Elektrische ontladingsbewerking (EDM): Mechanica, principes en schakelontwerp uitgelegd

In dit artikel bespreken we de elektrische ontladingsbewerking (EDM):- 1. Inleiding tot elektrische ontladingsbewerking (EDM) 2. Mechanica van EDM 3. EDM schakelingen en werkingsprincipes (met diagram) 4. Oppervlakteafwerking en bewerkingsnauwkeurigheid 5. Rol van gereedschap elektrode en dielectrische vloeistoffen in EDM 6. Effecten van EDM op metaaloppervlakken 7. Kenmerken.

Inhoud:

1. Inleiding tot elektrische ontladingsbewerking (EDM)
2. Mechanica van EDM
3. EDM schakelingen en werkingsprincipes (met diagram)
4. Oppervlakteafwerking en bewerkingsnauwkeurigheid van EDM
5. Rol van gereedschap elektrode en dielectrische vloeistoffen in EDM
6. Effecten van EDM op metaaloppervlakken
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 sterk geholpen bij het bereiken van een economische bewerking van materialen met extreem lage bewerkbaarheid en moeilijke taken. Het proces van materiaalverwijdering door gecontroleerde erosie door een serie elektrische vonken, algemeen bekend als elektrische ontladingsbewerking, werd voor het eerst in de Oekraïne rond 1943 gestart. Sindsdien hebben onderzoek en ontwikkeling dit proces tot het huidige niveau gebracht.

Wanneer een ontlading plaatsvindt tussen twee punten van de anode en de kathode, smelt en verdampt de intense warmte die in de zone wordt gegenereerd de materialen in de vonkenzone. Voor het verbeteren van de effectiviteit, worden het werkstuk en het gereedschap ondergedompeld in een dielectrische vloeistof (koolwaterstof of mineraaloliën). Het is waargenomen dat als beide elektrodes van hetzelfde materiaal zijn gemaakt, de elektrode aangesloten op de positieve pool doorgaans sneller eroedeert. Om die reden wordt het werkstuk normaal de anode gemaakt. Een geschikte opening, bekend als de vonkengat, wordt gehandhaafd tussen het gereedschap en de werkstukoppervlakken.

De vonken worden gedaan ontladen bij een hoge frequentie met een geschikte bron. Aangezien de vonk optreedt op de plek waar het gereedschap en de werkstukoppervlakken het dichtst bij elkaar zijn en aangezien de plek na elke vonk verandert (vanwege de materiaalverwijdering na elke vonk), reizen de vonken over heel het oppervlak. Dit resulteert in een uniforme materiaalverwijdering over heel het oppervlak, en uiteindelijk voldoet het werkvlak aan het gereedschapsoppervlak. Dus produceert het gereedschap de vereiste indruk in het werkstuk.

Voor het handhaven van de vooraf bepaalde vonkengat, wordt doorgaans een servocontrole-eenheid gebruikt. De opening wordt gevoeld door de gemiddelde spanning erover en deze spanning wordt vergeleken met een vooraf ingestelde waarde. Het verschil wordt gebruikt om de servomotor te controleren. Soms wordt een stappenmotor in plaats van een servomotor gebruikt. Natuurlijk, voor zeer primitieve operaties, is een solenoïdecontrole ook mogelijk, en hiermee wordt de machine extreem goedkoop en eenvoudig te construeren.

De vonkfrequentie is normaal in het bereik 200-500.000 Hz, de vonkengat is van de orde van 0,025-0,05 mm. De piekspanning over de opening wordt in het bereik 30-250 volt gehouden. Een mrr tot 300 mm³/min kan met dit proces worden verkregen, de specifieke vermogen van de orde van 10 W/mm³/min. De efficiëntie en de nauwkeurigheid van de prestaties zijn verbeterd toen een gedwongen circulatie van de dielectrische vloeistof werd voorzien. De meest gebruikte dielectrische vloeistof is petroleum. Het gereedschap is doorgaans gemaakt van messing of een koperlegering.

