Obróbka przy użyciu drutu

Obróbka przy użyciu drutu Adobe Stock – Pixel_B

Klasyczne metody obróbki skrawaniem, takie jak frezowanie lub toczenie, często mają ograniczone możliwości w przypadku konieczności obróbki twardych materiałów lub detali o skomplikowanych kształtach. W takiej sytuacji alternatywą może być zastosowanie obróbki elektroerozyjnej z drutem, szczególnie w przypadku materiałów dobrze przewodzących prąd elektryczny.

Obróbka elektroerozyjna lub elektroiskrowa (electrical discharge machining – EDM) jest procesem obróbczym, w którym do usuwania materiału z obrabianego elementu i jego kształtowania wykorzystuje się zanurzone w dielektryku elektrody i zachodzące między nimi wyładowania elektryczne. Metodę można podzielić na dwa główne typy.

Pierwszym jest drążenie elektroerozyjne, zwane również erozją wgłębną. Drugi to obróbka drutowa lub cięcie elektroerozyjne drutem (wire electrical discharge machining – WEDM). W WEDM do przeprowadzenia procesów obróbczych wykorzystuje się specjalny drut i wyładowania elektryczne między tym drutem a powierzchnią obrabianego przedmiotu.

Na czym polega obróbka WEDM

W przypadku obróbki drutowej WEDM, jak w każdym procesie obróbki elektroerozyjnej, materiał obrabianego przedmiotu jest usuwany pod wpływem energii cieplnej wyładowania elektrycznego. W tym konkretnym przypadku to drut jest jedną elektrodą (drugą jest powierzchnia obrabianego przedmiotu). W miarę jego zbliżania się do przedmiotu obróbki i osiągnięcia określonego napięcia dochodzi do wielu następujących po sobie wyładowań elektrycznych w szczelinie między dwiema elektrodami – potwierdzeniem tego są widoczne iskry na powierzchni detalu.

Schemat obróbki elektroerozyjnej WEDM
Schemat obróbki elektroerozyjnej WEDM

Wyładowania elektryczne powodują gwałtowny wzrost temperatury (do kilku, a nawet kilkunastu tysięcy stopni Celsjusza) części detalu, co w efekcie powoduje jego nadtopienie i usunięcie poprzez rozproszenie w płynie dielektrycznym. Dzięki temu, że iskra jest w pełni kontrolowana, oddziałuje tylko na określoną powierzchnię.

Podczas całego procesu nie dochodzi do bezpośredniego kontaktu drutu z powierzchnią obrabianego elementu. Dzięki temu nie ma ryzyka zniekształcenia toru drutu, co mogłoby niekorzystnie wpłynąć na proces cięcia i uzyskany kształt detalu. Szerokość cięcia jest zawsze większa od średnicy drutu, co wynika z tego, że wyładowania elektryczne mają miejsce wokół drutu.

Proces cięcia drutem rozpoczyna się albo od krawędzi obrabianego detalu, albo od jego środka. W drugim przypadku niezbędne jest wywiercenie najpierw odpowiedniego otworu w tym detalu, przez który następnie przepuszcza się drut. Cięcie drutem WEDM może odbywać się pod pewnym kątem, co pozwala na uzyskanie zwężenia lub różnych profili w detalu.

Ponieważ podczas tego procesu dochodzi również do częściowej erozji drutu, do przedmiotu obróbki stale podawany jest świeży drut. Odpowiada za to specjalna maszyna, która kontroluje zarówno sam ruch drutu, jak i prędkość odwijania drutu z rolki. 

W typowym procesie cienki drut jest odwijany z prędkością ok. 20–30 m/min. Dzięki temu obróbka jest przeprowadzana stale z odpowiednimi parametrami, co zapewnia niezmiennie wysoką precyzję procesu i właściwy kształt obrabianego detalu.

Istotna rola drutu i dielektryka

W procesach cięcia lub kształtowania drutem WEDM wykorzystuje się cienki drut metalowy, najczęściej o średnicy 0,1–0,3 mm, choć dostępne są także druty z większą i mniejszą średnicą. Jako materiały na drut preferuje się miedź lub mosiądz, ale istnieją także druty wykonane np. z wolframu lub molibdenu.

Z jednej strony to wybór konkretnego materiału wpływa na parametry obróbki (głównie jej prędkość). Z drugiej – późniejsze zastosowanie obrabianego przedmiotu może decydować o wyborze materiału drutu. Pokrycie drutu specjalną powłoką (np. mosiądzem ocynkowanym) pozwala dodatkowo zwiększyć prędkość, a w efekcie także wydajność obróbki.

To elektrodrążarki drutowe odpowiadają za odpowiednie dostosowywanie prędkości cięcia i podawania drutu. Obecnie dostępne maszyny mają sterowanie CNC, dlatego cały proces jest w pełni zautomatyzowany i precyzyjny.

Istotnym elementem całego procesu jest także odpowiedni dielektryk, w którym zanurzone są zarówno obrabiany przedmiot, jak i drut. Rolę dielektryka pełni w tym przypadku najczęściej woda dejonizowana. Woda dielektryczna nie tylko jest odpowiednim środowiskiem do przeprowadzenia procesu obróbczego, ale także schładza drut i obrabiany element oraz odprowadza drobne cząstki zerodowanego materiału.

Zalety elektroobróbki drutowej

Obróbka elektroerozyjna WEDM zyskuje na znaczeniu dzięki licznym korzyściom, jakie zapewnia. Do głównych zalet tego rodzaju procesu obróbczego należy zaliczyć możliwość obróbki materiałów, których obróbka przy użyciu innej technologii byłaby niemożliwa albo nieopłacalna

Mowa tu np. o obróbce ceramiki, stali hartowanej czy innych twardych metali. Co ważne, twardość obrabianego materiału nie wpływa na prędkość skrawania. Zasadniczo przy wykorzystaniu obróbki WEDM można przetwarzać wszystkie materiały przewodzące prąd elektryczny, niezależnie od ich twardości.

Wycinanie drutem WEDM należy jednocześnie do najbardziej precyzyjnych metod obróbki metali. Wynika to z tego, że drut jest bardzo cienki i elastyczny, a dzięki nowoczesnym elektrodrążarkom można uzyskać dokładność wymiarową na poziomie 1 μm. 

Dzięki temu przy zastosowaniu tej metody obróbki można wykonywać detale o niewielkich promieniach, małych szerokościach cięcia i nawet skomplikowanej geometrii. To, jak dokładny będzie proces obróbki, w dużej mierze zależy także od tego, jak dokładna jest sama maszyna, w tym dokładność sterowania.

Obróbka WEDM pozwala osiągnąć nie tylko skomplikowaną geometrię obrabianego przedmiotu, ale także bardzo cienkie powierzchnie o szczególnie gładkich krawędziach.

Typowe zastosowania

Obecnie obróbki drutem używa się w różnych branżach i do różnych celów. W ostatnich latach znacząco wzrosła możliwość zastosowania tej metody obróbki. Wynika to z rozwoju przemysłowych elektrodrążarek WEDM, które oferują coraz wyższe prędkości obróbki przy dokładniejszej kontroli wykończenia powierzchni.

Poza obróbką twardych materiałów użycie WEDM zaleca się także wszędzie tam, gdzie pożądane są niewielkie siły naprężenia szczątkowego. Typowymi zastosowaniami dla obróbki WEDM jest cięcie blachy o grubości do 30 cm, a także wykonywanie stempli, wykrojników, matryc czy tłoczników z twardych metali. Z powodzeniem technologię tę wykorzystuje się także do produkcji różnego rodzaju form (np. wtryskowych lub odlewniczych) i narzędzi skrawających.

Najczęściej po elektrodrążarki WEDM sięgają przedsiębiorstwa produkcyjne z takich gałęzi przemysłu, jak lotnictwo, branża motoryzacyjna, odlewnicza, medyczna i elektroniczna.

Koszty obróbki elektroerozyjnej drutem są zwykle wyższe niż klasycznych procesów obróbki, takich jak toczenie czy frezowanie. Powodem jest to, że WEDM jest bardzo precyzyjnym procesem.

Ponadto wytwarzanie szczególnie skomplikowanych kształtów przy użyciu elektrodrążarki drutowej zajmuje więcej czasu niż w przypadku użycia zwykłych metod. Dokładne koszty takiego procesu zależą od kilku czynników – w tym rozmiaru i złożoności obrabianego przedmiotu, materiału, z jakiego ten przedmiot jest wykonany, a także pożądanej precyzji i dokładności procesu obróbki.

Tagi artykułu

Zobacz również

MM Magazyn Przemysłowy 5-6/2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę