212 MECHANIK NR 3/2011 Obróbka elektrochemiczno-elektroerozyjna materiałów trudno obrabialnych MARIA ZYBURA GRZEGORZ SKRABALAK* * Dr Maria Zybura, mgr inż. Grzegorz Skrabalak Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania Przedstawiono prowadzone w Instytucie Zaawansowanych Technologii Wytwarzania badania obróbki elektrochemicznej (ECM) intensyfikowanej przez proces elektroerozyjny (EDM). Wyniki badań wskazują, że uzyskano postęp w technologii elektrochemicznej wspomaganej przez wyładowania elektryczne, wyrażający się w zmniejszeniu energochłonności, podniesieniu dokładności obróbki oraz jakości powierzchni obrobionych, możliwości ich wykonania z nowych, specjalnych materiałów, eliminacji pracochłonnych i szkodliwych dla zdrowia ręcznych operacji wykończeniowych oraz zmniejszenia szkodliwego wpływu cieczy roboczej. Tym samym stworzono warunki do wdrożenia do polskiego przemysłu nowej, atrakcyjnej technologicznie i ekologicznie metody obróbki. Usprawnienie technologiczne procesów obróbki można osiągnąć poprzez łączenie różnego rodzaju oddziaływań fizyczno-chemicznych. Rozwój niekonwencjonalnych procesów wytwarzania stymulowany jest wciąż rosnącymi potrzebami przemysłu w zakresie wydajności i dokładności obróbki, jakości warstwy wierzchniej, kształtowania materiałów kompozytowych i ze specjalnych stopów, obróbki małych elementów oraz koniecznością uzyskiwania małej chropowatości powierzchni. Obszar ich zastosowania to przede wszystkim przemysł elektroniczny, lotniczy, medyczny, elementy mechaniczne manipulatorów, przekładni, silników i specjalnej aparatury pomiarowej. Obróbkę z zadowalającą dokładnością i wydajnością umożliwiają w wielu przypadkach kombinowane, niekonwencjonalne metody wytwarzania, szczególnie przydatne do kształtowania elementów wykonanych ze specjalnych stopów czy materiałów kompozytowych. Dlatego też, aby sprostać potrzebom przemysłu, konieczne było podjęcie badań w zakresie elektroerozyjnej intensyfikacji procesu obróbki elektrochemicznej w bardzo szerokim zakresie (od obróbki małych otworów, obróbki małych powierzchni kształtowych do możliwie dużych powierzchni) dla różnych materiałów (od stali narzędziowych do stali o specjalnych właściwościach, m.in. takich, jak INCONEL). Obróbka elektrochemiczno-elektroerozyjna (ECDM) realizowana jest zwykle w słabych wodnych roztworach elektrolitu (np. wodny roztwór NaNO 3 o stężeniu 0,5 5%). Świadczy to o ekologiczności tej metody obróbki w porównaniu ze standardową obróbką ECM, podczas której używane są roztwory NaNO 3 /NaCl o stężeniu przekraczającym 20%. Podczas obróbki elektroda robocza przesuwa się ponad/lub w kierunku przedmiotu obrabianego. Energia elektryczna dostarczana jest w postaci impulsów napięcia o amplitudzie 10 120 V i stosunku t i /t p =10µs/5 µs 2000 µs/500 µs [1, 2]. W niektórych przypadkach prowadzenia procesu obróbki ECDM stosuje się napięcie impulsowe nałożone na napięcie stałe o mniejszej wartości niż amplituda napięcia impulsowego. Do obszaru obróbki dostarczany jest elektrolit. W zależności od grubości szczeliny międzyelektrodowej, czasu impulsu, czasu przerwy i energii impulsu naddatek usuwany jest w wyniku roztwarzania elektrochemicznego lub roztwarzania elektrochemicznego i wyładowań elektrycznych (analogicznie do obróbki elektroerozyjnej). W zależności od warunków amplituda natężenia prądu w impulsie zmienia się w czasie procesu ECDM od kilku do kilkuset amperów. Zjawiska przebiegające w trakcie procesu ECDM wynikają z faktu, że wraz ze wzrostem napięcia wzrastają natężenie prądu i intensywność reakcji elektrodowych, a równocześnie