Obróbka elektroerozyjna

W obróbce elektroerozyjnej (EDM) mamy do czynienia z wyładowaniami elektrycznymi między katodą i anodą zanurzonymi w dielektryku płynnym. Przepływ prądu w dielektrykach związany jest przeważnie z ruchem jonów i elektronów. Wyładowaniami elektrycznymi określa się chwilowy lub trwały przepływ prądu w dielektrykach. Podczas przystawienia napięcia w szczelinie roboczej tworzy się zmienne i niejednorodne w czasie pole elektryczne o dużym natężeniu rzędu 105÷106 V/cm. Niejednorodność pola jest skutkiem nierówności powierzchni anody i katody, różnej grubości szczeliny oraz zmiennych właściwości dielektryka i produktów obróbki. W czasie wyładowania elektrycznego w strefach, gdzie natężenie pola elektrycznego osiąga największe wartości, następuje skupienie cząstek zanieczyszczeń dielektryka. Zanieczyszczenie takie obniża odporność elektryczną ośrodka.

Jeżeli natężenie pola elektrycznego osiągnie poziom graniczny – napięcie graniczne Ug – następuje przebicie elektryczne i od tego momentu zaczyna się emisja elektronów z katody. Rozpędzone elektrony w polu elektrycznym uderzają w atomy ośrodka, wywołując ich błyskawiczną jonizację udarową. W efekcie wcześniej wymienionych zdarzeń formuje się wąski kanał plazmowy zapełniony elektronami i jonami (rys. 1).

Rys. 1. Schemat wyładowania elektrycznego – formowanie kanału plazmowego

źródło: E. Pająk, Wybrane zagadnienia obróbki ściernej i erozyjnej. Część 2 – Obróbka erozyjna, Gorzów Wlkp. 1979

Przemieszczający się przez kanał plazmowy prąd elektryczny skutkuje wydzielaniem się dużej ilości ciepła. Ciepło to powoduje parowanie medium i wytworzenie wokół kanału plazmowego bańki gazu o zwiększającej się objętości w czasie i przestrzeni (rys. 2).

Rys. 2. Schemat wyładowania elektrycznego – formowanie bańki gazu plazmowego

źródło: E. Pająk, Wybrane zagadnienia obróbki ściernej i erozyjnej. Część 2 – Obróbka erozyjna, Gorzów Wlkp. 1979

Dynamizm elektronów bombardujących zewnętrzną powierzchnię anody oraz jonów, które bombardują zewnętrzną powierzchnię katody, substytuowany jest na ciepło, co powoduje gwałtowny wzrost temperatury materiału obrabianego i elektrody roboczej – do wartości przewyższających temperaturę topliwości lub temperaturę wrzenia. Przebieg przemian fazowych materiału obrabianego zachodzi w sposób wybuchowy.

Na początku procesu erozji ciśnienie intensywnie wzrasta, a później, w czasie zakończenia wyładowania elektrycznego, maleje, co potęguje parowanie ciekłego metalu, które przeważnie ma specyfikę mikrowybuchu. W efekcie powstającego krateru usuwane są strugi płynnego metalu i pary. Następnie po wyładowaniu bańka gazu kurczy się i rozwarstwia się na dwie (rys. 3a, b i c).

Rys. 3. Schemat wyładowania elektrycznego: a) faza zmniejszania się bańki gazu plazmowego, b) faza oderwania się bańki gazu plazmowego od materiału obrabianego, c) faza rozdzielenia się bańki gazu plazmowego

źródło: E. Pająk, Wybrane zagadnienia obróbki ściernej i erozyjnej. Część 2 – Obróbka erozyjna, Gorzów Wlkp. 1979

Dzielące się bańki gazu zamykają się implozyjnie, co powoduje usuwanie pewnej ilości ciekłego metalu z krateru. Pozostała w leju część metalu krzepnie, formując na powierzchni materiału obrabianego warstewkę grubości od kilku do kilkudziesięciu mikrometrów o właściwościach i budowie innej niż materiał rdzenia. Po każdym wyładowaniu występuje dejonizacja przestrzeni międzyelektrodowej i cały cykl zaczyna się od początku, w miejscach gdzie występują idealne warunki do jonizacji kanału międzyelektrodowego.

