Wysokowydajne drążenie elektroerozyjne małych otworów w kompozytach metaliczno-ceramicznych

Transkrypt

1 Łukasz Sosinowski, Marek Rozenek rzeglad Welding Technology Review Wysokowydajne drążenie elektroerozyjne małych otworów w komozytach metaliczno-ceramicznych High-erformance Electrical Discharge Machining of small hole in metallic ceramic comosites Streszczenie W artykule rzedstawiono wyniki badań wływu materiału elektrody roboczej na wysokowydajną obróbkę elektroerozyjną. W badaniach uwzględniono dwa czynniki wejściowe: czas imulsu t on oraz zmianę ciśnienia dielektryka, rzy ustalonych ozostałych arametrach obróbki EDM. Obrabiano materiał komozytowy SIC-Ni o zawartości 20% węglika krzemu, elektrodami rurkowymi jednokanałowymi i wielokanałowymi wykonanymi z mosiądzu i miedzi. Uzyskano wyniki liczbowe szeregu arametrów charakteryzujących owierzchnię obrobioną, które ozwoliły na sformułowanie wniosków dotyczących obróbki tego materiału. Słowa kluczowe: drążenie elektroerozyjne; elektrody rurkowe; materiały komozytowe; struktura geometryczna owierzchni Abstract The aer resents the result of the influence of the working electrode material on high erformance Electrical Discharge Machining. In the studies been taken into account two inut factors: imulse time t on and ressure change of the dielectric, at the fixed others arameters of Electrical Discharge Machining. Comosite material SiC-Ni with 20% silicon carbide, single-channel and multi-channel tubular electrodes made of brass and coer were machined. Getting the numerical results of arameters characterizing the machined surface, which allowed us to formulate roosals for the machining of these materials. Keywords: Electrical Discharge Machining; tubular electrodes; comosite materials; geometric structure of surface Wrowadzenie W obróbce elektroerozyjnej (EDM) naddatek jest usuwany z rzedmiotu obrabianego w wyniku zjawisk towarzyszącym wyładowaniom elektrycznym (wydzielanie cieła, wzrost temeratury, arowanie, toienie i rozrywanie materiału) w obszarze między rzedmiotem obrabianym a elektrodą roboczą. Szczelina międzyelektrodowa wyełniona jest cieczą dielektryczną, której zadaniem jest m.in. usunięcie roduktów erozji z rzestrzeni międzyelektrodowej. Twardość materiału obrabianego nie wływa na rzebieg rocesu, a siły wystęujące między narzędziem a materiałem są znikome. W związku z tym, obróbka elektroerozyjna jest racjonalną alternatywą rzy kształtowaniu elementów wykonanych z materiałów trudno obrabialnych klasycznymi metodami tj.: utwardzona stal, węgliki, stoy o wysokiej wytrzymałości, suer twarde materiały rzewodzące rąd elektryczny (n. materiały komozytowe na osnowie metalicznej, ceramika) [1 3]. Obróbka ta umożliwia także drążenie głębokich otworów, gdzie stosunek średnicy do głębokości jest znacznie mniejszy niż 1:10. Podczas wiercenia elektroerozyjnego elektroda robocza ełni funkcję wiertła, wykonując ruch osuwowy oraz obrotowy. Do mikrowiercenia metodą elektroerozyjną stosowane są elektrody rurkowe (dielektryk jest dostarczany orzez otwór) [4]. Podczas wiercenia elektroerozyjnego elektrodą w kształcie rurki, zużycie wystęuje na długości (tzn. nastęuje skrócenie elektrody) oraz ścianach bocznych [5,6]. W wyniku takiego zużycia elektrody roboczej wywiercony otwór ma kształt stożka. Wysokie zużycie elektrody ma wływ także a stabilność, dokładność oraz wydajność rocesu. Możliwość wiercenia głębokich otworów jest ograniczona jedynie rzez gromadzenie na dnie otworu roduktów obróbki, co owoduje nierawidłowe wyładowania, szczególnie gdy otwór jest wiercony głęboko. Również owstające odczas rocesu ęcherzyki gazowe, blokujące włynięcie dielektryka do obszaru obróbki, mogą ograniczać smukłość otworu [7,8]. Jednak w rzyadku wiercenia głębokich mikrootworów w metalu, mikrowiercenie elektroerozyjne stanowi jedną z najbardziej efektywnych metod. W rzyadku mikroobróbki elektroerozyjnej możliwe jest uzyskanie mikrokształtów z wysoką dokładnością (mniejszą niż 5 µm) i dobrą jakością owierzchni (z chroowatością R a mniejszą niż 0,1 µm). Wykonane otwory, rzy zastosowaniu mikrowiercenia elektroerozyjnego, Mgr inż. Łukasz Sosinowski; dr hab. inż. Marek Rozenek, rof. PW Politechnika Warszawska. Autor koresondencyjny/corresonding author: lukasz.sosinowski@w.l 21

2 mają regularny kształt oraz wysoką dokładność owierzchni bez zadziorów. Jednak arametry obróbki zaewniające owyższe wskaźniki technologiczne, rzyczyniają się do niskiej wydajności rocesu i znacznego zużycia narzędzia [9]. Do nowoczesnych siekanych materiałów narzędziowych, o szybko rosnącym znaczeniu w technologii obróbki skrawaniem należą cermetale narzędziowe. Cermetale to materiały komozytowe siekane z materiałów ceramicznych i metalowych. Metal jest zwykle soiwem dla tlenków, borków lub węglików. Używane metale to zwykle nikiel, molibden i kobalt. Cermetale, odobnie jak inne siekane materiały narzędziowe, n. węgliki siekane, wytwarzane są metodą metalurgii roszków. Formowanie jest najczęściej rzerowadzane rzez jednoosiowe rasowanie, natomiast siekanie, zależnie od składu chemicznego, rzebiega w temeraturze C (z udziałem fazy ciekłej) w iecu różniowym. W celu oleszenia własności (zmniejszenia orowatości sieku) stosowane jest izostatyczne siekanie na gorąco HIP (ang. Hot.Isostatic.Pressing). Dla siekanych cermetali narzędziowych tyową jest struktura rdzeniowo-łaszczowa będąca nośnikiem twardości, owodująca, że cermetale są niewrażliwe na rozrost ziaren odczas siekania, uzyskując w efekcie drobnoziarnistą strukturę [1]. Struktura geometryczna owierzchni jest jednym z ważniejszych czynników decydujących, o jakości uzyskiwanych wyrobów. Wływa na własności eksloatacyjne elementów maszyn wyrażone m.in. rzez warunki tarcia na owierzchniach stykowych, narężenia stykowe, wytrzymałość zmęczeniową, odorność na korozję, szczelność ołączeń, owierzchniowe romieniowanie cielne czy własności magnetyczne. Strukturę geometryczną owierzchni (SGP) określa się zbiorem wszystkich nierówności, owstałych w wyniku rocesów obróbki i zużycia materiału. Przyjmuje się odział (SGP) na składowe: chroowatość owierzchni, falistość owierzchni i odchyłki kształtu. Podział ten oarty jest na roorcjach wysokości i długości fali nierówności. Pierwsza składowa jest uznawana za jeden z najistotniejszych wyróżników stanu warstwy wierzchniej (WW). Czynnik ten wływa na rzebieg odstawowych zjawisk tribologicznych elementów wsółracujących węzła kinematycznego [10 12]. Metodyka badań doświadczalnych Do badań wytyowano materiał komozytowy (SiC-Ni) o zawartości 20% węglika krzemu. Próbki rzed badaniami zostały wyszlifowane, a nastęnie za omocą secjalnych uchwytów ołączone ze sobą w akiet. Próby wiercenia elektroerozyjnego wybranego materiału zostały rzerowadzone w Zakładzie Obróbek Wykańczających i Erozyjnych Politechniki Warszawskiej. Wykonano je na drążarce elektroerozyjnej Charmilles Drill 20, widocznej na rysunku 1. Badania rzerowadzono z użyciem elektrod rurkowych (jedno i wielokanałowych), wykonanych z mosiądzu i miedzi, o średnicy zewnętrznej równej 1 mm. Jako dielektryk zastosowano wodę dejonizowaną, która była dostarczana do obszaru obróbki rzez kanały w elektrodzie roboczej (rys. 2). W badaniach uwzględniono dwa czynniki wejściowe, których wartości były zmienne w nastęujących rzedziałach: t on czas imulsu (19 99 µs), ciśnienie dielektryka (1 8 bar). Przyjęto nastęujące czynniki wyjściowe: liniowe zużycie elektrody roboczej (Z e), czas drążenia (t d), średnica wydrążonych otworów (d), chroowatość owierzchni wydrążonych otworów (R a). W celu obliczenia czynników wyjściowych zmierzono: długość elektrody roboczej rzed obróbką (h ) oraz długość Rys. 1. Drążarka elektroerozyjne Drill 20 firmy Charmilles Fig. 1. Hole drilling EDM Drill 20 Charmilles Comany elektrody roboczej o obróbce (h k). Liniowe zużycie elektrody roboczej (Z e) obliczono wg oniższego wzoru: Z e=h -h k (1) gdzie: h długość elektrody roboczej rzed obróbką; h k długość elektrody roboczej o obróbce. Natomiast rzyjętymi czynnikami stałymi, były: materiały obrabiane (materiał komozytowy WC-Ni o zawartości 20% WC), wysokość materiału obrabianego h m = 40 mm, elektrody rurkowe rzelotowe o średnicach zewnętrznych d e = 1 mm (jedno i wielokanałowe, z mosiądzu i miedzi) dielektryk (woda dejonizowana), amlituda natężenia rądu I (12 14 A), naięcie wyładowania U (40 45 V). a) b) Wływ dielektryka Materiał obrabiany Elektroda robocza Obrót elektrody roboczej Kanał Rys. 2. a) Schemat rzedstawiający drążenie elektroerozyjne z dostarczaniem dielektryka orzez kanał w elektrodzie roboczej, b) rzekrój elektrody roboczej jednokanałowej Fig. 2. a) Diagram showing the electrical discharge machining with dielectric suly through the channel in the working electrode, b) cross-section of the single-channel working electrode 22

3 Tablica I. Parametry obróbki zastosowane w badaniach Table I. The machining arameters used in the study Parametry wejściowe czas imulsu t on w rzedziale µs ciśnienie dielektryka 1 8 bar Parametry wejściowe ustalone naięcie wyładowania U amlituda natężenia rądu I V A Parametry wyjściowe zużycie elektrody Z e czas drążenia t d średnica wydrążonych otworów d chroowatość owierzchni R a Rys. 4. Zależność arametru chroowatości R a od ciśnienia dielektryka Fig. 4. Deendence of the surface roughness arameter R a from the dielectric ressure W tablicy I rzedstawiono arametry obróbki, z jakimi były realizowane badania. Pomiary chroowatości oraz średnicy wydrążonych otworów wykonano na rofilometrze Talysurf 10. Analiza wyników Analizując wyniki badań wływu czasu imulsu t on na chroowatość owierzchni (rys. 3), można stwierdzić, że dla wszystkich elektrod roboczych wraz ze wzrostem czasu imulsu t on wzrasta chroowatość owierzchni. Najkorzystniejsze wyniki osiąga się dla czasów imulsu t on w rzedziale od 19 µs do 59 µs. Widać także, że zmiana materiału i kształtu kanału dorowadzającego dielektryk rzez elektrodę roboczą wływa na chroowatość zarówno rzy zmianie czasu trwania imulsu t on, jak i zmianie ciśnienia roboczego. Analizując wykres wływu ciśnienia roboczego na chroowatość owierzchni (rys. 4) możemy także zauważyć, iż wraz ze wzrostem ciśnienia chroowatość obrabianej owierzchni maleje. Na odstawie analizy wływu czasu imulsu t on na średnice drążonego otworu d (rys. 5) można stwierdzić, że dla wszystkich elektrod roboczych wraz ze wzrostem czasu imulsu t on wzrasta średnica drążonego otworu d. Tak samo jak w orzednim rzyadku, zmiana materiału elektrody ma istotny wływ na średnice drążonego otworu d, zarówno rzy zmianie czasu imulsu t on, jak i ciśnienia roboczego. Patrząc na zależność średnicy drążonego otworu d od ciśnienia roboczego (rys. 6) widać, iż rzy wzroście ciśnienia roboczego średnice drążonych otworów d maleją. Rys. 5. Zależność średnicy drążonego otworu d [mm] od czasu imulsu t on Fig. 5. Deendence of the drilling hole diameter d [mm] from the imulse time t on Rys. 6. Zależność średnicy drążonego otworu d [mm] od ciśnienia dielektryka Fig. 6. Deendence of the drilling hole diameter d [mm] from the dielectric ressure Rys. 3. Zależność arametru chroowatości R a od czasu imulsu t on Fig. 3. Deendence of the surface roughness arameter R a from the imulse time t on Obserwując wływ czasu imulsu t on na zużycie elektrody Z e (rys. 7), można zaobserwować, że największy wływ na zużycie elektrody ma jej rodzaj, natomiast czas imulsu t on w ewnym stabilnym zakresie od 29 µs do 89 µs jest znikomy. Należy jednak zauważyć, że oza tym zakresem nastęuje gwałtowny wzrost zużycia elektrody Z e. Na odstawie zależności zużycia elektrody Z e od ciśnienia roboczego (rys. 8) widać, że w rzedziale od 1 do 5 barów wraz ze wzrostem ciśnienia roboczego wzrasta zużycie elektrody Z e. 23

