Elektrodršżarki i dobór cieczy elektroerozyjnej

diala

Piotr MotykaAutorem artykułu jest mgr inż. Piotr Motyka, absolwent Politechniki Wrocławskiej. Ponad 40 lat pracy w przemyœle maszynowym. Konstruktor pierwszych obrabiarek CNC w Polsce.

Tradycyjne metody obróbki wiórowej polegajšcej na tzw. skrawaniu materiału obrabianego, nie zapewniły uzyskania pełnej gamy różnorodnych kształtów, jakoœci powierzchni, dokładnoœci i precyzji odwzorowań jak również możliwoœci obróbki tzw. materiałów trudnoskrawalnych tj. stopów metalowych z zawartoœciš niklu, chromu, kobaltu i tytanu. Cišgłe poszukiwania nowych metod obróbki doprowadziły do pionierskich rozwišzań w 1770 roku, kiedy to odkryto, że wolne elektrony o dużej energii kinetycznej przy zderzeniu z powierzchniš metalowš powodujš efekt erozyjny.

To zjawisko efektu erozyjnego ładunku elektrycznego na metal zostało wykorzystane do produkcji pierwszych obrabiarek sterowanych numerycznie w roku 1969. Obrabiarki te z uwagi na metodę obróbki nazwano elektrodršżarkami.  Powstały dwa rodzaje elektrodršżarek: wgłębne i drutowe. Pierwsze z nich wykorzystujš zjawisko dršżenia elektroerozyjnego tzw. EDM (Electrical Discharge Machining) tj. obróbki wyładowaniem elektrycznym. Natomiast drugie wykorzystujš zjawisko cięcia elektroerozyjnego tzw. WEDM (Wire Electrical Discharge Machining). Nie bez kozery w nazwie tych zjawisk pojawia się wspólne oznaczenie EDM, a to dlatego, że cięcie materiału obrabianego jest efektem erozji na jego powierzchni wywołanej wyładowaniem elektroiskrowym.

W celu poznania jakš rolę spełnia ciecz elektroerozyjna należy wnikliwie rozpatrzyć zjawisko erozji elektroiskrowej. Jak powszechnie wiadomo przy zachowaniu odpowiednich parametrów tj. natężenia pola elektrycznego i napięcia między elektrodami powstaje zjawisko wyładowania elektrycznego. Z teorii kinetyczno-molekularnej wiemy, że każda materia zbudowana jest z czšsteczek i tworzšcych je atomów. W stanie normalnym dodatni ładunek jšdra atomowego jest równy ujemnemu ładunkowi wszystkich elektronów. Należy również pamiętać o tym, że w układzie odosobnionym suma algebraiczna ładunków elektrycznych jest zawsze stała. Jeżeli pod wpływem czynników zewnętrznych np. napięcia pršdu elektrycznego równowaga ta zostanie naruszona, to wówczas doprowadzamy do powstania energii potencjalnej wytworzonej między katodš tj. elektrodš ujemnš i anodš tj. elektrodš dodatniš. W obróbce elektroiskrowej przyjmuje się najczęœciej układ tzw. prosty i wówczas katodš jest elektroda robocza ?ER? natomiast anodš jest materiał obrabiany ?MO? okreœlany w dokumentacji DTR jako przedmiot obrabiany ?PO?. Wytworzona energia potencjalna jest efektem nagromadzenia ładunków elektrycznych, w tym przypadku elektronów na katodzie. Należy pamiętać, że stosunek tej energii potencjalnej do wielkoœci nagromadzonego ładunku jest wielkoœciš charakterystycznš dla każdego pola elektrostatycznego zwanš potencjałem elektrycznym. Ten potencjał elektryczny jest właœnie napięciem jakie powstaje między elektrodami i mierzony jest w jednostkach zwanych woltem V. Ta jednostka potencjału odpowiada różnicy potencjału między anodš, a katodš wówczas jeœli przeniesienie ładunku jednego kulomba C wymaga wykonania pracy jednego dżula J. Tak więc napięcie jednego wolta stanowi wartoœć ilorazu jednego dżula do jednego kulomba. Ponieważ wartoœć jednego kulomba jest większa o mnożnik 3×109 od elektrostatycznej jednostki ładunku, która w istocie rzeczy jest takim ładunkiem elektrycznym, który na równy mu ładunek znajdujšcy się w próżni w odległoœci jednego centymetra działa z siłš jednej dyny, więc widać wyraźnie jak wielki jest potencjał między elektrodami, który może być wykorzystany do wykonania pracy przez przechodzšce elektrony z katody do anody. W celu spotęgowania tego zjawiska, jak również uzyskania precyzji obróbki erozyjnej, wprowadzono ciecze elektroerozyjne. Przechodzšce z ogromnš energiš elektrony przez dielektryk powodujš lawinowe powstawanie anionów zwane jonizacjš udarowš w wyniku czego między elektrodami powstaje wšski kanał plazmowy, wypełniony jonami i elektronami. Ten ?swoisty? pršd przepływajšcy przez kanał powoduje wydzielanie się ogromnej iloœci ciepła, w wyniku którego następuje parowanie cieczy. Wydzielajšca się para tworzy pęcherz gazowy powiększajšcy się w czasie funkcji zadanego napięcia i natężenia w generatorach pršdu obrabiarki. Stosowane generatory relaksacyjne ?RC? oraz tranzystorowe pozwalajš na wytworzenie pola elektrycznego o wysokim natężeniu rzędu 105 do 106 N/cm.

Obróbka elektroerozyjna jest w istocie rzeczy obróbkš dokonywanš poprzez wyładowanie elektryczne pozwalajšce na uzyskanie dostatecznie wysokiej temperatury, niezbędnej do stapiania metalu na jego powierzchni. Należy jednak pamiętać, że obróbkę EDM można stosować tylko do materiałów o elektrycznej przewodnoœci właœciwej większej od 10-2 S/cm. Generowane przez katodę elektrony przechodzš przez ciecz elektroerozyjnš tworzš wšski kanał plazmowy, wokół którego powstaje pęcherz gazowy. Niezwykle duża energia kinetyczna tych elektronów pozwala na wydzielanie się ogromnej iloœci ciepła przy zderzeniu elektronów z powierzchniš materiału obrabianego, co powoduje jego stapianie, jak również intensywne parowanie. Efektem parowania jest pęcherz gazowy, w którym gromadzš się czšstki stałe stopionego materiału obrabianego. Pękajšcy pęcherz gazowy wyrzuca do cieczy elektroerozyjnej czšstki stałe, a następnie zamyka się implozyjnie, co ułatwia ich usuwanie i tworzenie kolejnych cykli obróbki erozyjnej. Z kolei wolne aniony uderzajš w powierzchnię katody powodujšc zużycie elektrody roboczej.

