Obróbka Elektroerozyjna Materiałów (EDM)

1. Wiadomości podstawowe

W obróbce elektroerozyjnej usuwanie materiału z części obrabianej następuje w wyniku erozji elektrycznej zachodzącej w czasie wyładowań elektrycznych pomiędzy elektrodami zanurzonymi w dielektryku płynnym. Jedną z elektrod jest materiał obrabiany, a drugą - eroda, nazywana też elektrodą roboczą (ER). Obróbce elektroerozyjnej podlegają materiały, których elektryczna przewodność właściwa jest większa od 10^-2 S/cm, tj. wszystkie metale i ich stopy oraz duża grupa materiałów niemetalowych i kompozytowych z ceramicznymi włącznie.
Obecnie można wyróżnić dwie główne odmiany obróbki elektroerozyjnej, a mianowicie: drążenie nazywane w skrócie EDM (Electrical Discharge Machining) i wycinanie drutem nazywane WEDM (Wire Electrical Discharge Machining). Odmiany te różnią się postacią elektrod i ich kinematyką, zakresem zastosowań oraz warunkami obróbki.
Schemat obrabiarki EDM pokazany jest na rys.1. Elektroda robocza (ER) i przedmiot obrabiany (PO) połączone są z generatorem impulsów prądu stałego o amplitudach: napięcia od kilkudziesięciu do kilkuset woltów i natężenia prądu rzędu 1-1000 [A]. W zależności od przebiegu impulsów, ich parametrów oraz rodzaju materiałów elektrod, stosowane są różne biegunowości ER i PO. W biegunowości prostej elektroda robocza jest połączona z biegunem ujemnym, a więc jest katodą, a przedmiot obrabiany jest anodą. Przy przeciwnym połączeniu mamy do czynienia z biegunowością odwrotną. Przy biegunowości prostej znacznie bardziej intensywna jest erozja anody, a przy odwrotnej katody.
Ruch względny ER i PO (np. wgłębianie się ER) realizowany jest najczęściej napędem sterowanym układu ze sprzężeniem zwrotnym, w którym utrzymywana jest w założonym przedziale różnica między wartościami napięcia przebicia elektrycznego szczeliny utworzonej pomiędzy ER i PO, a napięciem nastawionym dla danych warunków obróbki. Współczesne obrabiarki posiadają adaptacyjne układy sterowania numerycznego ruchami ER i PO w kilku osiach.
W celu zintensyfikowania ewakuacji produktów obróbki ze szczeliny międzyelektrodowej stosuje się wymuszony przepływ dielektryka za pomocą układu hydraulicznego, zaopatrzonego m.in. w filtry.

