MODELE SZCZELINY MIĘDZYELEKTRODOWEJ DLA OBRÓBKI ELEKTROEROZYJNEJ

Transkrypt

1 POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 86 Electrical Engineering 2016 Wojciech MYSIŃSKI* MODELE SZCZELINY MIĘDZYELEKTRODOWEJ DLA OBRÓBKI ELEKTROEROZYJNEJ Obróbka elektroerozyjna (ang. EDM - Electric Discharge Machining), jest powszechnie używana w obróbce materiałów twardych i bardzo twardych lub do wycinania/drążenia bardzo złożonych kształtów. Podstawą tego procesu jest kontrolowane wykorzystanie destrukcyjnego wpływu wyładowań elektrycznych, które zachodzą w szczelinie międzyelektrodowej, czyli pomiędzy elektrodą roboczą a materiałem obrabianym. W maszynach elektroerozyjnych (elekrodrążarkach) generator mocy zasila impulsami szczelinę powodując wystąpienie procesu elektroerozyjnego. W artykule przestawiono modele zastępcze szczeliny międzyelektrodowej, które są przydatne w procesie projektowania i badań symulacyjnych generatorów EDM. Działanie modeli szczelin przedstawiono za pomocą symulacji komputerowych w programie LTspice. SŁOWA KLUCZOWE: proces elektroerozyjny, generator EDM, szczelina międzyelektrodowa, symulacja komputerowa 1. WSTĘP 1.1. Podstawy procesu elektroerozyjnego Prace nad wyładowaniami elektrycznymi sięgają 1770 roku, kiedy to angielski naukowiec Joseph Priestly odkrył erozyjne działanie wyładowań elektrycznych. W 1943 roku radzieccy naukowcy B. Lazarenko i N. Lazarenko wpadli na pomysł wykorzystania destrukcyjnego wpływu wyładowań elektrycznych do kontrolowanego procesu obróbki materiałów, które przewodzą prąd elektryczny i są oddzielone od siebie warstwą cieczy nieprzewodzącej zwanej dielektrykiem [7, 12]. W dalszych latach następuje rozwój obróbki elektroerozyjnej (ang. EDM - Electric Discharge Machining) inaczej nazywaną obróbką elektroiskrową (ang. spark erosion process) i pojawiają się firmy, które oferują gotowe obrabiarki. W 1969 pierwszą wycinarkę drutową (ang. WEDM Wire Electrical Discharge Machine) sterowaną numerycznie stworzyła szwajcarska firma Agie [4]. * Politechnika Krakowska.

2 352 Wojciech Mysiński Materiał obrabiany i elektrodą są oddzielone dielektrykiem najczęściej są to nafta lub woda dejonizowana albo specjalny płyn. Obecnie są prowadzone prace nad tzw. suchym procesem elektroerozyjnym (ang. Dry EDM) gdzie dielektrykiem jest gaz, może to być powietrze. Głównym zastosowaniem elektroerozji jest usuwanie materiału z przedmiotu obrabianego za pomocą elektrody, ale można też wykonać proces odwrotny, czyli nakładanie materiału z elektrody na przedmiot (ang. electro-spark coating). Wskutek przyłożenia napięcia pomiędzy elektrodą roboczą a przedmiotem obrabianym (w szczelinie rzędu od kilku do kilkunastu mikrometrów), tworzy się niejednorodne, zmienne w czasie pole elektryczne. W miejscach, gdzie natężenie pola elektrycznego ma największą wartość, następuje koncentracja zanieczyszczeń w dielektryku. Przy dostatecznym natężeniu pola elektrycznego następuje przebicie. Cząsteczki dielektryka ulegają lawinowo tzw. jonizacji udarowej i tworzy się wąski kanał plazmowy. Wokół tego kanału powstaje pęcherz gazowy. Elektrony emitowane przez elektrodę roboczą uderzając w powierzchnię przedmiotu obrabianego powodują wydzielanie się ciepła, lokalny wzrost temperatury oraz stopienie i intensywne parowanie materiału (rys. 1). Cały proces ma charakter wybuchowy i towarzyszy mu wyrzucenie strumienia ciekłego metalu do dielektryka [7]. Rys. 1. Przykład krateru, który powstał w wyniku działania elektroerozji [17] Po zakończeniu wyładowania pęcherz gazowy zamyka się implozyjnie, ułatwiając usuwanie produktów obróbki [4, 7]. W trakcie wyładowania, lokalnie temperatura może dochodzić do o C, ciśnienie osiąga 40 barów, gęstość energii zawiera się w granicach W/m 2, gradient temperatury osiąga wartość 10 8 o C/m i szybkość zmian temperatury 10 9 o C/s.