Jakoœć powierzchni obrobionej, jak również przebieg obróbki elektroerozyjnej zależš w znacznej mierze od rodzaju cieczy elektroerozyjnej, a œciœlej od stopnia precyzji jej dobrania. Od jej składu chemicznego i właœciwoœci fizyko-chemicznych zależy zużycie elektrody roboczej, stopień zanieczyszczenia produktami erozji, dokładnoœć wymiarowa i chropowatoœć powierzchni  oraz zmiany zachodzšce w warstwie wierzchniej materiału obrabianego. Te zmiany uzależnione sš od składu chemicznego materiału obrabianego, który najczęœciej w omawianej obróbce jest anodš. Stale węglowe niestopowe zawierajš najczęœciej 6,67% węgla, w zwišzku węglika żelaza zwanego cementytem Fe3C. Stal jest tym bardziej twarda im więcej posiada cementytu. W obróbce cieplnej zwanej hartowaniem ten cementyt podgrzany do stanu austenistycznego przy gwałtownym schładzaniu przybiera strukturę martenzytycznš, a tym samym stal uzyskuje największš możliwš twardoœć. Tak więc do obróbki takiej stali musi być dobrana odpowiednia ciecz elektroerozyjna. W przypadku zbyt wolnego chłodzenia w miejsce martenzytu otrzymamy strukturę trostytu lub sorbitu o mniejszej twardoœci i wówczas przy tej samej cieczy elektroerozyjnej należy zastosować inne parametry obróbki. Należy pamiętać, że w wysokich temperaturach tj. przekraczajšcych 723°C żelazo doznaje przemiany alotropowej z żelaza  ??? w żelazo ???, które rozpuszcza węgiel w większej iloœci pochodzšcego z cementytu. Powstajšce wówczas kryształy węgla w żelazie tworzš tzw. roztwór stały węgla w żelazie ??? zwany austenitem. Ponieważ struktura austenitu może utrzymywać się tylko w wysokich temperaturach, często rodzaj cieczy erozyjnej i parametry obróbki decydujš o powstaniu końcowej struktury powierzchniowej, a tym samym twardoœci i jakoœci powierzchni materiału po obróbce. Parametry i rodzaj cieczy pozwalajš na osišgnięcie temperatury niezbędnej do powierzchniowego stapiania stali węglowej, która jest różna i zależy od rodzaju materiału obrabianego. Należy pamiętać, że czyste żelazo Fe topi się i krzepnie w temperaturze 1539°C, ale już jego stop z węglem o zawartoœci węgla 4,3% zwany ledeburytem topi się i krzepnie zawsze w stałej temperaturze 1130°C. Znajomoœć tych zjawisk oraz rodzajów stopów, jak ten eutektyczny pozwala na dokładny dobór parametrów obróbki i cieczy elektroerozyjnej. W praktyce dobrane przez technologa parametry sš weryfikowane w czynnej obróbce przez operatora i odpowiednio korygowane. Jest to niezbędne chociażby ze względu na zaistnienie obniżonej zawartoœci węgla np. do wartoœci 0,8% w czystym żelazie tj. ferrycie i wówczas struktura stali przybiera formę drobnych, jednakowych ziaren, z których każde składa się z drobnych płytek cementytu i ferrytu.

Taka struktura zwana perlitem utrzymuje się poniżej temperatury 723°C, natomiast powyżej przekształca się w austenit i struktura stali zmienia się. Po stopieniu warstwy powierzchniowej materiału, w zależnoœci od stopnia schładzania i dojœcia do warunków otoczenia uzyskujemy parametry i strukturę powierzchniowš materiału uzależnionš od stopnia odprowadzania ciepła, a to w dużej mierze zależy od rodzaju dobranej cieczy elektroerozyjnej. Obecnie w zakładach pracy można spotkać elektrodršżarki starszej generacji do produkcji jednostkowej np. Deckel De-Center West Germany jak też nowej generacji np. Accutex EDM z systemem mocowania elektrod typu Hirschmann pozwalajšce na uzyskanie takich parametrów jak: maksymalne natężenie pršdu obróbki do 75 ?A?, całkowita moc pobierana ?7 Kva??, szybkoœć usuwania czšstek obrabianego metalu do 770 mm3/min oraz periodyka czasów włšczania 4,5 do 600 mikrosekund. W przemyœle stosowane sš również elektrodršżarki pracujšce w tzw. metodzie drutu traconego np. Mitsubischi FX 10 gdzie mosiężna elektroda o œrednicy 0,25 mm jest bezpowrotnie tracona po wykonaniu jednego przebiegu.

Większoœć obrabianych materiałów obróbkš elektroerozyjnš posiada bardzo twardš powierzchnię stanowišcš następstwo powstania wyżej opisanych struktur, jak również dodatków stopowych w postaci najczęœciej chromu, niklu, tytanu i kobaltu. Twardoœć ta niezbędna jest do prawidłowej pracy takich detali jak częœci maszyn, narzędzia skrawajšce, matryce kuźnicze, formy wtryskowe, wykrojniki, stemple, narzędzia z węglików spiekanych itp. Obróbka elektroerozyjna niezbędna jest również do obróbki częœci ze stopów żarowytrzymałych jak również wykonywania bardzo małych otworów dysz wtryskowych silników wysokoprężnych, wykonania tłoków sterujšcych hydrauliki siłowej czy cięcia prętów paliwowych w energetyce jšdrowej.

