Aktualizacja artykułu: 2 maja 2022 r. Zastosowanie obróbek mechanicznych jest utrudnione z powodów ekonomicznych i/lub technologicznych. W konsekwencji opracowano nowe techniki, do których zalicza się m.in. obróbka elektroerozyjna (EDM – ang. Electrical Discharge Machining). Usuwanie materiału z powierzchni przedmiotu obrabianego następuje w wyniku oddziaływania energii elektrycznej (okresowe wyładowania iskrowe lub w łuku elektrycznym inicjowane między powierzchniami przedmiotu obrabianego a narzędziem zachodzące w ośrodku roboczym o właściwościach dielektryka). Poniżej przedstawiono pokrótce rodzaje obróbki elektroerozyjnej.

TeWy Nr 5/2019 (25) Obróbki elektroerozyjne (EDM i WEDM) 2.20 MB 3464 downloads

TeWy Nr 5/2019 (25) Obróbki elektroerozyjne (EDMi WEDM). Zastosowanie obróbek mechanicznych...

Download

Rodzaje obróbki elektroerozyjnej

Wyróżniamy następujące rodzaje obróbki elektroerozyjnej:

• elektrodrążenie wgłębne (EDM);
• wycinanie drutem (WEDM);
• drążenie otworów.

Elektrodrążenie wgłębne (EDM)

Narzędzia w formie elektrody kształtowej zagłębia się w przedmiocie obrabianym (ilustracja 1). Powierzchnie obrobione uzyskują kształt odzwierciedlający kształt elektrody. Zastosowanie: formy wtryskowe do tworzyw sztucznych, formy odlewnicze oraz matryce. Mikroobróbka: złącza elektroniczne, przemysł medyczny, zegarmistrzowstwo.

Ilustracja 1. EDM – elektrodrążenie wgłębne.

Na ilustracji 2 przedstawiono miedziane elektrody robocze. Uwzględnienie dodatkowego ruchu obrotowego wokół osi elektrody umożliwia obróbkę powierzchni krzywoliniowych, w tym gwintów.

Ilustracja 2. Przykład miedzianych elektrod roboczych.

Miedź nie stanowi jedynego materiału z jakiego wykonuje się elektrody robocze. Elektrody wykonane z grafitu w przeciwieństwie do miedzianych cechują mniejszym stopniem zużycia. Obróbka miedzi i grafitu jest jednak zróżnicowana. Na ilustracji 3 przedstawiono zestaw dwóch elektrod wykorzystywanych przy obróbce tych samych powierzchni.

Ilustracja 3. Zestaw dwóch elektrod roboczych: miedzianej i grafitowej.

Postęp jakościowy ma przede wszystkim charakter jakościowy. Jego efektem jest m.in. upowszechnienie się napędów liniowych. Silniki liniowe m.in. cechują się wysokimi przyspieszeniami oraz powtarzalnym, precyzyjnym pozycjonowaniem, w tym przypadku, elektrody roboczej. Wykorzystanie napędów liniowych w elektrodrążarkach jak to zrobiła firma Sodick umożliwiło wdrożenie dynamicznego odskoku elektrody. Elektroda robocza podczas odskoku przemieszcza się z prędkością 36 [m/min]. Dynamiczny odskok i powrót elektrody roboczej umożliwia elektrodrążenie bez przepłukiwania. Pozwala to na wydajniejsze usuwanie produktów procesu obróbkowego ze szczeliny, a tym samym na zwiększenie produktywności. Poprawie ulega również odwzorowanie kształtu elektrody roboczej. Na ilustracji 4 przedstawiono idee wykorzystania dynamicznego odskoku elektrody. Na tej samej ilustracji przedstawiono przebiegi odskoków elektrody z wykorzystaniem napędów śrubowych i liniowych.

Ilustracja 4. Zasada działania dynamicznego odskoku elektrody roboczej z wykorzystaniem silników liniowych – firma SODICK.

Wycinanie drutem (WEDM)

W przypadku cięcia drutem (WEDM – Wire Electro Discharge Manufacturing) rolę elektrody pełni metalowy drut (ilustracja 5), który przecina przedmiot obrabiany na wylot co wymaga wykonania tzw. otworu startowego lub obróbka rozpoczyna się od krawędzi przedmiotu. Możliwe jest prowadzenie drutu także pod kątem, co pozwala uzyskiwać odmienne kształty na górze i dole przedmiotu obrabianego (ilustracja 6).  Drut wykonany jest standardowo z mosiądzu lub powlekanej miedzi (średnica waha się od Ø0,02 do Ø0,33 mm; prędkość odwijania drutu ze szpulki to 2,5÷150 mm/s).

Ilustracja 5. Przykład cięcia drutem (WEDM).

Ilustracja 6. Przykład obróbki cięciem drutem (WEDM) z przechylonym drutem.

Również w przypadku WEDM jakościowy charakter postępu technologicznego umożliwia nam doskonalenie tej metody obróbkowej. Tak też jest w przypadku obróbki WEDM. Za przykład może posłużyć funkcja iGroove wdrożona w elektrodrążarkach do cięcia drutem przez firmę Sodick. Funkcja ta obejmuje szereg innowacyjnych technik. Jedną z nich jest mechanizm obracania drutu przy jego przejściach w obróbce wykończeniowej. Podczas obróbki średnica przesuwającego się drutu wzdłuż obrabianej powierzchni na skutek wyładowań elektrycznych ulega zmniejszeniu. Bez obrotu drutu wokół własnej osi mamy do czynienia z jego nierównomiernego zużyciem obwodowym. Wynika to z faktu, że tylko część drutu od strony materiału obrabianego przedmiotu bierze udział w procesie. W klasycznym rozwiązaniu drut rozwijany jest ze szpuli, a sterowanie polega na kontroli naciągu i prędkości rozwijania.

Mechanizm obrotu drutu iGroove (ilustracja 7) stanowi dodatkową kontrolę nad drutem w procesie cięcia. Dzięki tej dodatkowej kontroli nad drutem poprawieniu ulega jakość powierzchni i dokładność geometryczna przy jednoczesnym obniżeniu zużycia drutu. Dzięki temu obniżono koszty eksploatacyjne związane ze stosowanym drutem. Kierunek obrotu drutu, zgodnie lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, zależy od strony offsetu w programie obróbkowym.

Ilustracja 7. Mechanizm obrotu drutu iGroove firmy Sodick – zdjęcie dzięki uprzejmości firmy Soditronik.

Drążenie otworów

Technologia dla przemysłowego wykonywania otworów w materiałach twardych (stal hartowana, węgliki spiekane) – ilustracja 8. Długość otworu może wynosić 200 mm. Stosuje się elektrody do otworów o średnicach od Ø0,3 do Ø3 mm. Na ilustracji 8 przedstawiono elektrody robocze firmy GF Machining Solutions.

Ilustracja 8. Przykład elektrod do elektrodrążenia otworów.

Elektroerozyjną obróbkę otworów wykorzystuje się również do wykonywania bardzo małych otworów startowych do elektroerozyjnego cięcia drutem. Każdy liczący się producent elektrodrążarek posiada w swojej ofercie średnicach. Jednym z nich jest japońska firma SODICK, a jedną z ich przebijarek do otworów pokazano poniżej na ilustracja 9.

Ilustracja 9. Przebijarka otworów SODICK K3HS.

W elektrodrążeniu ważna jest nie tylko konstrukcja ale także płyn obrókowy. Firmę Sodick oferuje opatentowany płyn obróbkowy Vitol-KS, który pozwala na uzyskanie większych prędkości obróbki niż uzyskują inne wiertarki używające wody jako dielektryku.

Obróbka elektroerozyjna

Jako dielektryk wykorzystuje się substancje/materiał nieprzewodzący lub bardzo mało przewodzący prąd elektryczny (ograniczenie wyładowań wyłącznie do materiałów przewodzących prąd elektryczny – elektroda oraz przedmiot obrabiany).  Stosowane dielektryki to: woda destylowana, ropa naftowa, nafta, olej transformatorowy. Wyładowaniu elektrycznemu towarzyszy powstawanie tzw. kanału plazmowego, którego otoczony jest przez zwiększający swoją średnicę gazowy pęcherz. Lokalny wzrost temperatury (około 13.725 ºC) powoduje topienie wraz z częściowym odparowaniem pewnej objętości materiału. Po zakończonym wyładowaniu elektrycznym spada ciśnienie. Zjawisko to wzmacnia proces parowania roztopionego materiału (możliwość wystąpienia tzw. mikrowybuchów). Zmiany ciśnienia mają charakter gwałtowny co powoduje wyrzucanie płynnego materiału, który z reguły zastyga w postaci kulek. Część roztopionego materiału krzepnie w powstałym kraterze (właściwości i struktura odmienna niż przed obróbką). Wyładowania następują w miejscach o korzystniejszych dla ich wystąpienia, rzadko kiedy następują w tym samym miejscu. Naddatek obróbkowy wynosi od 0,01 do 0,6 mm.

Kiedy potrzeba wydajnego usuwania efektów roztwarzania ze szczeliny roboczej (między elektrodą a przedmiotem obrabianym nie występuje styk mechaniczny) stosuje się z reguł naftę, a przy cięciu drutem (WEDM) wodę destylowaną. Konieczność zapewnienia właściwości dielektrycznych ośrodka roboczego wymaga stosowania filtrowania z zastosowaniem obiegu wymuszonego.

Efekty obróbki EDM

Efekty jakościowe (dokładność geometryczna, stan warstwy wierzchniej, w tym chropowatość) obróbki EDM zależą od:

• energii i czasu wyładowań elektrycznych (w tym rodzaj i realne możliwości generatora) – wpływa na wielkość naprężeń;
• kinematyka, w tym dokładność pozycjonowania;
• realne właściwości dielektryka.

Współczesne obrabiarki EDM pozwalają na uzyskanie błędów obróbki rzędu 2 μm, a dokładność pozycjonowania utrzymywać na poziomie 0,001 mm [3].

W celu polepszenia tolerancji wymiarów geometrycznych stosuje się m.in. tzw. obróbkę wieloetapową, odpowiadającą uzyskiwanym parametrom jakościowym po każdej z nich ze standardowo rozumianymi etapami obróbki ubytkowej, czyli obróbki: zgrubna, dokładna (kształtująca) oraz wykańczająca. Na każdym etapie stosowane są elektrody różniące się wymiarami geometrycznymi. Ważną rolę w polepszaniu dokładności geometrycznej odgrywa także zwiększanie przepływu dielektryka przez szczelinę roboczą, a także wprowadzanie elektrod w drgania i zmniejszanie posuwu roboczego. Ilustracja 10 przedstawia poglądowo układ warstwy wierzchniej.

Ilustracja 10. Układ warstw po obróbce EDM.

Warstwa określana jako biała to przetopiony materiał przedmiotu obrabianego zawierający również cząsteczki samej elektrody roboczej, a także produkty powstałe w wyniku pirolizy samego dielektryka. Warstwa o właściwościach ukształtowanych w wyniku oddziaływania energii cieplnej, w przypadku stali posiada strukturę martenzytyczną. Tzw. warstwa odpuszczona cechuje się twardością większą niż materiał rodzimy przedmiotu obrabianego. Skurcz materiału uprzednio stopionego stanowi źródło powstawania tzw. naprężeń rozciągających, które maleją w miarę zagłębiania się w przedmiot. Konsekwencją powstałych naprężeń w warstwie wierzchniej są mikropęknięcia. Ich usunięcie wymaga przeprowadzenie dodatkowych operacji technologicznych po obróbce EDM (np. obróbk elektrochemiczna ECM lub docieranie). Docieranie pozwala na osiągnięcie klasy dokładności na poziomie IT5÷IT7 oraz chropowatości powierzchni Ra0,16÷Ra0,01.

Istotnym zagadnieniem jest symbioza z obróbkami kształtowymi EDM obróbek szybkościowych z rodziny HSM. Celem takiego zespolenia jest zmniejszenie udziału obróbki EDM, ze względu na koszty, związane m.in. z szybko zużywającymi się elektrodami. Przygotowanie procesu technologicznego uwzględniającego wykorzystanie technik HSM i EDM wymaga każdorazowo indywidualnego rozpoznania i oceny celowości takich działań.

Współczesne zastosowania obróbek EDM stanowią istotne rozszerzenie klasycznie pojmowanych technik wytwarzania oraz odgrywają rolę w różnego rodzaju obróbkach hybrydowych. EDM stosowana jest do:

• drążenia wgłębień;
• grawerowania;
• wykonywania otworów (walcowych oraz kształtowych) – elektroda może wykonywać nie tylko roboczy ruch wgłębny ale także dodatkowo tzw. ruch planetarny;
• wykonywania bardziej złożonych kształtów (elektrodrążarki CNC);
• wykonywania gwintów (elektroda kształtowa w formie gwintowanego wałka wykonuje roboczy ruch helikalny).

Wykorzystane powyżej zdjęcia wykonałem dzięki uprzejmości firmy GF Machining Solutions.

TeWy Nr 5/2019 (25) Obróbki elektroerozyjne (EDM i WEDM) 2.20 MB 3464 downloads

TeWy Nr 5/2019 (25) Obróbki elektroerozyjne (EDMi WEDM). Zastosowanie obróbek mechanicznych...

Download

Źródła

1. Filipowski R., Marciniak M., Techniki obróbki mechanicznej i erozyjnej, OWPW 2000
2. Zawora J., Podstawy technologii maszyn, WSiP 2014
3. Morek R., Właściwości powierzchni po obróbce EDM, STAL. Metale & Nowe Technologie 11-12/2013, str. 68
4. Morek R., HSM i EDM – obróbka form, STAL. Metale & Nowe Technologie, 3-4/2016, str. 32
5. Morek R., Obróbka i obrabiarki hybrydowe, MM Magazyn Przemysłowy 6, czerwiec 2016, str. 58
6. Materiały informacyjne firmy GF Machining Solutions
7. Materiały informacyjne firmy SODITRONIK