2. Mechanica van EDM:

Figuur 6.52 toont de details van de elektrodenoppervlakken. Hoewel de oppervlakken glad kunnen lijken, zijn asperiteiten en onregelmatigheden altijd aanwezig, zoals aangegeven (in een overdreven manier, natuurlijk). Als resultaat varieert de lokale opening, en op een gegeven ogenblik is het minimum op één punt (zeg, A). Wanneer een geschikte spanning wordt opgebouwd over het gereedschap en het werkstuk (de kathode en de anode, respectievelijk), wordt een elektrostatisch veld van voldoende kracht gevestigd, wat koude emissie van elektronen van de kathode bij A veroorzaakt.

Deze bevrijde elektronen versnellen naar de anode. Na het verkrijgen van een voldoende snelheid, botsen de elektronen met de moleculen van de dielectrische vloeistof, breken ze in elektronen en positieve ionen. De zo geproduceerde elektronen versnellen ook en kunnen uiteindelijk de andere elektronen van de dielectrische vloeistofmoleculen losmaken. Uiteindelijk wordt een smalle kolom geïoniseerde dielectrische vloeistofmoleculen gevestigd bij A die de twee elektroden verbindt (wat een lawine van elektronen veroorzaakt, aangezien de geleidbaarheid van de geïoniseerde kolom erg groot is, wat normaal als een vonk wordt gezien).

Als resultaat van deze vonk wordt een compressieschokgolf gegenereerd en een zeer hoge temperatuur ontstaat 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 blast, wat resulteert in kleine krateren 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, wanneer de cyclus herhaald wordt, vindt de volgende vonk plaats bij B. Op deze manier dwalen de vonken over heel het elektrodenoppervlak en, uiteindelijk, resulteert het proces in een uniforme opening. Dus, afhankelijk van de negatieve elektrode vorm, wordt een indruk gecreëerd op de andere elektrode.

Over het algemeen is de snelheid van materiaalverwijdering van de kathode vergelijkbaar minder dan die van de anode om de volgende redenen:

(i) De impuls waarmee de stroom elektronen de anode treft is veel groter dan die door de stroom positieve ionen die op de kathode impingeren, hoewel de massa van een individueel elektron minder is dan die van de positieve ionen.

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

(iii) Een compressieve kracht wordt ontwikkeld op het kathodeoppervlak. Daarom wordt normaal het gereedschap aangesloten op de negatieve pool van de dc-bron.

Als het gereedschap stationair is ten opzichte van het werkstuk, neemt de opening toe naarmate de materiaalverwijdering vordert, wat een verhoogde spanning vereist om de vonken te initiëren. Om dit probleem te voorkomen, wordt het gereedschap gevoed met behulp van een servodrive die de grootte van de gemiddelde opening waarnemt en constant houdt.

In wat volgt, zullen we een theoretische bepaling van de materiaalverwijderingssnelheid tijdens elektrische ontladingsbewerking proberen. In zo doen, hoewel de kwantitatieve resultaten niet verkregen zullen worden, zullen 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 de diameter van de krater en de diepte te overwegen waar de smelttemperatuur wordt bereikt.

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

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

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

(iii) Behalve voor het deel van de warmtebron, is het elektrodenoppervlak geïsoleerd.

(iv) De snelheid van warmteinvoer blijft constant gedurende de ontladingsduur.

(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 warmteinvoer (cal), θ = temperatuur (°C), t = tijd (sec), k=thermische geleiding (cal/cm-sec-°C), α = thermische diffusiviteit (cm²/sec), t_d = ontladingsduur (sec), en θ_m = smelttemperatuur (°C).

Vanwege cirkelvormige symmetrie hangt de temperatuur op elk punt af van r en z. De vergelijking voor warmtegeleiding is –

Omdat, intuitief, kan worden gezien dat de diepte waartoe de smelttemperatuur bereikt het maximum is in het centrum, ligt ons belang in de oplossing bij r = 0. De temperatuur in een punt op de as aan het einde van de ontlading (aannemend dat de maximum temperatuur bereikt wordt bij t = t_d aangezien de warmteinvoer stopt op dit ogenblik) wordt gegeven door –

Dus is het duidelijk dat Z een indicatie geeft van het volume materiaal dat 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 elektrodematerialen. Figuur 6.54b geeft de werkelijke aard van variatie van het krater-volume met t_d voor verschillende vonkenergieën. De trends zijn redelijk vergelijkbaar.

Een belangrijk kenmerk dat uit deze resultaten duidelijk wordt, is dat de materiaalverwijdering erg laag is voor een kleine ontladingstijd en toeneemt met t_d. Dan, een piekwaarde bereikend, daalt het plotseling naar nul. Ook is vastgesteld dat het per ontlading verwijderde 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 geplottijd is zoals getoond in Fig. 6.55. Duidelijk is dat de mrr maximaal is wanneer de druk onder de atmosferische druk is, wat het belang van cavitatie toont.

Voor een ruwe schatting zijn empirische relaties ontwikkeld voor de materiaalverwijderingssnelheid tijdens EDM. Aangezien de grootte van de krater afhangt van de vonkenergie (aannemend dat alle andere condities onveranderd blijven), worden de diepte en diameter van de krater gegeven door –

In deze relatie hebben we gemiddelde vonkcondities aangenomen.

De mrr hangt ook sterk af van de circulatie van de dielectrische vloeistof. Zonder een gedwongen circulatie, smelten de slijtdeeltjes herhaaldelijk en herenigen zich met de elektrode. Figuur 6.56 toont de aard van de mrr-karakteristieken zonder en met een gedwongen circulatie van de dielectrische vloeistof.

Na de ontlading is voltooid, moet het dielectrische medium rond de laatste vonk worden toegestaan te de-ioniseren. Hiervoor moet de spanning over de opening onder de ontladingsspanning worden gehouden tot de de-ionisatie volledig is; anders begint de stroom weer te stromen door de opening op de locatie van de voorgaande ontlading. De tijd die nodig is voor een complete de-ionisatie hangt af van de energie vrijgegeven door de voorgaande ontlading. Een grotere energie vrijgave resulteert in een langere de-ionisatietijd.

3. EDM schakelingen en werkingsprincipes (met diagram):

Verschillende fundamenteel verschillende elektrische schakelingen zijn beschikbaar om de pulserende dc over de werk-gereedschap opening te leveren. Hoewel de operationele kenmerken verschillen, wordt in bijna alle dergelijke schakelingen een condensator gebruikt voor het opslaan van de elektrische lading voordat de ontlading plaatsvindt over de opening. De geschiktheid van een schakeling hangt af van de bewerkingscondities en vereisten.

De veelvoorkomende principes voor het leveren van de pulserende dc kunnen worden geclassificeerd in de volgende drie groepen:

(i) Weerstand-condensator relaxatieschakeling met een constante dc-bron.

(ii) Rotatie impuls generator.

(iii) Gecontroleerde puls schakeling.

(i) Weerstand-condensator relaxatieschakeling:

De weerstand-condensator relaxatieschakeling werd gebruikt toen de elektrische ontladingsmachines voor het eerst werden ontwikkeld. Figuur 6.57a toont een eenvoudige RC-schakeling. Zoals duidelijk is uit deze figuur, wordt de condensator C (die kan variëren) opgeladen via een variabele weerstand R door de dc-bron van spanning V₀.

De spanning over de opening (wat bijna hetzelfde is als die over de condensator) V varieert met de tijd volgens de relatie waar t de tijd aanduidt beginnend op het ogenblik V₀ wordt toegepast.

Dus, V zal V₀ asymptotisch benaderen, zoals getoond in Fig. 6.57b, als dit toegestaan zou worden. Als het gereedschap-werk opening en de dielectrische vloeistof zodanig zijn dat een vonk kan plaatsvinden wanneer de spanning over de opening een waarde V_d bereikt (algemeen bekend als de ontladingsspanning), zal een vonk optreden, de condensator volledig ontladen wanneer de spanning over de gereedschap-werk opening (V) V_d bereikt.

De ontladingstijd is veel kleiner (ongeveer 10%) dan de oplaadtijd en de vonkfrequentie (v) is benaderingsgewijs gegeven door de volgende vergelijking (aangezien de tijd vereist voor de-ionisatie ook heel klein is onder normale omstandigheden) –

Dus, voor maximale vermogenslevering, moet de ontladingsspanning 72% van de voedingspanning V₀ zijn.

