W obróbce elektroerozyjnej materiał z obrabianego przedmiotu usuwany jest z wykorzystaniem wyładowań elektrycznych. Technikę tę można zastosować do wszystkich materiałów przewodzących elektryczność (metale, stopy, węgliki, grafity itd.). Aby można było przeprowadzić obróbkę elektroerozyjną, potrzebne są cztery elementy: elektroda, przedmiot obrabiany, dielektryk i prąd elektryczny. Celem dielektryka (woda lub olej mineralny) jest redukcja temperatury obrabianego obszaru, usunięcie produktów erozji i uniemożliwienie powstawania iskier.

Przebieg procesu

Proces obróbki elektroerozyjnej składa się z sześciu faz:
    1) elektroda jest zbliżana do przedmiotu obrabianego, elementy są pod napięciem,
    2) natężenie pola elektrycznego przemieszcza się w kierunku punktu, gdzie przestrzeń między elektrodą a przedmiotem obrabianym jest najmniejsza,
    3) między elektrodą a przedmiotem obrabianym tworzy się zjonizowany kanał (tzw. przebicie dielektryka),
    4) następuje przerywanie iskry, przedmiot obrabiany topi się miejscowo i rozpada, elektroda zostaje nieznacznie zużyta,
    5) prąd zostaje odcięty, powodując implozję iskry,
    6) pozostałości są usuwane przez przepłukanie dielektrykiem.

Dla przebiegu procesu erozji elektrycznej niezbędne jest doprowadzenie do szczeliny międzyelektrodowej odpowiednich impulsów napięcia, które po zjonizowaniu szczeliny pozwolą na przepływ prądu. Wyładowania elektryczne (impulsy) są wytwarzane przez generator impulsów, po czym następuje – w regularnych odstępach – sukcesja kraterów (otworów) w detalu. 

Przepływ impulsu prądowego powoduje rozgrzanie do wysokiej temperatury miejsca, w którym nastąpiło wyładowanie elektryczne, co skutkuje stopieniem się materiału. Każdy impuls wytwarza temperaturę między 8000 i 12 000°C. Rozmiar kraterów (otworów) zależy od energii wytworzonej przez generator impulsów. Zasięg iskry waha się od kilku mikronów do 1 mm. Aby zachować prawidłowy przebieg procesu obróbki, dostarczane impulsy muszą zachowywać określone parametry. Do wytwarzania impulsów elektrycznych stosuje się generatory, które możemy podzielić na dwie grupy: 
    • generatory zależne, w których amplituda napięcia, natężenia prądu i częstotliwość impulsów elektrycznych zależą od stanu dielektryka w szczelinie (stosowane głównie w obróbce elektroiskrowej),
    • generatory niezależne, w których parametry elektryczne wytwarzanych impulsów nie zależą od właściwości fizycznych dielektryka (stosowane w obróbce elektroimpulsowej).

Dielektryk

Istotnym elementem w procesie obróbki elektroerozyjnej jest dielektryk. Odpowiednio dobrana ciecz robocza ułatwia uzyskanie zamierzonego efektu drążenia. Zasadniczo jako dielektryk wykorzystuje się substancje, które nie przewodzą prądu elektrycznego: wodę destylowaną, ropę naftową, naftę lub olej transformatorowy. Aby dielektryk spełniał swoje funkcje, musi być odpowiednio czysty – w tym celu filtruje się go, najczęściej w obiegu wymuszonym. 

Dielektryk w procesie obróbki elektroerozyjnej pełni kilka funkcji: zapewnia odpowiednią izolację, przekazuje identyczne, powtarzalne ładunki elektryczne w określone miejsce, chłodzi elektrodę i obrabiany materiał oraz chroni przed upaleniem, a także tworzy obszar przepłukiwania w szczelinie. Każde zabrudzenie w szczelinie redukuje właściwości izolacyjne dielektryka, stwarzając warunki niepożądanych wyładowań wtórnych. Może to prowadzić do niekontrolowanego przebiegu procesu obróbki, a co za tym idzie – wad produktu. 