2. Podstawy fizyczne

Przebieg wyładowania elektrycznego między elektrodami zanurzonymi w dielektryku płynnym przedstawiony jest w uproszczeniu na rys.2. Po przyłożeniu napięcia w szczelinie powstaje niejednorodne i zmienne w czasie pole elektryczne o znacznym natężeniu (rzędu 10⁵-10⁶ V/cm).
Niejednorodność pola wywołana jest nierównościami powierzchni elektrod, zmienną grubością szczeliny oraz niejednorodnością właściwości ośrodka składającego się z dielektryka i produktów obróbki. W miejscach, gdzie natężenie pola jest największe, następuje koncentracja cząstek zanieczyszczeń dielektryka (głównie produktów erozji z poprzednich wyładowań), co obniża wytrzymałość elektryczną ośrodka (rys.2a i 2b.) Przy dostatecznym natężeniu pola elektrycznego i pewnym napięciu U_g zwanym granicznym, następuje przebicie elektryczne, rozpoczynające się emisją elektronów z katody.
Elektrony przyspieszone w polu elektrycznym zderzają się z atomami ośrodka, powodując ich lawinową jonizację udarową, a w efekcie tworzy się wąski kanał plazmowy wypełniony jonami i elektronami (rys. 2c i 2d). Przepływający przez kanał prąd powoduje wydzielanie się ciepła, następuje parowanie ośrodka i utworzenie wokół kanału pęcherza gazowego o powiększającej się średnicy w czasie (rys.2e i 2f). Typowy przebieg zmian napięcia i natężenia prądu w czasie wyładowania pokazany jest na wykresach pod głównymi rysunkami. Energia elektronów, uderzających w powierzchnię anody, a jonów w powierzchnię katody, zamieniana jest na ciepło, co powoduje gwałtowny Iokalny wzrost temperatury materiału elektrod do wartości przekraczających temperaturę topliwości, a często i temperaturę wrzenia. Prowadzi to do topienia i intensywnego parowania. Cały proces przemian fazowych materiału ma charakter wybuchowy, czemu sprzyjają zmiany ciśnienia w pęcherzu gazowym. Początkowo ciśnienie gwałtownie rośnie, a następnie po zakończeniu wyładowania spada, co intensyfikuje parowanie roztopionego metalu, które może mieć charakter mikrowybuchu. W wyniku tworzącego się krateru wyrzucane są strugi pary i ciekłego metalu (rys.2g i 2h). Po wyładowaniu pęcherz gazowy kurczy się (rys.2h) i dzieli się na dwa przy elektrodach.
Dzielące się pęcherzyki zamykają się implozyjnie, co sprzyja usuwaniu części roztopionego metalu z krateru. Pozostały w kraterze metal krzepnie, tworząc na powierzchni cienką warstewkę o strukturze i właściwościach innych od materiału w głębi PO.
Po wyładowaniu następuje dejonizacja kanału międzyelektrodowego i cykl powtarza się od początku w miejscu, w którym istnieją najlepsze warunki do ponownej jonizacji przestrzeni międzyelektrodowej (rys.2i).
Po obróbce, powierzchnię pokrywa zbiór charakterystycznych kraterów w postaci zbliżonej do czasz kulistych. Badania produktów erozji wyrzuconych do dielektryka wykazują obecność mikroskopijnych cząstek materiału elektrod o kształcie zbliżonym do kulek (litych i pustych wewnątrz), a czasami małą ilość cząstek, które nie uległy przetopieniu, a w sposób mechaniczny zostały oderwane od elektrod. świadczy to, że w pewnych warunkach, mechaniczne oddziaływanie wyładowania elektrycznego oraz powstające naprężenia cieplne w materiale mogą odgrywać znaczącą rolę (zwłaszcza przy obróbce materiałów bardzo kruchych).
W wyniku postępującej erozji elektrycznej podczas kolejnych wyładowań, w miarę dosuwania elektrody, następuje kształtowanie obrabianego przedmiotu. Równolegle z ubytkiem materiału na przedmiocie obrabianym następuje erozja elektrody narzędziowej, a więc jej zużycie, powodująca zmianę pierwotnego kształtu (rys.3).

4. Warunki obróbki EDM

Wyniki EDM uwarunkowane są nie tylko parametrami elektrycznymi nastawianymi w generatorze, lecz również zależą od takich czynników, jak:
- właściwości materiału, od których zależy obrabialność elektroerozyjna,
- właściwości materiału elektrody roboczej,
- właściwości dielektryka.
Wpływ właściwości materiału obrabianego i ER na wydajność obróbki oraz podatność ER na zużycie mogą być scharakteryzowane przez tzw . odporność elektroerozyjną danego materiału.

Według Albińskiego pewien wpływ na odporność elektroerozyjną przy obróbce generatorami typu RC wykazują: moduł sprężystości podłużnej, liczba Poissona oraz współczynnik rozszerzalności cieplnej.
Na rys.8 pokazano wpływ temperatury topliwości materiału ER i materiału obrabianego na wielkość erozji. Z przytoczonych danych na rys.8 oraz z zależności (1.10) wynika, że główny wpływ na wydajność obróbki spośród właściwości materiału wykazują właściwości cieplne. Jest to jedna z głównych zalet obróbki elektroerozyjnej, umożliwiająca obróbkę materiałów, niezależnie od ich właściwości mechanicznych.
Należy mieć na uwadze, że w czasie drążenia wskaźniki obróbki mogą zmieniać się, co przykładowo pokazano na rys.9. W miarę zagłębiania elektrody, pogarszają się warunki usuwania produktów erozji i wydajność spada przy pewnym wzroście zużycia ER. Zależność wydajności obróbki V_w, chropowatości mierzonej parametrem Ra i zużycia elektrody roboczej V^* od parametrów obróbki I_c, t_i/t_o przy danym ustawionym napięciu i dla danej pary materiałów ER-PO często przedstawiana jest na charakterystyce zbiorczej pokazanej na rys.l0.
Na rodzinie krzywych, dla różnych natężeń I_c, zaznaczone są punkty odpowiadające różnym zestawieniom czasu impulsu t_i i przerwy t_o (t_i/t_o). Na podstawie przebiegu krzywych można oszacować zmiany chropowatości i zużycia ER (na czole ER i na krawędziach ER) przy zmianie wydajności V_w.

