SYSTEM HYBRYDOWEGO ELEKTROEROZYJNO- ELEKTROCHEMICZNEGO WYTWARZANIA MIKROELEMENTÓW (Informacja o wynikach projektu rozwojowego NR

Transkrypt

1 Ruszaj A. System hybrodowego elektroerozyjno-elektrochemicznego wytwarzania mikroelementów (System of hybrid electrodischarge - electrochemical microdetails manufacturing); Świat Obrabiarek i Narzędzi = The World of Machine Tools & Tools. 2014, R. 9, Nr 11-12, pp SYSTEM HYBRYDOWEGO ELEKTROEROZYJNO- ELEKTROCHEMICZNEGO WYTWARZANIA MIKROELEMENTÓW (Informacja o wynikach projektu rozwojowego NR ) Adam Ruszaj 1 System hybrydowego elektroerozyjno-elektrochemicznego wytwarzania mikroelementów został opracowany w Instytucie Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej w ramach Projektu rozwojowego NR Projekt był finansowany przez NCBiR. Zespół głównych wykonawców: prof. dr hab.inż. Adam Ruszaj - kierownik Projektu, prof. dr hab. inż. Józef Gawlik, prof. dr hab.inż. Jerzy Kozak, dr hab. inż. Krzysztof Karbowski (prof. PK), dr hab. inż. Sebastian Skoczypiec, dr inż. Piotr Lipiec, dr inż. Maria Chuchro, dr inż. Dominik Wyszyński, dr inż. Magdalena Niemczewska Wójcik. 1. Wprowadzenie W wytwarzaniu maszyn i urządzeń w coraz większym zakresie stosowane są niekonwencjonalne metody do wytwarzania mikro, mezo i makro elementów [3, 4, 5, 6, 7]. Mikroelementy wytwarzane są zwykle z wykorzystaniem większości znanych metod: od obróbki skrawaniem i obróbki plastycznej przez metody erozyjne do metod przyrostowych. Coraz większe zastosowanie w wytwarzaniu mikroelementów znajduje obróbka elektrochemiczna i elektroerozyjna. Mikroelementy czyli zwykle obiekty o przynajmniej jednym wymiarze z przedziału: 100 nm 1 mm - znajdują zastosowanie między innymi w członach wykonawczych MEMS (tzw. aktuatorach), których rynek rośnie w tempie 17-20% od lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku. W wytwarzaniu mikroelementów stosowane są zarówno metody ubytkowe jak i przyrostowe. Z uwagi na wciąż rosnący rynek MEMS konieczne jest opracowywanie racjonalnych technologii produkcji masowej. Istotne znaczenie mają tutaj procesy obróbki plastycznej, odlewanie oraz metody elektroformowania. Z kolei takie procesy jak obróbka elektroerozyjna i elektrochemiczna są mniej wydajne ale sprawdzają się w wytwarzaniu mikronarzędzi: mikro-kokil, mikro-form, czy mikro-matryc z materiałów metalowych. Obecnie stosuje się wiele procesów wykorzystujących różne zjawiska do kształtowania mikroelementów. Są to między innymi procesy w których element kształtowany jest w wyniku: działania sił mechanicznych: skrawanie, szlifowanie, obróbka ultradźwiękowa, obróbka plastyczna; topienia i parowania: obróbka elektroerozyjna (EDM), laserowa (LBM) czy elektronowa (EBM), roztwarzania i osadzania elektrochemicznego: obróbka elektrochemiczna (ECM), elektroformowanie (EF), zmiana stanu skupienia: 1 Informację o wynikach projektu przygotował prof. dr hab. inż. A. Ruszaj kierownik Projektu na podstawie, sprawozdania i raportu z realizacji projektu oraz wybranych publikacji opracowanych na podstawie badań zrealizowanych w Projekcie. Kontakt z Kierownikiem Projektu: al. Jana Pawla II37, Kraków, POLAND; ruszaj@mech.pk.edu.pl; tel.: ; ; kom.:

