Erodowanie pozwala na uzyskiwanie dokładności rzędu kilku mikrometrów – nawet przy bardzo skomplikowanych kształtach i bardzo dużej gładkości powierzchni – różnych wytworów, m.in.: wykrojników, matryc, gniazd form wtryskowych, tłoczników, łopatek turbin, narzędzi itp. Obróbka erodowaniem wkracza w obszary zastosowania nieosiągalne dla metod konwencjonalnych, w innych zaś może stanowić ich uzupełnienie. Za pomocą erodowania wykonuje się np. elementy, w których po ich zastosowaniu zmieniana jest twardość, kształt, skład chemiczny czy jakość powierzchni w jednej operacji bez zmiany stanowiska i obrabiarki. Na obszary zastosowania obróbki erozyjnej, a zarazem unikalność tej metody wpływają jej specyficzne cechy.

Jedną z tych cech jest możliwość obróbki materiałów o dowolnych własnościach fizykochemicznych bez użycia znacznych sił mechanicznych oraz brak zależności między ich zmianą a wydajnością obróbki. Szczególną odmianą erozji jest obróbka wykorzystująca chemiczne i cieplne działanie prądu elektrycznego, gdzie nie występują oddziaływania mechaniczne lub są pomijalnie małe. W metodach strumieniowo-erozyjnych występują również małe siły.

Dla wydajności erozyjnych sposobów obróbki materiałów znaczenie mają również własności chemiczne i fizyczne materiału obrabianego (np. wpływ wartościowości przy obróbce elektrochemicznej lub przewodności cieplnej przy obróbce elektroerozyjnej). Kolejną wyróżniającą cechą jest to, że niekoniecznie trzeba stosować materiał narzędzia twardszy od materiału obrabianego, dzięki czemu koszty wykonania narzędzia są stosunkowo małe. Przykładem jest elektroda przedstawiona na rys. 1 wykonana z miedziografitu, która wykonuje kształt w materiale wielokrotnie od niej twardszym.

Naciski narzędzia na element obrabiany w obróbce erodowaniem są pomijalnie małe, dlatego można stosować elektrody o grubości rzędu kilkunastu setnych milimetra bez obaw, że w czasie obróbki narzędzie się ugnie. Jedynie w niektórych operacjach obróbki ultradźwiękowej występują wyraźne naciski narzędzia na przedmiot obrabiany.

Duże mocy, małe straty

Erozyjnej obróbce towarzyszy duży stopień koncentracji energii w czasie i przestrzeni. Gęstość energii sięga tu milionów watów na centymetr kwadratowy. Występowanie w strefie roboczej dużych mocy jest wynikiem doprowadzenia energii o charakterze impulsowym lub ciągłym. W mikroobjętościach materiału obrabianego chwilowe ciśnienia osiągają setki i tysiące atmosfer, przyspieszenia o kilka tysięcy przewyższają ziemskie, a temperatury są rzędu dziesiątków tysięcy stopni. Pozwala to na wykonywanie np. przewodów hydraulicznych bez zadziorów w miejscach łączenia, łopatek turbin bez ich skrzywienia czy też otworów o średnicy kilku mikrometrów na znacznej długości, których nie da się wykonać konwencjonalnymi metodami obróbki mechanicznej Istotne jest również, że po takiej obróbce występuje bardzo wąska szczelina obróbkowa. Ma to szczególne znaczenie przy cięciu materiałów drogich, takich jak: rubin, kwarc, krzem german, diament i inne monokryształy. Szczeliny mają od kilku do kilkunastu setnych milimetra, co pozwala na znaczne zmniejszenie strat materiałowych.