W wyniku obróbki elektroerozyjnej na powierzchni materiału obrabianego powstaje ogromna iloœć wzajemnie nakładajšcych się mikrokraterów. Wgłębienia sš tym większe, im większš energię kinetycznš posiadajš elektrony, a ich iloœć uzależniona jest od częstotliwoœci impulsów elektroiskrowych. Zwykle parametr chropowatoœci RZ utrzymuje się poniżej 0,1 mikrometra. Przedmiot obrabiany po zakończonym procesie obróbki posiada na powierzchni trzy warstwy. Znajomoœć wczeœniej opisanych zjawisk pozwala na zrozumienie genezy ich powstania. Pierwsza warstwa powstaje z przetopionej stali, której czšsteczki nie zostały oderwane od powierzchni i ponownie zastygły na powierzchni materiału. Warstwa  ta posiada w swym składzie czšsteczki elektrody roboczej ?ER? oraz pozostałe produkty wygenerowane w procesie pirolizy dielektryka. Warstwa ta posiada strukturę dendrytycznš. Twardoœć jej jest znacznie niższa niż rodzimego materiału, a gruboœć nie przekracza kilku mikronów. Drugš warstwš jest warstwa martenzytyczna o wczeœniej opisanej strukturze. Cechuje jš bardzo wysoka twardoœć, znacznie większa od twardoœci warstwy pierwszej i materiału rodzimego. Ten wzrost twardoœci spowodowany jest między innymi przez dyfuzję węgla powstałego z rozkładu dielektryka oraz dużš szybkoœciš chłodzenia. Przebieg tego procesu odpowiada obróbce cieplnej zwanej hartowaniem. Trzecia warstwa posiada znacznie mniejszš twardoœć, bo zbyt powolne odprowadzanie ciepła nie doprowadziło do utworzenia struktury martenzytu natomiast doprowadziło do procesu zwanego odpuszczaniem. W tym procesie materiał zostaje podgrzany do wysokiej temperatury, a następnie wolno schładzany. Wielkoœć tych warstw uzależniona jest w znacznej mierze od wielkoœci szczeliny iskrowej powstajšcej między elektrodš roboczš, a materiałem obrabianym, a więc między katodš a anodš i wynosi zwykle od 0,01 do 0,8mm. Dobrze dobrane parametry obróbki, rodzaj elektrody i cieczy erozyjnej wpływajš na zmniejszenie szczeliny, a tym samym na zmniejszenie błędów wymiarowych, kształtów i położenia.

Do elektrod grafitowych i miedzianych zalecane sš uniwersalne, specjalnie rafinowane ciecze o nazwie Macron EDM. Zawierajš one niewielkš iloœć węglowodorów aromatycznych, sš przezroczyste i posiadajš łagodny zapach. Dzięki dużej wytrzymałoœci dielektrycznej szczeliny erozyjne sš małe co w połšczeniu z dobrymi właœciwoœciami wypłukiwania daje wysokš wydajnoœć elektrodršżenia. Ciecze te majš wysokš odpornoœć na starzenie i charakteryzujš się dobrš filtrowalnoœciš przy użyciu wszystkich powszechnie stosowanych materiałów filtracyjnych. Macron EDM65 zalecany jest do obróbki wykańczajšcej natomiast, Macron EDM110 zalecany jest do obróbki wstępnej. Macron EDM130 zalecany jest do obróbki węglików spiekanych. Przy obróbce z tš cieczš nie występuje wypłukiwanie kobaltu z węglików spiekanych.

Reasumujšc należy pamiętać, że dobór odpowiedniej cieczy elektroerozyjnej powinien być zawsze dokonywany przez wysokiej klasy specjalistę lub specjalistycznš firmę.

 

mgr. inż. Piotr Motyka
Industrial Engineering Manager

Wróć do kategorii: Oleje i smary Wiedza