Tendencje rozwojowe obróbki elektrochemicznej i niekonwencjonalnych metod hybrydowych

Targi INNOWACJE - TECHNOLOGIE - MASZYNY POLSKA Salon MACH-TOOL 2005 Konferencja Innowacyjne technologie w budowie maszyn Poznań, 21-22 czerwca 2005 r. Tendencje rozwojowe obróbki elektrochemicznej i niekonwencjonalnych metod hybrydowych Adam RUSZAJ, Maria CHUCHRO* Ruszaj A., Chuchro M.: Tendencje rozwojowe obróbki elektrochemicznej i niekonwencjonalnych metod hybrydowych (Directions of electrochemical and unconventional hybryd methods development), Conference Proceedings: INNOWACJE- TECHNOLOGIE-MASZYNY MACH-TOOL, Konferencja Innowacyjne Technologie w Budowie Maszyn, Poznań 21-22 czerwca 2005, CD. Poznań: 2005. WPROWADZENIE Wysokie wymagania techniczne stawiane produkowanym wyrobom określane są przez zapotrzebowanie zgłaszane przez rynek. Określenie zadań w celu spełnienia tych wymagań uzależnione jest zarówno od stanu wiedzy i przygotowania innowacji przez producentów, jak i obszaru know-how. Natomiast sposób rozwiązania problemu techniczno produkcyjnego zależy od rodzaju materiału obrabianego, stopnia skomplikowania tworzonego elementu, stawianych wymagań jakościowych i wydajnościowych. Należy zaznaczyć, że najważniejszym zagadnieniem jest dobór odpowiedniej technologii umożliwiającej rozwiązanie postawionego zadania technicznego. Na przestrzeni ostatnich lat niekonwencjonalne metody wytwarzania są częściowo wypierane z dotychczasowych obszarów zastosowań przez inne procesy kształtowania materiałów, również przez obróbkę skrawaniem. Z drugiej strony coraz szerzej stosowane są materiały o specjalnych właściwościach, które mogą być efektywnie kształtowane tylko metodami niekonwencjonalnymi. Ponadto wzrasta zapotrzebowanie przemysłu na obróbkę przedmiotów o niewielkich wymiarach d < 0,5 mm (Mikroobróbka - Micromachining [MM]), lub obróbkę elementów, dla których konieczne jest uzyskanie małej chropowatości powierzchni Ra < 0,1 m (Gładzenie - Microfinishing [MF]). Przedmioty te to miniaturowe elementy mechaniczne mikromanipulatorów, mikroprzekładni, mikrosilników, specjalnej aparatury pomiarowej itp. Największe możliwości przy ich wytwarzaniu oferują metody obróbki elektrochemicznej (ECM), elektroerozyjnej (EDM), laserowej (LBM), ultradźwiękowej (USM), chemicznej (CHM) i ściernej (AM) oraz ich kombinacje, czyli metody hybrydowe. Hybrydowe procesy wytwarzania znajdują coraz to nowe obszary zastosowań, np. do obróbki materiałów trudnoskrawalnych, do obróbki specjalnych materiałów kompozytowych, obróbki małych elementów (Micromachining). Są także one stoso-

wane w przypadku konieczności obróbki zgrubnej dużych elementów z dużą wydajnością, czy obróbki powierzchni, dla których chropowatość powinna być mała: Ra < 0,1 μm (Microfinishing) itp. W metodach hybrydowych usuwanie naddatku materiału obrabianego odbywa się poprzez łączenie różnych procesów fizykochemicznych. Może to być połączenie procesu erozji elektrycznej z roztwarzaniem elektrochemicznym, roztwarzania elektrochemicznego z obróbką ultradźwiękową, erozji elektrycznej z obróbką ultradźwiękową, roztwarzania elektrochemicznego z lokalną depasywacją wiązką światła laserowego, erozji elektrycznej i szlifowania tradycyjnego lub roztwarzania elektrochemicznego ze szlifowaniem itp. * Prof. dr hab. inż. Adam RUSZAJ, dr inż. Maria CHUCHRO - Zakład Niekonwencjonalnych Technologii Produkcyjnych Instytutu Obróbki Skrawaniem w Krakowie OBRÓBKA ELEKTROCHEMICZNA W ostatnich latach rozwój obróbki elektrochemicznej ulega ewolucji zgodnie z zapotrzebowaniem przemysłu. Prowadzone badania oraz prace rozwojowe zarówno w ośrodkach krajowych jak i zagranicznych ukierunkowane są głównie na zastosowanie tej metody w operacjach MM i MF. Dotychczas w -ECM stosowano w większości przypadków elektrody rurkowe (konieczność wykonania otworu uniemożliwia uzyskanie małych wymiarów elektrody), drążenie z wykorzystaniem kapilary (rys. 2) oraz obróbkę strumieniem elektrolitu (rys. 1 i 3) [1]. Rys. 1. Schemat mikroobróbki elektrochemicznej strumieniem elektrolitu Rys. 2. Mikroobróbka elektrochemiczna z wykorzystaniem platynowej katody umieszczonej w rurce szklanej Przełomem w rozwoju -ECM było opracowanie metod wytwarzania elektrod o małych wymiarach oraz specjalnych generatorów impulsów elektrycznych o czasie impulsu rzędu ns. Elektrody z węglika wolframu wytwarzano wstępnie metodą zanurzeniową uzyskując średnice = 200 m. Następnie metodą trawienia zmniejszano wymiar tej elektrody do: = 50, 30, 20, 6 i 4 m. Końcówka elektrody nie powinna być płaska bo utrudnia to usuwanie produktów roztwarzania. Sytuacje poprawia wprowadzenie promienia zaokrąglenia R = 5 m. Elektrody do drążenia mikrootworów wykonuje się również z platyny oraz specjalnych stopów (np. Pt 90% i Ir 10 %). Na rys. 3 przedstawiono przykład elektrody wykonanej z węglika wolframu. Zmniejszenie grubości bocznej szczeliny międzyelektrodowej uzyskuje się przez zastosowanie specjalnych elektrolitów o małym stężeniu (np.: NaClO 3 o stężeniu na-

wet 0,88g/dm 3 ; 0,1 M - H 2 SO 4 ) oraz zmniejszenie napięcia w stosunku do konwencjonalnej ECM. Zastosowanie jako elektrolitu wodnego roztworu H 2 SO 4 ułatwia również usuwanie produktów obróbki, ponieważ wówczas nie powstają nierozpuszczalne w wodzie produkty roztwarzania. Rys. 3. Elektroda o średnicy = 30 m stosowana w badaniach drążenia -ECM wykonana z węglika wolframu [11] Kolejnym sposobem zmniejszenia grubości szczeliny jest zastosowanie obróbki impulsowej z krótkimi czasami impulsów (20 60 ns) i stosunkowo dużym czasie przerwy (~ 2 μs). W przerwie pomiędzy kolejnymi impulsami można usunąć produkty roztwarzania ze szczeliny. Usuwanie produktów roztwarzania ułatwia również wprowadzenie ruchu obrotowego lub drgającego elektrody. Efekty wyżej wymienionych zabiegów przedstawiają poniższe rysunki. Rys. 4. Zależność grubości szczeliny bocznej od napięcia międzyelektrodowego w przypadku drążenia elektrodą drutową o średnicy 170 m wykonaną ze stopu o składzie: Pt (90%), Ir (10) w elektrolicie NaClO 3 o stężeniu 14 g/dm 3, czas impulsu 160 s, okres 200 s, przesuw w osi l = 50 m. Prędkość przesuwu elektrody była bardzo mała i wynosiła 20 nm/s dla napięcia międzyelektrodowego 4,2 V. Materiał obrabiany: płytka niklowa o grubości 0,2 mm [11]

Rys. 5. Otwór o średnicy 170 m wykonany elektrochemicznie w płytce niklowej o grubości 0,2 mm. Napięcie międzyelektrodowe U =3,8V, pozostałe warunki jak na rys. 4 [11] Rys. 6. Zależność średnicy wykonanego otworu od czasu obróbki; napięcie U = 5 V, okres T = 2 s, elektrolit: 0,1 M wodny roztwór kwasu siarkowego [11] Rys. 7. Zależność średnicy wykonanego otworu od czasu obróbki; napięcie U = 6V, okres T = 2 s; elektrolit: wodny 0,1 M roztwór kwasu siarkowego [11] Rys. 8. Drążenie otworu stopniowego elektrodą o średnicy 20 m; pierwszy stopień: U = 6,5 V, t i = 120 ns, T = 2 s, czas obróbki 40 min; drugi stopień: U = 5 V, t i = 30 ns, T = 2 s, czas obróbki: 20 min; a) widok od góry: średnica 85 m, głębokość 84 m b) widok z dołu: średnica 28 m, głębokość 15 m, elektrolit: wodny 0,1 M roztwór kwasu siarkowego [11]

