4. Obrabiarki erozyjne
4.1. Charakterystyka obróbki erozyjnej
Obróbka erozyjna jest obróbką ubytkową, w której proces usuwania nad-
datku obróbkowego następuje na skutek działania czynników cieplnych,
gazowych i mechanicznych, spowodowanych strumieniami skoncentro-
wanych nośników energii elektrycznej lub zjawiskiem rozpuszczania
elektrochemicznego.
W porównaniu z obróbką skrawaniem obróbka erozyjna ma wiele
zalet, do których się zalicza:
- możliwość obróbki materiałów o różnych własnościach mechanicz-
nych bez użycia znaczniejszych obciążeń mechanicznych,
- zastosowanie narzędzi, których twardość nie musi być większa od
twardości obrabianych materiałów.
W zależności od rodzaju zastosowanych czynników i sposobu ich
działania na materiał przedmiotu obrabianego rozróżnia się: obróbkę
elektroerozyjną, obróbkę elektrochemiczną, obróbkę strumieniową oraz
obróbkę ultradz
więkową.
Obróbka elektroerozyjna jest metodą ukształtowania przedmiotów
przewodzÄ…cych prÄ…d elektryczny, polegajÄ…cÄ… na usuwaniu naddatku ob-
róbkowego na skutek działania erozji elektrycznej wywołanej impulso-
wymi wyładowaniami elektrycznymi, występującymi w cieczach robo-
czych między elektrodą roboczą a przedmiotem obrabianym.
Obróbka elektrochemiczna jest metodą ukształtowania przedmio-
tów przewodzących prąd elektryczny, polegającą na usuwaniu naddatku
obróbkowego przez elektrochemiczne rozpuszczanie wywołane przepły-
wem prądu przez elektrolit między dwiema elektrodami, tj. elektrodą
roboczÄ… i przedmiotem obrabianym.
Obróbka strumieniowa jest metodą ukształtowania przedmiotów,
polegającą na usuwaniu naddatku obróbkowego przez chwilowe działa-
nie skoncentrowanych nośników energii w postaci strumieni elektronów,
jonów, światła laserowego lub strugi cieczy.
Do obróbki erozyjnej jest zaliczana także obróbka ultradz
więkowa,
stosowana głównie do cięcia i drążenia twardych oraz kruchych materia-
łów.
W obróbce elektroerozyjnej naddatek obróbkowy jest usuwany
w postaci mikrocząsteczek, głównie na skutek działania ciepła i sił ga-
zowo-dynamicznych podczas impulsowych wyładowań elektrycznych.
Podstawowe fazy przebiegu procesu obróbki elektroerozyjnej pod-
czas wyładowania elektrycznego przedstawiono na rys. 4.1.
b) c)
a)
Wyłado-
wanie w
Kanał
gazowym
plazmy
kanale
Ciekły
przewo- CzÄ…stki
dielektryk
dzenia zastygłe
Topiony
metal
Rys. 4.1. Poszczególne fazy procesu obróbki elektroerozyjnej: a) wyładowanie
w utworzonym kanale plazmy, b) topienie i wyrzucanie cząstek materiału,
c) stan po wyładowaniu
Podczas obróbki elektroerozyjnej następuje ubytek materiału elek-
trody stanowiącej narzędzie oraz elektrody będącej przedmiotem obra-
bianym. Dobierając odpowiednio materiał elektrody  narzędzia, prąd
wyładowania oraz czas wyładowania, można spowodować, że 99% to
ubytek materiału przedmiotu obrabianego, a tylko 1% to ubytek materia-
łu elektrody - narzędzia.
W obróbce elektrochemicznej działanie prądu przepływającego
przez elektrolit powoduje rozpuszczanie anody (przedmiotu obrabianego)
wskutek jonizacji atomów materiału, z którego jest ona wykonywana,
i ich przechodzenie do przepływającego w szczelinie międzyelektrodo-
wej elektrolitu.
Obróbka elektrochemiczna może być bezstykowa (rys. 4.2a) lub sty-
kowa (rys. 4.2b). W obróbce elektrochemicznej stykowej naddatek ob-
róbkowy jest usuwany na skutek erozji oraz ścierania mechanicznego.