Als we aannemen dat het per vonk verwijderde materiaal evenredig is met de per vonk vrijgegeven energie, dan kan de mrr worden uitgedrukt als –

(ii) Rotatie impuls generator:

De relaxatieschakeling voor vonkgeneratie, hoewel eenvoudig, heeft bepaalde nadelen. Van deze is een belangrijk nadeel dat de mrr niet hoog is. Voor het verhogen van de verwijderingssnelheid, wordt een impuls generator gebruikt voor vonkgeneratie. Figuur 6.59 toont het schematische diagram van zo'n systeem. De condensator wordt opgeladen via de diode tijdens de eerste helft cyclus. Tijdens de volgende helft cyclus, wordt de som van de spanningen gegenereerd door de generator en de opgeladen condensator toegepast op de werk-gereedschap opening.

De operationele frequentie is de frequentie van de sinusgolf generatie wat afhangt van de motorsnelheid. Hoewel de mrr hoger is, produceert zo'n systeem geen goede oppervlakteafwerking.

(iii) Gecontroleerde puls schakelingen:

In de twee systemen die we bespraken, is er geen voorziening voor een automatische preventie van de stroomstroom wanneer een kortsluiting ontstaat. Om zo'n automatische controle te bereiken, wordt een vacuümbuis (of een transistor) gebruikt als schakelapparaat. Dit systeem heet een gecontroleerde puls schakeling. Figuur 6.60 toont schematisch zo'n systeem. Tijdens vonken, komt de stroom die door de opening vloeit van de condensator.

Wanneer de stroom door de opening vloeit, is de klepbuis (VT) gepolariseerd om af te snijden en gedraagt zich als een oneindige weerstand. De biaspolarisatie wordt gedaan via een elektronische controle (EC). Zodra de stroom in de opening ophoudt, neemt de geleidbaarheid van de buis toe, wat de stroomstroom toelaat om de condensator voor de volgende cyclus op te laden.

De schakeling kan worden vereenvoudigd en de operationele stabiliteit verbeterd als de stroomstroom cyclisch met een opgelegde frequentie wordt toegestaan. Dit kan gedaan worden door de bias te controleren met de hulp van een oscillator. In dit geval is de condensator niet nodig. Figuur 6.61 toont zo'n schakeling, met een transistor.

4. Oppervlakteafwerking en bewerkingsnauwkeurigheid van EDM:

Aangezien de materiaalverwijdering in EDM wordt bereikt door de vorming van krateren door de vonken, is het duidelijk dat grote kratergrootte (vooral de diepte) resulteert in een ruw oppervlak. Dus de kratergrootte, die voornamelijk afhangt van de energie/vonk, controleert de kwaliteit van het oppervlak. Figuur 6.62 toont hoe H_rms (wortel gemiddelde kwadraat waarde van de oppervlakte oneffenheid) afhangt van C en V₀.

De kraterdiepte (h_c) kan benaderingsgewijs worden uitgedrukt in termen van de per vonk vrijgegeven energie (E) als –

De afhankelijkheid van de oppervlakteafwerking van de pulsenergie E en de vergelijking van de oppervlakteafwerking met die verkregen door conventionele processen worden aangegeven in Fig. 6.63. Veel inspanning is besteed aan het bepalen van een geschikte relatie tussen de snelheid van materiaalverwijdering en de kwaliteit van de oppervlakteafwerking. Maar een heel betrouwbare relatie van algemene toepasbaarheid is nog niet ontstaan. Echter, de mrr en de oppervlakte oneffenheid, bij het bewerken van staal onder normale condities, zijn benaderingsgewijs gerelateerd als –

Waarbij H_rms de wortel gemiddelde kwadraat van de oppervlakte oneffenheid in micron is en Q de materiaalverwijderingssnelheid in mm³/min.

