Elektrische ontladingsbewerking (EDM):mechanica, werkingsprincipes en circuits (met diagram)

In dit artikel zullen we bespreken over de elektrische ontladingsbewerking (EDM):- 1. Inleiding tot elektrische ontladingsbewerking (EDM) 2. Mechanica van EDM 3. EDM-circuits en werkprincipes (met diagram) 4. Oppervlakteafwerking en Bewerkingsnauwkeurigheid 5. Rol van gereedschapselektrode en diëlektrische vloeistoffen in EDM 6. Effecten van EDM op metalen oppervlakken 7. Kenmerken.

Inhoud:

1. Inleiding tot verspanen met elektrische ontlading (EDM)
2. Mechanica van EDM
3. EDM-circuits en werkprincipes (met diagram)
4. Oppervlakteafwerking en bewerkingsnauwkeurigheid van EDM
5. De rol van gereedschapselektroden en diëlektrische vloeistoffen in EDM
6. Effecten van EDM op metalen oppervlakken
7. Kenmerken van EDM

---

1. Inleiding tot elektrische ontladingsbewerking (EDM) :

Het gebruik van een thermo-elektrische energiebron bij het ontwikkelen van niet-traditionele technieken heeft enorm geholpen bij het bereiken van een economische bewerking van de extreem lage bewerkbaarheid van materialen en moeilijke klussen. Het proces van materiaalverwijdering door een gecontroleerde erosie door een reeks elektrische vonken, algemeen bekend als machinale bewerking met elektrische ontlading, werd voor het eerst gestart in de USSR rond 1943. Daarna hebben onderzoek en ontwikkeling dit proces op het huidige niveau gebracht.

Wanneer een ontlading plaatsvindt tussen twee punten van de anode en de kathode, smelt de intense warmte die wordt gegenereerd in de buurt van de zone en verdampt de materialen in de vonkzone. Om de effectiviteit te verbeteren, worden het werkstuk en het gereedschap ondergedompeld in een diëlektrische vloeistof (koolwaterstof of minerale oliën). Er is waargenomen dat als beide elektroden van hetzelfde materiaal zijn gemaakt, de elektrode die is aangesloten op de positieve pool in het algemeen sneller erodeert. Om deze reden wordt het werkstuk normaal gesproken de anode gemaakt. Er wordt een geschikte spleet, de zogenaamde vonkbrug, gehandhaafd tussen het gereedschap en de werkstukoppervlakken.

De vonken zijn gemaakt om met een hoge frequentie te ontladen met een geschikte bron. Omdat de vonk optreedt op de plek waar het gereedschap en het werkstukoppervlak het dichtst bij zijn en omdat de plek na elke vonk verandert (vanwege de materiaalverwijdering na elke vonk), reizen de vonken over het hele oppervlak. Dit resulteert in een uniforme materiaalverwijdering over het hele oppervlak en uiteindelijk past het werkvlak zich aan het gereedschapsoppervlak aan. Zo produceert het gereedschap de gewenste afdruk in het werkstuk.

Voor het handhaven van de vooraf bepaalde vonkbrug wordt over het algemeen een servoregeleenheid gebruikt. De opening wordt gedetecteerd door de gemiddelde spanning erover en deze spanning wordt vergeleken met een vooraf ingestelde waarde. Het verschil wordt gebruikt om de servomotor aan te sturen. Soms wordt een stappenmotor gebruikt in plaats van een servomotor. Voor zeer primitieve operaties is natuurlijk ook een magneetbesturing mogelijk en daarmee wordt de machine extreem goedkoop en eenvoudig te bouwen.

De vonkfrequentie ligt normaal in het bereik van 200-500.000 Hz, waarbij de vonkbrug in de orde van grootte van 0,025-0,05 mm is. De piekspanning over de opening wordt in het bereik van 30-250 volt gehouden. Een mrr tot 300 mm ³ / min kan worden verkregen met dit proces, waarbij het specifieke vermogen in de orde van 10 W / mm is ³ / min. Het is gebleken dat de efficiëntie en de nauwkeurigheid van de prestatie verbeteren wanneer een geforceerde circulatie van het diëlektrische fluïdum wordt verschaft. De meest gebruikte diëlektrische vloeistof is kerosine. Het gereedschap is over het algemeen gemaakt van messing of een koperlegering.