138
a) b)
Åšciernica
Elektroda
robocza
Wlot elektrolitu
Warstwa
Elektrolit
izolacyjna
Przedmiot
obrabiany
Przedmiot
Warstwy
obrabiany
roztwarzane
Rys. 4.2. Przykłady obróbki elektrochemicznej: a) bezstykowej, b) stykowej
4.2. Obrabiarki elektroerozyjne
Główne zespoły obrabiarki elektroerozyjnej przeznaczonej do drążenia
powierzchni o złożonych kształtach (np. matryc, otworów kształtowych)
przedstawiono na rys. 4.3.
Narzędzie
Generator
Agregat
cieczy
roboczej
Przedmiot obrabiany
Rys. 4.3. Główne zespoły obrabiarki elektroerozyjnej
Obrabiarki takie są nazywane drążarkami elektroerozyjnymi. W ob-
rabiarce elektroerozyjnej można wyodrębnić trzy zasadnicze, odrębne
pod względem konstrukcyjnym i funkcjonalnym, zespoły, a mianowicie:
139
- generator impulsów elektrycznych GI,
- agregat cieczy roboczej A,
- część mechaniczną obrabiarki (stół, suporty itp.)
Schemat kinematyczny elektrodrążarki przedstawiono na rys. 4.4.
SUPY
SUPX E1 SUPZ
SUP.N
ON WB
A
WA
ST
GI
WI
Rys. 4.4. Schemat elektrodrążarki
Przedmiot obrabiany ustawia siÄ™ na stole ST obudowanym wannÄ…
WA napełnioną cieczą roboczą (dielektrykiem). Natomiast narzędzie mo-
cuje się w oprawce narzędziowej ON osadzonej na suporcie głowicy na-
rzędziowej SUP.N. Głowica ta jest napędzana silnikiem elektrycznym E1
za pośrednictwem śruby pociągowej i przemieszcza się w kierunku pro-
stopadłym do powierzchni stołu.
Stół oraz oprawka narzędziowa są oddalone od obrabiarki warstwą
izolujÄ…cÄ… WI (dielektrycznÄ…).
Głowica narzędziowa jest ustawiona w roboczym położeniu za po-
mocą śrub pociągowych przemieszczających suporty SUPX, SUPY, SUPZ
w kierunku osi X, Y, Z.
W celu zwiększenia wydajności obróbki zasilany elektrycznie wibra-
tor WB nadaje oprawce z narzędziem ruchy drgające.
Zainstalowany przy obrabiarce agregat A dostarcza cieczy roboczej
do wanny lub bezpośrednio do szczeliny roboczej narzędzia, umożliwia
140
jej spływ do zbiornika oraz zapewnia niezbędną czystość przez odfiltro-
wanie powstających podczas pracy zanieczyszczeń.
Obrabiarki elektroerozyjne są także stosowane do cięcia i wycinania
przedmiotów o skomplikowanych zarysach za pomocą elektrody - narzę-
dzia w kształcie taśmy lub drutu. Duże możliwości obróbkowe zapewnia
zwłaszcza zastosowanie elektrody - narzędzia w postaci drutu.
ZasadÄ™ pracy oraz uproszczony schemat budowy wycinarki elektro-
erozyjnej z elektrodÄ… roboczÄ… w postaci drutu przedstawiono na rys. 4.5.
Jest to obrabiarka wyposażona w układ sterowania numerycznego
CNC. Przedmiot obrabiany jest mocowany na stole ST napędzanym
w kierunku wzdłużnym i poprzecznym (osi X i Y) za pomocą dwóch ste-
rowanych numerycznie serwonapędów (SNX i SNY). Narzędzie - elektroda
NE z drutu mosiężnego jest prowadzona układem rolek, zapewniających
odpowiednią siłę naciągu i prędkość przesuwu.
W nowoczesnych wycinarkach elektroerozyjnych stosuje siÄ™ nasta-
wialne prowadzenie elektrody, co umożliwia wykonywanie powierzchni
stożkowych o różnych kątach pochylenia.
