EDM-työstön tyypit: Opas kipinätyöstöön

Koneistusteollisuudessa valmistajat kohtaavat usein osia, jotka ovat liian kestäviä, liian ohuita tai yksinkertaisesti liian monimutkaisia perinteisille työstömenetelmille. Juuri tässä sähköinen kipinätyöstö (EDM) osoittaa arvonsa. Poistamalla materiaalia kontrolloiduilla sähköpurkauksilla voiman sijaan, tämä CNC-työstötekniikka pitää tiukat toleranssit työkaluteräksissä, karbideissa, titaanissa ja muissa eksoottisissa seoksissa.

Tämä kipinätyöstöprosessi voidaan luokitella moniin muunnelmiin työstömenetelmän mukaan; yleisimmin käytettyjä ovat lankakipinä, uppokipinä ja reiänporauskipinä.

Lanka EDM (WEDM)

Toimintaperiaate ja asennus

Lankasahauksessa käytetään jatkuvasti syötettävää, sähköisesti varattua ja jännitettyä lankaa, tyypillisesti messinkiä tai pinnoitettua messinkiä, liikkuvana elektrodina. Lanka ei koskaan kosketa työkappaletta. Sen sijaan ylläpidetään kontrolloitua rakoa, kun CNC ohjaa lankaa ohjelmoitua rataa pitkin. Työkappale on upotettuna deionisoituun veteen, joka toimii dielektrisenä aineena ja huuhtelee tehokkaasti roskat pois. Ylempi ja alempi langanohjain mahdollistavat langan kallistamisen tai kapenemisen kulmikkaiden muotojen luomiseksi.

Koneen generaattori moduloi pulssin energiaa, kestoa ja taajuutta rouhintatyöstössä ja useissa tasauslastuissa. Rouhintatyöstössä nopeus on etusijalla, jolloin peräkkäisille tasauslastuille jää tilaa toleranssin ja pinnanlaadun parantamiseksi. Kiinnitys on tärkeää: vankka, termisesti vakaa asetus, tarkat peruspisteet ja hyvät huuhtelureitit vaikuttavat suoraan tarkkuuteen ja läpimenoon.

Tyypilliset sovellukset ja materiaalit

Lankakipinäkoneita käytetään tyypillisesti monimutkaisten profiilien työstämiseen: muottien, rei'ittimien, hammaspyörien, uraprofiilien, lääketieteellisten komponenttien ja monimutkaisten 2,5D-ääriviivojen työstämiseen, joita on vaikea tai mahdotonta jyrsiä. Se soveltuu erinomaisesti karkaistujen työkaluterästen (A2, D2, H13), volframikarbidin, titaanin, Inconelin ja muiden superseosten työstöön. Yleisiä skenaarioita ovat mm. painevalumuotit lohkosta, tuottaen tarkkoja inserttejä, leikkaamalla hauraita tai karkaistuja osia ilman jännitystä ja luomalla ohuita verkkoja tai herkkiä ominaisuuksia ilman vääristymiä.

Edut ja rajoitukset

• Tarkkuus ja viimeistelyPito ±0,0001–0,0002 tuumaa on rutiinia vakaissa asetelmissa, ja alle 1 μm Ra -pinnankarheudet ovat saavutettavissa useilla tasoituskerroilla.
• Minimaalinen mekaaninen rasitusEi leikkausvoimia, joten ohuet seinämät ja hienot yksityiskohdat pysyvät ehjinä. Lämpövaikutusalueet ovat pieniä ja uudelleenvaletut kerrokset ohuita.
• AutomaatioystävällinenAutomaattinen kierteitys, katkenneen langan tunnistus ja integroitu mittaus tukevat luotettavia ja kestäviä suorituksia, erityisesti pidemmillä profiileilla.

RajoituksetLangan on fyysisesti saavutettava muoto, eli alileikkausten tai suljettujen onteloiden tekeminen ei ole mahdollista. Syöttö vaatii aloitusreiän, ellei aloituspiste sijaitse reunalla. Korkeat osat saattavat vaatia huolellisia huuhtelustrategioita vakauden ylläpitämiseksi ja langan kulumisen ja katkeamisen minimoimiseksi.

Sinker EDM (suuppaus-/perinteinen EDM)

Elektrodit, työkalut ja onteloiden muodostuminen

Upotuskipinätyöstössä käytetään muotoiltua elektrodia, tyypillisesti grafiittia tai kuparia, joka on kiinnitetty männänvarteen. Elektrodi asetetaan ontelon negatiiviselle navalle ja "upotetaan" se työkappaleeseen servo-ohjauksella, samalla kun kipinäpurkaus syövyttää materiaalia. Hiilivetypohjainen öljy on yleinen dielektrinen aine. Kiertoliike (pienet ohjelmoidut liikkeet, kuten ympyrä- tai vektorikierrot) parantaa huuhtelua, pinnanlaatua ja takaa lopulliset mitat ilman kulmien ylipalamista.

Elektrodin valinnalla on valtava merkitys: grafiitti varmistaa suuremman nopeuden, kestää kuumuutta ja sopii suurempiin onteloihin; kupari pitää yksityiskohdat hyvin ja sillä voidaan saavuttaa hienompi pinta. Kokeneet valmistajat valmistavat usein useita elektrodeja: karhennuselektrodin hiomiseen, väliviimeistelyelektrodin seinämien vakauttamiseen ja viimeistelyelektrodin tarkan toleranssin ja Ra-arvon saavuttamiseksi.

Sovellukset, toleranssit ja pinnan viimeistely

Upotuskipinätyöstö on ensisijainen vaihtoehto 3D-muotin onteloiden, kohokuvioiden, ripojen, syvien taskujen, logojen ja geometrioiden työstöön, joihin suoralla langalla ei yksinkertaisesti päästä käsiksi. Toleranssit ±0,0002–0,001 tuumaa ovat realistisia koosta ja asetuksista riippuen, ja viimeistelypoltoissa on mahdollista saavuttaa alle 1 μm Ra:n pinnankarheus. Koska elektrodi antaa geometrian, monimutkaiset sekoitukset ja vapaamuotoiset muodot ovat tyypillisiä... ruiskuvalumuotteja ja painevalutyökalut.

Edut ja rajoitukset

• Todellinen 3D-ominaisuus: Sen ensisijainen vahvuus on sokeiden onteloiden, alileikkausten ja monimutkaisten kolmiulotteisten muotojen luominen, joita lankakipinätyöstöllä on mahdotonta tuottaa.
• Erinomainen pinnanlaatu: Pystyy tuottamaan poikkeuksellisen hienoja pintakäsittelyjä monimutkaisilla muodoilla, usein poistaen manuaalisen kiillotuksen tarpeen.

RajoituksetTämä jatkuva eroosio vaatii kulumiskompensaatiota ohjelmoinnissa ja usein useiden elektrodien valmistusta yhtä työtä varten. Volumetrinen aineenpoistonopeus on yleensä hitaampi kuin lankakipinätyöstössä, mikä tekee siitä vähemmän tehokkaan laajamittaisessa aineenpoistossa. Lisäksi jokainen ontelo vaatii oman elektrodinsa, ja syvät ja kapeat rakenteet vaikeuttavat usein dielektristä huuhtelua, mikä voi heikentää sekä nopeutta että tarkkuutta.

EDM-reiän poraus (nopea reikä/pieni reikä EDM)

Prosessimekaniikka

Reiänporauslaitteen ydin on nopea, pyörivä putkimainen elektrodi, joka on tyypillisesti valmistettu messingistä, kuparista tai kulutusta kestävästä kupari-volframista. Tämä ontto putki toimii useimmissa tapauksissa katodina ja työkappale anodina. Generaattori syöttää korkeataajuisia sähköpulsseja niiden väliseen rakoon, mikä luo sarjan hallittuja kipinöitä, jotka höyrystävät ja syövyttävät materiaalia.

Prosessin kannalta kriittistä on paineistettu dielektrinen neste – yleensä deionisoitu vesi – jota pumpataan pyörivän elektrodin keskustan läpi. Tällä on kaksi elintärkeää toimintoa: se huuhtelee voimakkaasti erodoituneet hiukkaset kapeasta raosta estäen oikosulun, ja se deionisoi kanavan ylläpitäen vakaata kipinöintiä. Elektrodin pyöriminen varmistaa tasaisen kulumisen ja auttaa saavuttamaan suoremman reiän vakauttamalla putkea. Servojärjestelmä säätää jatkuvasti elektrodin asentoa ylläpitääkseen tarkan kipinävälin reiän syventyessä, mikä mahdollistaa syvien, pienten reikien luomisen karkaistuihin materiaaleihin ilman työkalun taipumista, joka olisi uhka perinteisessä koneistuksessa.

Käyttötapaukset: Käynnistys- ja jäähdytysreiät

Valmistajilla on yleinen käytäntö turvautua EDM-poraukseen aloitusreikien tekemiseen ennen lanka EDM:ää, kun profiili alkaa reunasta poispäin. Se on myös standardi pienille, korkean kuvasuhteen jäähdytysrei'ille turbiinin lapoissa ja siivissä, effuusio- ja kalvojäähdytyskuvioissa sekä tarkkojen reikien porauksessa lääketieteellisissä tai mikrofluidikomponenteissa. Nikkelipohjaiset superseokset, titaani ja karkaistut teräkset ovat kaikki sopivia vaihtoehtoja, edellyttäen että ne ovat johtavia.

Nopeus, tarkkuus ja rajoitukset

• Reiän porausnopeus: EDM-poraus on poikkeuksellisen nopeaa pienten, syvien reikien luomiseen, erityisesti koviin, johtaviin materiaaleihin, joissa perinteinen poraus on hidasta tai mahdotonta. Nopeuteen vaikuttavat ensisijaisesti dielektrinen paine, elektrodimateriaali ja porattava seos, mikä mahdollistaa nopeat aloitusreiät ja suuren läpimenon reikäkuviot.
• Tarkkuus halkaisijassa: Tämä prosessi on erinomainen paikkatarkkuuden suhteen ja tuottaa suoria, korkean kuvasuhteen reikiä, joiden halkaisija on jopa 0,015 tuumaa.

Rajoitukset: Tarkkuuteen erikoistuminen tuo mukanaan myös joitakin kompromisseja. Reikien pinnanlaatu on yleensä karkeampi kuin lankakipinätyöstöllä tai uppokipinätyöstöllä saavutettava. Lisäksi prosessi rajoittuu enimmäkseen suoriin reikiin, eikä sillä voida luoda taivutettuja muotoja. Lopuksi voimakas paikallinen lämpö voi jättää uudelleenvalukerroksen ja pieniä purseita sisään- ja ulostulokohtiin, mikä voi vaatia toissijaista viimeistelyä kriittisissä sovelluksissa.

Erikoistuneet EDM-koneet ja hybridiprosessit

Jauhe-EMD (PMEDM)

Suspendoimalla johtavia tai puolijohtavia jauheita dielektriseen materiaaliin, tämä tekniikka voi levittää purkauskanavaa, alentaa energiatiheyttä ja parantaa pinnanlaatua samalla, kun se vähentää työkalun kulumista. PMEDM on arvokas muottien tai komponenttien viimeistelyssä, joissa pinnan eheys on tärkeää. Se vaatii suodatusta ja prosessinohjausta pitoisuuden pitämiseksi tasaisena.

EDM-jyrsintä/kiertoradan jyrsintä 3D-muodoille

Tätä menetelmää kutsutaan myös mäntäkipinäiseksi jyrsinnäksi. Siinä käytetään pientä elektrodia, joka seuraa 3D-työstörataa ja kiertää luoden monimutkaisia muotoja aivan kuten kuulapääjyrsin, ilman leikkausvoimia. Se on tehokas herkkien tai vaikeasti saavutettavien ominaisuuksien työstämiseen ja voi vähentää tarvittavien elektrodien määrää.

Erilaisten EDM-koneiden suorituskyvyn vertailu

Leikkausnopeudet ja sykliajan ajurit

• Lanka EDMSuuri suhteellinen nopeus reunatyöstöissä, erityisesti pitkissä vakiokorkeissa profiileissa. Sykliaika riippuu kappaleen korkeudesta, muodon pituudesta, tasoituskertojen määrästä ja huuhtelukerroksesta.
• Sinker EDMKeskimääräiset poistonopeudet: elektrodin pinta-ala, ratastrategia ja huuhtelun käyttöaika. Elektrodin valmistus lisää läpimenoaikaa.
• Reiän porausNopea pienille, syville rei'ille: läpäisykyky riippuu elektrodin kulumisesta, dielektrisestä paineesta ja seoksesta.

Tarkkuus, toleranssit ja pinnanlaatu (Ra)

• Lanka EDMErittäin korkea tarkkuus: ±0,0001–0,0002″ yleisesti, <1 μm Ra saavutettavissa useilla pinnoilla.
• Sinker EDMKorkea tarkkuus: ±0,0002–0,001″ tyypillinen: <1 μm Ra viimeistelypoltoissa viritetyllä energialla ja kiertävällä liikkeellä.
• Reiän porausKorkea paikannustarkkuus reikien paikannuksessa; pinnanlaatu on vaatimaton lankaan/painoon verrattuna.

Lämpövaikutukset: uudelleenvalettu kerros, mikrohalkeamat ja HAZ

Kaikki EDM-prosessit tuottavat ohuen uudelleenvalukerroksen, jossa on potentiaalisia mikrohalkeamia, vaikka lämpövaikutusalue (HAZ) on yleensä matala. Tätä voidaan lieventää matalaenergisillä viimeistelypaloilla, optimoiduilla pulssiparametreilla, asianmukaisella huuhtelulla ja jälkikiillotuksella tai kevyellä hionnalla, kun pinnan eheys on kriittisen tärkeää (esim. väsymisalttiiden ilmailu- ja avaruuskomponenttien kohdalla).

Valinta sähköpurkauskoneistuksen tarpeisiisi

Nyt kun olet oppinut erityyppiset kipinätyöstömenetelmät, on aika tiivistää ne tulevaa EDM-työstöprosessia varten. Valintakriteerit voidaan jakaa neljään osa-alueeseen.

Geometria ja ominaisuuksien huomioon ottaminen

• Avoimet muodot ja läpiprofiilitValitse lankasahaus. Se on ihanteellinen menetelmä, kun lanka pääsee koko reitille ilman alileikkausta.
• Suljetut ontelot ja todelliset 3D-muodotValitse Sinker EDM. Se luo ominaisuuksia, joihin lanka ei ulotu, ja siirtää monimutkaisen geometrian elektrodista.
• Pienet, syvät, suorat reiätValitse EDM-poraus. Se on nopein tapa porata aloitusreiät ja saada korkean kuvasuhteen jäähdytysominaisuudet.

Materiaali, kovuus ja lämpökäsittelytila

Kaikentyyppinen EDM-työstö vaatii johtavuutta, mutta kovuus ei ole rajoittava tekijä, sillä EDM menestyy lämpökäsitellyillä työkaluteräksillä, karbideilla, titaanilla ja nikkeliseoksilla. Jos mittapysyvyys lämpökäsittelyn jälkeen on tärkeää, EDM karkaisun jälkeen poistaa työstövoimien aiheuttaman muodonmuutoksen riskin. Kovametallille tai herkille materiaaleille suosi lankaa tai huolellisesti säädettyjä uppoamisparametreja mikrohalkeilun minimoimiseksi.

Eräkoko, kustannukset ja työkalutalous

• Prototyypit ja pienet erätLankakipinätyöstö minimoi työkalujen tarpeen ja vaatii vähän elektrodeja, joten se on kustannustehokas yksittäiskappaleissa ja lyhyissä sarjoissa.
• Suuritilavuuksiset muotit tai toistuvat ontelotUpotuskipinätyöstöstä tulee taloudellista, kun elektrodin suunnittelun ja valmistuksen kustannukset alenevat useiden osien osalta. Tehokkaat elektrodistrategiat (rouhinta/viimeistely, jaetut geometriat) alentavat kokonaiskustannuksia.
• ReiänporaussolutToistuvien jäähdytysreikäkuvioiden yhteydessä erillinen EDM-poraus automatisoidusti tarjoaa ennustettavan läpimenon.

Automaatio, kiinnitys ja prosessien valvonta

Moderni EDM tukee kevyttä valmistusta. Automaattiset langankierteityslaitteet, työkalunvaihtajat, prosessinaikainen mittaus ja koneen valvonta vähentävät seisokkiaikaa ja hylkyä. Sinun tulisi priorisoida:

• Puhdas dielektrinen ja vakaa suodatus kipinän vakauden ylläpitämiseksi.
• Jäykkä kiinnitys luotettavilla peruspisteillä toistettavuuden varmistamiseksi pinnoitteiden tai elektrodien välillä.
• Adaptiiviset generaattorit ja kulmaohjaus suojaavat tarkkuutta pienillä sisäsäteillä.
• Parametrijoukkojen SPC ja lokitietojen tallennus säännellyn tarkkuuskoneistuksen jäljitettävyyttä varten lääketieteellisten ja ilmailu- ja avaruusosien tuotannossa.

Johtopäätös

Sähköpurkaustyöstö mahdollistaa monimutkaiset mallit käyttämällä tarkkoja CNC-työstö ja materiaalien kovuuden voittaminen täydentävillä menetelmillä: lankakipinätyöstö profiileille, uppokipinätyöstö onteloille ja porakipinätyöstö syville rei'ille.

Artikkeleidemme tiedon avulla pystyt tekemään tietoon perustuvia päätöksiä valitessasi EDM:ää parantaaksesi osien laatua ja kilpailukykyä edistyneessä valmistuksessa!

Usein kysytyt kysymykset

Onko EDM tarkoitettu vain metallille? Voinko käyttää sitä pehmeille, karkaisemattomille materiaaleille?

Ei aivan. Määritelmän mukaan EDM on tarkoitettu yksinomaan sähköä johtaville materiaaleille, eikä eristeistä, kuten muovista, lasista ja tavallisista keraamista tai komposiittimateriaaleista, voida puhua. Myös grafiitista, piikarbideista, titaanidiboridista ja tietyistä polymeerikomposiiteista on sähköä johtavia ominaisuuksia. Vaikka ne ovat EDM:n erityisaluetta, niitä voidaan työstää myös koneistusmenetelmällä.

Myös jos kyseiset pehmeät materiaalit ovat pehmeitä metalleja, kuten alumiinia tai pehmeää terästä, EDM on täysin mahdollinen menetelmä, vaikka sitä käytetäänkin yleisesti kovemmilla materiaaleilla. Perinteiset työstömenetelmät ovat vain usein nopeampia ja kustannustehokkaampia, ellei geometria ole erittäin monimutkainen tai herkkä.

Miten osan koko rajoittaa EDM:ää?

Jokaisella kipinätyöstötyypillä on omat kokorajoitteensa. Lankakipinätyöstökoneiden kokoa rajoittavat niiden liikealue ja säiliön koko. Uppokipinätyöstökoneiden kokoa rajoittavat työsäiliö ja elektrodin painokapasiteetti. Hyvin suurille komponenteille, kuten laivan potkurille, tarvitaan erilliset, massiiviset kipinätyöstökoneet.

Mikä aiheuttaa uudelleenvaletun kerroksen ja onko se aina ongelma?

Uudelleenvalettu kerros on ohut, uudelleen jähmettynyt materiaalikerros, joka on sulanut, mutta jota dielektrinen neste ei ole huuhtonut pois. Vaikka sitä syntyy kaikissa EDM-menetelmissä, sen merkitys riippuu sovelluksesta. Monille muoteille ja työkaluille se on joko merkityksetön tai se voidaan poistaa... pintakäsittelyErittäin rasitettujen ja väsymiselle alttiiden ilmailu- ja avaruuskomponenttien kohdalla se on kriittinen tekijä, joka on minimoitava tai poistettava.

Pidetäänkö EDM:ää hitaana prosessina?

EDM ei yleensä ole nopea prosessi massamateriaalin poistoon verrattuna perinteiseen koneistukseen. Sen arvo piilee sen tarkkuuskoneistuksen kyvyssä, ei sen raakanopeudessa. "Tehollinen" nopeus on korkea, kun otetaan huomioon, että sillä voidaan poistaa useita työvaiheita (esim. karkea koneistus, lämpökäsittely, viimeistelykoneistus) ja tuottaa valmiin osan karkaistusta aihiosta yhdellä asetuksella.