---

2. Mechanica van EDM:

Figuur 6.52 toont de details van de elektrode-oppervlakken. Hoewel de oppervlakken glad kunnen lijken, zijn oneffenheden en onregelmatigheden altijd aanwezig, zoals aangegeven (op een overdreven manier natuurlijk). Als gevolg hiervan varieert de lokale opening, en op een bepaald moment is deze op één punt minimaal (zeg, A). Wanneer een geschikte spanning wordt opgebouwd over het gereedschap en het werkstuk (respectievelijk de kathode en de anode), wordt een elektrostatisch veld van voldoende sterkte tot stand gebracht, waardoor koude emissie van elektronen van de kathode bij A wordt veroorzaakt.

Deze vrijgekomen elektronen versnellen naar de anode. Nadat ze een voldoende snelheid hebben bereikt, botsen de elektronen met de moleculen van de diëlektrische vloeistof en breken ze in elektronen en positieve ionen. De aldus geproduceerde elektronen versnellen ook en kunnen uiteindelijk de andere elektronen losmaken van de diëlektrische vloeistofmoleculen. Uiteindelijk wordt een smalle kolom van geïoniseerde diëlektrische vloeistofmoleculen tot stand gebracht bij A die de twee elektroden verbindt (waardoor een lawine van elektronen ontstaat, aangezien de geleidbaarheid van de geïoniseerde kolom erg groot is, wat normaal gezien als een vonk wordt gezien).

Als gevolg van deze vonk ontstaat er een compressieschokgolf en ontstaat er een zeer hoge temperatuur op de elektroden (10.000-12.000°C). Deze hoge temperatuur veroorzaakt het smelten en verdampen van de elektrodematerialen, en de gesmolten metalen worden geëvacueerd door een mechanische explosie, wat resulteert in kleine kraters op beide elektroden bij A. Zodra dit gebeurt, neemt de opening tussen de elektroden bij A toe en de volgende locatie van de kortste opening is ergens anders (zeg, B).

Daarom vindt bij herhaling van de cyclus de volgende vonk plaats bij B. Op deze manier dwalen de vonken over het elektrodeoppervlak en uiteindelijk resulteert het proces in een uniforme opening. Afhankelijk van de vorm van de negatieve elektrode ontstaat er dus een afdruk op de andere elektrode.

Over het algemeen is de materiaalverwijderingssnelheid van de kathode relatief lager dan die van de anode vanwege de volgende redenen:

(i) Het momentum waarmee de stroom elektronen de anode raakt, is veel groter dan die van de stroom positieve ionen die op de kathode botst, hoewel de massa van een individueel elektron kleiner is dan die van de positieve ionen.

(ii) De pyrolyse van de diëlektrische vloeistof (normaal een koolwaterstof) creëert een dunne laag koolstof op de kathode.

(iii) Er wordt een samendrukkende kracht ontwikkeld op het kathodeoppervlak. Daarom is het gereedschap normaal gesproken aangesloten op de negatieve pool van de gelijkstroombron.

Als het gereedschap stilstaat ten opzichte van het werkstuk, wordt de opening groter naarmate de materiaalverwijdering vordert, waardoor een hogere spanning nodig is om de vonken te initiëren. Om dit probleem te voorkomen, wordt het gereedschap gevoed met behulp van een servoaandrijving die de grootte van de gemiddelde opening detecteert en constant houdt.

In wat volgt, zullen we een theoretische bepaling van de materiaalverwijderingssnelheid proberen tijdens het machinaal bewerken met elektrische ontlading. Daarbij zullen, hoewel de kwantitatieve resultaten niet worden verkregen, veel belangrijke kenmerken duidelijk worden. Voor nu zou het voldoende zijn om het effect van slechts één vonk te begrijpen.