Rys. 9. Jednoetapowe etapowe drążenie otworów przelotowych w stali 304 SS o grubości 20 m elektrodą o średnicy 6 m, U = 4,2V, czas impulsu t i = 21 ns, okres 2 s, czas obróbki 30 min; a) średnica otworu na wejściu 8 m; b) średnica otworu na wyjściu 7,3 m a kąt pochylenia 1 o. ; elektrolit: wodny 0,1 M roztwór kwasu siarkowego [11] W przypadku obróbki uniwersalną elektrodą kształt powierzchni obrabianej jest odwzorowaniem trajektorii elektrody w przestrzeni 3D. Zastosowanie elektrod o wymiarach podanych powyżej ( = od 4 m) przy grubości szczeliny rzędu kilku m (od 2 m) istnieje możliwość obróbki złożonych kształtów o małych wymiarach. METODY HYBRYDOWE Obróbkę z zadowalającą wydajnością i dokładnością umożliwiają w wielu przypadkach kombinowane (hybrydowe) niekonwencjonalne metody wytwarzania. Wśród nich na szczególną uwagę zasługuje obróbka elektroerozyjno-ultradźwiękowa (USEDM). Obróbka elektroerozyjno-ultradźwiękowa (USEDM) Śledząc rozwój obróbki elektroerozyjnej z drganiami ultradźwiękowymi elektrody [5, 7, 9] można zaobserwować, że większość realizowanych badań ukierunkowana jest na poznanie wpływu parametrów impulsów elektrycznych i pola ultradźwiękowego na wydajność obróbki, skład i rozkład produktów erozji oraz charakter wyładowań. Również przeprowadzone w IOS badania obróbki ultradźwiękowoelektroerozyjnej [2,3] potwierdziły, że zastosowanie drgań ultradźwiękowych do wspomagania procesu erozji elektrycznej zwiększa jego efektywność, szczególnie w zakresie obróbki wykańczającej. Uzyskano skrócenie czasu obróbki nawet około 10 razy w porównaniu z klasycznym drążeniem EDM. Przy optymalnych warunkach realizacji procesu można również zmniejszyć chropowatość powierzchni i zużycie elektrody roboczej. Stanowisko doświadczalne zbudowano na bazie drążarki elektroerozyjnej EDEA 16 z generatorem UZSD 40Z. Do głowicy roboczej drążarki, za pośrednictwem specjalnie wykonanego elementu, mocowana była głowica ultradźwiękowa GU 160 A (częstotliwość drgań f 22 khz, max moc P = 160 W). Przesuw głowicy ultradźwiękowej w osi Z realizowany był poprzez głowicę drążarki elektroerozyjnej. Schemat stanowiska doświadczalnego przedstawiono na rys. 10.

1 2,5 4 5,5 7 8,5 10 11,5 13 14,5 16 17,5 Rys. 10. Schemat stanowiska doświadczalnego do realizacji obróbki USEDM Na poniższych rysunkach przedstawiono przykładowo zależność wydajności obróbki od wielkości obrabianej średnicy próbki walcowej i mocy drgań ultradźwiękowych. 0,6 0,5 0,4 V w [mm 3 /min] 0,3 0,5-0,6 0,4-0,5 0,3-0,4 0,2-0,3 0,1-0,2 0-0,1 0,2 0,1 0 135 100 P[W] 65 Ø 1 [mm] 30 Rys.11. Zależność V w = f (Ø 1 i P) dla następujących parametrów procesu EDM: I = 1 A, t i = 25 μs, t 0 = 10 μs, U = 60 V, gdzie: I 1 A, U napięcie międzyelektrodowe, t i czas impulsu, t 0 czas przerwy, Ø 1 średnica próbki, P moc generatora US

2,5 4 5,5 7 8,5 10 11,5 13 14,5 16 17,5 2,5 4 5,5 7 8,5 10 11,5 13 14,5 16 17,5 1,2 1 0,8 V w [mm 3 /min] 0,6 1-1,2 0,8-1 0,6-0,8 0,4-0,6 0,2-0,4 0-0,2 0,4 0,2 0 1 135 100 P [W] 65 Ø 1 [mm] 30 Rys.12. Zależność V w = f (Ø 1 i P) dla następujących parametrów procesu EDM: I = 2 A, t i = 40 μs, t 0 = 6 μs, U = 55 V, gdzie: I 2 A, U napięcie międzyelektrodowe, t i czas impulsu, t 0 czas przerwy, Ø 1 średnica próbki, P moc generatora US 2,5 2 1,5 V w [mm 3 /min] 1 2-2,5 1,5-2 1-1,5 0,5-1 0-0,5 0,5 135 0 1 100 P [W] 65 Ø 1 [mm] 30 Rys. 13. Zależność V w = f (Ø 1 i P) dla następujących parametrów procesu EDM EDM: I = 3 A, t i =60 μs, t 0 = 10 μs, U = 50 V, gdzie: I 3 A, U napięcie międzyelektrodowe, t i czas impulsu, t 0 czas przerwy, Ø 1 średnica próbki, P moc generatora US Również badania drążenia powierzchni kształtowych sonotrodą jak na rys. 14 oraz drążenie wąskich szczelin sonotrodami o grubościach 2 mm, 1 mm, 0,2 mm (szczeliny drążono w ze stali 4H13 o twardości 50 HRC, dielektrykiem była nafta kosmetyczna) potwierdziły możliwość uzyskania lepszych wyników w przypadku stosowania obróbki elektroerozyjnej wspomaganej drganiami ultradźwiękowymi elektrody.

Rys. 14. Schemat części roboczej sonotrody Kąt rozwarcia ostrosłupa α [ o ] 90 120 150 Tablica I. Wyniki drążenia wgłębień o kształcie ostrosłupa Rodzaj obróbki Czas drążenia t [min] Głębokość końcowa H [mm] V w [mm 3 /min] Ra [μm] Zużycie elektrody [%] EDM 303 6.40 1.28 0.842 0.35 USEDM 174 6.40 2.38 0.804 0.38 EDM 203 3.70 1.14 0.793 0.73 USEDM 125 3.70 2.19 0.740 0.58 EDM 183 1.90 0.86 0.785 0.93 USEDM 85 1.90 1.90 0.738 1.47 Drążenie głębokich, wąskich szczelin klasyczną obróbką elektroerozyjną jest utrudnione, a czasem nawet niemożliwe. Elektrodami (sonotrodami) o grubościach 1 mm i 0,2 mm nie dało się zrealizować klasycznej obróbki EDM. Przeprowadzone próby wykonywania takich szczelin przy wspomaganiu procesu drążenia drganiami ultradźwiękowymi potwierdziły, że metoda USEDM może być z powodzeniem stosowana do ich wykonywania. Wykonano szczeliny o stosunku szerokości do głębokości nawet 1:20. Tablica II. Wyniki drążenia szczelin Rodzaj obróbki S [mm] H [mm] t [min] Ra [ m] V w [mm 3 / min] Grubość elektrody 2 mm EDM 2.16 2.3 300 0.98 0.32