De gedwongen circulatie van de dielectrische vloeistof is bevonden om de oppervlakteafwerking doorgaans te verbeteren. De dwarsdoorsnedes van het messing elektrodenoppervlak geproduceerd door EDM met en zonder de gedwongen circulatie (spanning 40 V, stroom 0,2 A, frequentie 1,12 kHz) worden getoond in Fig. 6.64. Het is duidelijk dat de gedwongen circulatie leidt tot een significante verbetering in de oppervlakteafwerking.

5. Rol van gereedschap elektrode en dielectrische vloeistoffen in EDM:

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

a. Gereedschap elektrode slijtage:

Tijdens de EDM-operatie, wordt de elektrode (nl., het gereedschap), zoals al vermeld, ook geërodeerd door de vonkactie. De materialen die goede elektrode slijtagekenmerken hebben, zijn dezelfde als die die doorgaans moeilijk te bewerken zijn. Een van de hoofdmaterialen gebruikt voor het gereedschap is grafit wat direct naar de dampfase gaat zonder te smelten. De slijtageverhouding (r_Q), gedefinieerd door de verhouding van het van het werk verwijderde materiaal tot het van het gereedschap verwijderde materiaal, wordt gevonden als gerelateerd aan r_θ (=smeltpunt van het werk / smeltpunt van het gereedschap) als –

b. Elektrode materiaal:

De selectie van het elektrode materiaal hangt af van de:

(i) Materiaalverwijderingssnelheid,

(ii) Slijtageverhouding,

(iii) Gemak van het vormgeven van de elektrode,

(iv) Kosten.

De meest gebruikte elektrodematerialen zijn messing, koper, grafit, Al legeringen, koper-wolfraam legeringen, en zilver-wolfraam legeringen.

De methoden gebruikt voor het maken van de elektroden zijn:

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

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

(iii) Metaal spuiten,

(iv) Persvormen.

Stroomgaten worden normaal voorzien voor de circulatie van de dielectrische vloeistof, en deze gaten moeten zo groot mogelijk zijn voor ruwe sneden om grote flowsnelheden bij lage druk toe te laten.

c. Dielectrische vloeistoffen:

De basisvereisten van een ideale dielectrische vloeistof zijn:

(i) Lage viscositeit,

(ii) Afwezigheid van giftige dampen,

(iii) Chemische neutraliteit,

(iv) Afwezigheid van ontbrandingsneiging,

(v) Lage kosten.

Gewoon water bezit bijna al deze eigenschappen, maar aangezien het roestvorming in het werk en de machine veroorzaakt, wordt het niet gebruikt. Een andere reden waarom water niet aanbevolen is, is als volgt. De elektroden zijn constant onder een bepaald potentiaalverschil, en door de goede geleidbaarheid van water, begint het ECM-proces het werkstuk te vervormen. Ook wordt vermogen verspild. Echter, in sommige gevallen wordt gedioniseerd water gebruikt.

Het meest gebruikte type vloeistof is koolwaterstof (petroleum) olie. Petroleum, vloeibare paraffine, en siliconoliën worden ook als dielectrische vloeistoffen gebruikt.

6. Effecten van EDM op metaaloppervlakken:

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

De uiterste laag wordt snel afgekoeld, en is daarom erg hard. De laag direct daaronder is in een enigszins aangelaten toestand. Figuur 6.67 toont de variatie van hardheid met diepte voor zowel ruwe als fijn EDM-operaties op staal. Het is duidelijk dat in fijn bewerking zo'n verharding niet prominent is. Echter, de buitenlaag is aangelaten en de hardheid is laag.

De verharding van de oppervlaktelaag tijdens de EDM-operatie geeft een betere slijtvaste eigenschap. Echter, de vermoeidheidskracht vermindert door de micro-kraken die zich in de oppervlaktelaag tijdens het afkoelen ontwikkelen. Figuur 6.68 toont de vergelijking tussen de vermoeidheidskracht van identieke onderdelen geproduceerd door conventioneel frezen en EDM. De eigenschappen van de dunne oppervlaktelagen hebben niet veel effect op de trekkracht. Hun structuur wordt getransformeerd en, door de vonken, verandert hun chemische samenstelling tot enige mate. Deze verminderen doorgaans de erosiebestendigheid.

7. Kenmerken van EDM: