Krzysztof Zagórski, fał Kudelski 2, Krzysztof Skrzypkowski 3, Mariusz Kapusta 4 AGH w Krakowie Dokładność wymiarowo-kształtowa oraz warstwa wierzchnia elementów wytwarzanych metodą obróbki EDM Wprowadzenie Technologia obróbki elektroerozyjnej (EDM Electro-Discharge Machining) jest jedną z najbardziej rozpowszechnionych niekonwencjonalnych metod obróbki, znajduje zastosowanie przy wytwarzaniu przedmiotów o złożonych kształtach (formy wtryskowe, matryce) wykonanych z materiałów konstrukcyjnych, stopów żaroodpornych, węglików spiekanych i innych materiałów metalowych trudno skrawalnych. W obróbce EDM nadanie żądanego kształtu, wymiaru i pożądanych właściwości warstwy wierzchniej uzyskuje się w wyniku erozji elektrycznej, zachodzącej w czasie impulsowych wyładowań elektrycznych pomiędzy narzędziem (erodą) a obrabianym materiałem znajdującymi się w płynnym ośrodku dielektrycznym. Dokładność wykonanych w ten sposób elementów uzależniona jest w głównej mierze od doboru parametrów generatora impulsów [, 2]. Dla wielu przypadków zastosowań technologii EDM najważniejszym parametrem kształtowanej warstwy wierzchniej (WW) przedmiotu jest jednak chropowatość powierzchni otrzymanego przedmiotu określana parametrem. W wyniku wyładowań elektrycznych powstaje lokalnie plazma silnie zjonizowanego gazu usuwająca materiał w wyniku działania ciepła, sił gazowo-dynamicznych i sił pochodzących od naprężeń cieplnych występujących w materiale obrabianym. Na powierzchni obrabianego przedmiotu powstają liczne kratery, tym większe im większa energia poszczególnych impulsów, a chropowatość tej powierzchni jest wynikiem wzajemnie nakładających się kraterów. Ponadto równolegle z ubytkiem materiału na przedmiocie obrabianym następuje erozja elektrody narzędziowej, powodująca zmianę pierwotnego kształtu. Zużycie elektrody ma głównie wpływ na dokładność wymiarowo kształtową drążonych przedmiotów [7]. Współczesne układy sterowanie CNC drążarek elektroerozyjnych dobierają parametry generatora impulsów automatycznie, w zależności od wybranej chropowatości powierzchni. Chropowatość powierzchni po obróbce EDM oraz dokładność wymiarowo-kształtowa wykonywanych elementów zależy nie tylko od parametrów elektrycznych nastawianych w generatorze, lecz również od właściwości materiału przedmiotu obrabianego, właściwości materiału elektrody roboczej oraz od właściwości dielektryka, przez co nastawy układu sterowania drążarek EDM są obarczone pewnym błędem, głównie ze względu na ograniczoną bazę drążonych materiałów. W związku z trudnością doboru odpowiednich parametrów wejściowych procesu elektrodrążenia, mających wpływ na cechy WW oraz dokładność wymiarowo-kształtową przedmiotu obrabianego, w artykule przedstawiono ocenę chropowatości powierzchni po drążeniu oraz dokładności wymiarowo-kształtowej na przykładzie stali 40H. Metodyka badań Do badań wybrano stal 40H, którą stosuje się w stanie ulepszonym cieplnie na średnio obciążone elementy, w przemyśle motoryzacyjnym oraz w innych pojazdach mechanicznych. Przykłady wykonywanych AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Kraków, Poland, zagkrzys@agh.edu.pl 2 AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Kraków, Poland, kudelski@agh.edu.pl 3 AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Kraków, Poland, skrzypko@agh.edu.pl 4 AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Kraków, Poland, kapustam@agh.edu.pl 9964 Logistyka 4/205