Większa dokładność

Kolejna bardzo ważna cecha obróbki erodowaniem to jej dokładność, pozwalająca na wykonywanie coraz bardziej precyzyjnych części w przemyśle maszynowym, takich jak silniki elektryczne, wtryskiwacze, rozdzielacze z powodu złożoności układu kinematycznego obrabiarki lub występowania znacznych sił skrawania. Możliwości obróbki erozyjnej pozwalają dodatkowo na zmianę strukturalną warstw wierzchnich, które nie są osiągalne za pomocą obrabiarek konwencjonalnych, lecz wymagają dodatkowych zabiegów cieplnych i chemicznych.

Hydrauliczne czy sprzęgła o małej średnicy, gdzie wymagana dokładność obróbki jest rzędu kilkunastu lub nawet kilku mikrometrów. Erodowanie umożliwia ponadto wykonywanie wielu operacji na jednym stanowisku, co jest nieosiągalne dla tradycyjnych sposobów mechanicznych. Przykładem jest możliwość obróbki w tym samym czasie całej powierzchni obrabianej, która staje się negatywnym narzędziem. Na rys. 2a przedstawiono matrycę wykonaną metodą elektroiskrową, która formuje śmigło (rys. 2b) używane do wymuszenia przepływu powietrza w chłodnicach samochodowych.

Rys. 1. Elektroda do drążenia wgłębnego

Rys. 2. Formowanie śmigła: matryca (z lewej), wypraska (z prawej)

Rys. 3. Elektroda do drążenia wgłębnego

Rys. 4. Przykładowy wzornik faktury powierzchni VDI 3400

W tym wypadku metoda erodowania wykorzystywana jest przy obróbce płatów. Problem stanowi uzyskanie wszystkich płatów o jednakowym kształcie i na idealnie równej głębokości. Metoda elektroiskrowa pozwala na jednoczesną obróbkę całej powierzchni płata elektrodą przedstawioną na rys. 3. Dzięki temu oszczędzany jest czas potrzebny na wykonanie matrycy, ponadto temperatura nagrzania elementu w czasie obróbki jest dużo niższa niż w przypadku obróbki wiórowej, co wpływa na dokładność oraz brak pęknięć, odkształceń lub naprężeń termicznych.

Równie ważnym efektem jest wykonanie wszystkich płatów o idealnie równym kształcie. Wypraska (śmigło) to element wirujący, musi więc być wyważona statycznie, a drążenie wszystkich płatów identycznymi elektrodami pozwala na uzyskanie takiego samego kształtu na każdym z nich. To zaś oznacza równomierny rozkład masy w wyprasce.

Obróbka erodowaniem umożliwia również wykonywanie rowków, otworów lub wgłębień kształtowych w miejscach trudno dostępnych, np. na dużej głębokości, dodatkowo takie geometryczne elementy kształtowe można uzyskać w jednym przejściu.

Odpowiednia faktura powierzchni

Bardzo często obróbka elektroerozyjna stosowana jest nie tylko w celu wykonania skomplikowanych kształtów w twardych materiałach, nieosiągalnych dla obróbki wiórowej, lecz również po to, by nadać powierzchni odpowiednią fakturę. Szczególnie w przetwórstwie tworzyw polimerowych firmy produkujące formy wtryskowe muszą w gnieździe formującym uzyskać odpowiednią fakturę powierzchni, która będzie odwzorowana na wyprasce z tworzywa. Na rys. 4 przedstawiono przykładowy wzornik faktury powierzchni VDI 3400.

Dobra jakość, szerokie wzornictwo i małe koszty sprawiają, że fakturowanie form jest często stosowaną techniką wykańczania powierzchni narzędzi formujących. Wykorzystuje się to m.in. w przemyśle samochodowym oraz RTV i AGD, czyli tam, gdzie wyroby mają nie tylko być częścią konstrukcji, ale też mieć walory estetyczne.

Projektując proces technologiczny wykonania gniazda formującego, technolog musi uwzględnić wymaganą fakturę powierzchni VDI i podać operatorowi elektodrążarki odpowiednie parametry obróbkowe. Należą do nich np. wartość natężenia prądu, czas wyładowania, czas przerwy itp. Parametry te ustalane są za pomocą odpowiednich wykresów nastaw elektrodrążarki oraz tabel opracowanych przez producenta maszyny obróbczej, uwzględniających np. rodzaj obrabianego materiału, rodzaj elektrody, środowisko, w którym zachodzi proces, wielkość szczeliny itp.

