Rodzaje obróbki elektroerozyjnej: Przewodnik po obróbce elektroerozyjnej

W branży obróbki skrawaniem producenci często spotykają się z elementami, które są zbyt wytrzymałe, zbyt cienkie lub po prostu zbyt skomplikowane dla konwencjonalnych metod obróbki. Właśnie tutaj obróbka elektroerozyjna (EDM) udowadnia swoją wartość. Dzięki usuwaniu materiału za pomocą kontrolowanych wyładowań elektrycznych, a nie siły, ta technika obróbki CNC zapewnia ścisłe tolerancje w stalach narzędziowych, węglikach, tytanie i innych stopach egzotycznych.

Proces obróbki elektroerozyjnej można podzielić na wiele odmian w zależności od metody obróbki; najczęściej stosowane to elektroerozyjne cięcie drutem, elektroerozyjne cięcie wgłębne i elektroerozyjne wiercenie otworów.

Obróbka elektroerozyjna drutem (WEDM)

Zasada działania i konfiguracja

Obróbka elektroerozyjna drutem wykorzystuje stale podawany, naładowany elektrycznie drut pod napięciem, zazwyczaj mosiężny lub mosiężny powlekany, jako ruchomą elektrodę. Drut nigdy nie styka się z przedmiotem obrabianym. Zamiast tego utrzymywana jest kontrolowana szczelina, podczas gdy CNC prowadzi drut po zaprogramowanej ścieżce. Przedmiot obrabiany jest zanurzony w wodzie dejonizowanej, która działa jak dielektryk i skutecznie wypłukuje zanieczyszczenia. Górne i dolne prowadnice drutu umożliwiają pochylanie lub zwężanie drutu w celu uzyskania elementów o kącie nachylenia.

Generator maszyny moduluje energię, czas trwania i częstotliwość impulsu podczas obróbki zgrubnej i wielokrotnych przejść gładzących. W przypadku obróbki zgrubnej priorytetem jest prędkość, pozostawiając margines na kolejne przejścia gładzące, które pozwalają na uzyskanie odpowiedniej tolerancji i gładkości powierzchni. Mocowanie ma znaczenie: solidne, stabilne termicznie ustawienie, dokładne punkty odniesienia i dobre ścieżki płukania mają bezpośredni wpływ na dokładność i wydajność.

Typowe zastosowania i materiały

Elektrodrążarki drutowe są zazwyczaj używane do obróbki skomplikowanych profili: matryc, stempli, kół zębatych, wielowypustów, komponentów medycznych oraz skomplikowanych konturów 2,5D, które są trudne lub niemożliwe do frezowania. Doskonale sprawdzają się w przypadku hartowanych stali narzędziowych (A2, D2, H13), węglika wolframu, tytanu, Inconelu i innych superstopów. Typowe zastosowania obejmują cięcie. matryce do odlewania ciśnieniowego z bloku, wytwarzając precyzyjne wkładki, tnąc kruche lub utwardzone części bez wywoływania naprężeń oraz tworząc cienkie wstęgi lub delikatne elementy bez zniekształceń.

Zalety i ograniczenia

• Dokładność i wykończenie:Utrzymywanie dokładności ±0,0001–0,0002″ jest rutynowe w przypadku stabilnych ustawień, a wykończenie powierzchni poniżej 1 μm Ra można uzyskać przy użyciu wielokrotnych przejść gładzących.
• Minimalne naprężenie mechaniczneBrak sił tnących oznacza, że cienkie ścianki i drobne detale pozostają nienaruszone. Strefy wpływu ciepła są niewielkie, a warstwy odlewu cienkie.
• Przyjazny dla automatyzacji:Automatyczne nawlekanie, odzyskiwanie zerwanego drutu i zintegrowane sondowanie zapewniają niezawodne i bezawaryjne działanie, szczególnie w przypadku dłuższych profili.

Ograniczenia:Drut musi fizycznie przylegać do konturu, co oznacza, że podcięcia lub zamknięte wnęki nie są możliwe. Wejście wymaga otworu startowego, chyba że punkt startowy znajduje się na krawędzi. Wysokie części mogą wymagać starannego płukania, aby zachować stabilność i zminimalizować erozję i pęknięcia drutu.