Logistyka nauka elementów z 40H to: wały korbowe, zwrotnice, osie przednie, koła zębate, dźwignie, korbowody oraz wały i trzpienie po uprzednim hartowaniu powierzchniowym i ulepszeniu cieplnym [6]. Stal 40H cechuje łatwość obróbki mechanicznej natomiast jest trudno spawalna. W przeprowadzonych badaniach wykorzystano 8 próbek w kształcie walca o średnicy 30 mm i wysokości mm (rys. ). Cztery próbki pozostały w stanie surowym natomiast pozostałe poddano obróbce cieplnej- hartowaniu. Rys.. Ilustracja przedstawia próbki metalu 40H wykorzystane w doświadczeniu. Do obróbki elektroerozyjnej zastosowano elektrodę z miedzi, w kształcie prostopadłościanu o wymiarach 8,99 x 3, 9 mm (rys. 2), wykonaną metodą obróbki frezowaniem, dzięki czemu otrzymano ostre krawędzie elektrody oraz stałą chropowatość powierzchni bocznych jak i powierzchni czołowej. Rys. 2. Elektroda miedziana użyta w procesie obróbki elektroerozyjnej, zamocowana do drążarki w uchwycie systemu mocowań 3R Proces obróbki elektroerozyjnej przeprowadzono na elektrodrążarce ROBOFORM 350 Sp firmy Agie Charmilles (rys.3) znajdującej się w Centrum Obsługi Badań Naukowych i Dydaktyki WIMIR w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Maszyna stanowi kompaktową konstrukcję, w której ruchy robocze w osiach X,Y i Z wykonuje głowica natomiast stół jest nieruchomy. Zakres ruchu osi to 350 x 250 x 300 mm z dokładnością do 0.000 mm. Dodatkowo model ROBOFORM 350 Sp posiada obrotową oś C o zakresie ruchu 3600 z dokładnością do 0.000. Obszar roboczy wyznaczony jest przez wymiary stołu 500 x 400 mm i ograniczony jest obszarem określonym przez zbiornik na dielektryk (800 x 550 x 370 mm). Maksymalny ciężar przedmiotu jaki może być obrabiany to 500 kg, natomiast maksymalny ciężar elektrody to 50 kg. Maszyna wyposażona jest w system mocowania elektrod 3R o budowie Macro/Combi. Logistyka 4/205 9965
Rys. 3. Elektrodrążarka wgłębna ROBOFORM 350 Sp firmy Charmilles Elektrodrążarka ta jest wyposażona w generator impulsów typu ISOPULSE, przy czym standardowy prąd obróbkowy zawiera się na poziomie 64 A. Układ sterowania umożliwia wybranie chropowatości powierzchni obrabianej w zakresie wartości parametry od 5,6 µm do 0,2 µm. W przygotowanych próbkach drążono gniazda, odzwierciedlające kształt elektrody, co przedstawiono na rysunku 4. Takie usytuowanie gniazda umożliwiło pomiar chropowatości wydrążonej powierzchni, bez konieczność rozcinania próbek. Rys. 4. Model przedstawiający ustawienie drążonego gniazda w próbce. Głębokość drążenia została ustalona dla wszystkich próbek na wartość 0,5 mm. Przy takiej głębokości zarys wydrążonego gniazda był doskonale wyraźny. Po obróbce EDM zmierzono kształt wydrążonego gniazda i porównano go z wymiarami elektrody. Dla każdej z grupy próbek hartowanych i niehartowanych przyjęto w układzie sterowania elektrodrążarki takie same wartości, wynoszące odpowiednio: 5.6µm, 3.5 µm, 2 µm i µm. Pozostałe wartości wejściowe takie jak wartość prądu i napięcia czy czas impulsu wyładowania elektrycznego dla każdej z obrabianych próbek wyznaczone zostały przez generator automatycznie. Parametry generatora impulsów oraz czas drążenia poszczególnych gniazd przedstawiono w tab.. 9966 Logistyka 4/205