2 odlewanie, wypełnianie formy metodą wtrysku, dodawania kejnych porcji materiału (warstwy, krople): stereolitografia, selektywne spiekanie laserowe itp.. Istotną rolę, szczególnie w produkcji masowej, odgrywają procesy obróbki plastycznej, odlewania wytwarzania metodą wtrysku. W tych procesach niezwykle istotnym zagadnieniem, jest wytwarzanie mikronarzędzi (mikro: formy, matryce, tłoczniki, wykrojniki, stemple itp.). W coraz większym zakresie znajdują tutaj zastosowanie obróbka elektrochemiczna i elektroerozyjna. Możliwości racjonalnego wykorzystania tych metod w wytwarzaniu elementów z materiałów przewodzacych prąd elektryczny zostaną przedstawione poniżej. Aby ułatwić interpretację wyników Projektu najpierw przedstawiono podstawowe informację o procesach EDM i ECM. 2. Charakterystyka obróbki elektroerozyjnej W obróbce elektroerozyjnej (EDM) naddatek jest usuwany z przedmiotu obrabianego w wyniku zjawisk towarzyszącym wyładowaniom elektrycznym (wydzielanie ciepła, wzrost temperatury, parowanie, topienie i rozrywanie materiału) w obszarze pomiędzy przedmiotem obrabianym a elektrodą roboczą (Rys.1) [3, 4, 7]. Rys. 1. Schemat drążenia elektroerozyjnego: 1 elektroda robocza, 2 przedmiot obrabiany, 3 - wanna wypełniona dielektrykiem, v f (t) prędkość przesuwu elektrody [7]. Szczelina międzyelektrodowa wypełniona jest cieczą dielektryczną, której zadaniem jest zapewnienie odpowiednich warunków do zachodzenia wyładowań elektrycznych oraz usuniecie produktów erozji (cząsteczki ponownie zakrzepłego materiału) z przestrzeni międzyelektrodowej. Mechanizm usuwania naddatku, oparty na topieniu i parowaniu materiału obrabianego, powoduje, że obróbka elektroerozyjna jest racjonalną alternatywą dla kształtowania elementów wykonanych z materiałów trudno obrabialnych metodami skrawania: stale stopowe, węgliki spiekane, stopy o wysokiej wytrzymałości, super twarde materiały przewodzące prąd elektryczny (np. materiały kompozytowe na osnowie metalicznej, ceramika). Obróbka elektroerozyjna umożliwia wykonywanie z tych materiałów skomplikowanych, swobodnych powierzchni z wysoką dokładnością (nawet do 2 μm) co powoduje, że powszechnie jest stosowana np. do wytwarzania narzędzi i mikro-narzędzi: form wtryskowych czy matryc. Ograniczenia w stosowaniu tej metody to: brak możliwości obróbki materiałów nieprzewodzących prądu elektrycznego, stosunkowo mała wydajność obróbki, zużycie elektrody roboczej, występowanie na powierzchni obrabienej warstwy wpływów cieplnych, ograniczenia kształtu i wymiarów wewnętrznych z uwagi na wymagany