Wymagania, jakie powinien spełniać dielektryk, aby zapewnić podstawowe funkcje, są następujące:
    • temperatura zapłonu wyższa od 74°C,
    • zawartość węglowodorów aromatycznych nieprzekraczająca 0,1%; najlepiej niższa od 0,001%,
    • duża izolacja dielektryczna (przynajmniej 40 kV/2,5 mm),
    • odpowiednia lepkość dobrana do warunków procesu i wymagań końcowych,
    • stała w czasie wartość lepkości (można to uzyskać, używając dielektryków z niskim zakresem destylacji),
    • brak inicjacji wyładowań (mogłoby to prowadzić do wyładowań wtórnych i uszkodzenia obrabianej części),
    • brak barwy i woni,
    • brak lotności,
    • środek niepieniący,
    • zdolność zapewnienia szybkiej i skutecznej filtracji zanieczyszczeń,
    • zdolność zapewnienia dużej wydajności procesu i niskiego zużycia elektrody.

Zalety obróbki elektroerozyjnej

Stosując metodę elektrodrążenia, można uzyskać bardzo dużą dokładność, rzędu kilku mikrometrów, nawet dla bardzo skomplikowanych i trudnych do uzyskania kształtów. Efektem tego procesu jest dokładna powierzchnia o małej chropowatości. Metoda ta wykorzystywana jest do produkcji wykrojników, tłoczników, form wtryskowych, łopatek turbin, narzędzi itp.

Obróbkę elektroerozyjną można wykorzystywać w obszarach zastosowania niedostępnych dla metod konwencjonalnych, co wynika z jej specyficznych cech. Pierwszą z nich jest fakt, że w przypadku obróbki elektroerozyjnej materiał narzędzia nie musi być twardszy od obrabianego elementu, jak to ma miejsce w obróbce wiórowej. Dzięki temu koszty wykonania narzędzia są stosunkowo niskie, co jest niewątpliwie dużą zaletą. Cecha ta dotyczy przede wszystkim elektrodrążenia wgłębnego drutowego, gdzie narzędziem jest elektroda wykonywana z takich materiałów jak np. miedź, grafit, miedziowolfram czy miedziografit. To materiały o stosunkowo niskiej twardości, co sprawia, że są łatwo obrabialne metodą wiórową. Do ich wykonania najczęściej używa się frezarek CNC. Jednak w szczególnych przypadkach, przy obróbce grafitu, wymagana jest zmodyfikowana wersji frezarki ze względu na tworzący się podczas obróbki pył. Na głównym zdjęciu przedstawiono przykładową elektrodę grafitową, za pomocą której można wykonać skomplikowany kształt w materiale dużo twardszym od elektrody.

Naciski na element obrabiany w obróbce erodowaniem są pomijalnie małe, dlatego można stosować elektrody o bardzo małych grubościach – nawet kilkunastu setnych milimetra. Elektroda taka nie ulegnie zgięciu, co najwyżej będzie się szybciej upalać.

Drugą cechą jest możliwość obróbki materiałów o dowolnych własnościach fizykomechanicznych bez użycia dużych sił mechanicznych oraz brak zależności między zmianą tych własności a wydajnością obróbki, jej jakością i prędkością. Szczególną odmianą obróbki elektroerozyjnej jest obróbka z wykorzystaniem chemicznego i cieplnego działania prądu elektrycznego, gdzie nie występują oddziaływania mechaniczne bądź są one znikome. W metodach strumieniowo-erozyjnych również występują małe siły. Na wydajność erozyjnych sposobów obróbki materiałów wpływają własności chemiczne i fizyczne materiału obrabianego – np. wpływ wartościowości przy obróbce elektrochemicznej bądź przewodności cieplnej przy obróbce elektroerozyjnej. 