Tabela. Tabela przedstawiająca parametry wejściowe obróbki, parametry nastawione oraz otrzymany czas drążenia. Lp. Nr próbki Próbki stali niehartowane Wartość nastawione Czas drążenia [min] Głębokość drążenia [mm] Wartość napięcia [V] Wartość natężenia prądu [A] I 5,6 6,0 0,5 25,5 3 2 II 3,5 4,32 0,5 25,5 9 3 III 2 48,52 0,5 25 5 4 IV 406 0,5 25 3 Próbki stali hartowane 5 26 5,6 6 0,5 25,5 3 6 09 3,5 4,35 0,5 25,5 9 7 08 2 49,2 0,5 25 5 8 05 59 0,5 25 3 Pomiary chropowatości zostały wykonane w Laboratorium Warstwy Wierzchniej w Katedrze Systemów Wytwarzania, Akademii Górniczo Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie. Chropowatości powierzchni została zmierzona z wykorzystaniem profilometru TOPO L50 (rys. 6), zgodnie z normą PN-EN ISO 4287 [0],[]. Pomiar chropowatości powierzchni próbek przeprowadzono przed obróbką jak i po obróbce elektrodrążenia z trzykrotnym powtórzeniem celem opracowania statystycznego (Rys.5). Rys. 5. Metodyka przeprowadzenia pomiarów chropowatości drążonej powierzchni, w trzech różnych odcinkach. Logistyka 4/205 9967
Logistyka nauka Rys. 6. Profilometr TOPO 0P Pomiar krawędzi gniazda odzwierciedlającego kształt elektrody został wykonany na mikroskopie warsztatowym dużym niemieckiej firmy CARL ZEISS (rys.7). Jest to urządzenie pozwalające na bezdotykowy pomiar długości przedmiotów w układzie prostokątnym oraz pomiar kątów. Mikroskop wyposażony jest w układ optyczny pozwalający na obserwację przedmiotu w okularze z powiększeniem od do 5 razy. Pomiar wydrążonego gniazda polega na ustawieniu próbki na obrotowym stoliku, który przesuwa się za pomocą śrub mikrometrycznych w dwóch prostopadłych względem siebie kierunkach. Pozycję stolika odczytuje się z podziałki umieszczonej na bębnach stołu krzyżowego o działce elementarnej równej 0,0 mm. Zakres pomiarowy mikroskopu zawiera się w polu pomiarowym w wymiarach 25 x 50 mm. Rys. 7. Mikroskop warsztatowy do pomiaru kształtu wydrążonego gniazda. Natomiast pomiaru głębokości wydrążonego gniazda dokonano za pomocą czujnika zegarowego o dokładności 0,0 mm, zamocowanego w statywie na płycie traserskiej. 9968 Logistyka 4/205
Wyniki pomiarów Przed rozpoczęciem procesu drążenia wykonano wstępne pomiary chropowatości powierzchni przygotowanych próbek. Chropowatość powierzchni próbek nie poddanych obróbce cieplnej wyniosła =0.66 μm, natomiast chropowatość powierzchni próbek hartowanych =0.36 μm. Kolejno dokonano pomiaru chropowatości powierzchni elektrody, w wyniku którego otrzymano =0.7 μm. Wyniki pomiarów chropowatości powierzchni wydrążonych gniazd zebrano w tabelach 2 i 3. Porównanie wartości chropowatosci powierzchni próbek hartowanych jak i próbek bez obróbki cieplnej przedstawiono na wykresie (rys. 8). Tabela 2. Wyniki pomiarów chropowatości powierzchni po obróbce elektroerozyjnej dla próbek stali niehartowanej. Pomiar chropowatości powierzchni próbek stali niehartowanej Lp. Nr próbki Nr pomiaru Wartość nastawiona parametru 2 I 2 5,6 6,906 Wartość zmierzona parametru 7,56 3 3 7,829 4 4,656 5 II 2 3,5 5,98 6 3 3,86 7 2,742 8 III 2 2 3,492 9 3 2,74 Wartość średnia pomiaru parametru 7,43 0,63 4,82,45 2,99 0,58 0,024 IV 2 0,78 0,92 0,7 2 3 0,947 Niepewność standardowa Tabela 3. Wyniki pomiarów chropowatości powierzchni po obróbce elektroerozyjnej dla próbek stali hartowanej. Lp. Nr próbki Nr pomiaru Pomiar chropowatości powierzchni próbek stali hartowanej Wartość nastawiona parametru 2 26 2 5,6 7,069 Wartość zmierzona parametru 9,603 3 3 6,638 4 4,86 5 9 2 3,5 3,79 6 3 3,59 7 3,89 8 8 2 2 3,055 9 3 2,404 Wartość średnia pomiaru parametru 7,77 2,3 3,86 0,4 2,88 0,56 0,02 5 2,09,05 0,08 2 3,24 Niepewność standardowa Logistyka 4/205 9969