3 Modele szczeliny międzyelektrodowej dla obróbki elektroerozyjnej 353 Proces elektroerozyjny jest jedną z bardziej efektywnych metod obróbki bardzo twardych materiałów, bardzo kruchych materiałów i trudnoskrawalnych (węgliki spiekane, stale narzędziowe, polikrystaliczny diament) przewodzących prąd elektryczny, ale w pewnych warunkach można też obrabiać materiały nieprzewodzące, np. ceramikę. Zaletą tej metody jest to, że jest bezkontaktowa i elektroda jest wykonana ze znacznie bardziej miękkiego materiału w porównaniu do przedmiotu, np. z miedzi (rys. 2) lub grafitu [7, 12, 13]. Rys. 2. Przykładowy kształt elektrody miedzianej do celów drążenia wgłębnego EDM [15] 1.2. Układ zasilania szczeliny międzyelektrodowej Dla osiągnięcia wysokich parametrów technologicznych, między innymi przewidywalnej niskiej chropowatości powierzchni oraz przewidywalnego niskiego zużycia elektrody oraz dużej szybkości obróbki wymagany jest układ zasilania - generator elektroerozyjny, który zapewnia impulsowe dostarczanie energii elektrycznej do szczeliny w sposób kontrolowany [6, 7]. Kolejnym bardzo ważnym elementem każdej elektrodrążarki jest regulator szczeliny, który w sposób ciągły reguluje szerokość szczeliny aby zapewnić jak największą liczbę właściwych wyładować. Uproszczony schemat blokowy obwodu mocy maszyny elektroerozyjnej przedstawia rys. 3. Generator zasila szczelinę krótkimi impulsami zapłonowymi o czasie trwania od pojedynczych mikrosekund do kilkudziesięciu mikrosekund i napięciu od 100 V do 250 V. Jeżeli pojawią się korzystne warunki w szczelinie (np. odpowiednia szerokość rzędu kilkunastu mikrometrów) następuję zapłon i rozpoczyna się proces elektroerozji materiału obrabianego. Każdy prawidłowy impuls erozyjny powoduje usunięcie fragmentu materiału i powiększanie szczeliny międzyelektrodowej. Aby mogły wystąpić kolejne impulsy erozyjne elektroda lub materiał obrabiany jest dosuwany lub odsuwany przez serwomechanizm sterowany z regulatora szczeliny. W trakcie procesu elektroerozyjnego

4 354 Wojciech Mysiński najbardziej pożądane są kontrolowane wyładowania iskrowe (ang. spark discharge) ale bardzo często mogą się pojawić zjawiska niekorzystne w szczelinie wyładowania łukowe (palenie się łuku elektrycznego), (ang. arc), zwarcia elektryczne elektrody i materiału, które powodują większe zużycie elektrody i pogorszenie chropowatości powierzchni przedmiotu obrabianego [7]. Vstr Generator mocy EDM Połączenie kablowe Regulator szczeliny materiał dielektryk elektroda Ig Vg Serwonapęd Dojazd/ odjazd elektrody Szczeliny międzyelektrodowa Rys. 3. Uproszczony schemat blokowy podłączenia szczeliny do generatora Oprócz zjawisk niekorzystnych bardzo często występuje brak zapłonu (obwód otwarty) z powodu dużej szerokości szczeliny i nie każdy impuls napięcia powoduje właściwy proces drążenia. Za ciągłe kontrolowanie procesu i zmianę szerokości szczeliny odpowiedzialny jest regulator szczeliny. 2. SZCZELINA MIĘDZYELEKTRODOWA W PROCESIE ELEKTROEROZYJNYM Pod względem elektrycznym szczelina międzyelektrodowa jest obciążeniem wybitnie nieliniowym dla generatora. Jeżeli nie nastąpi zjawisko elektroerozji (zapłon) to można ją potraktować jako obciążenie o dużej rezystancji (stan otwarty - praca na biegu jałowym dla generatora). W momencie zapłonu, napięcie spada na szczelinie do wartości około 20 V 30 V i prąd gwałtownie rośnie do wartości ograniczonej przez obwód generatora. To ograniczenie prądu ma zasadnicze znaczenie, ponieważ jest to jedyny sposób na ograniczenie energii elektrycznej dostarczanej do szczeliny i dzięki temu osiągniecie zamierzonych parametrów obróbki. W pewnym sensie szczelina międzyelektrodowa w trakcie prawidłowo zachodzącego procesu działa jak układ stabilizacji napięcia. Jeżeli nastąpi zwarcie w trakcie procesu to spadek napięcia na szczelinie wynosi prawie 0 V. Wartość napięcia międzyelektrodowego po wystąpieniu zapłonu zależy od: szerokości szczeliny (odległości elektrody od materiału),

