Co to jest obróbka elektroerozyjna (EDM)?
Adobe Stock – warutKiedy konwencjonalne metody obróbki osiągają swoje granice, z pomocą przychodzi obróbka elektroerozyjna. Proces EDM (electric discharge machining) umożliwia wysoką dokładność i jest odpowiedni dla każdego materiału przewodzącego.
Opracowana w latach 40. XX w. obróbka EDM jest stosunkowo starym, nietradycyjnym procesem obróbki. W połączeniu z komputerowym sterowaniem numerycznym (CNC) stała się jednak po II wojnie światowej dokładną i niezawodną metodą obróbki, a obecnie jest standardem wśród procesów obróbki skrawaniem. Oprócz produkcji narzędzi i form obróbka elektroerozyjna jest zazwyczaj stosowana w przemyśle samochodowym i lotniczym, np. przy produkcji silników lotniczych.
Obróbka elektroerozyjna jest uważana za niekonwencjonalny proces, który wykorzystuje energię cieplną do usuwania materiału z obrabianego przedmiotu. Podobnie jak w przypadku cięcia laserowego EDM nie wymaga użycia siły mechanicznej w procesie usuwania materiału, dlatego nie należy do tradycyjnych procesów obróbki (w przeciwieństwie np. do rezowania, wiercenia lub toczenia).
Erozja iskrowa jest bardzo popularna w produkcji narzędzi i form. Nadaje się bowiem szczególnie do twardych materiałów lub do szczególnie skomplikowanych kształtów, które trudno wykonać za pomocą frezowania.
Proces erozji iskrowej
Encyklopedia Britannica podaje krótkie wyjaśnienie erozji iskrowej: „Erozja iskrowa jest procesem polegającym na przeprowadzaniu wyładowań elektrycznych o wysokiej częstotliwości z elektrody z grafitu lub miękkiego metalu (zazwyczaj stopów miedzi), w celu usunięcia powierzchni materiałów przewodzących prąd elektryczny, takich jak hartowana stal lub twardy metal”.
Najprościej mówiąc, EDM to proces produkcyjny, który wykorzystuje elektrody do precyzyjnego, ale stosunkowo powolnego usuwania materiału z materiałów przewodzących. Podobnie jak w przypadku wciskania formy w miękki materiał struktura elektrody stopniowo powoduje ubytek w obrabianym detalu.
Proces fizyczny jest nieco bardziej skomplikowany: w niewielkiej szczelinie między obrabianym przedmiotem a naładowaną elektrycznie elektrodą (która jest mniej więcej tak gruba jak ludzki włos) przeskakują iskry i stopniowo usuwają materiał, topiąc go lub odparowując (erodując). W tym procesie elektroda i przedmiot obrabiany muszą być zanurzone w płynie dielektrycznym. Ilość materiału usuwanego przez jedną iskrę jest niewielka, ale wyładowanie następuje 100 000 razy na sekundę i nie tylko w jednym miejscu.
W miarę stopniowego zbliżania elektrody do detalu opór elektryczny w szczelinie (zwanej również iskrownikiem) maleje, aż przyłożone napięcie może przejść przez dielektryk na powierzchnię detalu w postaci miniwyładowania. Proces ten wymaga, aby środowisko, w którym odbywa się to wyładowanie, było elektrycznie izolowane.
Materiał, który jest usuwany, ma postać proszku. Ten nadmiar materiału jest stale usuwany ze szczeliny za pomocą płynu dielektrycznego używanego do płukania. Płyn ten jest niezbędny także do chłodzenia podczas obróbki. Jest też niezbędny do kontrolowania iskier.
Najważniejszymi czynnikami, które wpływają na decyzję o wyborze materiału na elektrody, są przewodność i odporność na erozję materiału na samą elektrodę. Grafit ma tę zaletę, że jest łatwiejszy w obróbce niż miedź. Miedź natomiast bardzo dobrze przewodzi prąd i jest trwała.