USEDM 2.03 6.0 133 1.04 1.55 Grubość elektrody 1 mm USEDM 1.13 5.7 60 1.31 1.52 USEDM 1.05 4.9 95 0.86 0.91 Grubość elektrody 0.2 mm USEDM 0.25 4.0 40 0.971 0.49 USEDM 0.3 6.0 60 0.983 0.46 (S szerokość uzyskanej szczeliny, H głębokość drążenia, t czas obróbki, V w wydajność obróbki) Ultradźwiękowe drgania elektrody roboczej wytwarzają falę uderzeniową, która intensyfikuje przepływ dielektryka i usuwanie produktów erozji z obszaru obróbki. W procesie obróbkowym zjawiska wywołane drganiami ultradźwiękowymi, m.in. takie jak ciśnienie akustyczne, kawitacja, dodatkowe generowanie ciepła i proces erozji elektrycznej wzajemnie się wspomagają. Dzięki temu zachodzi lepsze usuwanie z obszaru wyładowania materiału stopionego czy odparowanego. Przeprowadzone badania potwierdziły, że wspomaganie obróbki elektroerozyjnej oddziaływaniem drgań ultradźwiękowych umożliwia zwiększenie wydajności obróbki oraz obniżenie zużycia elektrody roboczej, szczególnie w warunkach obróbki wykańczającej. Należy zaznaczyć, że dla każdego przypadku obróbki koniecznym jest wybranie optymalnej wartości amplitudy drgań ultradźwiękowych. Obróbka elektrochemiczno-ultradźwiękowa (USECM) Jedną z odmian kinematycznych bezstykowej obróbki elektrochemicznej jest obróbka elektrodą uniwersalną (ECM CNC) [4, 7] w kształcie np. walca, kuli lub prostopadłościanu. Powierzchnia elektrody roboczej jest znacząco mniejsza od powierzchni obrabianej a elektroda porusza się wzdłuż odpowiednio dobranego toru. Główna zaletą tej metody jest większa dokładność obróbki (T = 0,02 0,1 mm) w porównaniu z klasycznym drążeniem elektrochemicznym gdzie T = 0,05 0,5 mm. Wadami ECM CNC są przede wszystkim problemy ze skutecznym dostarczeniem elektrolitu w strefę obróbki oraz wyraźnie mniejsza wydajność w porównaniu do drążenia elektrochemicznego. Z tego względu ECM-CNC może być efektywnie stosowana w operacjach wykończeniowych. Przeprowadzone badania [8, 9] wykazały, że wprowadzenie drgań ultradźwiękowych elektrody roboczej ma znaczący wpływ na przebieg procesu roztwarzania elektrochemicznego, co przejawia się możliwością zwiększenia wydajności procesu roztwarzania, a w przypadku optymalnych wartości amplitudy drgań US zmniejszeniem chropowatości powierzchni. Główny wpływ ultradźwięków jest spowodowany kawitacją oraz następstwami tego zjawiska. Ultradźwięki umożliwiają powstawianie pęcherzyków kawitacyjnych w pobliżu powierzchni roboczej (anody). Procesowi zapadania się pęcherzyków towarzyszy powstawanie przy powierzchni anody mikro strug, które powodują zwiększenie intensywności wymiany masy, ładunku elektrycznego i ciepła, co w rezultacie prowadzi do wzrostu prędkości roztwarzania.

Stanowisko do badań USECM CNC w IOS zbudowano na obrabiarce EOCA 40. a) b) Rys. 15. Schemat stanowiska do badań ECM CNC: GU głowica ultradźwiękowa, PO przedmiot obrabiany, D dysza doprowadzająca elektrolit, v p prędkość posuwu elektrody. Rys. 16. Schemat obszaru obróbki: 1 przedmiot obrabiany, 2 elektroda robocza; S o początkowa grubość szczeliny międzyelektrodowej, a grubość usuniętego naddatku, v p prędkość przesuwu elektrody. Przeprowadzone badania potwierdziły, że możliwy jest taki dobór parametrów procesu roztwarzania elektrochemicznego, że grubość usuniętego naddatku w wyniku obróbki USECM CNC jest wyraźnie większa niż w wyniku ECM CNC. Wprowadzenie drgań ultradźwiękowych elektrody roboczej powoduje wzrost a nawet o 50 % (Rys. 16). Zastosowanie drgań ultradźwiękowych elektrody roboczej powoduje zmianę przebiegu procesu roztwarzania elektrochemicznego, zwiększenie lokalnej prędkości roztwarzania, co jest widoczne zwłaszcza dla niewielkich wartości S o. Jednak efektywne wykorzystanie powyższych faktów w warunkach przemysłowych wymaga przeprowadzenia dalszych, kompleksowych badań, które umożliwią dokładne poznanie zjawisk zachodzących w szczelinie międzyelektrodowej oraz pozwolą na określenie podstawowych założeń do projektowania procesu USECM CNC. PODSUMOWANIE Śledząc prowadzone badania i prace rozwojowe w ośrodkach i firmach światowych obserwuje się wzrost zastosowań obróbki elektrochemicznej w operacjach wykańczających oraz w mikroobróbce. Możliwości podniesienia dokładności oraz wykorzystania obróbki elektrochemicznej w operacjach MM i MF stwarza realizacja procesu roztwarzania przy zasilaniu szczeliny prądem impulsowym o czasie t i 20 60 ns. Coraz szersze zastosowanie znajdują metody hybrydowe, takie jak: obróbka elektroerozyjna wspomagana drganiami ultradźwiękowymi elektrody, szczególnie w warunkach gdy utrudnione jest usuwanie produktów erozji; obróbka elektrochemiczna wspomagana drganiami ultradźwiękowymi zarówno w przypadku drążenia jak i obróbki uniwersalnymi elektrodami.