Po zastosowaniu obróbki erodowaniem całą powierzchnię obrobioną wyściela zbiór charakterystycznych lejów, które wyglądem przypominają misę kulistą. Stałe produkty erozji wydzielone do dielektryka mają kształt podobny do kulek o pustych wnętrzach o składzie materiału elektrod. Cząstki te nie uległy roztopieniu, lecz zostały oderwane od elektrod w sposób mechaniczny. Skutkiem tworzenia produktów erozji w postaci kulek jest mechaniczny wpływ wyładowania elektrycznego i wytworzone naprężenia cieplne w materiale.

W rezultacie erozji elektrycznej po kolejnych wyładowaniach w czasie dosuwania elektrody następuje formowanie obrabianego przedmiotu. Jednocześnie z ubytkiem materiału na elemencie obrabianym występuje zużycie elektrody roboczej, a zatem również jej erozja, lecz w dużo mniejszym stopniu.

Obróbka elektrochemiczna

Obróbka elektrochemiczna metali (ECM) oparta jest na procesach chemicznych zachodzących w trakcie elektrolizy. W tej metodzie kształtowania elementów wykorzystuje się wadę metali, jaką jest uleganie korozji. Korozja metali w obróbce elektrochemicznej to proces chemiczny lub elektrochemiczny prowadzący do degradacji materiałów (szczególnie metali i stopów, materiałów ceramicznych, tworzyw sztucznych).

Elektroliza zachodzi podczas przepływu stałego prądu elektrycznego przez mieszaninę elektrolitu. Następują wówczas przemiany chemiczne: utlenianie na anodzie (elektrodzie dodatniej) i redukcja na katodzie (elektrodzie ujemnej). Stopień dysocjacji, czyli procent rozdzielonych par jonów, jest tym większy, im wyższa temperatura, im większe rozcieńczenie roztworu oraz im słabsze wiązanie jonowe. Wszystkie substancje, których cząsteczki powstały dzięki jonowym wiązaniom atomów, ulegają w większym lub mniejszym stopniu dysocjacji elektrolitycznej, tj. rozszczepieniu na jony, tylko pod wpływem wody. Na skutek krystalicznej budowy metali występują w nich niejednorodności fizyczne i dlatego, gdy zanurzamy je w roztworze, w różnych miejscach powstają potencjały elektrochemiczne, w wyniku których pojawiają się mikroogniwa lokalne. Na mikroanodzie ogniwa lokalnego zachodzi reakcja utleniania metalu, który przechodzi do roztworu w postaci jonowej. Równocześnie w mikrokatodzie zachodzi reakcja redukcji i metal wydziela się z roztworu.

Tworzenie się mikroogniw na całej powierzchni metalu zanurzonego w elektrolicie staje się przyczyną jego rozpuszczalności. O tym, czy w mieszaninie będzie zachodzić reakcja redukcji, czy utleniania i w jakiej sekwencji będą przebiegać, rozstrzyga potencjał reakcji elektrodowej, czyli jej usytuowanie w szeregu napięciowym. Dodatkowe zastosowanie prądu elektrycznego powoduje intensyfikację procesu.

Warunki procesu elektroerozyjnego i elektrochemicznego

Zarówno w obróbce elektroerozyjnej, jak i elektrochemicznej narzędziem jest elektroda (eroda) wykonana z różnych materiałów przewodzących prąd elektryczny, takich jak: grafit, miedź elektrolityczna, żeliwo, mosiądz, stopy cyny lub kompozyty. Ich dobór zależy od właściwości materiału obrabianego, warunków przebiegu procesu i kosztów obróbki. Wielkość i kształt elektrody roboczej są uzależnione od pożądanego kształtu wytworu – są one w zasadzie dowolne. Elektroda musi być oddzielona w przypadku obróbki elektroerozyjnej od materiału obrabianego dielektrykiem, czyli płynem o bardzo niskiej przewodności. Natomiast w obróbce elektrochemicznej stosowanym płynem jest elektrolit.

Od ośrodka, w którym odbywa się obróbka sposobem elektroerozyjnym i elektrochemicznym, w dużej mierze zależą dokładność obróbki, gładkość powierzchni obrabianej i wydajność. Jeżeli zastosujemy powietrze, to otrzymamy nieodpowiednią chropowatość powierzchni, bardzo małą wydajność i małą dokładność, dlatego takiego środowiska się nie stosuje.

Obróbka elektroerozyjna odbywa się, jak już wspomniano, w dielektrykach płynnych. Płyn ten powinien charakteryzować się odpowiednią trwałością, wykazywać duże własności dejonizacyjne (zdolność gaszenia łuku elektrycznego), mieć zdolność szybkiego chłodzenia i odpowiednią wytrzymałość elektryczną. Najczęściej stosowanymi dielektrykami są węglowodory płynne lub woda destylowana. Do węglowodorów zalicza się olej transformatorowy, naftę kosmetyczną lub oleje mineralne, które odpowiadają wskazanym wymaganiom. Często sami producenci obrabiarek EDM zalecają określony skład chemiczny cieczy.

Od lepkości dielektryka i stopnia jego zanieczyszczenia zależy dokładność obróbki za pomocą elektroerozji. Przy małej lepkości płyn ten łatwiej przenika do miejsca obróbki, zabezpieczając prawidłowy przebieg wyładowania. Stosując wodę destylowaną jako dielektryk, otrzymujemy niskie koszty obróbki. Niestety woda destylowana ulega bardzo szybkiemu zanieczyszczeniu, stając się elektrolitem, i przewodzi prąd podobnie jak zwykła woda, co prowadzi do spadku wydajności drążenia. Powoduje to duże straty energii na skutek elektrolizy wody, jak i częściowe wytrawienie anody. Dielektryki stosowane w obróbce elektroerozyjnej należy w czasie trwania procesu filtrować, aby zmniejszyć ilość cząstek metalu. Cząstki te, jeżeli nie są odpowiednio filtrowane, osadzają się na powierzchni obrabianej, tworząc warstwę polaryzacyjną. Skutkiem polaryzacji jest spadek wydajności procesu, a nawet jego zatrzymanie. Filtrowanie odbywa się podczas obiegu dielektryku w specjalnie przystosowanych do tego celu zbiornikach.

Skład chemiczny dielektryka wpływa również na własności warstwy wierzchniej elementu obrobionego. Jeżeli zastosujemy naftę lub olej transformatorowy, w warstwie powierzchniowej stali tworzą się węgliki polepszające jej własności.

Medium, w którym zachodzi obróbka elektrochemiczna, jest elektrolit. Płyn ten musi wykazywać dobre zdolności rozpuszczania materiału obrabianego w wyniku elektrolizy, dobrą przewodność elektryczną i małą korozyjność, musi też posiadać bierne cechy fizjologiczne. Najczęściej stosowanymi elektrolitami są wodne roztwory kwasów, zasad i soli. Elektrolity z kwasów i zasad są żrące, dlatego częściej stosuje się elektrolity mało toksyczne w postaci roztworów soli NaCl, KCL, NaNO3. Elektrolit taki przepływa przez szczelinę roboczą z dużą prędkością (10m/s) przy ciśnieniu 0,3÷3 MPa, aby skutecznie odprowadzać zanieczyszczenia powstałe w wyniku obróbki. Podobnie jak dielektryk, elektrolit oczyszczany jest przez zespół filtrów w specjalnym zbiorniku i wykorzystywany w obiegu zamkniętym.

Maszyny i urządzenia do obróbki erozyjnej

Do obróbki erozyjnej stosuje się obrabiarki stacjonarne i przenośne ogólnego przeznaczenia, różnych typów i wymiarów, a także obrabiarki specjalizowane i urządzenia do wykonywania tylko poszczególnych operacji bądź też stanowiące dodatkowe wyposażenie obrabiarek do metali. Najczęściej w obróbce elektroerozyjnej i elektrochemicznej wykorzystuje się tzw. drążarki wgłębne, przeważnie do drążenia wgłębnego.

Po odpowiednim oprzyrządowaniu lub wspomaganiu przez układy sterowania NC, CNC itp. drążarki są stosowane do wykonywania takich operacji jak: drążenie otworów i wgłębień o prostych lub skomplikowanych profilach, wycinanie drutowe otworów kształtowych, roztaczanie, wytaczanie, nacinanie gwintów zewnętrznych i wewnętrznych, przecinanie materiału, profilowanie, wiercenie, szlifowanie, frezowanie, powlekanie metali trudnotopliwych, ulepszanie i nasiarczanie powierzchni części metalowych, toczenie, napawanie, wygładzanie, usuwanie zadziorów, usuwanie złamanych narzędzi z materiału obrabianego, polerowanie, honowanie (rys. 4).

Rys. 4. Schemat wybranych operacji obróbki elektrokontaktowej: a) frezowanie, b) szlifowanie, c) ostrzenie narzędzi, d) toczenie, e) wiercenie, f) napawanie

Ł.J. Popiłow, Elektrochemiczne i elektrofizyczne metody kształtowania metali, Warszawa 1970

Dodatkowo specyfika procesu elektrochemicznego pozwala na docieranie elektrochemiczne wibracyjne oraz nagrzewanie w elektrolicie, stosowane do spęczniania główek sworzni, hartowania lub umocnienia materiału.

Obrabiarki elektroerozyjne i elektrochemiczne specjalizowane wykorzystywane są do obróbki części lub wykonywania konkretnych zadań w produkcji wielkoseryjnej. Są to m.in. drążarki do profilowania wycięć w opaskach kierownic turbin parowych, szlifierki do kształtowania tarcz metalowych i wykrawarki drutowe do otworów o dowolnym kształcie.

Podstawowe informacje o obrabiarkach elektroerozyjnych i elektrochemicznych, na które należy zwrócić uwagę przy ich wyborze, to: wymiary stołu roboczego, maksymalna wydajność (mm3/min), pole powierzchni obrabianej, maksymalny ciężar części obrabianej oraz narzędzi (erod) wraz z uchwytem, maksymalne wymiary części obrabianej, klasa chropowatości, jaką można uzyskać dla warunków wykańczających, dokładność obróbki powierzchni kształtowych, moc instalacyjna kVA, moc generatorów, przesuw wzdłużny poprzeczny i pionowy głowicy, objętość płynu roboczego, wymiary obrabiarki oraz jej masa.

We współczesnych obrabiarkach EDM i ECM parametry obróbkowe zadawane są na podstawie odpowiednich tablic technologicznych zawartych w pamięci obrabiarki lub dołączonych przez producenta w dokumentacji technicznej. W tablicach tych znajdują się informacje, które umożliwiają otrzymanie żądanego kształtu z określoną dokładnością i chropowatością powierzchni. Obejmują one również dane dotyczące impulsów, takie jak: charakter impulsów roboczych (impuls związany z przepływem prądu), impulsów pustych (brak prądu roboczego) oraz impulsów zwarcia, polaryzacja (biegunowość elektryczna elektrody), napięcie w impulsie, natężenie prądu roboczego w impulsie, czas impulsu roboczego, czas przerwy między impulsami, czas impulsu wstępnego.

Obróbkę erozyjną powinno się wykorzystywać przy obróbce części maszyn i urządzeń wytwarzanych z materiałów trudnoskrawalnych i o skomplikowanych kształtach geometrycznych. Jednak z uwagi na ekonomiczność tego sposobu obróbki zaleca się także stosowanie go przy wykonywaniu części z materiałów łatwoskrawalnych, lecz bardzo skomplikowanych geometrycznie.

Dodatkowe zalety obróbki elektrochemicznej w stosunku do elektroerozyjnej to kilkukrotnie większa wydajność procesu i możliwość zastosowania go do usuwania zadziorów krawędzi w miejscach trudno dostępnych. Ta właściwość wynika z faktu, że największą gęstość prądu, a co za tym idzie – największą intensywność roztwarzania uzyskuje się na wierzchołkach nierówności i zadziorach.

Literatura:
Laber A., Wybrane zagadnienia z inżynierii wytwarzania: obróbka ubytkowa, Zielona Góra 2008.
Pająk E., Wybrane zagadnienia obróbki ściernej i erozyjnej. Część 2 – Obróbka erozyjna, Gorzów Wlkp 1979.
Popiłow Ł.J.: Elektrochemiczne i elektrofizyczne metody kształtowania metali, Warszawa 1970.
Storch B., Podstawy obróbki skrawaniem, Koszalin 2001.
Zawora J., Podstawy technologii maszyn, Warszawa 2012.