11. ZASTOSOWANIE OBRÓBEK EROZYJNYCH W PROCESIE

TECHNOLOGICZNYM

11.1. OBRÓBKA ELEKTROCHEMICZNA —ECM

Obróbka elektrochemiczna (ECM — electrochemical machining) polega na

roztwarzaniu warstw materiału za pomocą reakcji chemicznych zachodzących pod-
czas procesu elektrolizy. Kształt narzędzia roboczego zwanego erodą jest odzwier-
ciedlony na przedmiocie obrabianym (rys.11.1).

Rys.11.1. Przykłady zastosowania obróbki elektrochemicznej

Katodą (elektrodą ujemną) jest eroda, anodą jest natomiast przedmiot obrabiany
(elektroda dodatnia). Pomiędzy elektrodami znajduje się elektrolit. W trakcie pro-
cesu elektrolizy następuje przenoszenie masy określone zgodnie z prawem Fara-
daya:

gdzie: k jest równoważnikiem elektrochemicznym , I- natężenie prądu [A], t —
czas trwania elektrolizy [s]. Z zależności tej wynika, że wydajność obróbki elek-
trochemicznej jest proporcjonalna do natężenia prądu. Z tego względu zmierzając
do zwiększenia wydajności obróbki elektrochemicznej konieczne jest stosowane
dużego natężenia prądu (do 10000 A) przy stosunkowo małym napięciu, najczę-
ściej od 6 do 10 V. W trakcie obróbki elektrochemicznej w elektrolicie wytrącane
są wodorotlenki i gazy tworzące warstwę pasywacyjną o dużej oporności. Ko-
nieczne jest sukcesywne usuwanie tej warstwy, gdyż jej narastanie na sukcesywnie
zwiększa oporność przepływu prądu, co łączy się ze zmniejszeniem wydajności
procesu, aż do momentu jego całkowitego zahamowania. Usuwanie warstwy pa-
sywacyjnej jest więc warunkiem uzyskania wysokiej wydajności procesu. Można
to zrealizować przez zwiększenie prędkości przepływu elektrolitu w strefie mię-
dzyelektrodowej ( do ok. 10 m/s) lub przez mechaniczne usuwanie warstwy pasy-
wacyjnej. Również istotny jest dobór odpowiedniego elektrolitu, którym są najczę-
ściej wodne roztwory kwasów, zasad i soli. Elektrolit pracuje w układzie za-
mkniętym, przy czym w trakcie cyrkulacji oczyszczany jest przez system filtrów.

Erody

Przedmiot obrabiany

t

I

k

m

⋅

⋅

=

11. Zastosowanie obróbek erozyjnych w procesie technologicznym

122

Obróbkę elektrochemiczną stosuje się do kształtowania elektrochemiczne-

go polegającego na odwzorowaniu kształtu narzędzia na przedmiocie obrabianym
(porównaj rys.11.1). Eroda - narzędzie wykonywane jest z materiałów o dobrej
przewodności elektrycznej (miedź, mosiądz, stal nierdzewna).
Ważną cechą obróbki elektrochemicznej, nie spotykaną w zasadzie przy innych
metodach i odmianach obróbki materiału, jest nie wprowadzanie do warstwy
wierzchniej obrabianego przedmiotu naprężeń obróbkowych. Wynika to z
faktu, że podczas tej obróbki nie występują siły ani znaczna temperatura, które
mogą wprowadzać zmiany w warstwie wierzchniej przedmiotu. Dokładność
kształtu podczas drążenia elektrochemicznego zależy od dokładności wykonania
narzędzia i wynosi od 0,01 do 0,04 mm. Chropowatość powierzchni R

a

= 0,16 do

0,25

µm. Innym zastosowaniem obróbki elektrochemicznej jest elektropolerowa-

nie. Przeznaczone jest ono do wygładzania nierówności i nadawania połysku po-
wierzchniom metalowym. Chropowatość powierzchni po tej obróbce wynosi R

a

=

0,05

µm.