Kolejną cechą obróbki elektoerozyjnej jest możliwość bardzo dokładnego wykonywania potrzebnych w przemyśle maszynowym części, takich jak np. wtryskiwacze, rozdzielacze hydrauliczne, sprzęgła o małej średnicy czy precyzyjne silniki elektryczne, dla których bardzo istotna jest dokładność rzędu kilku mikrometrów. Dzięki występowaniu minimalnej szczeliny obróbkowej, powodującej małe straty materiałowe, metodą tą można obrabiać drogie materiały, jak np. krzem, german, diament i inne monokryształy. Przy elektrodrążeniu drutowym szczelina ma wielkość jedynie średnicy drutu, która zazwyczaj wynosi 0,25 mm, oraz odsunięcia technologicznego zwanego offsetem. Wycięty płycie kształt, który staje się później częścią odpadową, można ponownie wykorzystać. Materiał taki jest zazwyczaj dobry gatunkowo. 

Następna cecha obróbki elektroerozyjnej to możliwość wykonywania wielu operacji na jednym stanowisku – np. obróbka całej powierzchni przy jednym zamocowaniu. Narzędzie jest w tym wypadku negatywem obrabianej powierzchni. Zazwyczaj do wykonania detalu potrzebnych jest kilka lub nawet kilkanaście elektrod, dlatego elektrodrążarki wgłębne są wyposażone w magazyny z podajnikiem. Na rys. 2 przedstawiono przykładową formę wtryskową, która ze względu na kształt i wielkość zagłębień nie byłaby możliwa do wykonania obróbka wiórową. Z magazynu pobierane są kolejno elektrody, które w odpowiedniej kolejności, wyznaczonej przez technologa, drążą na zadaną głębokość w odpowiednim miejscu. Forma przed obróbką drążeniem jest wstępnie wyfrezowana z uwzględnieniem konkretnych naddatków.

Przykładowa forma wtryskowa

Obróbka elektrodrążeniem pozwala na wykonanie rowków, gwintów, wgłębień kształtowych i otworów w trudno dostępnych miejscach, np. na dużej głębokości. Dla metody wiórowej wykonanie np. rowka wpustowego na określonej nieprzelotowej głębokości jest wręcz niewykonalne. 

Elektrodrążenie drutowe

Jednym z podstawowych sposobów obróbki elektroerozyjnej jest elektrodrążenie drutowe. W tym procesie do wycięcia zadanego kształtu w obrabianym materiale wykorzystywana jest metalowa elektroda drutowa. Drut zawsze przecina obrabiany przedmiot na wylot, dlatego przed rozpoczęciem procesu należy w nim wykonać otwór startowy. Alternatywnie obróbka może się rozpocząć od krawędzi obrabianego przedmiotu. Ponieważ drut może ciąć również pod kątem, możliwe jest obrabianie detali stożkowych lub wycinanie innych kształtów na górze i spodzie detalu. Drut przeważnie jest wykonany z mosiądzu lub powlekanej miedzi i ma średnicę 0,02–0,33 mm. 

Elektrodrążenie drutowe to metoda wykorzystywana głównie do wykonywania wykrojników, elementów form i narzędzi skrawających. Numerycznie sterowana elektrodrążarka drutowa umożliwia wycinanie przedmiotów z bardzo dużą dokładnością, wysoką jakością powierzchni i dużą wydajnością. 

Jedną z ważniejszych cech użytkowych charakteryzujących obróbkę elektrodrążeniem drutowym jest chropowatość powierzchni obrobionego detalu. Odchyłki kształtu w wycinanym przedmiocie wynikają przede wszystkim z drgań drutu wywołanych wyładowaniami elektrycznymi, jakości dielektryka i wysokości ciętego materiału. 

Wybór optymalnych parametrów obróbki w celu uzyskania większej wydajności i dokładności wycinania jest trudnym zadaniem ze względu na dużą liczbę zmiennych procesowych i skomplikowane mechanizmy stochastyczne procesu. W nowoczesnych obrabiarkach do drążenia drutem nie dobiera się poszczególnych parametrów technologicznych – są one zdeterminowane w konkretnych technologiach opracowanych przez producentów drążarek. Dobiera się je odpowiednio do rodzaju obrabianego materiału, wysokości, ilości przejść oraz chropowatości, jaką chce się uzyskać. 