Trzy różne rodzaje obróbki elektroerozyjnej
Istnieją 3 różne rodzaje procesów obróbczych, które są oparte na efekcie obróbki elektroerozyjnej. Opisany powyżej typ nazywany jest erozją wgłębną. Znany jest również jako EDM wgłębna, EDM objętościowa, EDM tradycyjna lub EDM ramowa. Elektrodrążenie wgłębne pozwala na produkcję bardziej skomplikowanych kształtów.
Powszechnym zastosowaniem jest produkcja kształtek (wkładek) do form wtryskowych używanych do produkcji części z tworzyw sztucznych. W przeciwieństwie do elektrod do elektrodrążenia wgłębnego drut używany w elektrodrążarce drutowej nie musi mieć dobrych właściwości oporowych, ponieważ podczas procesu cięcia stale doprowadzany jest nowy drut.
Drugi rodzaj obróbki elektroerozyjnej nosi nazwę obróbki drutowej i jest znany również jako wypalanie drutu. W EDM drutowej do cięcia przedmiotu obrabianego używa się cienkiego drutu (zwykle z mosiądzu, ale również z miedzi).
W tym przypadku drut pełni rolę elektrody. Podczas obróbki drut ciągnie się jednostajnie ze szpuli. Drut jest utrzymywany w miejscu przez diamentowe prowadnice. Cieczą izolacyjną jest zazwyczaj woda dejonizowana. W ten sposób można częściowo przeciąć elementy, np. w celu stworzenia struktur płytkowych.
Trzeci wariant erozji iskrowej nazywa się wierceniem otworów początkowych. Jak sama nazwa wskazuje, proces ten służy do wiercenia otworów. Jeżeli cięcie drutem ma być wykonane nie na zewnątrz przedmiotu, lecz w jego środku, to w tym procesie EDM najpierw wierci się w przedmiocie mały otwór, przez który następnie wprowadza się drut. Proces ten prawie dokładnie przypomina frezowanie, kiedy celem jest wyrzeźbienie ornamentów tylko w obrębie ramy, bez konieczności jej przepiłowywania.
W porównaniu z konwencjonalnymi metodami wiercenia EDM umożliwia wykonywanie niezwykle małych i głębokich otworów. Ponadto podczas EDM otwory nie muszą być gratowane. Elektrody w tym procesie są rurowe, a dielektryk jest przewodzony przez samą elektrodę.
Kiedy użycie procesu EDM ma sens?
Główną zaletą obróbki elektroerozyjnej jest możliwość precyzyjnego kształtowania przedmiotów wykonanych z materiałów, które w innych warunkach są trudne do obróbki (takich jak węglik wolframu lub tytan). Kolejną zaletą EDM jest to, że na przedmiot obrabiany nie jest wywierana żadna siła mechaniczna. Można więc łatwo wykonać kruche kontury, ponieważ do usunięcia materiału nie jest wymagana duża siła cięcia, która mogłaby wygiąć obrabiany przedmiot.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Obróbka elektroerozyjna umożliwia także tworzenie struktur, które w inny sposób byłyby prawie niemożliwe do wykonania. Szczególnie głęboka obróbka, w której stosunek długości narzędzia do średnicy byłby bardzo wysoki, jest częstym zastosowaniem EDM. Ostre narożniki wewnętrzne, głębokie rowki i wąskie szczeliny to kolejne specjalności obróbki elektroerozyjnej.
Kolejnym argumentem, który przemawia za stosowaniem EDM, jest to, że wykończenie powierzchni jest zazwyczaj lepsze niż w przypadku procesów konwencjonalnych. Dzieje się tak dlatego, że obróbka elektroerozyjna wytwarza powierzchnie o drobnym wykończeniu i wysokiej precyzji.
Ponadto obróbka elektroerozyjna umożliwia obróbkę utwardzonych przedmiotów. Podczas gdy inne procesy obróbki muszą być przeprowadzone najpierw przed utwardzeniem przedmiotu przez obróbkę cieplną, obróbka elektroerozyjna może być zastosowana również do utwardzonego materiału. W ten sposób można uniknąć ewentualnych deformacji, które są spowodowane obróbką cieplną.
Obróbka EDM nie zawsze jest odpowiednia
Istnieją liczne przykłady, w których EDM nie jest właściwą alternatywą obróbki. Obróbka elektroerozyjna to metoda obróbki o wysokiej precyzji. W porównaniu z obróbką konwencjonalną EDM jest więc metodą stosunkowo powolną. W przypadku zadań o dużej objętości jest więc metodą nieekonomiczną. Jednocześnie metoda elektrotermiczna ma duże zapotrzebowanie na moc.
Podobnie jak w przypadku tradycyjnych metod obróbki trwałość narzędzia nie jest w przypadku EDM nieograniczona. W przypadku elektrodrążenia wgłębnego elektroda jest też podatna na efekty erozji. Ze względu na zużycie narzędzia elektroda musi być więc regularnie wymieniana.
W przypadku elektrodrążenia wgłębnego konieczne jest też wykonanie odpowiednio ukształtowanych elektrod przed przystąpieniem do obróbki przedmiotu. To dodatkowy etap w porównaniu z procesami obróbki przy użyciu konwencjonalnych narzędzi skrawających.
Istnieją jednak liczne przykłady firm, którym udało się dobrze wykorzystać EDM. W wielu przypadkach czynnikiem decydującym było przejście na nowszą i bardziej nowoczesną maszynę EDM.
Coraz większa automatyzacja maszyn do obróbki EDM
Aktualnym trendem jest automatyzacja procesu obróbki elektroerozyjnej. Dotyczy to nie tylko samej obróbki elektroerozyjnej, ale również obróbki elektrod. Proces EDM – za pomocą obrabiarek CNC do obróbki elektrod, maszyn EDM, stacji czyszczących i pomiarowych, a także stacji magazynowych i robotów do obsługi elektrod – może być przeprowadzany automatycznie.
Dzięki temu system jest zawsze wystarczająco szybko zaopatrywany w elektrody. Obróbkę tych elektrod i proces erozji można zaprogramować na noc, co pozwala na znaczną oszczędność czasu. Ponadto bez dodatkowego nakładu pracy można obrobić większą liczbę sztuk. Można też przeprowadzić kilka procesów jednocześnie. Należą do nich erodowanie, mierzenie, frezowanie, grawerowanie laserowe i czyszczenie. Firmy, które zautomatyzowały swoje procesy produkcyjne, odnotowały znaczne oszczędności czasu i wzrost obrotów.
Wysokie napięcie elektryczne? A co z bezpieczeństwem?
Jak bezpieczna jest obróbka EDM? To pytanie niepokoi wielu techników, którzy po raz pierwszy stykają się z tym procesem. Konieczność stosowania wysokiego napięcia i wszechobecne iskry sprawiają, że niedoświadczonym pracownikom wydaje się, że proces ten zagraża bezpieczeństwu. Dopóki jednak maszyna jest używana zgodnie z instrukcją producenta, nie niesie większego niebezpieczeństwa.
Metalforming Magazine udziela wskazówek, jak zapewnić bezpieczeństwo procesu. Oto niektóre z działań, które należy podjąć, aby bezpiecznie obsługiwać maszynę do obróbki EDM:
- Użytkownicy muszą być odpowiednio przeszkoleni do pracy z maszynami EDM.
- Należy się upewnić, że istnieją środki ochrony przeciwpożarowej i że są one regularnie konserwowane.
- Należy pilnować poziomu płynu dielektrycznego. Ma on bowiem ogromne znaczenie: zapobiega rozprzestrzenianiu się wyładowań na materiały przewodzące inne niż przedmiot obrabiany.
- Odpowiednia wentylacja pozwala oczyścić powietrze z gazów, które mogą powstać w płynie w wyniku reakcji chemicznych podczas wyładowania.
- Należy monitorować płyn dielektryczny podczas jego cyrkulacji, aby zachować jego właściwości nieprzewodzące.
Autor: Rosemarie Stahl