De hoeveelheid materiaalverwijdering door een enkele ontlading kan worden bepaald door rekening te houden met de diameter van de krater en de diepte tot waar de smelttemperatuur wordt bereikt.

Om dit te doen, zullen we de volgende veronderstellingen maken:

(i) De vonk is een uniforme cirkelvormige warmtebron op het elektrodeoppervlak en de diameter (=2a) van deze cirkelvormige bron blijft constant.

(ii) Het elektrodeoppervlak is een semi-oneindig gebied.

(iii) Met uitzondering van het gedeelte van de warmtebron, is het elektrodeoppervlak geïsoleerd.

(iv) De snelheid van de warmtetoevoer blijft constant gedurende de gehele afvoerduur.

(v) De eigenschappen van het elektrodemateriaal veranderen niet met de temperatuur.

(vi) De verdamping van het elektrodemateriaal wordt verwaarloosd.

Figuur 6.53 toont de details van de geïdealiseerde warmtebron. In onze analyse, H- hoeveelheid warmte-invoer (cal), θ =temperatuur (°C), t =tijd (sec), k=thermische geleidbaarheid (cal/cm-sec-°C), α =thermische diffusie (cm ² /sec), t_d =ontladingsduur (sec), en θ_m =smelttemperatuur (°C).

Vanwege cirkelsymmetrie is de temperatuur op elk punt afhankelijk van r en z. De vergelijking voor warmtegeleiding is –

Omdat intuïtief te zien is dat de diepte tot waar de smelttemperatuur wordt bereikt in het centrum maximaal is, ligt onze interesse bij de oplossing bij r =0. De temperatuur op een punt op de as aan het einde van de ontlading ( ervan uitgaande dat de maximale temperatuur wordt bereikt op t =t_d aangezien de warmte-invoer op dit moment stopt) wordt gegeven door –

Het is dus duidelijk dat Z een indicatie geeft van de hoeveelheid materiaal die door elke vonk wordt verwijderd. Figuur 6.54a toont de theoretische waarden van Z voor een gegeven vonkenergie en een constante vonkdiameter voor Cu, Al en Zn als de elektrodematerialen. Figuur 6.54b geeft de werkelijke aard van de variatie van het kratervolume weer met t_d voor verschillende vonkenergieën. De trends zijn vrij gelijkaardig.

Een belangrijk kenmerk dat uit deze resultaten duidelijk wordt, is dat de materiaalverwijdering erg laag is voor een korte ontladingstijd en toeneemt met t_d . Dan, het bereiken van een piekwaarde, zakt het plotseling naar nul. Ook is vastgesteld dat het per ontlading afgevoerde materiaal sterk afhangt van het smeltpunt van het materiaal.

Het effect van cavitatie in het mechanische verwijderingsproces is ook belangrijk. De mrr tijdens een enkele vonk uitgezet tegen de tijd is zoals weergegeven in Fig. 6.55. Het is duidelijk dat de mrr maximaal is wanneer de druk lager is dan atmosferisch, wat het belang van cavitatie aantoont.

Om tot een ruwe schatting te komen zijn empirische relaties ontwikkeld voor de materiaalverwijderingssnelheid tijdens EDM. Aangezien de grootte van de krater afhangt van de vonkenergie (ervan uitgaande dat alle andere omstandigheden ongewijzigd blijven), worden de diepte en diameter van de krater gegeven door -

In deze relatie zijn we uitgegaan van een gemiddelde vonkconditie.

De mrr is ook sterk afhankelijk van de circulatie van de diëlektrische vloeistof. Zonder geforceerde circulatie smelten de slijtagedeeltjes herhaaldelijk en verenigen ze zich met de elektrode. Figuur 6.56 toont de aard van de mrr-karakteristieken zonder en met een geforceerde circulatie van het diëlektricum.

Nadat de ontlading is voltooid, moet het diëlektrische medium rond de laatste vonk worden gedeïoniseerd. Hiervoor moet de spanning over de opening onder de ontladingsspanning worden gehouden totdat deïonisatie is voltooid; anders begint de stroom weer door de spleet te stromen ter plaatse van de voorgaande ontlading. De tijd die nodig is voor een volledige deïonisatie hangt af van de energie die vrijkomt bij de voorgaande ontlading. Een grotere energieafgifte resulteert in een langere deïonisatietijd.

---

3. EDM-circuits en werkprincipes (met diagram):

Er zijn verschillende fundamenteel verschillende elektrische circuits beschikbaar om de pulserende gelijkstroom over de opening van het uitrustingsstuk te leveren. Hoewel de operationele kenmerken verschillend zijn, wordt in bijna al dergelijke circuits een condensator gebruikt voor het opslaan van de elektrische lading voordat de ontlading over de opening plaatsvindt. De geschiktheid van een circuit hangt af van de bewerkingsomstandigheden en vereisten.

De algemeen gebruikte principes voor het leveren van de pulserende gelijkstroom kunnen worden ingedeeld in de volgende drie groepen:

(i) Weerstand-capaciteit-relaxatiecircuit met een constante gelijkstroombron.

(ii) Roterende impulsgenerator.

(iii) Gecontroleerd pulscircuit.

(i) Ontspanningscircuit weerstand-capaciteit:

Het weerstand-capaciteit-relaxatiecircuit werd gebruikt toen de elektrische ontladingsmachines voor het eerst werden ontwikkeld. Figuur 6.57a toont een eenvoudig RC-circuit. Zoals duidelijk is uit deze figuur, wordt de condensator C (die kan worden gevarieerd) opgeladen via een variabele weerstand R door de gelijkstroombron van spanning V₀ .

De spanning over de opening (die bijna hetzelfde is als die over de condensator) V varieert met de tijd volgens de relatie waarbij t de tijd aangeeft die begint op het moment V₀ is toegepast.

Dus V zal V₀ . benaderen asymptotisch, zoals weergegeven in Fig. 6.57b, indien toegestaan. Als de spleet tussen het gereedschap en de diëlektrische vloeistof zodanig zijn dat er een vonk kan ontstaan ​​wanneer de spanning over de spleet een waarde V_d bereikt (algemeen bekend als de ontlaadspanning), zal er een vonk optreden, die de condensator volledig ontlaadt wanneer de spanning over de gereedschapswerkopening (V) V_d bereikt .

De ontlaadtijd is veel kleiner (ongeveer 10%) dan de oplaadtijd en de frequentie van vonken (v) wordt bij benadering gegeven door de volgende vergelijking (aangezien de tijd die nodig is voor deïonisatie ook erg klein is onder normale omstandigheden) –

Dus voor maximale vermogensafgifte moet de ontlaadspanning 72% van de voedingsspanning V₀ . zijn .

Als we aannemen dat het materiaal dat per vonk wordt verwijderd evenredig is met de energie die per vonk vrijkomt, dan kan de mrr worden uitgedrukt als –

(ii) Roterende impulsgenerator:

Het relaxatiecircuit voor het genereren van vonken, hoewel eenvoudig, heeft bepaalde nadelen. Een belangrijk nadeel hiervan is dat de mrr niet hoog is. Om de verwijderingssnelheid te verhogen, wordt een impulsgenerator gebruikt voor het genereren van vonken. Figuur 6.59 toont het schematische diagram van zo'n systeem. De condensator wordt gedurende de eerste halve cyclus via de diode opgeladen. Tijdens de volgende halve cyclus wordt de som van de spanningen die worden gegenereerd door de generator en de geladen condensator toegepast op de tussenruimte van het uitrustingsstuk.

De werkfrequentie is de frequentie van de sinusgolfgeneratie die afhangt van het motortoerental. Hoewel de mrr hoger is, geeft een dergelijk systeem geen goede oppervlakteafwerking.

(iii) Gecontroleerde pulscircuits:

In de twee systemen die we hebben besproken, is er geen voorziening voor een automatische preventie van de stroomstroom wanneer er een kortsluiting ontstaat. Om een ​​dergelijke automatische regeling te bereiken wordt een vacuümbuis (of een transistor) als schakelinrichting gebruikt. Dit systeem staat bekend als een gecontroleerd pulscircuit. Figuur 6.60 toont schematisch een dergelijk systeem. Tijdens het vonken komt de stroom die door de opening vloeit van de condensator.

Wanneer de stroom door de opening stroomt, is de klepbuis (VT) vooringenomen om af te snijden en gedraagt ​​​​zich als een oneindige weerstand. De bias-regeling wordt gedaan door middel van een Electronic Control (EC). Zodra de stroom in de opening stopt, neemt de geleidbaarheid van de buis toe, waardoor de stroomstroom de condensator kan opladen voor de volgende cyclus.

Het circuit kan worden vereenvoudigd en de bedrijfsstabiliteit kan worden verbeterd als de stroom cyclisch wordt toegestaan ​​met een opgelegde frequentie. Dit kan worden gedaan door de bias te regelen met behulp van een oscillator. In dit geval is de condensator niet nodig. Figuur 6.61 laat zo'n circuit zien, met een transistor.

---

4. Oppervlakteafwerking en bewerkingsnauwkeurigheid van EDM:

Aangezien de materiaalverwijdering in EDM wordt bereikt door de vorming van kraters als gevolg van de vonken, is het duidelijk dat grote kraterafmetingen (vooral de diepte) resulteren in een ruw oppervlak. Dus de kratergrootte, die voornamelijk afhangt van de energie / vonk, bepaalt de kwaliteit van het oppervlak. Afbeelding 6.62 laat zien hoe H_rms (gemiddelde kwadratische waarde van de oppervlakte-oneffenheid) hangt af van C en V₀ .

De kraterdiepte (h_c ) kan bij benadering worden uitgedrukt in termen van de energie die vrijkomt per vonk (E) als –

De afhankelijkheid van de oppervlakteafwerking van de pulsenergie E en de vergelijking van de oppervlakteafwerking met die verkregen door de conventionele processen zijn aangegeven in Fig. 6.63. Er is veel energie gestoken in het bepalen van een geschikte relatie tussen de mate van materiaalverwijdering en de kwaliteit van de oppervlakteafwerking. Maar een zeer betrouwbare relatie van algemene toepasbaarheid moet nog ontstaan. Echter, de mrr en de oneffenheden van het oppervlak, bij het bewerken van staal onder normale omstandigheden, zijn ongeveer gerelateerd als –

Waar H_rms is het kwadraat van de oppervlakte-oneffenheden in microns en Q is de materiaalverwijderingssnelheid in mm ³ / min.

Gebleken is dat de geforceerde circulatie van het diëlektricum de oppervlakteafwerking in het algemeen verbetert. De doorsneden van het koperen elektrode-oppervlak geproduceerd door EDM met en zonder geforceerde circulatie (spanning 40 V, stroom 0,2 A, frequentie 1,12 kHz) worden getoond in Fig. 6.64. Het is duidelijk dat de geforceerde circulatie leidt tot een significante verbetering van de oppervlakteafwerking.

---

5. Rol van gereedschapselektroden en diëlektrische vloeistoffen in EDM:

De elektroden spelen een uiterst belangrijke rol in de EDM-bewerking en daarom moeten bepaalde aspecten van de gereedschapselektrode in gedachten worden gehouden om betere resultaten te bereiken.

een. Gereedschap Elektrodeslijtage:

Tijdens de EDM-bewerking wordt de elektrode (d.w.z. het gereedschap), zoals reeds vermeld, ook geërodeerd door de vonkwerking. De materialen met goede elektrodeslijtage-eigenschappen zijn dezelfde als die welke over het algemeen moeilijk te bewerken zijn. Een van de belangrijkste materialen die voor het gereedschap worden gebruikt, is grafiet dat rechtstreeks naar de dampfase gaat zonder te smelten. De slijtageverhouding (r_Q ), gedefinieerd door de verhouding van het materiaal verwijderd uit het werk tot het materiaal verwijderd uit het gereedschap, blijkt gerelateerd te zijn aan r_θ (=smeltpunt van het werkstuk / smeltpunt van het gereedschap) als –

b. Elektrodemateriaal:

De keuze van het elektrodemateriaal hangt af van:

(i) Materiaalverwijderingssnelheid,

(ii) Slijtageverhouding,

(iii) gemak van het vormen van de elektrode,

(iv) Kosten.

De meest gebruikte elektrodematerialen zijn messing, koper, grafiet, A1-legeringen, koper-wolfraamlegeringen en zilver-wolfraamlegeringen.

De gebruikte methoden voor het maken van de elektroden zijn:

(i) Conventionele bewerking (gebruikt voor koper, messing, Cu-W-legeringen, Ag-W-legeringen en grafiet),

(ii) Gieten (gebruikt voor spuitgietlegeringen op Zn-basis, Zn-Sn-legeringen en Al-legeringen),

(iii) Metaalspuiten,

(iv) Persvorming.

Stroomgaten zijn normaal gesproken voorzien voor de circulatie van het diëlektricum, en deze gaten moeten zo groot mogelijk zijn voor ruwe sneden om grote stroomsnelheden bij een lage druk mogelijk te maken.

c. Diëlektrische vloeistoffen:

De basisvereisten van een ideale diëlektrische vloeistof zijn:

(i) Lage viscositeit,

(ii) Afwezigheid van giftige dampen,

(iii) Chemische neutraliteit,

(iv) Afwezigheid van ontstekingsneiging,

(v) Lage kosten.

Het gewone water bezit bijna al deze eigenschappen, maar omdat het roest in het werk en de machine veroorzaakt, wordt het niet gebruikt. Een andere reden waarom water niet wordt aanbevolen, is de volgende. De elektroden hebben constant een potentiaalverschil en vanwege de goede geleidbaarheid van water begint het ECM-proces het werkstuk te vervormen. Bovendien gaat er stroom verloren. In sommige gevallen wordt echter gedeïoniseerd water gebruikt.

Het meest gebruikte type vloeistof is koolwaterstof (aardolie) olie. Kerosine, vloeibare paraffine en siliconenoliën worden ook gebruikt als diëlektrische vloeistoffen.

---

6. Effecten van EDM op metalen oppervlakken:

De hoge temperatuur die door de vonken wordt gegenereerd, veroorzaakt het smelten en verdampen van het metaal en uiteraard beïnvloedt deze hoge temperatuur de eigenschappen van de ondiepe lagen (2,5-150 m) van het bewerkte oppervlak.

De buitenste laag wordt snel afgekoeld en is daardoor erg hard. De laag direct daaronder is in een wat getemperde toestand. Figuur 6.67 toont de variatie van hardheid met diepte voor zowel ruwe als nabewerkte EDM-bewerkingen op staal. Het is duidelijk dat bij de nabewerking een dergelijke verharding niet prominent aanwezig is. De buitenste laag is echter getemperd en de hardheid is laag.

De uitharding van de oppervlaktelaag tijdens de EDM-bewerking zorgt voor een betere slijtvastheid. De vermoeiingssterkte neemt echter af door de microscheurtjes die tijdens het koelen in de oppervlaktelaag ontstaan. Figuur 6.68 toont de vergelijking tussen de vermoeiingssterkte van identieke onderdelen geproduceerd door conventioneel frezen en EDM. De eigenschappen van de dunne oppervlaktelagen hebben niet veel invloed op de treksterkte. Hun structuur wordt getransformeerd en door de vonken verandert hun chemische samenstelling tot op zekere hoogte. Deze verminderen over het algemeen de erosieweerstand.

---

7. Kenmerken van EDM:

---