Badania doświadczalne

W celu zweryfikowania poprawności metodyki doboru parametrów obróbki elektrodrążeniem drutowym na podstawie zalecanych technologii wykonano badania doświadczalne. Przeanalizowano w nich uzyskane rzeczywiste cechy struktury geometrycznej powierzchni w zestawieniu z oczekiwanymi, które powinny być wynikiem odpowiedniego doboru parametrów na podstawie tabel technologicznych opracowanych przez producenta obrabiarki. Zmiennym parametrem technologicznym była liczba przejść, natomiast otrzymane struktury powierzchni scharakteryzowano parametrem chropowatości Ra.

Pierwsze przejście jest zawsze przejściem zgrubnym, podobnie jak w przypadku innych obróbek, chociażby wiórowej. Występuje tu duże ciśnienie między głowicami, które przylegają do materiału. Ma to na celu wypłukiwanie części materiału, który został poddany zniszczeniu. Każde kolejne przejście jest wykańczające i właśnie na tej podstawie uzyskujemy żądaną chropowatość powierzchni. Ilość przejść, zwanych nastawami, dobiera się na podstawie tabel technologicznych z uwzględnieniem chropowatości, jaką należy uzyskać. 

Pomiar chropowatości przeprowadzono metodą stykową z wykorzystaniem profilografometru firmy Hommel-Tester T2000. Objęto nim trzy różne materiały: stal Vanadis, węgliki spiekane, aluminium AW-1050A. 

Stal Vanadis jest chromowo-molibdenowo-wanadową stalą proszkową, która cechuje się: dużą odpornością na zużycie, dużą wytrzymałością na ściskanie, bardzo dobrymi właściwościami hartowania i ciągliwością, dobrą stabilnością wymiarową po hartowaniu i odpuszczaniu oraz wysoką odpornością na odpuszczanie. Nadaje się szczególnie do zastosowań, w których głównym problemem jest ciągliwość i zużycie adhezyjne, np. do wykonywania części do wykrojników i tłoczników.
 
Węgliki spiekane są materiałami składającymi się z węglików metali trudnotopliwych, głównie W, a także Ti, Ta i Nb, o udziale objętościowym ok. 65–95% oraz metalu wiążącego, którym jest zwykle kobalt. Występują też węgliki spiekane, w których metalem wiążącym jest nikiel, molibden oraz żelazo lub ich stopy z kobaltem.

Aluminium AW-1050A to aluminium niestopowe, plastyczne, o dobrej podatności na gięcia, także na zimno. Cechuje się niskimi własnościami mechanicznymi, wysoką przewodnością elektryczną i cieplną, jest wysoce odporne na korozję atmosferyczną, ma wysoki współczynnik odbicia światła, jest dobrze spawalne i nadaje się do anodowania dekoracyjnego.

W tabeli przedstawiono – na podstawie pięciu pomiarów – uśrednione wyniki parametru chropowatości Ra w zależności od ilości przejść i porównano je z wartością z tablic technologicznych określoną przez producenta.

Tabela. Zestawienie wartości parametru chropowatości Ra uzyskanych z pomiarów i oczekiwanych w zależności od liczby przejść

Ogólnie na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że metodyka doboru parametru obróbki elektrodrążeniem drutowym, jakim jest liczba przejść, na podstawie tabel technologicznych w celu uzyskania zamierzonej chropowatości powierzchni jest poprawna. Szczególnie małe odstępstwa od oczekiwanej wartości parametru chropowatości otrzymano przy kilkukrotnych przejściach, niezależnie od tego, jaki materiał był obrabiany. Natomiast największe różnice występują przy pierwszym przejściu, czyli przejściu zgrubnym. 

Z przeprowadzonego doświadczenia wynika również, że liczba przejść jako parametr technologiczny jest parametrem istotnym – wpływa na uzyskiwaną strukturę powierzchni, a więc również determinuje uzyskiwane cechy użytkowe.

-----------

Literatura:
Popiłow Ł., Elektrochemiczne i elektrofizyczne metody kształtowania metali, WNT, Warszawa 1970.
Siwczyk M., Obróbka elektroerozyjna: technologia i zastosowanie, WNT, Warszawa 1981.