5 Modele szczeliny międzyelektrodowej dla obróbki elektroerozyjnej 355 powierzchni obrabianej, prądu płynącego przez szczelinę, rodzaju materiału elektrody i materiału obrabianego, rodzaju dielektryka, zanieczyszczeń dielektryka. Można powiedzieć, że generator pracuje impulsowo od stanu jałowego do stanu zwarcia, przy czym wartość prądu zwarcia lub prądu obciążenia w trakcie procesu zależy od ustawionej wartości przez operatora elektrodrążarki. Rys. 4. Przykład rzeczywistego napięcia na szczelinie (Ch2) i prądu przez szczelinę (Ch1) w trakcie procesu elektroerozyjnego Na rys. 4 przedstawiono rzeczywisty oscylogram napięcia na szczelinie (Ch2) i prądu przez szczelinę (Ch1), który został zarejestrowany w trakcie drążenia. Oscylogram przedstawia dwa poprawne impulsy napięcia. Na początku podaje się napięcie zapłonowe 160 V (napięcie układu otwartego), po pewnym czasie około kilku mikrosekund następuje zapłon i napięcie na szczelinie spada do wartości około 20 V, wtedy zaczyna płynąć prąd przez szczelinę o wartości około 4 A i występuje właściwy proces elektroerozji. Po wyłączeniu impulsu zasilania, prąd spada do zera (proces erozji zanika) i na szczelinie pojawia się tylko niskie napięcie około 5V do wstępnej polaryzacji szczeliny potrzebne do wykrywania styku pomiędzy elektrodą a materiałem obrabianym. W trakcie przerwy w impulsie około 20µs, szczelina międzyelektrodowa powinna być wypłukana, aby usunąć resztki (pozostałości) po materiale obrabianym (dielektryk powinien odzyskać właściwości izolacyjne) [8, 9].

