Podaci o EDM procesu

Uvod

Elektroerozijska obrada (skraćenica SEDM) ima određene prednosti u odnosu na druge obradne procese, posebno na polju izrade složenih oblika, dubokih utora i unutarnjih oštrih kutova u mehanički tvrdim materijalima (u tvrdim legurama). SEDM metoda danas je dio visoko automatizirane tehnologije.  Da bismo bolje razumjeli SEDM postupak, potrebno je poznavati osnovne aspekte teorije elektroerozijskog uklanjanja metala. Alat-elektroda (AE) zrcali svoju negativnu sliku u obradak elektrode (OE), a oblik i dimenzija ove slike zrcalna su slika dimenzija i geometrije alata-elektrode. U stvari, svako elektro pražnjenje između AE i OE dovodi do stvaranja lokalnih kratera na njihovim površinama u polju obrade. Opterećenje velikog broja takvih kratera i regulator protoka čine geometriju zazora između dviju elektrodama. SEDM je nekonvencionalni proces gdje su uvjeti za stvaranje i odvijanje svakog električnog pražnjenja ovisni o prethodnim električnim pražnjenjima. Matematički model procesa ne postoji jer isti proces zahtjeva cjeloviti opis nelinearnih, vjerojatnosnih, elektrodinamičkih, toplinsko-energetskih, hidrodinamičkih i toplinsko-kemijskih procesa, koji se međusobno odvijaju tijekom svakog električnog pražnjenja. Zato su istraživači za EDM razvili fenomenološki model procesa, u kojemu se njegovi glavni vidici promatraju odvojeno. Oni obuhvaćaju:

1. Faze u jednom električnom pražnjenju

   • proboj i oblikovanje provodnog kanala

   • toplinski procesi na elektrodama i raspodjela energije

   • nastanak plinskog mjehura oko kanala električnog pražnjenja

   • toplinsko-kemijski procesi u dielektriku

2. Procesi u području obrade koji se odvijaju masovnim električnim pražnjenjima

 

Faze u jednom električnom pražnjenju

Izboj

Postoje različite teorije zašto u utorima između elektroda dolazi do izboja. Po našem mišljenju najkorisnija je teorija,  po kojoj udarna ionizacija među elektroprovodljivim česticama u tekućinama stvara provodni kanal. Naime, teorija pojašnjava, zašto se u čistom dielektriku proces ne završava (kratki spojevi) i zašto veličina utora između elektroda jako ovisi o koncentraciji nečistoća na radnoj površini. Pri obradi grubih ili djelomično očišćenih površina postoji mogućnost osjetnog povećanja opasnosti od kratkih spojeva zbog nečistoća. Za stabilizaciju radnog procesa u takvim uvjetima, nužno je da je snaga generatora na početku električnog pražnjenja dovoljno velika, kako bi uništila elektroprovodljive čestice koje nastaju kao posljedica erozije materijala i da se stvori normalan kanal električnog pražnjenja.

Provodni kanal

Kod izboja među elektrodama se oblikuje provodni kanal čiji se promjer u prvim mikrosekundama brzo povećava. Kod dužih električnih pražnjenja brzina, smanjuje se povećanje promjera provodnog kanala. Brzina širenja provodnog kanala (kod istih drugih uvjeta) ovisi o osobinama dieletrika (temperatura, koncentracije nečistoće, itd.).U provodnom kanalu stvara se plazma koja se sastoji od iona i elektrona. Odmah nakon izboja u početnoj fazi električnog pražnjenja, elektroni imaju veću temperaturu i veću kinetičku energiju od iona. Kod dovoljno dugih električnih pražnenja, temperature elektrona i iona se počinju izjednačavati, a plazma u kanalu električnog pražnjenja postaje više izometrijska.Pad napona u provodnom kanalu je proporcionalan s dužinom kanala. Povećanje promjera kanala ovisi o dužini trajanja i snazi električnog pražnjenja, a ovisi i o svojstvima dielektrika.