11.2. OBRÓBKA ELEKTROEROZYJNA -EDM

Destrukcyjna rola wyładowań elektrycznych znana jest ludzkości od zarania

jej istnienia. Również w technice znane jest od dawna zjawisko niszczenia elektrod
i różnych styków elektrycznych pod wpływem wyładowań zachodzących między
nimi. Zjawisko to stosując analogię do erozji skał przez wodę, nazwano elektroero-
zją i w elektrotechnice ciągle dąży się do jego wyeliminowania. Lata II wojny
światowej związane były z wprowadzeniem coraz twardszych i tym samym trud-
niejszych do obróbki materiałów stosowanych w technice wojskowej. Pojawił się
problem kształtowania tych materiałów i wraz z nim koncepcja konstruktywnego
wykorzystania dotychczas destrukcyjnej roli wyładowania elektrycznego. Tak po-
wstała obróbka elektroerozyjna wykorzystywana i rozwijana po dzień dzisiejszy.
Istota obróbki elektroerozyjnej polega na usuwaniu z powierzchni materiału obra-
bianego jego cząsteczek na skutek działania bardzo wysokiej temperatury w miej-
scu wyładowania elektrycznego (ponad 10000 K) i szybkiej zmiany objętości wy-
nikającej z nienadążania przenikania ciepła w głąb materiału. W wyniku tego
działania cześć materiału obrabianego odparuje, w innej części zmiany objętości
powodują naruszenie spoistości materiału i wyrwanie jego cząsteczek. Warunkiem
zachodzenia przedstawionego procesu jest : przewodzenie prądu elektrycznego
przez przedmiot obrabiany (gdyż stanowić on musi drugą obok narzędzia elektro-
dę) oraz istnienie w przestrzeni między tymi elektrodami ośrodka-dielektryka który
zapobiega „rozprzestrzenianiu się” wyładowania. Istotę obróbki elektroerozyjnej
ilustruje rys. 11.2.

Obróbka elektroerozyjna omówiona zostanie na przykładzie jednej z od-

mian tej obróbki, mianowicie obróbki elektroiskrowej. Schemat jej (rys.11.2) wy-
różnia dwa obwody: ładowania kondensatora C oraz obwód wyładowania tego
kondensatora następujący przez zespół eroda-dielektryk-przedmiot obrabiany. Za-
łączenie źródła prądu powoduje stopniowe zwiększanie napięcia na okładzinach
kondensatora, a więc również między elektrodami. Wraz ze wzrostem napięcia

11. Zastosowanie obróbek erozyjnych w procesie technologicznym

123

rozszerza się kanał gazowy (faza 1) i w momencie osiągnięcia napięcia graniczne-
go (dla danej odległości między elektrodami) następuje wyładowanie elektryczne
(faza 2). Napięcie zmniejsza się, następuje wyrzucenie produktów erozji do die-
lektryka (faza 3) i ponowna jonizacja przestrzeni międzyelektrodowej. Wyładowa-
nie elektryczne następuje w innym miejscu powierzchni elektrod i cały proces
przebiega ponownie według przedstawionego schematu.

Schemat na rys.11.2 przedstawia generator zależny RC, charakterystyczny

dla obróbki elektroiskrowej. Jego nazwa wywodzi się stąd, że jego praca zależy od
warunków występujących w strefie międzyelektrodowej. Generatory tego rodzaju
stosowane były w początkach przemysłowego zastosowania obróbki elektroerozyj-
nej. Charakteryzowały się prostą budową, lecz również stosunkowo długim czasem
ładowania kondensatora co nie sprzyja uzyskiwaniu dużej wydajności obróbki. Po-
nadto zmiana biegunowości występująca w trakcie obróbki sprzyja znacznemu zu-
życiu erod. Współczesna obróbka elektroerozyjna to obróbka elektroimpulsowa.
Różni się ona od elektroiskrowej głównie rodzajem stosowanego generatora wyła-
dowań tzw. generatora niezależnego - impulsowego. Umożliwia on sterowanie
czasami cyklu, dzięki czemu stworzone są warunki do zwiększenia wydajności ob-
róbki. Przykładowy wykres U=f(t) dla obróbki elektroimpulsowej przedstawia
rys.11.3.

Źródło prądu

R

C

Obwód wyładowania

Obwód ładowania

Eroda (elektroda 1)

Przedmiot obrabiany
(elektroda 2)

Dieelektryk

Faza 1

Faza 2

Faza 3

Napięcie graniczne

U

t

tł

tw

tc

Ujemna biegunowość
(od indukcyjności)

Rys.11.2. Schemat obróbki elektroerozyjnej

11. Zastosowanie obróbek erozyjnych w procesie technologicznym

124

Energia pojedynczego wyładowania jest określona ze wzoru:

i w zależności od parametrów zawartych w tym równaniu, pozwala ona na usunię-
cie za pomocą jednego impulsu od 10

-4

do 10

-6

mm

3

materiału. Przy napięciu od

50 do 300 V, natężeniu od 0,1 do 500A i częstotliwości wyładowań od 50 do 300
kHz możliwe jest uzyskanie wydajności obróbki rzędu 1,5 do 4,25 mm

3

/min.