Proces wycinania przebiega w otoczeniu cieczy roboczej dostarcza-
nej od agregatu płynu AP przewodami bezpośrednio do przestrzeni robo-
czej lub do wanny, jeśli przedmiot obrabiany jest zanurzony w cieczy.
a)
b)
Zasilanie z GI
NE
Ciecz
GI
NE
PO
ST CNC
SNX
AP
SNY
Sterowanie
Rys. 4.5. Schemat wycinarki elektroerozyjnej: a) zasada działania, b) uprosz-
czony układ budowy obrabiarki
141
4.3. Obrabiarki elektrochemiczne
W zależności od metody obróbki rozróżnia się obrabiarki do obróbki
elektrochemicznej bezstykowej i stykowej.
Obrabiarki do obróbki elektrochemicznej bezstykowej pod
względem budowy są zbliżone do obrabiarek elektroerozyjnych. Podczas
obróbki elektrochemicznej do większości gatunków stali stosuje się za-
zwyczaj wodny roztwór chlorku sodu (NaCl).
Przykład elektrochemicznej obróbki przedmiotu osadzonego
w specjalnym przyrządzie na stole obrabiarki z użyciem elektrody robo-
czej osadzonej w przesuwnej pionowo głowicy narzędziowej przedsta-
wiono na rys. 4.6.
Głowica narzędziowa
Warstwy izolacji
Uszczelnienia
GI
N
PO
Agregat
elektrolitu
Stół obrabiarki
Rys. 4.6. Przykład obróbki na obrabiarce elektrochemicznej
Przedmiot obrabiany PO, stanowiÄ…cy elektrodÄ™ dodatniÄ… (+), oraz
narzędzie N, stanowiące elektrodę ujemną (-), są podłączone do genera-
tora prądu stałego GI.
Agregat cieczy roboczej dostarcza elektrolitu przewodami przez
uszczelniającą obudowę do przestrzeni roboczej narzędzia i odprowadza
go do zbiornika wraz z rozpuszczonym w nim materiałem obrabianym.
Głowica narzędziowa z elektrodą roboczą wykonuje powolny ruch
wgłębny dostosowany do prędkości rozpuszczania materiału przedmiotu
obrabianego.
142
Kształtowanie elektrochemiczne bezstykowe jest stosowane głównie
do wykonywania otworów kształtowych złożonych powierzchni płaskich
lub obrotowych.
Obrabiarki do obróbki elektrochemicznej stykowej są stosowane
do cięcia, szlifowania lub dogładzania (honowania) powierzchni. Pod
względem budowy są one zbliżone do obrabiarek wykonujących analo-
giczne zabiegi w sposób mechaniczny.
Przykład obrabiarki do anodowo-mechanicznego ostrzenia przed-
stawiono na rys. 4.7.
Obrabiarki takie są przeznaczone głównie do ostrzenia narzędzi
z węglików spiekanych i są wyposażone w mechaniczny napęd ruchu
obrotowego ściernicy (o spoiwie metalowym) oraz w napęd dosuwu
szlifowanego narzędzia do ściernicy.
Oprócz wymienionych zastosowań obróbka elektrochemiczna jest
także stosowana do gratowania oraz polerowania przedmiotów w spe-
cjalnie do tego celu budowanych urzÄ…dzeniach.
Åšciernica
Ostrzone narzędzie
Generator
prÄ…du
Agregat
elektrolitu
Rys. 4.7. Ostrzarka do elektrochemicznego ostrzenia narzędzi
143
4.4. Obrabiarki ultradz
więkowe
W obróbce ultradz
więkowej wykorzystuje się energię wytwarzaną przez
mechaniczne drgania sprężyste narzÄ™dzia, o czÄ™stotliwoÅ›ci od 16 Å"103 do
108 [Hz], tj. powyżej górnej granicy słyszalności dz
więku.
Głównym obszarem zastosowaniem ultradz
więków w obróbce jest
wykonywanie otworów w trudno obrabialnych, kruchych materiałach,
takich jak szkło, ceramika, węgliki spiekane, kryształy naturalne i
sztuczne.