5. Stan warstwy wierzchniej po obróbce elektroerozyjnej

Chropowatość powierzchni obrabianych elektroerozyjnie jest wynikiem wzajemnie nakładających się kraterów. Wynika stąd, że wysokość nierówności jest tym większa, im większa energia poszczególnych impulsów, co pokazano na rys.12.
Przykładowe zależności wskaźników chropowatości w funkcji niektórych parametrów pokazano już na rys.10 i rys.11. Przy dużych wydajnościach chropowatość powierzchni obrobionej jest większa niż przy obróbce zgrubnej skrawaniem. Już obecnie jest możliwe uzyskanie chropowatości R_z poniżej 0,1 mikrometra, ale przy bardzo małej wydajności, co związane jest z koniecznością zastosowania bardzo małych energii w pojedynczych wyładowaniach.
Poniżej zostaną omówione niektóre cechy WW po obróbce elektroerozyjnej na przykładzie stali hartowanej. Mikrostruktura WW obrobionej elektroerozyjnie ma zwykle 3 typowe warstwy, możliwe do określenia przy dużych powiększeniach pod mikroskopem (rys.13). Warstwa pierwsza od brzegu przedmiotu nazywana jest warstwą białą z powodu białej barwy po wytrawieniu w 4% HNO₃. Powstała ona z przetopionego metalu, który nie został wyrzucony w otaczający ośrodek i ponownie zakrzepł. W warstwie tej, oprócz rodzimego materiału, obserwuje się cząstki ER oraz produkty powstałe z piroIizy dielektryka. Charakteryzuje się ona bardzo drobnoziamistą, dendrytyczną strukturą. Twardość jej jest na ogół niższa niż twardość rodzimego materiału, a grubość od kilku mikrometrów do kilku setnych części milimetra. Drugą warstwą jest warstwa wpływów cieplnych mająca strukturę martenzytyczną.
Charakteryzuje się większą twardością niż metal rodzimy i stąd często nazywana jest warstwą o podwyższonej twardości. Wzrost twardości spowodowany jest m.in. dyfuzją węgla powstałego z rozkładu dielektryka oraz bardzo dużą szybkością chłodzenia. Następna warstwa jest również wynikiem wpływów cieplnych. Przejęte ciepło przez materiał obrabiany powoduje odpuszczenie tej warstwy, a szybkość chłodzenia jest za mała, aby spowodować ponowne zahartowanie. Warstwa ta charakteryzuje się mniejszą twardością w stosunku do materiału rodzimego i nazywana jest warstwą odpuszczoną (pośrednią).
W WW po obróbce elektroerozyjnej obserwuje się naprężenia rozciągające, które maleją w miarę oddalania się od powierzchni i są wynikiem kurczenia się rozgrzanego materiału. Wraz ze wzrostem energii pojedynczych wyładowań oraz czasu ich trwania wzrasta wartość naprężeń rozciągających w WW.
Obecność tych naprężeń jest przyczyną powstawania na powierzchni mikropęknięć, zwłaszcza przy obróbce zgrubnej (duże E_i i czasy trwania impulsów). Ze stanu WW wynikają właściwości użytkowe części obrabianych elektroerozyjnie, a mianowicie:
- z powodu istnienia w WW naprężeń rozciągających i możliwości wystąpieniaa mikropęknięć, wytrzymałość zmęczeniowa części zmniejsza się,
- jeśli innym sposobem obróbki zostanie usunięta warstwa biała (na ogół krucha), przedmiot będzie się charakteryzował zwiększoną odpornością na ścieranie,
- obserwuje się zwiększoną odporność części na korozję atmosferyczną, co jest związane z nasyceniem WW produktami pirolizy dielektryka. Jednak odporność na korozję gazową w podwyższonych temperaturach jest mniejsza niż po innych rodzajach obróbki.
Wymienione cechy WW i właściwości użytkowe części kierunkują dalszy dobór odpowiednich operacji w procesie technologicznym, zwłaszcza dla części bardzo odpowiedzialnych. Na przykład, dla łopatek turbin gazowych silników lotniczych niezbędna staje się obróbka elektrochemiczna w celu usunięcia uszkodzonej WW. Dla matryc, wykrojników itp. celowym może być docieranie powierzchni obrobionej.

6. Obrabiarki elektroerozyjne EDM

Najczęściej stosowane są tzw. drążarki przeznaczone głównie do drążenia wgłębień i otworów zarówno obrotowych, jak i nieobrotowych. Po odpowiednim oprzyrządowaniu lub zwiększonych możliwościach przez układy sterowania NC, CNC itp., drążarki mogą być wykorzystywane do wykonywania np. otworów krzywoliniowych, przecinania, szlifowania, grawerowania itp. Przykłady schematów różnych operacji obróbczych realizowanych na obrabiarkach EDM-CNC pokazane są na rys.14. Zwrócić należy uwagę, że w przypadku EDM-CNC, szereg skomplikowanych kształtów można uzyskać stosunkowo prostymi elektrodami. Jednocześnie podczas sterowania uwzględnia się stopień zużycia ER i ewentualne zmiany jej kształtu w wyniku nierównomiernego zużycia, co pozwala uzyskiwać duże dokładności geometryczne. Znane są obrabiarki elektroerozyjne specjalizowane, przystosowane do obróbki określonych części, czy wykonywania określonych prac, jak np. szlifierki do profilowania tarcz metalowych, drążarki do kształtowych wycięć w obejmach kierownic turbin parowych, wycinarki drutowe itp.

7. Zastosowanie obróbki elektroerozyjnej

Obróbka elektroerozyjna znalazła szerokie zastosowanie w przemyśle przy obróbce części maszyn wykonywanych z materiałów trudno skrawalnych i o złożonych kształtach geometrycznych. Ekonomicznie uzasadnione jest również zastosowanie tej metody obróbki do wytwarzania części maszyn z materiałów łatwo skrawalnych, ale o bardzo skomplikowanej geometrii i z tego powodu trudnych i pracochłonnych do wykonania metodami konwencjonalnymi. Główne zastosowanie znalazła w przemyśle maszynowym do wytwarzania wszelkiego rodzaju narzędzi specjalnych i oprzyrządowania technologicznego, jak: matryce kuźnicze, formy wtryskowe, kokile i formy odlewnicze, wykrojniki i stemple, oczka ciągarskie, narzędzia z węglików spiekanych i polikrystalicznego diamentu (PKD), przyrządy obróbkowe itp. Stosowana bywa do wykonywania bardzo małych otworów, np. w rozpylaczach silników wysokoprężnych, w tłoczkach sterujących hydrauliki siłowej, do obróbki i cięcia prętów paliwowych w energetyce jądrowej. Szeroko stosowana jest w przemyśle lotniczym i rakietowym do obróbki części ze stopów żarowytrzymałych, jak: łopatki turbin i sprężarek, kanały w dyskach turbin odśrodkowych, przecinanie obejm kierowniczych i drążenie otworów kształtowych pod łopatki kierownicze, drążenie kanałów łopatkowych w wirnikach turbopomp itp.
Również duże zastosowanie EDM znalazła w przemyśle energetycznym, do wytwarzania części z materiałów trudno skrawalnych. Na rys.15 pokazano przykładowe schematy i możliwości obróbki wybranych części.

1