Wartość chropowatości,00 0,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00,00 - Wykres przedstawiający porównanie wartości parametru dla próbek stali hartowanej i niehartownej 7,77 7,43 5,6 3,86 4,82 3,5 2,88 2,99 Wartość średnia pomiaru paramertu dla próbek hatrowanych Wartość średnia pomiaru paramertu dla próbek niehatrowanych Nastawiona wartość parametru,05 0,92 26 I. 9 II. 8 III. 5 IV. Oznaczenie próbki Rys. 8. Wykres przedstawiający porównanie wartości parametru dla próbek stali hartowanej i niehartowanej. Kolejno dokonano pomiarów kształtu wydrążonych gniazd, na podstawie których obliczono procentowy wskaźnik rozbicia gniazda, określający procentowy wzrost wielkości powstałego gniazda w stosunku do wymiaru elektrody. Wyniki wskaźnika rozbicia gniazda umieszczono w tabeli 4 oraz przedstawiono graficznie na rys.9. Tabela 4. Tabela przedstawiająca wartości zmierzone wydrążonego kształtu oraz procentowy współczynnik rozbicia gniazda 2 Lp. Oznaczenie próbki Próbki niehartowane Wymiar elektrody: 8,99 x 3,9 [mm] Wartość średnia długości krawędzi wydrążonego gniazda [mm] Wskaźnik rozbicia wymiaru gniazda [mm] I 9,22 0,27 0,66% 2 II 9,04 0,09 0,57% 3 III 9,056 0,06 0,32% 4 IV 9,008 0,03 0,07% Próbki hartowane 5 26 9,46 0,5 0,79% 6 09 9,5 0,2 0,63% 7 08 9,063 0,068 0,36% 8 05 9,06 0,02 0,% Wskaźnik procentowy rozbicia wymiaru gniazda [%] 9970 Logistyka 4/205
Wartość procentowa wskaźnika rozbicia wymiaru gniazda [%] 0,90% 0,80% 0,70% 0,60% 0,50% 0,40% 0,30% 0,20% 0,0% 0,00% Porównanie wskaźników rozbicia wymiarów wydrążonego gniazda dla próbek stali hartowanej i niehartowanej 0,66% 0,79% 0,63% 0,57% 0,36% 0,32% 0,07% I 26 II 9 III 8 IV 5 Oznaczenie próbki Wspłóczynnik procentowy rozbicia wymiaru gniazda dla próbek niehartowanych Wspłóczynnik procentowy rozbicia wymiaru gniazda dla próbek hartowanych 0,% Rys. 9. Wykres przedstawiający porównanie procentowych współczynników rozbicia wymiarów wydrążonego gniazda dla próbek stali hartowanej i niehartowanej.. Podsumowanie Stosowanie niekonwencjonalnych metod obróbki, takich jak obróbka elektrodrążenia, jest uzasadnione ze względu na trudności obróbcze wynikające z twardości materiału oraz skomplikowanych kształtów wykonywanych przedmiotów. W przypadku wykonywania elementów za pomocą obróbki EDM istotny problem stanowi dobór odpowiednych parametrów generatora impulsów, tak aby otrzymać założoną chropowatość powierzchni przedmiotu obrabianego oraz dokładność wymiarowo-kształtową drążonego gniazda. Różnica chropowatości powierzchni przedmiotu ze stali 40H po obróbce EDM w porównaniu z chropowatością powierzchni predefiniowaną w układzie sterowania elektrodrążarki wynosi ok 2 μm. Podczas projektowania procesu technologicznego wykonania przedmiotu metodą drążenie elektroiskrowego należy uwzględnić wskaźnik rozbicia gniazda w celu zachowania dokładności wymiarowo-kształtowej. W przyjętych warunkach obróbki elektroerozyjnej największe różnice pomiędzy wymiarem elektrody a wymiarem wydrążonego gniazda wyniosły ok 0,5 mm, zaobserwowane dla nastaw generatora impulsów odpowiadających największej chropowatości powierzchni. Streszczenie W artykule przedstawiono ogólna