rosną koncentracja wodoru oraz temperatura elektrolitu. Elektrolit nagrzewa się lokalnie aż do temperatury wrzenia. Przestrzeń pomiędzy elektrodami wypełnia się źle przewodzącą mieszaniną wodoru i par elektrolitu. Maleje grubość szczeliny, a rośnie gradient potencjału pola elektrycznego, aż do wystąpienia wyładowania elektrycznego. W obszarze wyładowania część materiału zostaje usunięta w wyniku stopienia, a część w wyniku odparowania na skutek wysokiej temperatury. Udział roztwarzania elektrochemicznego i obróbki elektroerozyjnej zmienia się w zależności od wartości wymienionych parametrów. W ślad za tym w szerokim przedziale zmieniają się możliwe do uzyskania wydajność, dokładność i jakość powierzchni obrobionej. Uproszczony schemat przebiegu procesu ECDM podczas trwania impulsu roboczego zaprezentowano na rys. 1 [3]. Rys. 1. Schemat procesu ECDM [3]
MECHANIK NR 3/2011 213 Dzięki wzajemnemu wspomaganiu się procesów roztwarzania i elektroerozji można uzyskać stosunkowo dużą wydajność, istotnie większą (5 50 razy) niż przy obróbce elektrochemicznej czy elektroerozyjnej. Pojawienie się wyładowania w szczelinie międzyelektrodowej i początek procesu obróbki elektrochemicznej intensyfikowanej procesem elektroerozji poprzedza okres przebiegu procesu elektrochemicznego, w czasie którego stwarzane są warunki do wyładowania (nasycenie gazem, nagrzewanie i parowanie elektrolitu w warstwach między pęcherzykami, tworzenie izolacyjnej warstewki gazowo- -parowej). Ten okres czasu nazywany jest też czasem opóźnienia wyładowania. Wielkość napięcia wyładowania zależna jest od rodzaju elektrolitu i wielkości szczeliny międzyelektrodowej i np. dla elektrolitu wodnego roztworu NaNO 3 przy grubości szczeliny 0,1 mm napięcie wyładowania wynosi ok. 60 V, a przy szczelinie 0,3 mm ok. 90 V. Badania doświadczalne Do badań przygotowano stanowisko bazujące na dostępnych w Instytucie zespołach obrabiarek. Badania procesu ECDM przeprowadzono na elementach obrabiarki opracowanej w ramach projektu ELESIN dofinansowywanego ze środków Komisji Europejskiej w ramach 5. Programu Ramowego. Stanowisko to umożliwiało synchronizację pracy zasilacza z układem sterowania, a także zapewniało stałe właściwości elektrolitu na wejściu do szczeliny. Sterowanie właściwościami elektrolitu było możliwe przez wyposażenie układu obiegu cieczy w układ chłodzenia i oczyszczania. W projekcie ELESIN badano proces drążenia głębokich otworów o małej średnicy. Układ zasilania elektrolitem został wyposażony w pompę, która podawała elektrolit pod ciśnieniem 50 bar. W przypadku realizacji badań nad drążeniem kształtów proces obróbki prowadzono do głębokości 5 mm, w związku z czym pompa wysokociśnieniowa została zastąpiona elektropompką. Modyfikacje wprowadzono również w układzie sterowania, opartym na komputerze PC, wyposażonym w kartę sterowania napędami (NI-PCI 7434) oraz kartę oscyloskopową (NI-PCI 5112). Uproszczony schemat stanowiska badawczego przedstawiono na rys. 2. Jako źródło impulsów roboczych wykorzystywano generator zaprojektowany i wykonany w Uniwersytecie w Magdeburgu, który był również wykorzystywany podczas projektu ELESIN. Generator ten umożliwia stosowanie impulsów o następujących, płynnie regulowanych, parametrach: prąd roboczy: 0 50 A; napięcie robocze: 20 120 V; czas impulsu: 10 2000 µs; czas przerwy: 10 2000 µs. Drążenie ECDM Badania wstępne zostały przeprowadzone przy użyciu próbek wykonanych ze stali NC6 oraz stopu INCONEL 617 (skład chemiczny: 54,12% Ni, 21,61% Cr, 11,54 Co, 9,62% Mo, 1,40% Fe, 1,11% Al oraz małe ilości Ti, C, Mn, Cu, Si, B, P oraz S). Próbki były składane z dwóch elementów proces obróbki odbywał się w miejscu ich łączenia. Rozwiązanie takie umożliwia dokładniejszą analizę powierzchni po wykonaniu doświadczeń. Elektrodami roboczymi były wykonane z miedzi rurki grubościenne o zewnętrznych średnicach odpowiednio: 4, 6 i 8 mm. Wewnętrzna średnica otworu, wykorzystywanego również do dostarczania elektrolitu, była równa 2 mm. Próby prowadzone były w roztworach wodnych NaCl oraz NaNO 3 o stężeniach 0,5 1,5%. Podczas prowadzenia doświadczeń obrabiane elementy były zanurzone w elektrolicie. Oprócz tego elektrolit był dostarczany przez otwór centralny w elektrodach. W ramach prób wstępnych prowadzony był proces drążenia wgłębnego. Wyniki przedstawiono na rys. 3. a) b) c) Rys. 3. Zdjęcia próbek po obróbce ECDM: a) 8 mm, b) 6 mm, c) 4mm Rys. 2. Uproszczony schemat stanowiska do badań ECDM Na rys. 3 widać ślady rozpływu elektrolitu na dnie każdego z otworów, co jest typowe dla procesu obróbki ECM. Wpływ procesu ECM można też zauważyć w postaci zaokrągleń na granicy materiału przy wejściu do otworu. Po wykonaniu prób zmierzono chropowatość powierzchni na dnie otworu oraz wyznaczono współczynnik MRR. Wyniki przedstawiono na rys. 4. Podczas prowadzenia doświadczeń zarejestrowano również przykładowe przebiegi prądu i napięcia (rys. 5 i 6). Na podstawie ich analizy można stwierdzić przewagę procesu roztwarzania elektrochemicznego podczas procesu ECDM, jakkolwiek występują również impulsy o kształcie i charakterze typowym dla procesu EDM.
214 MECHANIK NR 3/2011 Rys. 4. Wyniki badań obróbki INCONEL w różnych elektrolitach dla: U =70V,t i = t p =40µs Frezowanie ECDM Podczas realizacji części pracy związanej z badaniami nad obróbką elektrochemiczno-erozyjną (ECDM) oraz jej wpływem na właściwości warstwy wierzchniej przeprowadzono doświadczenia frezowania ECDM. Uproszczony schemat stanowiska oraz kinematykę ruchu przedstawiono na rys. 7. Stanowisko zostało zbudowane na bazie elektrodrążarki CNC projektu IZTW. W drążarce wymieniono generator impulsów roboczych oraz układ sterowania. Ponadto stanowisko zostało wyposażone w głowicę obrotową, umożliwiającą obrót elektrody roboczej a) b) Rys. 5. Przebieg napięcia U i prądu I w czasie obróbki INCONEL z następującymi parametrami: U =70V,I =20 A,t i /t p =40µs, elektrolit 0,5% wodny roztwór NaNO 3 Rys. 6. Przebieg napięcia U i prądu I w czasie obróbki INCONEL z następującymi parametrami: U =50V, I =20A, t i /t p =50µs, elektrolit 1,5% wodny roztwór NaNO 3 Rys. 7. Uproszczony schemat stanowiska (a) oraz kinematyki (b) procesu frezowania ECDM z prędkością 500 obr/min. Podczas prowadzonych doświadczeń wykorzystano elektrody rurki miedziane o średnicy zewnętrznej 4 mm oraz średnicy otworu równej 2 mm. Przeprowadzone doświadczenia miały na celu znalezienie optymalnych warunków obróbki materiałów INCONEL 617 oraz hartowanej stali NC6. Oprócz parametrów elektrycznych prowadzenia procesu badano również wpływ rodzaju i stężenia stosowanego elektrolitu oraz warunków hydrodynamicznych w szczelinie międzyelektrodowej. W czasie doświadczeń stosowano wodne roztwory NaCl i NaNO 3 o stężeniach 1% i 2%. Próby wstępne pozwoliły na eliminację z grupy eksperymentów planowanych przypadków, w których próbka była zanurzona w elektrolicie. Było to spowodowane niekontrolowaną obróbką wywołaną prądami błądzącymi wokół frezowanego kształtu (rowka) rys. 8. Doświadczenia przeprowadzono dla przypadków: przedmiot obrabiany niezanurzony w elektrolicie, elektrolit podawany przez otwór w elektrodzie, przedmiot obrabiany niezanurzony w elektrolicie, elektrolit podawany z boku.
MECHANIK NR 3/2011 215 Rys. 8. Uszkodzenia powierzchni wokół obrabianego kształtu Rys. 9. Pomiar błędu kształtu obrabianego przedmiotu (linia przerywana wskazuje wartość teoretyczną nieuwzględniającą zużycia elektrody roboczej) Wykonane serie doświadczeń, na podstawie planu PS/DK-3-2 (statyczny, zdeterminowany, kompletny plan doświadczeń dla 2 zmiennych z 3 poziomami zmienności), miały na celu określenie podstawowych charakterystyk procesu w zależności od parametrów prądowych. Wielkości wynikowe to: współczynnik ilości usuniętego materiału (MRR); chropowatość uzyskanej powierzchni (Ra); błąd kształtu (DA). Przez błąd kształtu rozumiane jest odchylenie/ różnica pomiędzy wymiarami prognozowanymi i rzeczywistymi wydrążonego kształtu. Błąd był mierzony zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 9. Na całkowity błąd kształtu obrabianego elementu wpływ mają : zużycie wzdłużne elektrody ( h na rys. 9); zużycie elektrody na średnicy ( W na rys. 9). Charakterystyki procesu frezowania ECDM w zależności od parametrów nastaw impulsów roboczych przedstawiono na rys. 10. Prezentowane wyniki zostały uzyskane dla 1% roztworu NaNO 3 o temperaturze 20 C. W przypadku NaCl oraz innych stężeń elektrolitu, charakter prezentowanych zależności jest identyczny. Różnice były widoczne dla poszczególnych wartości. Na rys. 11 przedstawiono porównanie wielkości charakterystycznych dla procesu obróbki prowadzonego w różnych elektrolitach i przy różnych stężeniach. Podsumowanie Na podstawie analizy wyników przeprowadzonych doświadczeń można potwierdzić znaczną użyteczność procesu ECDM w kształtowaniu materiałów. Proces ten ze względu na znaczny udział procentowy procesu ECM, a) b) c) Rys. 10. Wyniki modelu zbudowanego w oparciu o równanie regresji: a) MRR (U,I), b) DA(U,I), c) Ra (U,I) Rys. 11. Porównanie wyników dla procesu frezowania ECDM prowadzonego w różnych elektrolitach (dla następujących parametrów: U =70V, I =20A, t ON =t OFF =40µs, obrabiany materiał INCONEL 617) a) b) Rys. 12. Porównanie warstwy wierzchniej po obróbce: a) frezowanie ECDM, b) frezowanie elektroerozyjne
216 MECHANIK NR 3/2011 w porównaniu z procesem obróbki EDM, powoduje zdecydowanie mniejsze zmiany w warstwie wierzchniej obrabianych materiałów. W przypadku procesu ECDM strefa zmieniona ma grubość ok. 10 25 µm w głąb materiału, podczas gdy w przypadku obróbki wykorzystującej metodę EDM jest to 40 60 µm (patrz rys. 12). Rys. 13. Oscylogram zarejestrowany podczas procesu obróbki metodą ECDM: przebiegi napięcia (2) i prądu (4) Dobra jakość powierzchni wytworzonej w procesie ECDM wynika z faktu dużego udziału ECM w procesie obróbki. Udział procesu ECM podczas procesu obróbki jest widoczny na zarejestrowanym przebiegu prądu i napięcia w czasie procesu obróbki (rys. 13). W czasie przebiegu procesu elektrochemiczno-elektroerozyjnego w szczelinie międzyelektrodowej obserwuje się przejście z obszaru obróbki elektrochemicznej do obszaru obróbki elektroerozyjnej. Procesy obróbki elektrochemicznej i elektroerozyjnej zachodzą w szczelinie międzyelektrodowej w tym samym czasie, ale w różnych jej miejscach. Przyczyną takiego rozmieszczenia jest wytworzenie się warstwy gazowo-parowej w przestrzeni wyładowań elektrycznych. Największy wpływ na udział tych dwóch procesów ma grubość szczeliny międzyelektrodowej. Wzrost grubości szczeliny międzyelektrodowej uniemożliwia występowanie wyładowań elektrycznych, a ułatwia roztwarzanie elektrochemiczne. Tak więc dla określonego napięcia i dla małej prędkości przesuwu elektrody roboczej gdy grubość szczeliny jest większa od krytycznej, następuje roztwarzanie elektrochemiczne. Natomiast gdy prędkość przesuwu wzrasta, a grubość szczeliny zmniejsza się i jest zbliżona do krytycznej, można obserwować wyładowania i równocześnie z roztwarzaniem elektrochemicznym występuje obróbka przez wyładowania elektryczne. Od udziału tych dwóch procesów w procesie obróbki zależą jej szybkość i jakość obrobionej powierzchni. Wyładowania w szczelinie międzyelektrodowej i początek procesu obróbki elektrochemicznej intensyfikowanej procesem elektroerozji poprzedza okres przebiegu procesu elektrochemicznego, kiedy to stwarzane są warunki dla wyładowania (nasycenie gazem, nagrzewanie i parowanie elektrolitu w warstwach między pęcherzykami, tworzenie izolacyjnej warstewki gazowo-parowej). Nazywa się on czasem opóźnienia wyładowania. Wielkość napięcia wyładowania zależna jest od rodzaju elektrolitu i wielkości szczeliny międzyelektrodowej i np. dla elektrolitu wodnego roztworu NaNO 3 przy grubości szczeliny 0,1 mm napięcie wyładowania wynosi ok. 60 V, a przy szczelinie 0,3 mm ok. 90 V. Porównanie metod ECM, EDM I ECDM pokazało, że: proces ECDM daje możliwość otrzymania lepszej jakości powierzchni z większą dokładnością niż przy oddzielnym stosowaniu metod ECM i EDM, a ponadto odbywa się bez zużycia elektrody albo z mniejszym jej zużyciem niż w procesie EDM; proces ECDM jest bardziej przyjazny dla środowiska niż ECM i EDM, gdyż stosuje się bardzo rozcieńczone wodne roztwory elektrolitów; dla INCONEL otrzymano znacznie lepsze wyniki w przypadku zastosowania ECDM, niż gdy oddzielano EDM od ECM; chropowatość powierzchni jest znacznie mniejsza niż po każdej metodzie stosowanej oddzielnie; bardzo trudno jest określić udział procesów ECM i EDM w procesie ECDM. Największą wydajność procesu ECDM można uzyskać w przypadku drążenia otworów i przecinania. Wydajność uzyskiwana przy obróbce matryc jest mniejsza i zależy m. in. od kształtu i wielkości powierzchni obrobionej. W miarę wzrostu udziału obróbki elektroerozyjnej wzrasta zużycie elektrody roboczej. Obróbka elektroerozyjno- -elektrochemiczna znajduje zastosowanie do obróbki otworów i wgłębień w specjalnych trudno obrabialnych materiałach. W wyniku przeprowadzonych badań uzyskano postęp w technologii elektrochemicznej, wspomaganej przez wyładowania elektryczne, wyrażający się w zmniejszeniu energochłonności, podniesieniu dokładności obróbki oraz jakości powierzchni obrobionych, możliwości ich wykonania z nowych, specjalnych materiałów, eliminacji pracochłonnych i szkodliwych dla zdrowia ręcznych operacji wykończeniowych oraz zmniejszenia szkodliwego wpływu cieczy roboczej. Tym samym stworzone zostały warunki do wdrożenia do polskiego przemysłu nowej, atrakcyjnej technologicznie i ekologicznie metody obróbki. Dodatkowymi atutami tej metody są: spodziewane zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska, a także zmniejszenie kosztów kształtowania. W procesie EDM właściwości warstwy wierzchniej są bardzo niekorzystne z powodu powstających warstw: zmienionej o grubości ok. 800 µm oraz białej o grubości ok. 50 60 µm. Po procesie ECM praktycznie nie ma warstwy zmienionej. Warstwa taka nie powstanie w wyniku procesu ECDM, który w fazie końcowej będzie realizowany z przewagą roztwarzania elektrochemicznego. LITERATURA 1. A.D. DAVYDOV, J. KOZAK: Physical-Chemical Principles of Electrochemical Discharge Machining. Elektronnaja Obrabotka Materialov, nr 3, 1991, s. 3 13 (in Russian). Surface Engineering and Applied Electrochemistry (edited in English in USA). 2. J.A. McGEOUGH, A.U. KHAYRY, W. MUNRO: Theoretical and Experimental Investigation of the Relative Effects of Spark Erosion and Electrochemical Dissolution in Electrochemical Arc Machining. Annals of the CIRP, 1983 Vol. 32/1, s. 113 116. 3. J. KOZAK, K.P. RAJURKAR: Selected problems of Hybrid Machining. Part 1: Electrochemical Discharge Machining (ECDM/ECAM). Advances in Manufacturing Science and Technology, 2000, Vol. 24, nr 2, s. 25 50.