Do wytwarzania mechanicznych drgań ultradz
więkowych służą
przetworniki magnetostrykcyjne lub piezoelektryczne. Dostarczona do
tych przetworników energia elektryczna o częstotliwości ultradz
więko-
wej jest przekształcana w drgania ultradz
więkowe o amplitudzie do
10 [źm]. Ponieważ amplituda ta jest zbyt mała do wykonywania obróbki
ultradz
więkowej, więc narzędzia osadza się w mechanicznych transfor-
matorach amplitudy (tzw. koncentratorach), powodujÄ…cych jej wzrost.
Koncentrator wraz z narzędziem jest nazywany narzędziem aku-
stycznym lub ultradz
więkowym. Jego długość musi być równa rezonan-
sowej długości fali akustycznej układu drgającego. Dzięki temu uzyskuje
się koncentrację energii akustycznej na końcówce narzędzia ultradz
wiÄ™-
kowego i zwiększoną amplitudę drgań roboczych.
Obróbka określonej powierzchni, np. drążonego otworu, polega na
usuwaniu obrabianego materiału w wyniku udarowego oddziaływania na
obrabianą powierzchnię ziaren proszku ściernego wprowadzonego
w zawiesinie do szczeliny między czołem drgającego narzędzia a przed-
miotem obrabianym.
Przykład budowy drążarki ultradz
więkowej, przeznaczonej do wy-
konywania w twardych materiaÅ‚ach otworów o Å›rednicy 1÷10 [mm]
i głębokości do 10 [mm], przedstawiono na rys. 4.8.
Przedmiot obrabiany PO mocuje się na stole krzyżowym, umożli-
wiającym jego ustawienie względem narzędzia N z dokładnością do
0.01 [mm].
GÅ‚owica ultradz
więkowa jest osadzona na suporcie narzędziowym,
który może być przesuwany w kierunku pionowym po kolumnie obra-
biarki. GÅ‚owica jest zasilana z regulowanego generatora ultradz
więków.
Ponieważ proces drążenia ultradz
więkowego wymaga użycia odpo-
wiednich nacisków narzędzia na obrabianą powierzchnię, w obrabiarce
144
zastosowano specjalne urządzenie umożliwiające nastawianie tego naci-
sku i jego samoczynnÄ… stabilizacjÄ™ podczas wykonywania otworu.
UrzÄ…dzenie
stabilizujÄ…ce
naciski
narzędzia
GÅ‚owica
ultradz
więkowa
Kolumna
UrzÄ…dzenie
do podawania
wody i proszku
Koncentrator
ściernego
N
PO
Stół
krzyżowy
Generator
Rys. 4.8. Drążarka ultradz
więkowa
Obrabiarka jest także wyposażona w urządzenie do podawania wody
oraz proszku ściernego w celu uzyskania zawiesiny wprowadzonej do
przestrzeni roboczej narzędzia.
Obrabiarka ultradz
więkowa znalazła zastosowanie w produkcji i re-
generacji ciągadeł diamentowych oraz z węglików spiekanych (rys. 4.9).
W przypadku wykonywania oraz regeneracji ciągadeł stożkowych
inne narzędzia stosuje się do otworu kalibrującego N1 i inne do stożka
roboczego N2. Do regeneracji ciągadeł krzywoliniowych używa się na-
rzędzi podatnych N3, które podczas obróbki odkształcają się w kierunku
poprzecznym w wyniku nacisku wywieranego przez ciągadło.
W celu uzyskania dokładnie kołowego przekroju powierzchni robo-
czej ciągadła osadza się w obrotowym stoliku.
145
a)
N1
N2
N3
b)
Stożek Czasza Czasza
Stożek
robocza smarujÄ…ca
smarujÄ…cy roboczy
Otwór
kalibrujÄ…cy
Stożek
wyjściowy
Rys. 4.9. Ciągadła i narzędzia do ich regeneracji: a) ciągadło stożkowe,
b) ciągadło krzywoliniowe
Oprócz kształtowania powierzchni przedmiotów drgania ultradz
wiÄ™-
kowe są wykorzystywane również do przyspieszenia procesów elektro-
chemicznych i metalurgicznych, intensyfikacji oczyszczania powierzch-
ni, zgrzewania oraz lutowania drobnych elementów itp.
146