Większa energia impulsu to większa ilość materiału erodowanego tym impulsem,
stąd także większy krater i większa chropowatość powierzchni po obróbce. O
efektach obróbki elektroerozyjnej decyduje również rodzaj używanego dielektryka
- najczęściej są to węglowodory płynne (oleje, nafta) lub woda destylowana (zde-
jonizowana), oraz materiał erody. W tym ostatnim przypadku decyduje on o zuży-
ciu narzędzia. Na erody stosuje się: miedź, mosiądz, grafit a także kompozyt gra-
fito-miedź. Największą odporność na zużycie wykazują erody grafitowe i wolfra-
mowe.

U

t

Rys.11.3. Przebieg zmian napięcia w
obwodzie generatora impulsowego

t

I

U

E

⋅

⋅

=

11. Zastosowanie obróbek erozyjnych w procesie technologicznym

125

Rys.11.4. Schemat wycinania drutem

Obróbka elektroerozyjna stosowana jest przede wszystkim do drążenia elektroero-
zyjnego i wycinania tzw. drutowego. W przypadku drążenia, ważny jest kształt
erody, gdyż jest on odwzorowany na przedmiocie obrabianym. Eroda musi więc
być odpowiednio profilowana i w tym przypadku jej zużycie nie pozwala na od-
wzorowanie prawidłowego kształtu. Schemat wycinania drutem WEDM ( wire
electro discharge machining) przedstawiono na rys.11.4.
Drut wykonany najczęściej z miedzi lub stali o średnicy od 0,05 do 0,3 mm stano-
wi narzędzie. Przewija się on z prędkością 2,5 do 150 mm/s z jednego bębna na
drugi (po obróbce drutu ponownie się nie stosuje), natomiast wycinanie następuje
w wyniku odpowiednio zaprogramowanego ruchu stołu obrabiarki. Wydajność
wycinania drutem zawarta jest w granicach 5 do 50 mm

2

/min, a chropowatość po-

wierzchni oscyluje między 0,5 a 2

µm.

11. Zastosowanie obróbek erozyjnych w procesie technologicznym

126

11.3. OBRÓBKA STRUMIENIOWO - EROZYJNA

Obróbka strumieniowo-erozyna polega na topieniu i odparowaniu ograni-

czonej objętości materiału, a więc mechanizm ten jest podobny jak podczas obrób-
ki elektroerozyjnej, z tym że źródłem ciepła jest strumień fotonów, elektronów lub
inny.

Obróbka fotonowa - LBM ( laser beam machining) jest efektem działania

na przedmiot obrabiany strumienia fotonów wynikiem czego jest wytworzenie w
obrębie działania strumienia fotonów wysokiej temperatury. Generatorem strumie-
nia fotonów w obrabiarce laserowej jest laser o działaniu impulsowym lub laser do
pracy ciągłej. Podstawą pracy lasera jest zjawisko emisji wymuszonej, spowodo-
wane przejściem atomu ze stanu wzbudzenia E

1

do stanu podstawowego E

0

, któ-

remu towarzyszy (zgodnie z prawem Bohra) emisja kwantu energii : E

1

- E

0

= h

ν,

gdzie h jest stałą Planncka a

ν częstotliwością rezonansową.

Schemat obrabiarki laserowej przedstawiony jest na rys.11.5. Podstawową częścią
obrabiarki jest laser oraz układ optyczny (najczęściej soczewka szafirowa) zada-
niem którego jest skupienie wiązki fotonów.

Rys.11.5. Schemat obrabiarki laserowej przeznaczonej do wycinania materiałów

Przedmiot obrabiany mocowany jest na stole obrabiarki, ruch którego w kierunku
osi x-y sterowany jest najczęściej przy pomocy układu sterowania numerycznego.
Gęstość mocy ogniskowanej przez soczewkę strumienia fotonów kształtuje się na
poziomie 10

12

W/cm

2

16

. Oddziaływanie strumienia fotonów wykorzystywane jest

do:
• drążenia mikrootworów - stosowane są do tego celu lasery impulsowe; średni-

16

Dla porównania gęstość mocy promieni słonecznych ogniskowanych na powierzchni

koła o średnicy 100

µm wynosi 500 W/cm

2

.