3 kształt i wymiary elektrody-narzędzia. Wytwarzanie mikroelementów metodą EDM można realizować w operacjach drążenia, wiercenia, wycinania drutem oraz frezowania (obróbka uniwersalną elektrodą). 3. Charakterystyka obróbki elektrochemicznej W obróbce elektrochemicznej naddatek usuwany jest atom po atomie w wyniku reakcji elektrochemicznych zachodzących w warstwach przyelektrodowych zgodnie z prawami Faraday a i Ohm a, co sprzyja osiągnięciu dużej wydajności obróbki przy małej chropowatości powierzchni i braku zużycia narzędzia (Rys.2) [3, 4, 5, 7]. Na powierzchni anody zachodzi reakcja jonizacji jej atomów. Jony pod wpływem sił pola elektrycznego dyfundują w głąb szczeliny międzyelektrodowej gdzie wchodzą w kolejne reakcje tworząc ostatecznie nierozpuszczalne wodorotlenki, które są usuwane ze szczeliny przez przepływajacy elektrolit. Taki sposób usuwania naddatku nie zmienia istotnie właściwości warstwy wierzchniej w stosunku do rodzimego materiału. Siły mechaniczne działające na elektrody wynikają z ciśnienia przepływajacego przez szczeline elektrolitu i mogą osiagać istotne wartości w przypadku obróbki dużych powierzchni. Na powierzchni katody zachodzi równoważna (do reakcji anodowych) reakcja elektrochemiczna dejonizcji jonów wodoru, które tworzą ostatecznie pęcherzyki i usuwane są ze szczeliny przez przepływajacy elektrolit. Dlatego w obróbce elektrochemicznej narzędzie (elektroda robocza - katoda) nie ulegą zużyciu. Rys. 2. Schemat drążenia elektrochemicznego wyjaśniający mechanizm obróbki elektrochemicznej w wodnym roztworze NaNO 3, ȹ k spadek potencjału w warstwie przykatodowej, ȹ a spadek potencjału w warstwie przyanodowej; 1 elektroda robocza (katoda wykonana np. z Cu), 2 przedmiot obrabiany - Fe, s grubość szczeliny międzyelektrodowej, U napięcie międzyelektrodowe, v f prędkość przesuwu elektrody roboczej [7]. W obróbce elektrochemicznej dokładność jest mniejsza niż w obróbce elektroerozyjnej, ponieważ obok nieokreśloności położenia narzędzia w stosunku do przedmiotu obrabianego występuje zjawisko delokalizacji reakcji elektrochemicznych. Można to uzasadnić tym, że w obróbce elektroerozyjnej dla zadanych parametrów występuję pewna graniczna grubość szczeliny międzyelektrodowej, powyżej której wyładowania elektryczne nie zachodzą i naddatek z tych fragmentów powierzchni nie jest usuwany. Natomiast w obróbce elektrochemicznej nawet dla dużej grubości szczeliny międzyelektrodowej (~1-2 mm) prąd przepływa przez całą powierzchnię zanurzoną w elektrolicie i będącą w zasięgu pola elektrycznego. Na tej powierzchni zachodzą reakcje elektrochemiczne, w wyniku których jest usuwany jest naddatek. Powoduje to rozmycie kształtu przedmiotu obrabianego i

4 zmniejszenie dokładności. Efekt ten można znacznie osłabić przez zastosowanie napięcia impulsowego. Wytwarzanie mikroelementów metodą ECM można realizować podobnie jak w EDM w operacjach drążenia, wiercenia, wycinania drutem (mikroelementów) oraz frezowania (obróbka uniwersalną elektrodą). 4. Sekwencyjna elektrochemiczno elektroerozyjna technologia wytwarzania mikroelementów. Z uwagi na to, że pomiędzy obróbką elektroerozyjną i elektrochemiczną istnieje podobieństwo pod względem kinematycznym a urządzenia składają się z analogicznych zespołów powstała koncepcja technologii i stanowiska do sekwencyjnej obróbki elektrochemiczno elektroerozyjnej [3, 4, 5]. Rys.1. Schemat sekwencyjnej obróbki elektroerozyjno elektrochemicznej [3, 4, 5]. Koncepcja sekwencyjnej