6 356 Wojciech Mysiński 2.1 Model szczeliny międzyelektrodowej Przeglądając literaturę można znaleźć pozycje, w których autorzy próbują zamodelować zjawiska zachodzące w szczelinie i zamodelować proces elektroerozyjny. Ma to na celu uzyskanie modelu procesu, dzięki któremu będzie można przewidzieć efekt końcowy obróbki elektroerozyjnej, np. chropowatość powierzchni, zużycie elektrody, szybkość obróbki. Te modele szczeliny nie nadają się badania lub symulowania oddziaływania szczeliny na generator mocy [1, 2, 3, 5, 10]. Głównym celem zaprezentowanych w tym referacie modeli jest możliwość ich zastosowania przy projektowaniu generatorów mocy wraz połączeniem kablowym pomiędzy generatorem a szczeliną. Ważne jest, jak się będzie zmieniać impedancja szczeliny w trakcie procesu elektroerozyjnego i jak to będzie oddziaływać na generator. Jest to istotny problem w generatorach mocy, w których impulsy wyjściowe są szerokości poniżej kilku mikrosekund a maksymalna wartość prądu szczeliny osiąga wartość setek amperów. Szczelina międzyelektrodowa jako odbiornik energii elektrycznej może być zamodelowana za pomocą: rezystora o stałej rezystancji - najprostszy model obciążenia, rezystora o zmiennej rezystancji, rezystora o zmiennej rezystancji i pojemności równoległej, (zmiennej impedancji), rezystora o zmiennej rezystancji wraz pojemnością i indukcyjnością oraz kluczem sterowanym (rys. 5) [6]. Ogólny model szczeliny jest przedstawiony na rys. 5. Poszczególne elementy modelują parametry szczeliny: Lg sumaryczna indukcyjność połączeń elektrody i materiału obrabianego, Rg sumaryczna rezystancja szczeliny, która jest nieliniowa. Można wyróżnić prawie stałe wartości rezystancję doprowadzeń, rezystancję elektrody, rezystancję materiału obrabianego i wybitnie nieliniową rezystancję reprezentująca wystąpienie zapłonu, Vg źródło napięcia reprezentuje spadek napięcia na szczelinie po wystąpieniu zapłonu, Cg pojemność szczeliny, która zależy od powierzchni pomiędzy elektrodą i materiałem obrabianym oraz szerokości szczeliny. Dosuwając elektrodę do materiału ta pojemność się zwiększa. Na pojemność szczeliny ma też wpływ, jakość dielektryka, Rd rezystancja samego dielektryka, która powinna być jak największa, ale w trakcie długotrwałej obróbki zanieczyszczenia dielektryka powodują, że jego właściwości się pogarszają, Sg klucz włączany w momencie zapłonu.

7 Modele szczeliny międzyelektrodowej dla obróbki elektroerozyjnej 357 Rys. 5. Ogólny model zastępczy szczeliny międzyelektrodowej dla procesu elektroerozyjnego Efekt wystąpienia zapłonu można zamodelować poprzez klucz sterowany sygnałem zewnętrznym lub włączenie klucza może nastąpić pod wpływem odpowiedniego poziomu napięcia zapłonu [6, 14, 15]. Poniżej zostaną przedstawione uproszczone wersje modeli szczeliny w programie symulacyjnym LTSpice. Nie wszystkie parametry zastępcze szczeliny muszą być dokładnie modelowane. W zależności od parametrów generatora, które zamierzamy zbadać, można niektóre elementy pominąć lub zastąpić ich elementami o stałej wartości. Można też stworzyć model szczeliny, który będzie modelował nie tylko stan otwarty i stan właściwego procesu, ale także stany niepożądane w trakcie obróbki, np. stan zwarcia lub stan wyładowania łukowego. Badania symulacyjne modeli szczelin zostaną przeprowadzone wraz z tzw. elektroerozyjnym generatorem tranzystorowym. Jest to jedna z bardzo prostych konfiguracji zasilania szczeliny, w której tylko szeregowy rezystor mocy ogranicza prąd drążenia. Wadą tego rozwiązania jest duża moc tracona na rezystorze w trakcie pracy. W najprostszej wersji, taki generator składa się ze stałoprądowego źródła zasilania o napięciu zapłonu od 100 V do 250 V, rezystora szeregowego i klucza tranzystorowego, który jest sterowany z generatora małej mocy. Czas włączenia i wyłączenia tranzystora decyduje o czasie trwania impulsu, który zasila szczelinę międzyelektrodową. W badaniach symulacyjnych generator tranzystorowy mocy, który wymusza impulsy na szczelinie zostanie uproszczony do niezależnego źródła napięcia o zadanym kształcie typu PULSE, który jest dostępny w programie LTspice w trakcie analizy czasowej TRAN. Model nr 1 Najprostszym rozwiązaniem modelu szczeliny jest zastosowanie rezystora, który ma wymusić konkretną wartość prądu z generatora w stanie drążenia lub w stanie zwarcia. W programach symulacyjnych typu spice można to zrealizować za pomocą stałego rezystora i klucza sterowanego napięciem lub samego klucza sterowanego napięciem o odpowiedniej rezystancji włączenia i wyłącze-