Badania

W celu zweryfikowania poprawności metodyki doboru parametrów obróbki elektoerozyjnej na podstawie wykresów i tabel wykonano badania doświadczalne. Przeanalizowano w nich uzyskane rzeczywiste cechy struktury geometrycznej powierzchni – które powinny być wynikiem takiego doboru parametrów – w zestawieniu z oczekiwanymi. Otrzymane struktury obserwowano na mikroskopie optycznym, dokonując jakościowej oceny poprawności wykonania faktur VDI na całej powierzchni próbek z wzornikiem.

Poza analizą rozmieszczenia nierówności powierzchni oceniano, czy nie ma skaz takich jak rysy i pęknięcia w warstwie wierzchniej. Oceny ilościowej dokonano na podstawie pomiarów chropowatości powierzchni (parametry: Ra, Rz, Rq) metodą stykową na profilografometrze firmy Mitutoyo. Próbki ze stali narzędziowej stopowej do pracy na gorąco (1.2714) o twardości 64 HRC zostały obrobione na elektrodrążarce wgłębnej ROBOFORM 50 elektrodą miedzianą (M1E) i grafitową (grafit POCO EDM-3). Wykonano je dla siedmiu różnych faktur powierzchni VDI.

Ogólnie na podstawie pomiarów ilościowych i jakościowych można stwierdzić, że metodyka doboru parametrów obróbki elektoerozyjnej na podstawie wykresów i tabel w celu uzyskania zamierzonej chropowatości powierzchni jest poprawna. Otrzymane faktury powierzchni są zgodne z wzorcem VDI 3400. Różnice przy pomiarach ilościowych wynosiły zaledwie kilka procent, a w wartościach bezwzględnych – od kilku do kilkunastu setnych mikrometra. Zaobserwowano również mały rozrzut wyników.

Uzyskane rezultaty pozwalają też zaobserwować, jak duży wpływ na wielkość kraterów po wyładowaniach mają zadane parametry. Potwierdzają teorię, według której wzrost parametrów – czyli wzrost mocy prądu, a wraz z nim czasu impulsu, czasu przerwy i wielkości szczeliny – powoduje, że uzyskuje się większą ilość materiału w szybszym czasie, ale jednocześnie większe kratery, czyli chropowatość obrabianej powierzchni.

Ważnym czynnikiem wpływającym na stan struktury geometrycznej powierzchni, którego co prawda w badaniach doświadczalnych z racji małej liczności próby nie zaobserwowano, jest zużycie erody. Zgodnie z informacjami producenta zawartymi w tabelach i na wykresach przy małych parametrach (małe VDI) proces początkowo jest stabilny, co pozwala prowadzić bardzo dokładną obróbkę, jednak objętościowe zużycie elektrody w stosunku do wyerodowanego materiału jest większe niż przy parametrach wyższych. Z czasem więc zmiana geometrii elektrody przełoży się na dokładność obróbki, szczególnie przy elektrodach przeznaczonych do skomplikowanych kształtów. Przy czym na zużycie duży wpływ ma materiał, z jakiego wykonana jest elektroda – miedziana wykazuje dużo większą odporność niż elektroda z grafitu.

_________________________________________________________________________________________________

* Dr hab. inż. Maciej Matuszewski, prof. UTP, jest pracownikiem Instytutu Automatyzacji i Transportu na Uniwersytecie Technologiczno-Przyrodniczym w Bydgoszczy

Literatura:

Ł. Popiłow, Elektrochemiczne i elektrofizyczne metody kształtowania metali, WNT, Warszawa.

M. Siwczyk, Obróbka elektroerozyjna: technologia i zastosowanie, WNT, Warszawa.