W przypadku wspomagania procesu EDM drganiami ultradźwiękowymi elektrody uzyskuje się w operacjach wykańczających istotne zwiększenia wydajności obróbki jak również zmniejszenie zużycia elektrody roboczej i chropowatości obrabianej powierzchni (elektroda nie ulega zużyciu). W przypadku wspomagania procesu ECM drganiami ultradźwiękowymi elektrody możliwe jest również istotne zwiększenie wydajności obróbki oraz zmniejszenie chropowatości. Przy stosowaniu metod hybrydowych pojawiają się pewne ograniczenia techniczne w wytwarzaniu produktów o wysokich wymaganiach. W celu wprowadzenia metod hybrydowych w zastosowaniach przemysłowych konieczne jest uzyskanie pozytywnych wyników najpierw w etapach badań: poznania i opanowania realizacji procesu, uzyskiwania powtarzalności wyników, a następnie udoskonalania urządzeń: maszyn obróbkowych, agregatów pomocniczych, systemów peryferyjnych, systemów czujnikowych i regulacji oraz urządzeń zabezpieczających. LITERATURA 1. Chikamori K.: Possibilities of electrochemical micromachining. Możliwości mikroobróbki elektrochemicznej.int.j.of Japan Soc.Prec.Eng., 1998, t. 32, nr 1, s. 37-38. 2. Chuchro M., Czekaj.J, Ruszaj A., Krzywda T.: Primary experiments on electrical discharge machining supported by ultrasonic vibrations. Proceedings of 12 th International DAAAM Symposium Intelligent Manufacturing & Automation: Focus Precision Engineering, Jena (Germany), 2001, pp. 71 72. 3. Chuchro M., Ruszaj A., Zybura-Skrabalak M., Altena H., De Silva A., McGeough J.A., Kozak J.: Advantages of electrodischarge machining by electrode ultrasonic vibrations. Proceedings of the Symposium on Research on Clean Hybrid Micromachining (HMM) Processes, Cracow (Poland), 2001, pp. A2-1 A2-19. 4. Kozak J., Chuchro M., Ruszaj A., Karbowski K.: The computer aided simulation of electrochemical process with universal spherical electrodes when machining sculptured surfaces. Proceedings of the 15 th International CAPE Conference, 1999, pp. 425 430. 5. Kremer D., Lebrun J.L., Hosari B., Moisan A.: Effects of ultrasonic vibrations on the performances in EDM. Annals of the CIRP, Vol. 38/1, 1989, pp. 199 202. 6. McGeough J.A., De Silva A., El-Hofy H.: Micromachining by unconventional processes.proc.of the Symp. "Research on Clean HMM Processes", Kraków, 2001, s. B4.1-B4.16. 7. Ruszaj A., Zybura Skrabalak M., Skoczypiec S., Żurek R.: Electrochemical machining supported by electrode ultrasonic vibrations. Proceedings of the 13 th International Symposium of Electromachining. 2001, pp. 953 964. 8. Ruszaj A., Zybura-Skrabalak M., Żurek R., Skrabalak G.: Some aspects of electrochemical machining process supported by electrode ultrasonic vibrations optimisation. 2nd International Conference on Advances in Production Engineering. Warsaw, Poland, vol. II, 2001, pp. 281 290. 9. Ruszaj A.: Niekonwencjonalne metody wytwarzania elementów maszyn i narzędzi. PIOS, Monografia, Kraków, 1999, ss.378. 10. Schmidt K.: Tiefe Schlitze in Metalwerkstücke ultraschallunterstützt funkenerodieren. Maschinenmarkt 103, 1997, 22, pp. 26 30.

11. Se Hyun Ahn, Shi Hyoung Ryu, Deok Ki Choi, Chong Nam Chu: Electro chemical microdriling using ultra short pulses; Precision Engineering 28(2004), 129 134.