Energetska bilanca

Zapravo se energija i snaga raspodjeljuju između elektroda – katode i anode, a postoji i raspodjela u kanalu električnog pražnjenja. Energija koja pokreće proces dolazi do elektroda na sljedeće načine:    

• pomoću protoka elektrona i iona   
• pomoću protoka topline iz ispusnog kanala   
• pomoću toplinskog zračenja   
• pomoću uobičajenih izvora topline

Proračuni pokazuju da većina energije ulazi u elektrode kroz protok elektrona i iona (vidi Dodatak 1). Raspodjela energije između anode i katode ovisi o trajanju pražnjenja pod istim ostalim uvjetima. Ako je pražnjenje manje od 10 mikrosekundi, većina energije strujom “bržih” elektrona prenosi se na anodu. Ako pražnjenje traje između 100 i 1000 mikrosekundi:

• većina energije prelazi na katodu putem “sporih” iona
• pad napona na anodi je smanjen. Pad napona približno je proporcionalan gustoći električne struje, koja se smanjuje s povećanjem promjera kanala vodiča.

Stoga je pri dovoljno dugim pražnjenjima uklanjanje materijala s katode veće od uklanjanja materijala s anode. Snaga koju emitiraju katoda i anoda može se izraziti toplinskom energijom. Gustoća toplinske energije, kao i gustoća električne struje, ovise o trajanju i snazi ​​pražnjenja. Toplinska energija koja se stvara u provodnom kanalu oslobađa se isparavanjem dielektrika (radne tekućine) i u obliku svjetlosne energije.

Prijenos toplinske energije

Uz pomoć klasične termofizike identificirani su i istraženi sljedeći fenomeni:

• ako pražnjenje traje više od 10 mikrosekundi, gustoća toplinske energije u utoru doseže više od 10 milijuna W po cm2. U ovom slučaju, materijal elektrode ispari u trenutku, neovisno o termo-fizičkim konstantama. U ovom slučaju, malo toplinske energije prelazi u samu elektrodu, tako da pri korištenju kratkih impulsa nakon EDM gotovo da nema termički modificiranog sloja.
•  ako impuls traje od 100 do 1000 mikrosekundi, gustoća toplinske energije postupno se smanjuje. Glavnina materijala uzeta iz kratera je u rastaljenom stanju i ne isparava. Većina toplinske energije u ovom slučaju prelazi u tijelo elektroda, što dovodi do stvaranja toplinski promijenjenog sloja čija je dubina od 0,01-0,2 mm

Za pražnjenja koja traju relativno duže moguće je iskoristiti razlike u termofizičkim svojstvima materijala elektroda, čime se značajno smanjuje trošenje elektrode alata. Na primjer: temperatura sublimacije grafita iznosi 3500 ° C, a toplinska vodljivost bakra nekoliko je puta veća od toplinske vodljivosti grafita i čelika. Toplinska vodljivost volframa je relativno visoka, a točka topljenja smještena je na 3367 ºC. Zbog svojih termofizičkih svojstava, ti se materijali također uglavnom koriste u elektrodnim alatima.

Nemamo točan EDM model (kao što je gore spomenuto). Međutim, poznati modeli toplinskih procesa u elektrodama omogućuju približni izračun hrapavosti površine i dubine termički modificiranog sloja. Pomoću ovog modela moguće je približno predvidjeti uklanjanje materijala i trošenje elektroda alata.

Dinamika stvaranja mjehurića plina oko provodnog kanala

Na početku pražnjenja, kanal je komprimiran, uglavnom zato što je radna tekućina u kojoj se odvija proces nestlačiva. Stoga se u trenutku početka pražnjenja pojavljuje “udarni val” tlaka, koji ovisi o brzini porasta struje. Tada se mjehur vrućeg plina stvara i širi oko provodnog kanala. Parametri ovog mjehura ovise o parametrima ispuštanja, stupnju interakcije prethodnih ispuštanja i svojstvima radne tekućine. Mjehur plina širi se do određenog maksimalnog volumena, nakon čega se urušava. Mjehur plina traje nešto duže od trajanja samog pražnjenja.

Uklanjanje materijala iz kratera

Rastopljene čestice i isparenja metala velikom brzinom izlete iz kratera, koji se stvara pomoću pražnjenja u materijalu elektrode. Čestice postižu brzinu do 100 m / s, tijekom putovanja. To se događa tijekom trajanja pražnjenja zbog razlike u tlaku koja se javlja na granici između pražnjenja i metala. Veći udio metala izlazi iz kratera u rastaljenom ili plinovitom obliku u trenutku pada struje na kraju pražnjenja, što je povezano s velikim padom tlaka u provodnom kanalu. To dovodi do isparavanja već užarenog metala i eksplozivnog izbijanja metala iz kratera. Što je kraći zadnji impuls struje, to je intenzivnije izbacivanje legure iz kratera.

Termo-kemijski procesi u dielektriku (radnoj tekućini)

Radne tekućine u EDM obično sadrže ugljik. Kada se tekućina zagrije i ispari, tijekom ispuštanja nastaju formacije asfalt-smola i čestice pirolitičkog grafita, koji su produkti toplinskog pucanja. Dielektrik isparava ne samo oko pražnjenja, već i na mjestima koja se zagrijavaju susjednim pražnjenjima. Ti procesi troše 10 do 15% sve energije koju generira. Proizvodi toplinskog loma su elektrovodljivi, tako da pod istim ostalim uvjetima njihova koncentracija utječe na veličinu razmaka između elektroda.

Procesi na radnoj površini tijekom ispuštanja mase

Čak i ako su stanke između ispuštanja dulje od samih ispuštanja, prethodna ispuštanja utječu na tijek svakog sljedećeg proboja i tijek sljedećih ispuštanja. U slučaju obrade ne glatkih i prljavih površina postavlja se stanka koja je nešto kraća od ispuštanja. Stoga interakcija ispuštanja koja se odvijaju na ograničenom obrađenom području igra važnu ulogu u raspodjeli naknadnih ispuštanja po obrađenom području. Raspodjela pražnjenja, međutim, utječe ne samo na uklanjanje slitine i trošenje elektrode alata, već i na debljinu termički izmijenjenog sloja i konturu površine.

Međusobna povezanost ispuštanja ogleda se u njihovoj agregaciji na određenim mjestima obradive površine, jer su uvjeti za ponovljena električna pražnenja bolja tamo gdje su ona već istekla.

Temperaturne superpozicije na određenim lokaliziranim područjima radne površine, gdje se električna pražnjenja kombiniraju, dovode do pregrijavanja tih dijelova i isparavanja radne tekućine. Para se s česticama erozije diže prema izlazu iz radnog područja. Ako je volumen pare veći od obrađenog volumena, postupak izbacivanja čestica se zaustavlja. Pražnjenja između elektroda odvijaju se u prostoru zasićenom erodiranim česticama, u tom slučaju dolazi do sinterovanja i stvaranja troske. Glavni cilj upravljanja procesima je spriječiti stvaranje troske.

Zbog temperaturnih superpozicija (uzrokovanih masom pražnjenja na određenom mjestu), debljina termički izmijenjenog sloja radne površine uvijek je veća od one gdje se dogodilo samo jedno pražnjenje. Toplinsku energiju akumuliraju obje elektrode, kroz elektrode toplinska energija prelazi u radnu tekućinu i s radnom tekućinom napušta radno područje. 80% energije koju daje generator, koristi se za zagrijavanje elektroda i radne tekućine.

Veoma važan je još jedan postupak koji je izravno povezan s udruživanjem električnog pražnenja. Tanak sloj pirolitičkog grafita nastaje na određenim lokaliziranim žarištima na površini anode gdje se elektro pražnenja kombiniraju. Ovaj sloj, pod određenim uvjetima, značajno smanjuje habanje alata i elektroda od bakra i grafita. Ova činjenica jasno svjedoči o važnosti grupnog pokretanja električnog pražnenja bez stvaranja troske.