realizacji obróbki ma na celu ominiecie wad EDM i ECM oraz wykorzystanie ich zalet. Na przykład w pierwszym etapie obróbki usuwana jest elektrochemicznie z duża wydajnością 60 80% naddatku obróbkowego przy dokładności rzędu μm, pozostała część naddatku usuwana jest w kolejnej operacji elektroerozyjnie z dokładnością 1 5 μm (Rys. 1). Zasadniczym efektem tej sekwencji jest radykalne skrócenie całkowitego czasu obróbki, gdyż wydajność właściwa 3D-ECM (Electrochemical Machining) jest nawet krotnie większa od wydajności 3D-EDM (Electrodischarge Machining) oraz uzyskanie większej niż w ECM dokładności. Należy przypomnieć, że w 3D-ECM nie występuje zużycie elektrody roboczej. Dlatego procesy ECM i EDM mogą być realizowane są ta samą elektrodą-narzędziem. Oczywiście pomiędzy operacjami konieczna jest przerwa na przełączyenie układy obiegu cieczy roboczej (elektrolit > dielektryk) oraz generatory impulsów napięcia (ECM >EDM). W przypadkach, w których powierzchnia po obróbce powinna charakteryzować się małą chropowatością i brakiem zmian cieplnych w warstwie wierzchniej, końcowym etapem sekwencji powinna być obróbka elektrochemiczna (ECM > EDM > ECM lub EDM > ECM). Kryteria wyboru sekwencji to np. maksymalna wydajność lub maksymalna dokładność przy wymaganych właściwościach warstwy wierzchniej. Urządzenie umożliwiające taką realizację obróbki w skali mikro przedstawia Rys.2. Aczkolwiek koncepcja sekwencyjnej obróbki elektroerozyjno elektrochemicznej sprawdza się również w skali mezo i makro.

5 5. Wyniki projektu rozwojowego Projekt rozwojowy pt. System hybrydowego elektroerozyjno-elektrochemicznego wytwarzania mikroelementów dotyczył przede wszystkim opracowania podstaw wytwarzania mikroelementów obróbką elektrochemiczną, elektroerozyjną oraz nowej technologii polegającej na zastosowaniu sekwencji dwu zabiegów, a mianowicie mikroobróbki elektrochemicznej (ECMM) i mikroobróbki elektroerozyjnej (EDMM) w odpowiednio dobranej sekwencji [1, 2, 3, 4, 5]. W zabiegu ECMM usuwanie materiału odbywa się roztwarzaniem elektrochemicznym w elektrolicie natomiast w zabiegu EDMM erozją elektryczną podczas wyładowań elektrycznych w dielektryku. Połączenie obu obróbek w procesie pozwala w znacznym stopniu wyeliminować ich wady a jednocześnie w pełni wykorzystać ich zalety, co w efekcie prowadzi do istotnego podwyższenia wskaźników technologicznych obróbki oraz wskaźników użytkowych wyrobu. W wyniku przeprowadzonych prac teoretycznych oraz doświadczalnych zaprojektowano i wykonano prototyp obrabiarki do realizacji hybrydowej mikrotechnologii EC/EDMM (Rys.1), który umożliwia realizację następujących operacji wytwarzania mikroelementów: obróbka elektrochemiczna i elektroerozyjna uniwersalną elektrodą walcową (frezowanie), drążenie elektrochemiczne i elektroerozyjne, wiercenie elektrochemiczne i elektroerozyjne, obróbka elektrochemiczna strumieniem elektrolitu, elektrochemiczne lub elektroerozyjne wytwarzanie narzędzi walcowych. Rys. 2. Pprototyp obrabiarki do hybrydowego elektroerozyjno-elektrochemicznego wytwarzania mikroelementów [wg 1, 3, 5].

6 Prototyp obrabiarki wyposażony został w skonstruowany i wykonany w ramach projektu prototyp generatora spełniającego wymagania związane z efektywna realizacją sekwencyjnej technologii elektrochemiczno elektroerozyjnej. Składa się on m.in. z: generatora do mikroobróbki elektroerozyjnej (EDMM), generatora do mikroobróbki elektrochemicznej (EDMM), regulatora szczeliny międzyelektrodowej w obróbce elektroerozyjnej oraz układu zasilania dla serwonapędów, pomp i wentylatorów. Generator zintegrowany jest z nadrzędnym sterownikiem oraz panelem operatorskim, który steruje poszczególnymi elementami systemu. Rys. 3. Przykład struktur trójwymiarowych wykonanych frezowaniem elektrochemicznym; parametry obróbki: czas impulsu t i = 1 µs, czas przerwy t p =10 µs, napięcie międzyelektrodowe U = 20 V, elektrolit 1% NaNO 3, prędkość przesuwu ER v p =50 µm/min, prędkość obrotowa ER 500 1/min, średnica ER 0,4 mm;[wg.1]. Przeprowadzone badania doświadczalne zostały ukierunkowane na wyznaczenie powiązań parametrów procesu mikrokształtowania elektrochemicznego i elektroerozyjnego ze wskaźnikami użytkowymi obróbki. Uzyskane wyniki pozwoliły na przeprowadzenie badań sekwencji obróbki elektrochemicznej i elektroerozyjnej. Wykonano m.in. próby obróbki sekwencyjnej w kinematyce frezowania oraz drążenia elektrochemicznego i elektroerozyjnego (Rys. 3). a) b) c)

7 Rys.3. Zdjęcie wgłębienia wykonanego w zabiegu drążenia elektrochemicznego (a), drążenia elektroerozyjnego (b) oraz w sekwencji zabiegów drążenia elektrochemicznego i elektroerozyjnego (c) oraz porównanie czasu wykonania poszczególnych wgłębień [1, 3] Rys. 4. Porównanie czasu wykonania w operacjach: ECMM, EDMM oraz sekwencyjnie EDMM>EDMM [wg 1, 3, 5]. Przeprowadzone badania potwierdziły następujące zalety opracowanej technologii: zastosowanie sekwencji ECMM >EDMM pozwala na istotne skrócenie całkowitego czasu obróbki w stosunku do mikrokształtowania elektroerozyjnego, uzyskane w wyniku sekwencji ECMM>EDMM mikrostruktury charakteryzują się średnim promieniem zaokrąglenia krawędzi zbliżonym do kształtowania elektroerozyjnego (ponad dwukrotnie mniejsza wartość niż po ECMM), w przypadku zastosowania sekwencji ECMM>EDMM w operacjach drążenia, wpływ zużycia ER w zabiegu drążenia elektroerozyjnego na kształt przedmiotu obrabianego jest pomijalny. Opracowano również podstwy komputerowego wspomagania projektowania technologii frezowania elektrochemicznego (3D-ECMM) i elektroerozyjnego (3D-EDMM). Obejmują one

8 wytyczne związane z projektowaniem trajektorii narzędzia w obu wchodzących w skład sekwencji zabiegach. zasady kompensacji zużycia elektrody roboczej w zabiegu frezowania elektroerozyjnego, oprogramowanie do symulacji mikrokształtowania 3D-ECMM, 3D-EDMM i sekwencji procesów 3D-ECMM>3D-EDMM. Oprogramowanie możliwa wymianę danych pomiędzy pakietami CAD/CAM w celu np. weryfikacji poprawności zaprojektowanej trajektorii narzędzia lub analizy dokładności obróbki dla zadanych parametrów technologicznych. moduł CAM do projektowania trajektorii ER zgodnie z wymaganiami kompensacji zużycia elektrody w procesie 3D-EDMM. Opracowana technologia sewkencyjnej obróbki elektrochemiczno elektroerozyjnej może być efektywnie wykorzystana w produkcji narzędzi do mikroformowania, prototypów oraz krótkich serii mikroelementów. 