Laser

Optyka obróbkowa

Sterowanie
stołem

Wiąz-
ka foto
nów

11. Zastosowanie obróbek erozyjnych w procesie technologicznym

127

ce wykonywanych otworów wynoszą zazwyczaj powyżej 0,005 mm, przy sto-
sunkowo dużej głębokości wykonywanego otworu; należy przy tym zaznaczyć,
że dokładność geometryczna otworu jest niewielka, chociaż można ją poprawić
stosując metody kalibracji otworów czyli poprawy jego kształtu.

• cięcie i wycinania różnych materiałów w tym także nie przewodzących prądu

elektrycznego – w takim przypadku zastosowanie mają obrabiarki wyposażone
w laser do pracy ciągłej

Sprawność strumienia lasera nie jest zbyt duża. Jeden impuls o energii 30J usuwa
średnio 0,003 do 0,005 g metalu. Strumień fotonów silnie wpływa na właściwości
warstwy wierzchniej, której twardość wzrasta 2 do 4 razy w stosunku do materiału
rodzimego.

W przypadku obróbki elektronowej — EBM (electron beam machining)

materiał obrabiany podgrzewany jest energią strumienia elektronów zogniskowa-
nych na małej powierzchni (rys.11.6).

Rys.11.6 Schemat urządzenia do obróbki elektronowej

Możliwość odchylania strumienia elektronów w polu magnetycznym ułatwia w
znacznym stopniu sterowanie procesem. Podstawową wadą tej technologii jest ko-
nieczność obróbki w próżni, co w warunkach przemysłowych stanowi istotne
utrudnienie. Obszar stosowania obróbki elektronowej jest w zasadzie zbliżony do
obróbki fotonowej. Dodatkowe zastosowanie to spawanie elektronowe umożliwia-
jące uzyskanie nadzwyczaj wytrzymałej spoiny. Wynika to z faktu, że proces spa-
wania elektronowego zachodzi w próżni, a więc w trakcie jego realizacji nie wy-
stępuje tlen, który poprzez tworzenie w procesie spawania tlenków obniża wy-
trzymałość spoiny.

11. Zastosowanie obróbek erozyjnych w procesie technologicznym

128

11.4. OBRÓBKA HYBRYDOWA

Terminem obróbka hybrydowa albo również obróbka kombinowana przy-

jęto nazywać takie obróbki, które łączą różne sposoby oddziaływania na materiał
obrabiany. Występowanie w obszarze obróbki kombinacji takich procesów, jak
przykładowo usuwanie materiału ziarnami ściernymi połączone z oddziaływaniem
elektrochemicznym, powoduje zmianę warunków realizacji obróbki, decydując
tym samym o efektach obróbki. Przykładowo; wskaźniki techniczno ekonomiczne(
np. wydajność obróbki, energochłonność itp.) poszczególnych składowych obrób-
ki hybrydowej mogą być dużo niższe od ogólnego wskaźnika obróbki hybrydowej.
Stosowane już obróbki hybrydowe to:
• szlifowanie elektrochemiczne polegające na połączeniu procesu obróbki

ściernej z obróbką elektrochemiczną; stosowana jest ona głównie do ostrzenia
narzędzi wykonanych z materiałów supertwardych,

• obróbka anodowo—mechaniczna łącząca proces obróbki elektroerozyjnej z

procesem obróbki elektrochemicznej i w niewielkim procencie mechanicznego
ścierania materiału; ze względu na możliwość uzyskiwania dużych wydajności
stosowana jest ona przede wszystkim do przecinania materiałów o dużej twar-
dości,

• podgrzewania warstwy skrawanej tradycyjnie dodatkowym ciepłem uzyski-

wanym z różnych źródeł (np. ciepła Joula—Lenza); szersze zastosowanie zna-
lazło podgrzewanie warstwy skrawanej wiązką lasera (Laser Assisted Machi-
ning — rys.11.7); obróbka ta stosowana jest dla materiałów twardych, a pod-
grzewanie strefy skrawania ma na celu zmniejszenie twardości materiału w
strefie obróbki.

Rys.11.7 Schemat obróbki hybrydowej: toczenia (a) i frezowania (b) z podgrzewaniem strefy skra-

wania wiązką laserową