4 Rys. 7. Zależność zużycia elektrody roboczej Z e od czasu imulsu t on Fig. 7. Deendence of the working electrode wear Z e from the imulse time t on Rys. 9. Zależność czasu drążenia t d od czasu imulsu t on Fig. 9. Deendence of the drilling time t d from the imulse time t on Rys. 8. Zależność zużycia elektrody roboczej Z e od ciśnienia dielektryka Fig. 8. Deendence of the working electrode wear Z e from the dielectric ressure Rys. 10. Zależność czasu drążenia t d od ciśnienia dielektryka Fig. 10. Deendence of the drilling time t d from the dielectric ressure Analizując wyniki badań wływu czasu imulsu t on na czas drążenia t d (rys. 9), można stwierdzić, że dla czasu imulsu t on wyższego niż 49 µs wraz ze wzrostem czasu imulsu t on skraca się czas drążenia td. Najkorzystniejszy wynik osiąga się dla czasu imulsu t on równego 39 µs. Patrząc natomiast na zależność czasu drążenia t d od ciśnienia roboczego (rys. 10), można zauważyć, że najkrótszy czas drążenia t d osiągnięty jest rzy ciśnieniu roboczym równym 4 bary. Z uzyskanych wyników badań wynika, że zastosowanie miedzi (w stosunku do mosiądzu), jako materiału na elektrody robocze owoduje wzrost: chroowatości owierzchni obrobionej oraz rozbicia bocznego (średnicy) otrzymywanego otworu. Jednakże zastosowanie miedzi, jako elektrody daje ozytywne skutki obróbki w ostaci skrócenia czasu drążenia i zużycia elektrody roboczej. Podsumowanie Na odstawie rzerowadzonych badań wływu czasu imulsu t on oraz ciśnienia dielektryka na chroowatość owierzchni, średnicę drążonych otworów d, czas drążenia t d oraz zużycie elektrody Z e, można sformułować nastęujące wnioski: wraz ze wzrostem czasu imulsu t on wzrasta chroowatość owierzchni; rzy wzroście ciśnienia roboczego chroowatość obrabianej owierzchni maleje; gdy wzrasta czas imulsu t on, średnica drążonych otworów d także wzrasta; rzy wzroście ciśnienia roboczego średnice drążonych otworów d maleją; w ewnym stabilnym zakresie od 29 µs do 89 µs czas imulsu t on nie wływa na zużycie elektrody Z e, natomiast oza tym zakresem zużycie elektrody Z e gwałtownie wzrasta; w rzedziale od 1 do 5 bar wraz ze wzrostem ciśnienia roboczego wzrasta zużycie elektrody Z e; gdy rośnie czas imulsu t on to skraca się czas drążenia t d; kiedy czas rzerwy między imulsami t jest większy bądź równy czasowi imulsu t on, zużycie elektrody Z e gwałtownie wzrasta; wraz ze wzrostem czasu rzerwy t wzrasta czas drążenia t d; zużycie elektrody Z e rośnie, gdy zwiększa się czas rzerwy t. 24

5 Literatura [1] Dobrzański L., Matula G.: Podstawy metalurgii roszków i materiały siekane, Oen Access Library, vol.8 (14), [2] Świercz R., Oniszczuk-Świercz D.: Wływ arametrów obróbki elektroerozyjnej na właściwości użytkowe stali o wysokiej rzewodności cielnej, Mechanik nr 1, s , [3] Świercz R., Oniszczuk-Świercz D.: Obróbka elektroerozyjna badanie imulsów elektrycznych naięcia i natężenia rądu, Mechanik nr 2, s , [4] El-Hofy H.: Advanced Machining Process. Nontraditional and hybirid machining rocess, Alexandria University, Egyt, [5] Sadło S., Dudek D.: Badania dokładności geometrycznej otworów drążonych metodą EDM, Mechanik nr 12, s , [6] Sadło S., Dudek D.: Badania wływu rzełukiwania szczeliny roboczej na efekty obróbki elektroerozyjnej (EDM), Mechanik nr 1, s , [7] Pham D.T., Ivanov A., Bigot S., Poov K., Dimov S.: An investigation of tube and rod electrode wear in micr EDM drilling, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Volume: 3, Issue: 1-2, , May [8] Jiazhong L., Guoqiang Y., Cong W., Xuejie G., Zuyuan Y.: Prediction of asect ratio of micro hole drilled by EDM, Journal of Mechanical Science and Technology 27 (1), , [9] Jahan M.P., Rahman M., Wongb Y.S.: A review on the conventional and microelectrodischarge machining of tungsten carbide, International Journal of Machine Tools & Manufacture 51, , [10] Świercz R., Oniszczuk-Świercz D.: Exerimental investigation of surface layer roerties of high thermal conductivity tool steel after electrical discharge machining, Metals, vol. 12, [11] Piekarski R., Zawora J.: Analiza orównawcza struktur geometrycznych owierzchni (SGP) o rocesie kulowania stali 42CrMo4 ze strukturą odniesienia żelaza armco, Przegląd Sawalnictwa vol. 83 (3), s , [12] Chmielewski T., Golański D.: Modelowanie numeryczne narężeń własnych w złączach Al2O3-Ti oraz Al2O3-(Ti+Al2O3) formowanych odczas natryskiwania detonacyjnego, Przegląd Sawalnictwa vol. 81, s ,