andare a verificare quello che accade. La macchina ha subito grosse

variazioni, ma è anche ben nota perché nel 1929 è stato depositato il primo

brevetto, ma poi negli anni ’50 questa macchina è diventata operativa e serve

leghe ad alta resistenza e termoresistenti

per la lavorazione delle . Negli

anni ’50 iniziano a svilupparsi i primi jet a reazione in sostituzione ai turboelica

(come i corseda americani) che necessitano di motori ad alta combustione e

superleghe

quindi nascono le (inizialmente si partiva dagli acciai inossidabili

per avere una maggiore resistenza al calore). Chiaramente, essendo questi

materiali resistenti alla temperatura, difficilmente si riescono a lavorare con dei

metodi tradizionali perché si consumano gli utensili, nascono quindi questi

processi ECM. elettrolisi

In pratica si va a studiare il fenomeno fisico che è legato all’ , che è

un fenomeno semplice in cui si presuppone che la corrente elettrica passi tra

due elettrodi, di cui uno anodo e l’altro catodo, quando c’è una soluzione

elettrolitica tra i due. Quindi non si tratta di una scarica in aria, ma di un

passaggio di elettricità nel momento in cui si ha una parte negativa e una parte

cella

positiva. Il sistema che prevede elettrodi ed elettrolita prende il nome di

elettrolitica , che da un lato viene utilizzata come batteria, ma in questo caso

viene sfruttata per la lavorazione di qualcosa. Il sistema utilizzato è definito

elettroscarica (ED)

come , in questo sistema l’anodo (parte positiva) deve

creare una carica che deve scaricare sul pezzo che è il catodo (negativo),

questo produrrà un’erosione. L’erosione che avevamo con gli abrasivi viene

sostituita dall’azione dell’elettrolita che viene attivato tramite la scarica, se non

c’è scarica il sistema è inerte e non c’è nessuna trasformazione. Maggiore è la

carica, maggiore è l’intensità di corrente, maggiore è il tempo, maggiore è la

massa che sto rimuovendo, quindi vado ad analizzare le leggi di Faraday:

quantità di massa disciolta

La M è proporzionale all’intensità di

 corrente I per il tempo t:

Più tempo mantengo questa scarica, maggiore è la rimozione del

materiale, più aumento la corrente, maggiore è la rimozione del

materiale, quindi agisco su due variabili corrispondenti. Bisogna, però,

tener conto della natura fisica del materiale, perché in questo momento

la massa è generica.

Si va a considerare un secondo fattore ε in cui la massa disciolta è

 dipendente dal peso atomico m diviso la valenza v:

Quindi ho due quantità in cui lego intensità di corrente per tempo e peso

atomico e valenza, posso incrociare le due relazioni e queste mi dicono che

conosco sia ciò che sto rimuovendo (attraverso peso atomico e valenza del

materiale), sia la modalità con cui lo sto facendo (attraverso la corrente e il

tempo).

Ovviamente mi interessa ciò che è rimosso dalla lavorazione, non mi interessa

la corrente che passa nella zona neutra in cui non c’è rimozione, ma mi

interessa solo ciò che sto rimuovendo fisicamente.

Teoria dell’ECM

corrente continua ad alta densità

Si va a creare una (0,5-5 A/mm ), si tratta

2

di scariche di potenza che non sono basse, e si vanno a creare anche delle

basse tensioni (10-30 V). più cresce l’area da lavorare più l’intensità di

corrente cresce.

La corrente passa solo se c’è un elettrolita, quindi si va a riempire quella cavità

di elettrolita e anche se c’è una scarica questa scarica non influenzerà il pezzo.

Se ho un pezzo che si sta lavorando come in figura, si consuma solo la parte

che sta a contatto con l’utensile, mentre la geometria che sta sopra o sotto non

subisce nessuna variazione perché non c’è l’elettrolita o perché si ha una

distanza tale dall’utensile che non si riesce a generare quella densità di

una lavorazione localizzata

corrente che serve. Si tratta di , non come quella

che si ha nel caso di PCM che si ha su tutta la lamiera perché il mordenzante

colpisce tutta la lamiera.

L’utensile avrà una forma che sarà importante perché quello che si vuole

realizzare sul pezzo è il negativo. Nel sistema c’è uno stadio iniziale in cui c’è

una tensione, si crea un circuito in cui si genera la corrente e, tramite la

presenza dell’elettrolita, si va a consumare il pezzo. Lo schema in figura

prevede uno spostamento da sinistra a destra, ma in realtà lo spostamento

avviene dall’alto verso il basso perché è la condizione di lavoro più semplice. Il

risultato finale è che si consuma il materiale e si realizza il pezzo desiderato.

velocità molto alta

Data la densità di corrente molto alta ci si muove con una

dell’ordine dei 5 m/s, si tratta di un processo molto veloce, vedremo che i

volumi di materiale da lavorare sono alti e quindi il processo, non è istantaneo,

ma procede molto velocemente, soprattutto tenendo conto che stiamo

lavorando superleghe o materiali molto resistenti possiamo dire che questo è

molto positivo. Ovviamente, ogni volta che si procede, il nuovo strato si

caricherà e diventerà il nuovo anodo e si procede con la rimozione del

materiale.

ATTENZIONE perché purtroppo il processo non è un processo a freddo, quindi

si vengono a formare quantità di calore che vengono rimosse dal materiale (e

questo è evidente perché se c’è un passaggio di corrente mi aspetto che per

effetto Joule si abbia una produzione di calore), quindi all’interno dell’elettrolita

ci saranno dei punti di ebollizione in cui ci sarà formazione di gas. Si tratta di

condizioni da valutare con attenzione perché da un punto di vista operativo ci

dovrà essere anche un sistema di spegnimento nel caso in cui si venga a

generare una fiamma e questa condizione diventa molto critica soprattutto su

alcuni materiali, tra cui ad esempio l’idrossido di metallo, perché nell’idrossido

ho la presenza di idrogeno e ossigeno che possono creare problemi (in questo

caso bisognerà procedere a uno spegnimento non solo fisico della macchina,

ma anche con l’utilizzo di un estintore perché la macchina è pericolosa).

Le reazioni che avvengono all’interno del processo producono idrogeno (le bolle

di gas di cui abbiamo parlato) e un idrossido di ferro come risultato finale della

reazione, ovviamente questo è possibile perché si sta partendo da un pezzo in

acciaio, se cambia il materiale si verrà a creare qualche altro idrossido o ci

saranno reazioni multiple. Tutto vale chiaramente se scocca una scintilla.

condizione di flusso,

Lo schema in figura è legato a una cioè c’è un tempo,

quindi all’inizio la reazione è molto piccola, poi, pian piano che si va avanti, la

reazione cresce, cioè l’intensità di corrente fa sì che nel tempo aumenti la

produzione di prodotto di scarto, che è il gas, e del prodotto che sto

rimuovendo. Questa è una condizione molto importante.

Questo è il processo classico che viene fatto quando si ha il ferro, come

materiale che si deve rimuovere (acciaio), e cloruro di sodio (NaCl) in soluzione

acquosa come elettrolita di riferimento, chiaramente a seconda del materiale si

andrà a scegliere l’elettrolita adatto. reazioni chimiche

Andiamo a vedere quali sono le che caratterizzano il

processo.

Innanzitutto, essendo in soluzione acquosa non c’è olio o glicerina, ma c’è

elettrolita

acqua perché è meno costosa, quindi nell’ si va a prendere l’acqua

acqua e sale

e si versa ad esempio il cloruro di sodio, ovvero, praticamente, ,

cioè la soluzione meno costosa che si possa avere. Il grosso vantaggio

dell’acqua e sale è quello di risolvere il problema dell’alcalinità dell’acqua. In

base al processo che si sta realizzando si può scegliere se usare acqua distillata

o meno, perché nell’acqua distillata non ci sono altri contenuti di sali, quindi il

principale è il cloruro di sodio, se invece si ha un’acqua diversa ci potrebbero

essere altri sali che influenzano l’efficienza dell’elettrolita. Questa scelta

dipende dalla durezza e dalla qualità dell’acqua che si ha a disposizione.

Ipotizziamo di avere acqua (non distillata) e sale, trascuriamo tutti gli altri

effetti che poi vedremo che diventeranno importanti.

prima reazione di dissociazione ’acqua

La è quella che coinvolge l in cui si

forma uno ione positivo H e una parte negativa OH .

+ -

Questa è una reazione di dissociazione legata alla corrente, naturalmente non

può esistere, infatti la prima cosa che fanno questi elementi, dopo la scarica è

riunirsi. seconda parte del processo cloruro di sodio

Sotto scarica, la è il che si

dissocia in anione e catione:

Appare evidente che gli anioni sono caricati negativamente, i cationi sono

caricati positivamente e quindi iniziano a migrare verso anodo e catodo perché

vengono attratti. Quindi la prima cosa che fa la scintilla è dissociare l’elettrolita

e l’acqua, non sto colpendo ancora il mio materiale base, sto modificando

questa non è una condizione

l’elettrolita. Dato che ho dato tanta energia e

di equilibrio , sicuramente, in queste condizioni, deve avvenire una reazione.

reazione all’anodo

La più semplice è , il ferro rilascerà due elettroni (due

perché il numero di valenza del ferro è 2): al catodo

Quindi ho qualcosa di estremamente reattivo, , invece, avviene la

reazione dell’acqua :

Si vede quindi che 2H O ricevono i 2 elettroni corrispondenti e formano H e

2 2

2OH , quindi le due reazioni si combinano come segue:

-

La reazione appena scritta è una reazione più corretta poiché si tratta di una

reazione stechiometrica, si può vedere che quindi il ferro reagisce con l&r