8 358 Wojciech Mysiński nia. Aby zasymulować opóźnienie zapłonu zastosowano dodatkowe sterowane źródło napięcia, które po zadanym czasie włącza klucz sterowany. Aby uzyskać spadek napięcia na szczelinie rzędu 20 V 30 V należy dobrać odpowiednią wartość rezystancji klucza w trakcie włączenia (rys. 6)..tran 0 200us 115us Obwod generatora EDM in R1 20 V1 Model szczeliny gap Rg1 4 Lg Cg 0.1µH 100pF Rd 100Meg B1 delay Sgap S1 PULSE( u 0.1u 25u 40us) V=absdelay(v(in),3u).model Sgap SW(Ron=.1 Roff=10Meg Vt=50 Vh=5) Rys. 6. Schemat ideowy układu generatora EDM i modelu szczeliny międzyelektrodowej Rys. 7. Przebieg napięcia na szczelnie i prądu szczeliny dla modelu nr 1 Uzyskany przebieg napięcia na szczelinie i prądu szczeliny z symulacji przedstawia rys. 7 i są to bardzo zbliżone kształty, jakie uzyskano z pomiaru (rys. 4.).

9 Modele szczeliny międzyelektrodowej dla obróbki elektroerozyjnej 359 Model nr 2.tran 0 200us 115us Obwod generatora EDM in R1 20 V1 gap Model szczeliny Rg1.1 Lg Cg 0.1µH 100pF Szwa S2 Rd 100Meg zwarcie B2 delay D1 D_GAP V=absdelay(v(in),14u) B1 Sgap S1 V=absdelay(v(in),3u) PULSE( u 0.1u 25u 40us).model Sgap SW(Ron=.1 Roff=10Meg Vt=50 Vh=5).model D_GAP D(BV=25 RS=.2).model Szwa SW(Ron=.1 Roff=10Meg Vt=50 Vh=1) Rys. 8. Schemat ideowy obwodu: generator szczelina z wykorzystaniem modelu diody Zenera i z dodatkowym kluczem do symulacji zwarcia w szczelinie Spadek napięcia na szczelinie w trakcie procesu można zamodelować poprzez wstawienie diody Zenera na napięcie ok. 25 V spolaryzowanej w kierunku zaporowym, ponieważ proces elektroerozyjny zachowuje się podobnie jak stabilizator napięcia. Rys. 9. Przebieg napięcia i prądu szczeliny dla modelu nr 2 wraz wystąpieniem zwarcia w szczelinie międzyelektrodowej

10 360 Wojciech Mysiński Zaletą modelu nr 2 z diodą Zenera jest to, że jeżeli zamierzamy osiągnąć większy prąd szczeliny to zmniejszamy rezystancję szeregową generatora R1 a napięcie na szczelinie V(gap) jest tylko zależne od parametru BV i RS modelu diody Zenera. Na rys. 9. można zauważyć efekt zwarcia w trakcie procesu elektroerozyjnego. Napięcie spada prawie do wartości zerowej, prąd osiąga wartość maksymalną i jest ograniczony w tym typie generatora tylko rezystancją szeregową R1 i minimalną rezystancją szczeliny. W rzeczywistej elektrodrążarce taki stan zwarcia jest wykrywany przez regulator szczeliny i wyłączany jest impuls zasilający szczelinę. Dzięki temu, ogranicza się znacznie zużycie elektrody i pogorszenie chropowatości powierzchni obrabianego materiału. Opóźnienie zapłonu w przestawionych modelach jest zrealizowane za pomocą sterowanego źródła napięcia typu B, które jest kontrolowane napięciem z zadeklarowanym opóźnieniem czasowym. Taka funkcja jest dostępna w programie LTspice. Napięcie z tego źródła włącza/wyłącza klucz zapłonowy S1. 3. PODSUMOWANIE Zadaniem przedstawionych modeli symulacyjnych jest odwzorowanie szczeliny przy prawidłowym zapłonie i drążeniu oraz umożliwienie obserwacji kształtu napięcia i prądu z generatora. Taki zastępczy model szczeliny międzyelektrodowej jest przydatny przy badaniu różnych typów generatorów elektroerozyjnych na etapie projektowania, np. do badań symulacyjnych obwodów elektrycznych i elektronicznych. Dzięki symulacji obwodu mocy generatora wraz szczeliną można znacznie przyspieszyć proces projektowania i realizacji praktycznej generatora elektroerozyjnego. Przedstawione modele i badania symulacyjne skupiły się głównie na odtworzeniu poprawnych kształtów prądu i napięcia szczeliny. Nie przedstawiono dokładnej analizy wpływu parametrów pojemnościowo-indukcyjnych na zachowanie się generatora mocy. Jest to kolejne zagadnienie, które jest problemem przy projektowaniu generatorów, które wytwarzają bardzo krótkie impulsy prądu, np. poniżej pojedynczych mikrosekund i wartości szczytowej prądu dochodzących do setek a nawet tysiąca amper. Każda indukcyjność pasożytnicza kabla lub szczeliny powoduje ograniczenie stromości prądu i pojawienie się przepięć oraz oscylacji w obwodzie mocy generatora [11, 15]. REFERENCES [1] Chung Chingyei, Chao Shou Y., Lu M. F.: Modeling and control of die-sinking EDM, WSEAS Transactions on Systems vol. 8, Nr. 6. [2] Das Saradindu, Joshi Suhas S.: Modeling of spark erosion rate in microwire- EDM, International Journal of Advanced Manufacturing Technology vol. 48, Nr. 5-8, 2010.