6. Podsumowanie W ramach Projektu przeprowadzono analizę zjawisk zachodzących w obszarze obróbki elektrochemicznej (ECM) i elektroerozyjnej (EDM), uściślono modele matematyczne tych procesów, opracowano oprogramowanie do symulacji i przeprowadzono symulacje badanych procesów, opracowano urządzenia, na których można realizować operacje: drążenia elektrochemicznego, frezowania elektrochemicznego, drążenia elektroerozyjnego, frezowania elektroerozyjnego, wytwarzania elementów stosując sekwencje operacji elektrochemicznych (drążenie lub frezowanie) i elektroerozyjnych (drążenie lub frezowanie), co umożliwia uzyskanie istotnie większej niż w wydajności, wysokiej dokładności wymiarowej oraz dobrej jakości warstwy wierzchniej. Po wyposażeniu wyżej wymienionych urządzeń w dodatkowe oprzyrządowanie, generatory i narzędzia możliwe jest również wytwarzania elementów stosując takie procesy hybrydowe jak: obróbka elektrochemiczno-elektroerozyjna, obróbka elektrochemiczno ścierna i elektroerozyjno ścierna co zdecydowanie rozszerza możliwości technologiczne tych urządzeń. Urządzenia opracowane w ramach Projektu omozliwiają obróbkę mikro i mezo elementów, ale mogą stanowić również podstawę do opracowania obrabiarek do wytwarzania makroelementów. Wyniki analizy zjawisk zachodzących w obszarze obróbki, oprogramowanie do symulacji komputerowej procesów ECM i EDM oraz baza danych doświadczalnych ułatwią rozwiązanie dowolnego specjalnego problemu technologicznego z zakresu obróbki EDM i ECM; również z uwzględnieniem procesów sekwencyjnych i hybrydowych.

9 Dlatego z pełnym przekonaniem zapraszmy do współpracy przedsiebiorstwa przemysłowe oraz instytucje prowadzące prace badawcze. 7. Podziękowania Kierownik Projektu oraz Zespół Wykonawców wrażają podziękowanie NCBiR za finansowanie projektu badawczego rozwojowego: NR03 006o 10/2011, w ramach którego opracowano System hybrydowego elektroerozyjno-elektrochemicznego wytwarzania mikroelementów. Kierownik Projektu dziekuje Kolegom z Zespołu Wykonawców za zaangazowanie, odpowiedzialność, duży wkład merytoryczny i ogólnie bardzo dobrą współpracę przy realizacji Projektu. LITERATURA 1. RUSZAJ A i ZESPÓŁ WYKONAWCÓW, Sprawozdanie merytoryczne z projektu rozwojowego pt. System hybrydowego elektroerozyjno-elektrochemicznego wytwarzania mikroelementów; Redaktor sprawozdania: dr inż. PIOTR LIPIEC. Sprawozdanie niepublikowane, SKOCZYPIEC S., Syntetyczny opis wyników projektu w formie oferty dla przedsiębiorstw wchodzący w skład Raportu końcowego z projektu, Raport nie publikowany, SKOCZYPIEC S., Elektrochemiczne metody wytwarzania mikroelementów, Wydawnictwa Politechniki Krakowskiej, Seria Monografie Nr 426, Monografia Habilitacyjna załącznik do Sprawozdania merytorycznego z Projektu rozwojowego [1], Kraków 2013, 4. RUSZAJ A., SKOCZYPIEC S., Kształtowanie mikroelementów obróbką elektrochemiczną i elektroerozyjną, Jubileuszowa Sesja Naukowa POSTĘPY W KSZTAŁTOWANIU UBYTKOWYM MATERIAŁÓW połączona z 80-leciem urodzin i 55=leciem działalności naukowej prof. zw, dr inż. dr h. c. Kazimierza.E. Oczosia, Rzeszów 25 listopada 2011 r. w: Mechanik Nr 12,, 2011, str, XX-XIII. 5. SKOCZYPIEC S., RUSZAJ A., A squentional electrochemical electrodischarge process for microparts manufacturing; Precision Engineering Volume 38, Issue 3, July 2014, RUSZAJ A., Charakterystyka współczesnych procesów wytwarzania elementów maszyn i narzędzi, Świat Obrabiarek i Narzędzi, Nr , str RUSZAJ A., Niekonwencjonalne metody wytwarzania elementów maszyn i narzędzi, Wydawnictwo IOS, Seria Monografie, Kraków 1999.