charakterystykę uzyskanych wyników obróbki elektroerozyjnej, zaliczaną do niekonwencjonalnych metod wytwarzania, na przykładzie stali 40H. Szczególną uwagę poświęcono uzyskanej chropowatości oraz dokładności wymiarowo-kształtowej przedmiotu w zależności od przyjętych nastaw generatora impulsów drążarki EDM. Obróbka ta jest wykorzystywana przy wytwarzaniu elementów z materiałów trudnoskrawalnych (twardych po obróbce cieplnej) jak i do elementów o skomplikowanych kształtach. Na podstawie przeprowadzonych badań wyznaczono procentowy wskaźnik rozbicia, określający procentowy wzrost wielkości powstałego gniazda w stosunku do wymiaru elektrody. Wykazano również, że chropowatość powierzchni predefiniowana w układzie sterowanie obrabiarki EDM różni się od rzeczywistej chropowatości powierzchni przedmiotu obrabianego, otrzymanej po procesie elektrodrążenia. Logistyka 4/205 997
Słowa kluczowe: obróbka elektroerozyjna, chropowatość powierzchni, wskaźnik rozbicia THE DIMENSIONAL ACCURACY AND THE SURFACE LAYER PARTS MANUFACTURED BY EDM MACHINING The article presents a general characterization of the results obtained after EDM machining, that belongs to the unconventional methods, for example steel 40H. Particular attention was paid to the resulting surface roughness and the dimensional accuracy of the part which depend on the EDM pulse generator settings. The EDM machining is used in the manufacture of components with hard materials and components with complicated shapes. The percentage break indicator were determined based on the research, which calculates the percentage increase in the volume of the resulting slot in relation to the size of the electrode. It was also shown that the surface roughness predefined in the control system of EDM machine differs from the actual surface roughness of the workpiece obtained after the process of EDM. Keywords: EDM, surface roughness, surface layer, dimensional accuracy Literatura [] Siwczyk M.: Obróbka elektroerozyjna. Technologia i zastosowanie. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 98. [2] Siwczyk M.: Obróbka elektroerozyjna. Podstawy technologiczne. Wydanie I, Tom I, Kraków 2000. [3] Marcinkiewicz A.: Doświadczalno-teoretyczne podstawy obróbki elektroerozyjnej (EDM). Politechnika Krakowska, Kraków 2000. [4] Dąbrowski L., Oniszczuk D., Zawora J., Marczak M.: Wpływ parametrów hydromechanicznych w procesie wycinania elektroerozyjnego na efekty obróbki. Politechnika Warszawska, Instytut Technik Wytwarzania. [5] Dul-Korzyńska B.: Obróbka skrawaniem i narzędzia. OWPR, Rzeszów 2005. [6] Napadłek W.: Właściwości mechaniczne stali 40H hartowanej laserowo. Wydział Mechaniczny, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa 2000. [7] Mazurkiewicz A.: Czynniki wpływające na jakość wytwarzania technologią elektrodrążenia. [8] Hulisz. D.: Forum narzędziowe Oberon. nr. 3 200 rok. [9] Instytut zawansowanych technologii wytwarzania. Modułowy system do pomiaru i analizy topografii powierzchni TOPO 0. Dane techniczne profilometru TOPO L50. [0] Bartoszuk M., Zalisz Z.: Pomiar chropowatości powierzchni. Politechnika Opolska, Wydział Mechaniczny, Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji, Opole 2002. [] Metrologia i kontrola jakości laboratorium. Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej, Katedra Technik Wytwarzania i Automatyzacji. 9972 Logistyka 4/205