11 Modele szczeliny międzyelektrodowej dla obróbki elektroerozyjnej 361 [3] DiBitonto, Daryl D., Eubank, Philip T., Patel, Mukund R., Barrufet, Maria A. Theoretical models of the electrical discharge machining process. I. A simple cathode erosion model, Journal of Applied Physics vol. 66, Nr. 9, [4] Doerpinghaus Thomas: The history of Wire EDM. URL com/english/frames_e.htm [5] Hinduja, S., Kunieda, M.: Modeling of ECM and EDM processes, CIRP Annals - Manufacturing Technology vol. 62, [6] Läuter M., Schulze H. P., Wollenberg G. : Modern Process Energy Sources for Electrical Discharge Machining ( EDM ), pp [7] Miernikiewicz A.; 274: Doświadczalno-teoretyczne podstawy obróbki Elektroerozyjnej (EDM). 274 Monografia, Kraków : Politechnika Krakowska, [8] Mysiński W.: Linear current source as a power generator for the spark erosion process, IEEE ISIE rd International Symposium on Industrial Electronics, [9] Mysiński W.: Using a current source as a generator for the spark erosion process, Międzynarodowa Konferencja Innovative Manufacturing Technology IMT 2013 vol. monografia, [10] Patel, Mukund R., Barrufet, Maria A., Eubank, Philip T., DiBitonto, Daryl D.: Theoretical models of the electrical discharge machining process. II. The anode erosion model, Journal of Applied Physics vol. 66, Nr. 9, [11] Schulze H. P., Wollenberg G., Matzen St., Schatzing, W.: Analysis of the gap conditions of the spark erosion for different working liquids and electrode arrangements, PROFESSIONAL ENGINEERING, Nr. November, [12] Schumacher B. M., Krampitz R., Kruth J. P.: Historical phases of EDM development driven by the dual influence of Market Pull and Science Push, Procedia CIRP vol. 6, Elsevier B.V., [13] Schumacher Bernd M.: After 60 years of EDM the discharge process remains still disputed, Journal of Materials Processing Technology vol. 149, Nr. 1-3, [14] Tastekin D., Krötz, H., Gerlach C., Roth-Stielow J.: A novel electrical power supply for electrothermal and electrochemical removal machining methods, 2009 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE [15] Wollenberg G., Schulze H. P., Läuter M.: Process energy supply for unconventional machining, 13th International Symposium for Electro-machining, ISEM XIII, [16] Materiały firmy Datron _Electrode.html [17] Materiały firmy +GF+ /en/about-gf-machining-solutions/press-room/literature/archived-literature.html SPARK GAP MODELS FOR ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING Electrical Discharge Machining is a process that is commonly used to machine hard and extra-hard materials and to cut/produce very intricate shapes. This method involves putting to controlled use the destructive power of electrical discharges occurring in a

12 362 Wojciech Mysiński spark gap, or in the space between the electrode and the workpiece. In electrical discharge machines the power generator applies voltage pulses to the spark gap, thus causing the machining process to begin. This article presents equivalent spark gap models that are useful in the design and simulation testing of EDM generators. Spark gap model operation is presented using computer simulations performed in the LTspice simulator. (Received: , revised: )