Sinker EDM (Die-Sinking/Conventional EDM)

Elektrody, narzędzia i formowanie wnęk

Elektroda wgłębna, znana również jako drążenie wgłębne, wykorzystuje elektrodę kształtową, zazwyczaj grafitową lub miedzianą, zamontowaną na siłowniku. Elektroda jest umieszczana na ujemnej powierzchni wnęki, a następnie „wtapiana” w obrabiany element pod kontrolą serwo, podczas gdy wyładowanie iskrowe powoduje erozję materiału. Powszechnym dielektrykiem jest olej na bazie węglowodorów. Orbitowanie (drobne, zaprogramowane ruchy, takie jak orbity kołowe lub wektorowe) poprawia przepłukiwanie, poprawia wykończenie powierzchni i gwarantuje uzyskanie ostatecznych wymiarów bez przepaleń naroży.

Wybór elektrody ma ogromne znaczenie: grafit zapewnia większą prędkość, jest odporny na ciepło i nadaje się do większych wnęk; miedź dobrze trzyma detale i pozwala uzyskać lepsze wykończenie. Doświadczeni producenci często stosują kilka elektrod: elektrodę zgrubną do obróbki, półwykańczającą do stabilizacji ścianek oraz elektrodę wykańczającą dla uzyskania wąskich tolerancji i współczynnika Ra.

Zastosowania, tolerancje i wykończenie powierzchni

Elektrodrążarka wgłębna to idealne rozwiązanie do trójwymiarowych gniazd form, wytłoczeń, żeber, głębokich kieszeni, logotypów i geometrii, do których prosty drut po prostu nie jest w stanie dotrzeć. Tolerancje ±0,0002–0,001″ są realistyczne w zależności od rozmiaru i konfiguracji, a wykończenie powierzchni poniżej 1 μm Ra możliwe jest po wypaleniu. Ponieważ elektroda nadaje geometrię, złożone połączenia i kształty o dowolnym kształcie są typowe dla formy wtryskowe i narzędzia odlewnicze.

Zalety i ograniczenia

• Prawdziwe możliwości 3D: Jego główną zaletą jest możliwość tworzenia pustych przestrzeni, podcięć i złożonych form trójwymiarowych, których nie da się uzyskać metodą obróbki elektroerozyjnej drutowej.
• Doskonałe wykończenie powierzchni: Umożliwiają uzyskanie wyjątkowo gładkiej powierzchni o skomplikowanych konturach, często eliminując potrzebę ręcznego polerowania.

Ograniczenia:Ta ciągła erozja wymaga kompensacji zużycia w programowaniu i często wymaga wytwarzania wielu elektrod do jednego zadania. Objętościowa prędkość usuwania materiału jest zazwyczaj niższa niż w przypadku elektrodrążenia drutowego, co czyni ją mniej wydajną w przypadku usuwania materiału na dużą skalę. Ponadto, każda unikalna wnęka wymaga dedykowanej elektrody, a głębokie, wąskie elementy często utrudniają płukanie dielektryczne, co może negatywnie wpłynąć zarówno na prędkość, jak i dokładność.

Wiercenie otworów metodą EDM (szybkie/małe otwory EDM)

Mechanika procesowa

Rdzeniem elektrodrążarki EDM jest obracająca się z dużą prędkością, rurowa elektroda, zazwyczaj wykonana z mosiądzu, miedzi lub odpornej na zużycie miedzi i wolframu. Ta pusta rura w większości przypadków pełni funkcję katody, a obrabiany przedmiot – anody. Generator generuje impulsy elektryczne o wysokiej częstotliwości przez szczelinę między elektrodami, wytwarzając serię kontrolowanych iskier, które odparowują i erodują materiał.

Kluczowym elementem procesu jest sprężony płyn dielektryczny – zazwyczaj woda dejonizowana – pompowany przez środek obracającej się elektrody. Spełnia on dwie istotne funkcje: skutecznie wypłukuje zerodowane cząstki z wąskiej szczeliny, zapobiegając zwarciom, oraz dejonizuje kanał, utrzymując stabilne warunki iskrzenia. Obrót elektrody zapewnia równomierne zużycie i pomaga uzyskać prostszy otwór poprzez stabilizację rury. Układ serwo stale reguluje położenie elektrody, aby utrzymać precyzyjną przerwę iskrową w miarę pogłębiania się otworu, umożliwiając wykonywanie głębokich otworów o małej średnicy w utwardzonych materiałach bez ugięcia narzędzia, które stanowiłoby zagrożenie w tradycyjnej obróbce.

Przykłady zastosowań: otwory startowe i chłodzące

Producenci często stosują wiercenie EDM w celu wykonania otworów startowych przed drutowym wierceniem EDM, gdy profil zaczyna się od krawędzi. Jest to również standard w przypadku małych otworów chłodzących o dużym wydłużeniu w łopatkach turbin, wzorcach chłodzenia efuzyjnego i warstwowego oraz precyzyjnych otworów w elementach medycznych lub mikroprzepływowych. Nadstopy na bazie niklu, tytan i stale hartowane są odpowiednimi materiałami, pod warunkiem że są przewodzące.

Prędkość, dokładność i ograniczenia

• Prędkość wiercenia otworów: Wiercenie elektroerozyjne jest wyjątkowo szybkie i umożliwia wykonywanie małych, głębokich otworów, szczególnie w twardych, przewodzących materiałach, gdzie konwencjonalne wiercenie jest powolne lub niemożliwe. Prędkość zależy przede wszystkim od ciśnienia dielektrycznego, materiału elektrody oraz konkretnego stopu, który jest wiercony, co pozwala na szybkie wykonywanie otworów początkowych i wzorów otworów o dużej przepustowości.
• Dokładność średnicy: Proces ten charakteryzuje się wysoką dokładnością pozycjonowania i pozwala na wykonywanie prostych otworów o dużym współczynniku kształtu i średnicy wynoszącej zaledwie 0,015 cala.

Ograniczenia: Specjalizacja w zakresie dokładności wiąże się również z pewnymi kompromisami. Wykończenie powierzchni otworów jest zazwyczaj mniej gładkie niż w przypadku obróbki elektroerozyjnej drutem lub obróbki wykańczającej w elektroerozyjnej wgłębnej. Ponadto proces ten ogranicza się głównie do otworów prostych i nie pozwala na uzyskanie giętych kształtów. Wreszcie, intensywne ciepło punktowe może pozostawić warstwę przetopioną i drobne zadziory w punktach wejścia i wyjścia, co może wymagać dodatkowej obróbki wykończeniowej w krytycznych zastosowaniach.

Specjalistyczne maszyny EDM i procesy hybrydowe

EDM z proszkiem i mieszanką (PMEDM)

Poprzez zawieszenie proszków przewodzących lub półprzewodzących w dielektryku, technika ta może rozszerzyć kanał wyładowania, obniżyć gęstość energii i poprawić wykończenie powierzchni, jednocześnie redukując zużycie narzędzi. PMEDM jest cenny w przypadku przejść wykończeniowych na formach lub komponentach, gdzie istotna jest integralność powierzchni. Wymaga jednak filtracji i kontroli procesu, aby utrzymać stałe stężenie.

Frezowanie/orbitowanie EDM dla form 3D

Nazywane również frezowaniem elektroerozyjnym ram, podejście to wykorzystuje małą elektrodę, która porusza się po trójwymiarowej ścieżce narzędzia, orbitując, aby tworzyć złożone kształty, podobnie jak frez kulisty, ale bez konieczności stosowania sił skrawania. Jest skuteczne w przypadku delikatnych lub trudno dostępnych elementów i może zmniejszyć liczbę dedykowanych elektrod.

Porównanie wydajności różnych typów maszyn EDM

Prędkości skrawania i sterowniki czasu cyklu

• Obróbka elektroerozyjna drutemWysoka prędkość względna podczas cięcia obwodowego, szczególnie na długich profilach o stałej wysokości. Czas cyklu zależy od wysokości elementu, długości konturu, liczby łyżek i płukania.
• Obrabiarka EDM Sinker:Średnie wskaźniki usuwania: powierzchnia elektrody, strategia orbity i czas płukania. Produkcja elektrod wydłuża czas realizacji.
• Wiercenie otworów:Szybkość w przypadku małych, głębokich otworów: wydajność zależy od zużycia elektrody, ciśnienia dielektrycznego i stopu.

Dokładność, tolerancje i wykończenie powierzchni (Ra)

• Obróbka elektroerozyjna drutem:Bardzo wysoka dokładność: typowa ±0,0001–0,0002″, <1 μm Ra osiągalne przy użyciu wielu skimsów.
• Obrabiarka EDM Sinker:Wysoka dokładność: ±0,0002–0,001″ typowo: <1 μm Ra przy wykańczaniu wypalania przy dostrojonej energii i orbicie.
• Wiercenie otworów:Wysoka dokładność pozycjonowania otworów; wykończenie powierzchni jest skromne w porównaniu do drutu/nurnika.

Efekty termiczne: warstwa przetopiona, mikropęknięcia i strefa HAZ

Wszystkie procesy obróbki elektroerozyjnej (EDM) tworzą cienką warstwę odlewu z potencjalnymi mikropęknięciami, chociaż strefa wpływu ciepła (HAZ) jest zazwyczaj płytka. Można to złagodzić poprzez zastosowanie przejść wykończeniowych o niższej energii, zoptymalizowanych parametrów impulsu, odpowiedniego płukania oraz polerowania lub lekkiego szlifowania po obróbce, gdy integralność powierzchni jest kluczowa (np. w przypadku elementów lotniczych podatnych na zmęczenie).

Wybór dla Twoich potrzeb w zakresie obróbki elektroerozyjnej

Skoro poznałeś już różne rodzaje obróbki elektroerozyjnej, czas je podsumować, aby ułatwić wybór procesu obróbki elektroerozyjnej. Kryteria wyboru można podzielić na cztery aspekty.

Rozważania dotyczące geometrii i cech

• Kontury otwarte i profile przelotoweWybierz drutowe cięcie elektroerozyjne. Idealnie, gdy drut ma dostęp do całej ścieżki bez podcięć.
• Zamknięte komory i prawdziwe formy 3DWybierz elektrodrążarkę wgłębną. Tworzy ona struktury niedostępne dla drutu i przenosi skomplikowaną geometrię z elektrody.
• Małe, głębokie, proste otworyWybierz wiercenie elektroerozyjne. To najszybsza droga do otworów startowych i chłodzenia o dużym współczynniku kształtu.

Materiał, twardość i stan obróbki cieplnej

Wszystkie rodzaje obróbki elektroerozyjnej wymagają przewodności, ale twardość nie jest czynnikiem ograniczającym, ponieważ EDM najlepiej sprawdza się w przypadku stali narzędziowych poddanych obróbce cieplnej, węglików spiekanych, tytanu i stopów niklu. Jeśli stabilność wymiarowa po obróbce cieplnej ma znaczenie, EDM po hartowaniu eliminuje ryzyko odkształceń spowodowanych siłami obróbki. W przypadku węglików spiekanych lub delikatnych materiałów, należy preferować drut lub starannie dobrane parametry wgłębnika, aby zminimalizować mikropęknięcia.

Wielkość partii, koszty i ekonomika narzędzi

• Prototypy i małe partie:Obróbka elektroerozyjna drutowa minimalizuje konieczność użycia narzędzi i wymaga niewielkiej liczby elektrod, dlatego jest opłacalna w przypadku pojedynczych sztuk i krótkich serii.
• Formy o dużej objętości lub powtarzalne gniazda:EDM wgłębny staje się ekonomiczny, gdy amortyzuje się koszty projektowania i produkcji elektrod w wielu częściach. Efektywne strategie elektrodowe (obróbka zgrubna/wykańczająca, wspólne geometrie) obniżają koszty całkowite.
• Komórki do wiercenia otworów:W przypadku powtarzających się wzorów otworów chłodzących dedykowane wiercenie EDM z automatyzacją zapewnia przewidywalną wydajność.

Automatyzacja, mocowanie i monitorowanie procesów

Nowoczesne EDM wspiera produkcję bezobsługową. Automatyczne nawlekacze drutu, zmieniacze narzędzi, sondowanie w trakcie procesu i monitorowanie maszyn redukują przestoje i ilość odpadów. Należy priorytetowo traktować:

• Czysta dielektryczność i stabilna filtracja w celu zachowania stabilności iskry.
• Sztywne mocowanie z niezawodnymi danymi gwarantuje powtarzalność pomiarów na wszystkich warstwach lub elektrodach.
• Adaptacyjne generatory i kontrola narożników zapewniają dokładność na ciasnych wewnętrznych promieniach.
• SPC i rejestrowanie zestawów parametrów w celu zapewnienia możliwości śledzenia regulowanej obróbki precyzyjnej w produkcji części medycznych i lotniczych.

Wniosek

Obróbka elektroerozyjna umożliwia tworzenie skomplikowanych projektów poprzez wykorzystanie precyzyjnych Obróbka CNC i pokonywanie twardości materiału poprzez uzupełniające się metody: drutowe drążenie elektroerozyjne profili, drążenie elektroerozyjne wgłębne w przypadku wnęk oraz drążenie elektroerozyjne w przypadku głębokich otworów.

Dzięki wiedzy zawartej w naszych artykułach będziesz w stanie podjąć świadomą decyzję o wyborze obróbki elektroerozyjnej, która pozwoli Ci poprawić jakość części i zwiększyć konkurencyjność w zaawansowanej produkcji!

Często zadawane pytania

Czy EDM nadaje się tylko do metalu? Czy mogę go używać do miękkich, nieutwardzonych materiałów?

Nie do końca. Z definicji, EDM jest przeznaczone wyłącznie do materiałów przewodzących prąd elektryczny, a izolatory takie jak tworzywa sztuczne, szkło, zwykła ceramika czy materiały kompozytowe nie wchodzą w grę. Jednak materiały takie jak grafit, węgliki krzemu, dwuborek tytanu i niektóre kompozyty polimerowe również przewodzą prąd elektryczny. Pomimo tego, że stanowią one niszę dla EDM, można je również obrabiać metodą obróbki skrawaniem.

Ponadto, jeśli chodzi o miękkie materiały, takie jak aluminium czy stal miękka, to elektroerozyjna obróbka elektroerozyjna jest całkowicie wykonalna, pomimo powszechnego stosowania jej w przypadku twardszych materiałów. Po prostu tradycyjne metody obróbki są często szybsze i bardziej ekonomiczne, chyba że geometria jest wyjątkowo złożona lub delikatna.

Jakie ograniczenia w obróbce elektroerozyjnej ma wielkość części?

Każdy typ elektrodrążarki ma swoje ograniczenia co do rozmiaru. Elektrodrążarki drutowe są ograniczone przez zakres ruchu i rozmiar zbiornika. Elektrodrążarki wgłębne są ograniczone przez zbiornik roboczy i nośność elektrody. W przypadku bardzo dużych elementów, takich jak śruba napędowa statku, wymagane byłyby dedykowane, masywne elektrodrążarki.

Co jest przyczyną powstawania warstwy przetopionej i czy zawsze stanowi ona problem?

Warstwa regenerowana to cienka, ponownie zestalona warstwa materiału, która została stopiona, ale nie została wypłukana przez płyn dielektryczny. Chociaż powstaje ona w procesie elektroerozyjnej obróbki elektroerozyjnej, jej znaczenie zależy od zastosowania. W przypadku wielu form i narzędzi jest ona albo nieistotna, albo można ją usunąć poprzez… obróbka powierzchniW przypadku silnie naprężonych elementów lotniczych narażonych na zmęczenie jest to czynnik krytyczny, który należy zminimalizować lub wyeliminować.

Czy EDM jest uważane za powolny proces?

Obróbka elektroerozyjna (EDM) generalnie nie jest szybkim procesem usuwania materiału w porównaniu z obróbką konwencjonalną. Jej wartość tkwi w możliwościach precyzyjnej obróbki, a nie w samej prędkości. „Efektywna” prędkość jest wysoka, biorąc pod uwagę, że pozwala ona wyeliminować wiele etapów (np. obróbkę zgrubną, obróbkę cieplną, obróbkę wykończeniową) i wytworzyć gotowy element z utwardzonego półfabrykatu w jednym zamocowaniu.